풍력발전 계통접속 기술요건을 LVRT·전압제어 중심으로 정리했습니다. FRT 곡선 해석, V-Q·역률·Mvar 제어모드 선택, 무효전력 용량 산정, 모델·현장시험 준비 체크포인트까지 한 번에 제공합니다. 국내 연계기준과 해외 사례를 비교해 실무 적용 기준을 잡는 데 도움을 줍니다.
풍력발전 계통접속 기술요건(Grid Code)은 풍력발전기가 계통에 연결된 뒤에도 전압·주파수 교란을 견디고, 무효전력으로 전압을 지지하며, 운영자 지시를 이행하도록 요구하는 기술 규칙입니다. 특히 LVRT와 전압제어는 접속협의·준공시험에서 가장 많이 질문받는 항목이므로, 곡선 해석과 설정 점검 순서를 중심으로 실무에 바로 쓰이게 정리합니다. 현장과 서류에서 놓치기 쉬운 함정도 함께 짚습니다.
Grid Code가 요구하는 최소 기능
Grid Code의 목적은 연계점(PCC/POI)에서 발전원이 “계통을 불안정하게 만들지 않고, 필요할 때는 안정화에 기여”하도록 최소 기능을 계약 수준으로 고정하는 데 있습니다. 보통 ① 전압·주파수 허용범위 내 연속운전, ② 사고 시 연계 유지(FRT: LVRT/HVRT), ③ 무효전력 공급능력과 전압조정, ④ 유효전력 출력제어(램프율, 급감발, 재병입), ⑤ 전력품질(전압변동·플리커·고조파), ⑥ 보호·통신·모델 제출 의무로 묶어 평가합니다. 국내 배전계통 연계 기술기준도 한전 계통 고장 등으로 전압·주파수 이상이 발생할 때 계통연계를 유지(Fault Ride-Through)할 것을 요구하며, 일반 분리시간 요건보다 계통연계 유지 요건을 우선 적용하도록 규정합니다. (Daum CDN)
실무에서는 “어느 문서가 우선인가”를 먼저 정리해야 합니다. 접속계약(계통운영자 요구치), 연계 기술기준(법·규정), 그리고 운영규칙(지시·증빙 절차)이 서로 다른 문장으로 같은 요구를 표현하는 경우가 많기 때문입니다.
LVRT 이해와 곡선 읽는 법
LVRT는 고장으로 접속점 전압이 급락해도 일정 시간 동안 발전기가 계통에서 이탈하지 않고, 고장 해소 후 정상 운전으로 복귀할 수 있어야 한다는 요구입니다. LVRT 곡선은 전압(pu)과 시간(초)으로 탈락 금지 구간(또는 No-Trip Zone)을 정의하며, 실제 설비는 이 곡선에 맞춰 보호계전기와 컨버터 제어가 함께 설계됩니다. 함정은 세 가지로 정리됩니다. 첫째, 전압 기준이 상간전압인지 상전압(상대지)인지에 따라 보호동작이 달라집니다. 둘째, 누적 지속시간(cumulative duration) 기준을 적용하면 반복 외란에서 ‘누적 초과’로 탈락할 수 있습니다. 셋째, 순간정지(momentary cessation)처럼 유효전력 출력을 일시적으로 줄이는 동작이 포함될 수 있어, 운영자가 기대하는 출력과 괴리가 생깁니다. 북미 PRC-024 계열은 보호설정이 Ride-through 곡선과 모순되지 않도록 요구하고, pu 기준전압을 접속점 공칭 운전전압으로 둔다고 설명합니다. 따라서 실무에서는 곡선 자체보다 먼저 ‘측정지점·기준전압·보호설정’의 정합을 확인해야 합니다. (NERC)
전압제어의 핵심: V-Q·역률·Mvar
전압제어는 전압을 목표값으로 두고 무효전력(Q)을 자동으로 내보내거나 흡수하여 전압을 안정화시키는 기능입니다. 국내 송·배전용 전기설비 이용규정에서는 풍력(태양광·연료전지 포함)이 세 가지 무효전력 제어방식, 즉 일정 무효전력(Mvar) 모드, 일정 역률(PF) 모드, 전압조정을 위한 V-Q 모드를 구비하고 계통운영자가 지시하는 기능을 수행할 수 있어야 한다고 명시합니다. (Recloud)
운영 관점에서 모드 선택은 다음처럼 접근하면 안전합니다. 평상시에는 PF 모드로 계획된 무효전력 교환을 유지해 손실을 관리하고, 계통이 약하거나 전압 민감도가 큰 구간에서는 V-Q(드룹) 모드로 전압을 따라가게 하며, 특정 시간대에 무효전력 지시가 직접 내려오는 곳에서는 Mvar 모드를 대비해 둡니다. 다만 V-Q 제어는 변전소 탭변환기(OLTC), 조상설비(SVC/STATCOM), 케이블 정전용량과 상호작용하므로 데드밴드, 기울기(드룹), 무효전력 제한, 응답 램프를 함께 튜닝해야 합니다.
