전압 제어와 무효 전력 관리

**전압 제어**()와 **무효 전력 관리**()는 송전 계통의 신뢰성을 보장하고 해당 계통 내의 전력 시장을 원활하게 하는 보조 서비스(ancillary service)의 두 가지 측면이다. 이 두 활동은 서로 밀접하게 얽혀 있으며(교류(AC) 계통에서의 전압 변화는 무효 전력의 생산 또는 흡수를 통해 이루어진다), 따라서 이 문서에서는 커비(Kirby)와 허스트(Hirst)(1997)가 제안한 바와 같이 본질적으로 단일한 이 활동을 지칭하기 위해 전압 제어라는 용어를 주로 사용한다. 전압 제어에는 전력 계통의 진동을 억제하기 위한 무효 전력 주입은 포함되지 않는다. 이는 소위 계통 안정화 서비스라고 불리는 별도의 보조 서비스에 해당한다. 무효 전력의 전송은 물리적인 한계가 있으며(초고압 송전선을 따른 VAR 손실은 W 손실보다 수치상 훨씬 클 수 있어 "VAR은 멀리 이동하지 못한다"고 표현됨), 시스템 전체의 유효 전력 균형 유지에 기반을 둔 주파수 제어와 달리 전압 제어는 전력망 전반에 분산된 장치들을 통해 제공된다.

일반적으로 무효 전력 생산의 증가는 선로 전압 상승에 해당하며, 무효 전력 흡수의 증가는 전압을 낮춘다. 도매 전력 시장에서 독립 계통 운영자는 송전선 소유자와 함께 각 발전기에 대한 목표 값 또는 허용 가능한 기준 전압 범위인 **전압 스케줄**()을 정의한다(일반적으로 송전 모선의 전압으로 정의됨). 이 스케줄은 대개 자동 전압 제어의 매개변수로 사용되지만, 때로는 목표 무효 전력("MVAR")이나 역률을 설정값으로 사용하여 제어한다.

## 전압 제어의 필요성
커비와 허스트는 전압 제어가 필요한 세 가지 이유를 다음과 같이 제시했다.
# 전력망 설비는 좁은 전압 범위 내에서 작동하도록 설계되었으며, 소비자 측의 전력 소비 장비도 마찬가지이다. 이 범위를 벗어나 운영되면 설비 고장의 원인이 된다.
# 무효 전력은 발전기와 송전선에 열을 발생시키며, 열적 제한으로 인해 실질적인(유효) 전력의 생산과 흐름을 제한해야 할 수도 있다.
# 송전선에 무효 전력을 주입하면 전력을 낭비하는 손실이 발생하여, 원동기에서 공급되는 전력을 증가시켜야 한다.
계통 내 전문화된 전압 제어 장치를 사용하면 (발전기가 무효 전력을 공급하거나 흡수함으로써 발생하는) 동기 발전기의 회전자 각도 변동을 줄여 전력 계통 안정도를 개선할 수 있다.

무효 전력 조건이 변할 때 전압 변화가 크게 나타나는 모선이나 계통을 약한 계통(weak system)이라 부르며, 변화가 상대적으로 적은 곳을 강한 계통(strong system)이라 한다(수치적으로 계통의 강도는 단락비로 표현되며, 강한 계통일수록 단락비가 높다).

## 무효 전력의 흡수와 생산
전기 부하는 지상 역률(유도자와 유사한 특성)을 가질 때 무효 에너지를 흡수하고, 진상 역률(축전기와 유사한 특성)을 가질 때 무효 에너지를 생산한다. 발전기의 경우 전류 방향의 정의가 반대이므로, 진상 발전기는 무효 전력을 흡수하고 지상 발전기는 이를 생산한다. 이러한 정의상의 혼란 가능성 때문에 무효 전력의 생산/흡수를 논할 때는 진상/지상 용어를 피하는 것이 편리할 수 있다.

전력망 설비들은 대개 무효 전력을 공급하거나 소비한다:
* 동기 발전기는 과여자(overexcited) 상태일 때 무효 전력을 공급하고, 부족여자(underexcited) 상태일 때 이를 흡수하며, 이는 발전기 가능 출력 곡선의 제한을 받는다.
* 변압기는 항상 무효 전력을 흡수한다.
* 송전선은 무효 전력을 흡수하거나 공급할 수 있다. 가공 송전선은 부하가 적을 때는 무효 전력을 공급하지만, 부하가 선로의 파동 임피던스를 초과하여 증가하면 점차 많은 양의 무효 전력을 소비하기 시작한다. 지중 송전선은 정전 용량 특성이 있어 파동 임피던스 이하로 부하가 걸리며 무효 전력을 공급한다.
* 전기 부하는 대개 무효 전력을 흡수하며, 일반적인 가전제품의 역률은 0.65(세탁기와 같이 전동기가 있는 가정용 기기)에서 1.0(백열등과 같은 순수 저항 부하) 사이이다.

전형적인 전력망에서 전압 제어의 기본은 동기 발전기에 의해 제공된다. 이 발전기들은 여자 자계를 조절하여 발전기 단자의 전압을 목표 범위 내로 유지하는 자동 전압 조정기를 갖추고 있다.

