주파수 제어의 필요성과 부하변동에 따른 제어 방식

전력계통에서 주파수·유효전력 제어(P–F Control)의 목적은 다음과 같다.
전력시스템은 안정된 전압과 전기를 공급한다는 의무를 지니고 있으며, 양 끝의 전압이라 함은 주파수, 전압 등을 규정값으로 유지하고자 전력공급의 균형 또한 충분한 신뢰도로 유지하는 것이다. 이를 위하여 계통제어가 수행되며, 전력조류나 주파수를 대상으로 하는 유효전력–주파수 제어와 전압강하의 개선 유무 및 무효전력의 합리적인 배분을 목표로 한다.

주파수·유효전력 제어
└─ [제어의 목적]
   ├─ 품질 유지 - 정상시의 부하주파수 제어 (LFC)
   ├─ 안정도 유지 - 계통 안정화 장치(PSS), 전압 유지(UPS, SMES)
   └─ 경제성 유지 - 경제 부하 분담 제어(ELD)

주파수 제어의 필요성

(1) 전력계통 운용자 측

• 안정된 주파수와 함께 전력의 질을 나타내는 정상 조정을 용이하게 한다.
• 주파수 및 전압변동 감소되어 계통이 안정되고 신뢰도가 높은 전기를 공급할 수 있다.
• 계통 유지가 안정되며, 발전기의 조속기에 의한 송전조정이 용이하다.
• 화력 계통이 모여져 터빈 계열의 응답률, 연비 개선 및 기계적 정밀도 향상에 기여한다.

(2) 수용가 측

• 주파수 안정은 전력 압력의 전력 사용효율을 안정시킨다.
• 전등 등은 사람과의 직접 관련이 높고, 회전속도가 안정화되면서 제품 품질이 향상된다.
• 컴퓨터, OA 기기, 정밀기기 등에서 오작동 방지와 안정도 강화가 요구된다.

주파수 제어의 목표값

60 Hz 기준에서

• 주파수 하한: 58.5 Hz에서는 10분, 58 Hz에서는 4분
• 주파수 상한: 61 Hz 정도 (운영상 고려)

부하 변동에 따른 제어 분류

부하 변동은 다음과 같이 구분된다.

• 미소 주기 동요 성분(Cycle Component): 주기 2~3초 이하
• 단 주기 동요 성분(Fringe Component): 주기 2~3초 ~ 10초 이하
• 장 주기 동요 성분(Sustained Component): 주기 10초 이상

[부하 변동에서의 각 성분 개요도]

  실제의 부하변동 (P)
    └─ 미소주기 동요성분 (Cycle)
    └─ 단주기 동요성분 (Fringe)
    └─ 장주기 동요성분 (Sustained)

→ 이들을 모두 더하여 부하 전체의 변화 형태를 구성

부하 변동 주기에 따른 제어 방안

(1) 미소주기 동요 성분

• 부하 변동의 주기가 10.0초 전후까지의 극히 주기적 주파수 변동은 방어인 자기제어성에 의해 계통 자체의 특성만으로 흡수할 수 있다.

(2) 수십 초의 부하 변동

• 이 범위의 부하변동에 대해서는 조속기프리(Governor-free) 운용하는 발전기의 주파수 특성을 적정하게 조정하여 자동적으로 제어한다.

(3) 단 주기 동요 성분

• 부하 변동량이 커지면 조속기만으로 조절이 어렵고, 자동 주파수 제어(AFC) 시스템을 적용하여 해당 발전기의 출력을 조정하고 계통의 주파수를 제어한다.

(4) 장 주기 동요 성분

• 부하 변동량이 크고 10분 이상 지속되는 경우, 경제적인 부하 배분 방식이 문제된다.
• 이때는 발전소의 경제 운용이 주 목적이 되며, 경제부하배분제어(ELD) 시스템이 작동하며 경제성을 고려한 자동 운전이 적용된다.