무효전력 용량과 전력품질 관리
전압제어를 모드로만 보면 실패합니다. 필요한 것은 무효전력 용량과 속도입니다. 유효전력(P)과 무효전력(Q)의 동시 출력 가능 범위(P-Q 능력)는 컨버터 정격, 변압기 임피던스, 집전망 케이블, 그리고 보상설비 유무에 의해 결정됩니다. 국내 규정도 무효전력 제어능력(연속운전 가능한 전압유지 범위, 무효전력 제어모드 구비 등)을 별도 항목으로 요구합니다. (Recloud)
전압품질도 함께 관리해야 합니다. 플리커는 전압제어가 과도하게 민감할 때 커질 수 있고, 고조파는 필터·변압기 결선·컨버터 스위칭 전략에 좌우됩니다. IEC 61400-21-1은 계통연계 풍력터빈의 전기적 특성(전압품질, 저·과전압 관통 응답, 유효·무효전력 제어 등)을 측정·평가하는 절차를 다룹니다. (IEC Webstore)
현장에서는 STATCOM 추가로 결론이 나기 쉽지만, 먼저 접속점의 Q 범위·응답시간 요구를 수치로 정리하고 터빈만으로 가능한지, 집전망 보상이 필요한지, 변전소 협조로 해결되는지를 구분해야 합니다.
사고 시 제어 로직: 전류 제한과 우선순위
LVRT 구간에서는 컨버터 전류가 한계에 걸리기 쉽습니다. 이때 유효전류를 유지할지, 무효전류를 우선 주입할지(전압지지)를 정해 두지 않으면, 고장 중에는 전압이 더 떨어지고 고장 후에는 유효전력 회복이 늦어집니다. 유럽 연결규정(RfG)은 고장 시 유효전력 기여와 무효전력 기여 중 무엇에 우선순위를 둘지 TSO가 지정할 수 있으며, 유효전력 우선이라면 고장 발생 후 150 ms 이내에 그 기여가 확립되어야 한다는 문장을 포함합니다. (EUR-Lex)
국내 운영기준에서도 풍력 등은 고장 제거 이후 연계점 전압이 유지범위로 복구된 뒤 일정 시간 내에 고장 전 유효전력 출력으로 회복해야 한다는 요구가 포함됩니다. (Market Rule) 따라서 현장 설정은 “고장 중 무효전류–고장 후 유효전력 램프–정상 복귀”의 순서를 일관되게 맞춰야 합니다. PLL(위상추종), DC 링크 보호, 과전압·부족전압 계전기, 순간정지 로직이 서로 다른 기준으로 움직이면, LVRT는 통과했는데 출력복귀가 지연되는 전형적 문제가 발생합니다.