추가적인 **무효 전력 보상**(또는 **전압 보상**) 업무는 다음과 같은 보상 장치들에 할당된다:
* 수동형 무효 전력 흡수원(영구 연결되거나 스위치로 조절됨): 예를 들어, 단일 권선과 철제 자기 철심을 가진 변압기와 구조가 유사한 병렬 리액터. 병렬 리액터는 대개 긴 송전선이나 약한 계통의 끝단에 연결되어 경부하시 과전압(페란티 효과)을 방지한다.
* 수동형 무효 전력 공급원: 예를 들어, 병렬 또는 직렬 축전기.
** 병렬 축전기는 1910년대부터 전력 시스템에 사용되었으며, 저렴한 비용과 설치의 용이성 덕분에 널리 쓰인다. 병렬 축전기가 공급하는 무효 전력량은 선로 전압의 제곱에 비례하므로, (주로 무효 전력 부족으로 발생하는) 저전압 상태에서는 기여도가 낮아진다. 이는 무효 전력이 가장 필요한 시점에 공급량이 떨어진다는 심각한 단점이 된다.
** 직렬 축전기는 부하가 걸린 가공 송전선의 유도 리액턴스를 보상하는 데 사용된다. 전력 도체에 직렬로 연결되는 이 장치들은 주로 무효 전력 손실을 낮추고 선로를 통해 전송할 수 있는 유효 전력량을 늘리는 데 사용되며, 자기 조절 기능을 통한 무효 전력 공급(부하가 높을수록 공급량이 증가함)은 부차적인 고려 사항이다. 직렬 축전기에 걸리는 전압은 대개 낮지만(계통 조정 범위 내, 정격 전압의 몇 퍼센트), 부하 측에 단락이 발생할 경우 축전기가 잠시 선로 전체 전압에 노출될 수 있으므로 방전 간극, 산화 아연(ZnO) 배리스터, 스위치 등을 포함한 보호 회로가 구비된다.
* 능동형 보상 장치: 예를 들어, 무효 전력의 공급원이나 흡수원 역할을 모두 할 수 있는 동기 조상기, 정지형 무효전력 보상장치(SVC), 정지형 동기 보상기(STATCOM).
* 조정 변압기: 예를 들어, 부하시 탭 전환(ULTC) 변압기.

수동 보상 장치는 영구적으로 부착되거나, 타이머를 사용하거나, 센서 데이터에 기반해 수동 또는 자동으로 전환(연결 및 차단)된다. 능동 장치는 본질적으로 자기 조절이 가능하다. 부하시 탭 전환(ULTC) 기능이 있는 변압기는 전압을 직접 제어하는 데 사용될 수 있다. 계통 내 모든 탭 전환 변압기의 작동은 변압기들 사이 및 병렬 축전기 운용과 동기화되어야 한다.

무효 전력 균형의 국지적인 특성으로 인해, 표준적인 접근 방식은 무효 전력을 지역적으로 관리하는 것이다(분산 방식). 마이크로그리드의 확산으로 인해 유연한 중앙 집중식 접근 방식이 더 경제적이게 될 수도 있다.

## 경제성
발전과 송전 소유권이 분리된 도매 전력 시장에서 무효 전력 보상은 두 가지 방식으로 제공될 수 있다:
* 송전 계통 내의 장치들을 통해 제공.
* 발전기를 이용(송전에서 "분리"되어 "무효 공급 및 전압 제어 서비스"라는 보조 서비스가 됨).
발전 사업자(GO)는 다양한 방식으로 보상을 받는다:
* 1에 가까운 역률 범위(대개 진상 및 지상 0.95까지) 내에서 유지하는 것은 의무 사항이며 보상되지 않는다.
* 의무 범위를 벗어나는 경우, 발전 사업자는 자본 비용, 운영 비용 또는 (예를 들어 더 많은 무효 전력을 제공하기 위해 급전 정지나 출력을 낮추어야 할 때 발생하는) 기회비용에 대해 보상을 받는다.

### 무효 전력 예비력
발전기나 송전선 한 대의 고장(계획에 포함되어야 함)이 나머지 송전선의 부하를 즉각적으로 증가시킬 가능성이 있으므로, 시스템은 매우 빠르게 추가 무효 전력을 공급할 수 있어야 한다(동적 요구사항). 가공 송전선의 특성상 부하가 증가하면 선로는 더 많은 양의 무효 전력을 소비하게 되며 이를 보충해야 한다. 따라서 대규모 송전 계통은 유효 전력 예비력이 필요한 것과 마찬가지로 무효 전력 예비력이 필요하다. 무효 전력은 유효 전력만큼 선로를 통해 잘 이동하지 못하기 때문에, 부하 근처에서 생산을 집중하도록 하는 유인이 존재한다. 전력 계통 구조 개편은 전력망의 이 영역을 수직 통합형 전력 회사의 손에서 벗어나게 하였고, 이에 따라 문제를 고객에게 전가하여 부하가 1에 가까운 역률로 작동하도록 요구하는 추세가 나타나고 있다.

## 같이 보기
* 능동 네트워크 관리

## 각주

## 참고 문헌
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분류:송전