접속심사·모델링·성능검증 절차
계통접속 심사는 서류가 아니라 해석과 검증의 연속입니다. 일반적인 흐름은 ① 단락용량과 전압변동 검토(weak grid 여부), ② 조류계산과 전압조정 시나리오(탭·조상설비 포함), ③ 동특성(RMS) 안정도 검토(주파수·전압·출력 램프), ④ 필요 시 EMT(PSCAD 등)로 LVRT·전압제어 과도응답 확인, ⑤ 모델 검증(제조사 모델의 파라미터·버전 관리), ⑥ 현장 성능시험으로 이어집니다. 국내 연구에서도 PSS/E 같은 대규모 계통해석 프로그램으로 풍력의 계통연계 유지조건을 모델링·검증하는 접근이 소개되어 있습니다. ((사)한국산학기술학회)
운영규칙 차원에서의 ‘증빙’도 놓치면 안 됩니다. 전력거래소 절차 문서에는 풍력·태양광·연료전지 발전사업자가 설비 특성자료 제출 시 계통연계 유지 기능 보유 여부를 확인할 수 있는 증빙자료를 제출하도록 되어 있습니다. (Market Rule) 즉, 기능이 있어도 입증 문서(시험성적서, 모델 검증자료, 설정값 목록)가 없으면 접속·운영 단계에서 다시 요구가 들어옵니다. 변경관리(펌웨어 업데이트, 설정 변경)까지 포함해 “버전-설정-시험”을 한 세트로 남겨야 합니다.
현장 적용 체크리스트와 실패 포인트
현장에서 LVRT·전압제어가 흔들리는 원인은 대부분 기준·측정·설정의 불일치입니다. 첫째, 접속점 전압계측(PT 위치)과 제어기 입력이 어긋나 실제보다 늦게 반응하거나, 상간/상전압 기준 혼동으로 보호동작이 바뀝니다. 둘째, 집전망 케이블·변압기 임피던스를 과소평가해 무효전력은 나오는데 전압이 원하는 만큼 움직이지 않는 경우가 있습니다. 셋째, 부족전압·과전압·주파수 계전기 설정이 FRT 요구보다 보수적으로 잡혀 불필요한 탈락이 발생합니다. 넷째, V-Q 제어의 드룹·데드밴드가 탭변환기와 상호작용해 저주파 전압진동을 만들기도 합니다.
점검 순서는 단순하게 가져가면 효과가 큽니다. ① 접속점 기준전압과 측정방식(상간/상전압)을 문서로 고정, ② LVRT 곡선 대비 보호설정 비교, ③ 무효전력 모드 3종의 전환 시험(PF↔V-Q↔Mvar), ④ 고장 이벤트 기록(전압·전류·지령·DC 링크)과 시뮬레이션 재현, ⑤ 고장 후 유효전력 복귀 램프 확인의 순서로 진행하면, 원인 추적 시간이 줄어듭니다. 이는 결국 “설계-시뮬레이션-현장시험”을 동일 가정과 동일 버전으로 연결하는 문제입니다.
결론
풍력발전 계통접속 기술요건에서 LVRT와 전압제어는 단순한 체크리스트가 아니라 계통 안정도의 핵심입니다. FRT 곡선과 보호설정을 정합하고, V-Q·역률·Mvar 모드를 운영 시나리오에 맞게 준비하며, 모델·시험·증빙을 한 세트로 관리하면 접속협의와 운영 리스크를 줄일 수 있습니다. 착공 전에는 접속점 기준전압과 제어모드 우선순위를 고정하고, 준공 전에는 고장 이벤트 로그로 LVRT 통과와 유효전력 복귀 램프를 확인해 두면 됩니다.
유의사항
이 글은 풍력발전 계통연계와 Grid Code를 이해하기 위한 일반 정보입니다. 실제 적용 기준은 연계 전압 등급, 계통 강도, 발전기 형식, 계통운영자 지침, 최신 개정 규정에 따라 달라질 수 있습니다. 설계·보호설정·현장 시험은 전력계통 해석과 전기안전 규정에 근거해 자격 있는 기술자가 수행해야 하며, 최종 판단은 접속 계약과 계통운영자 요구조건을 우선하여야 합니다. 본문에 제시한 제어모드·시험 절차는 대표 사례를 일반화한 것이므로, 개별 프로젝트에서는 문서 원문과 접속협의 결과를 반드시 확인해야 합니다.