옛말에 ‘지나친 것이 부족한 것만 못하다’라는 말이 있죠? 전력 계통에 이 옛말이 딱 어울릴 만한 요소가 하나 있어요. 바로 무효전력(Reactive Power)이에요. 무효전력은 유효전력과 마찬가지로 전력 계통을 구성하는 기본 요소이지만, 계통 안정화를 위해선 넘치지도 모자라지도 않는 상태를 유지해야 해요. 오늘은 전력그리드)전력그리드영업팀(HVDC Part) 배환식 매니저가 무효전력을 자동 관리하는 우리 회사의 솔루션 PQUP(Power Quality UPgrade)을 소개해드릴게요.
무효전력의 지나친 증가는
전력 품질을 저하시켜요.
먼저 유효전력과 무효전력의 정의부터 살펴볼까요? 수용가로 공급되는 교류전력은 크게 유효전력과 무효전력으로 구분돼요. 유효전력은 부하에서 소비되는 전력을, 무효전력은 부하에서 소비되지 않고 발전소와 부하 사이에서 흐르는 전력을 말하죠. 왜 공급된 전력이 모두 소비되지 않고 흐르기만 할까요? 회로의 구성 요소 중에는 커패시터(Capacitor) 성분과 인덕터(Inductor) 성분이 있는데, 이러한 성분 때문에 발생되는 전력이 바로 무효전력이에요. 무효전력은 없어서는 안 될 중요한 요소이기도 하지만, 계통의 전압을 변동시키고 손실을 발생시키기에 너무 부족하거나 많아지면 곤란해요. 무효전력이 부족하면 전압이 저하되고, 초과 공급되면 전압이 상승하거든요. 전압이 일정한 값을 유지하지 못하면 전력 계통의 안정성이 무너질 수 있어요.
무효전력은 안전성뿐만 아니라 생산성의 측면에서도 중요해요. 발전소에서 공장으로 전력이 공급됐는데, 실제 소비되는 양보다 내부에서 흐르기만 하는 양이 더 많다고 생각해보세요. 무효전력이 증가했다는 건 그만큼 유효전력이 손실됐다는 것이고, 이는 곧 에너지의 비효율적인 사용을 의미하죠.
무효전력 보상장치는 무효전력을 흡수 또는 공급해 유효전력의 비율을 높이는 장치를 말해요. 우리 회사는 3세대 무효전력 보상장치인 STATCOM을 자체 개발·제작해 공급 중인데요. PQUP은 초고압과 고압에 이어 저압 계통(380V, 440V)을 위해 개발된 STATCOM(STATic synchronous COMpensator)이에요. 그럼 PQUP의 특장점을 자세히 살펴볼까요?
무효전력 보상장치는 어떻게 무효전력을 제어 즉 보상하는 걸까요? 앞서 언급한 커패시터 또는 인덕터 성분은 전류와 전압에 영향을 미치는 요소인데요. 교류에서는 커패시터 또는 인덕터 성분을 지나며 전류의 위상이 전압보다 앞서게 되거나(진상), 전류가 전압보다 뒤처지는(지상) 현상이 발생해요. 이를 전류와 전압의 위상차라 말해요. 위상차가 커지면 무효전력이 증가하고 유효전력 손실과 계통상 문제가 발생하기에 두 요소를 다시 동상으로 만들어주는 과정이 필요하죠. 전류 대비 전압의 위상을 조절해주는 장치가 바로 무효전력 보상장치예요. 1세대와 2세대 무효전력 보상장치는 커패시터나 리액터(=인덕터)를 병렬 연결하여 진상이 발생하면 지상을, 지상이 발생하면 진상을 공급하는 방식으로 무효전력을 보상했어요.
3세대 무효전력 보상장치인 PQUP은
1, 2세대에 비해 전력 품질을
더 안정적으로 유지할 수 있어요.
무효전력 보상장치는 크게 1세대인 기계식 스위치 커패시터(Mechanical Switched Capacitor, MCR)와 기계식 스위치 리액터(Mechanical Switched Reactor, MSR), 2세대인 SVC(Static Var Compensator), 3세대인 STATCOM으로 구분돼요. 1세대는 기계식 스위치로 커패시터와 리액터를 개폐하는 방식이었다면 2세대는 기계식 스위치 대신 전력 반도체를 사용해 응답 속도를 높였다는 특징이 있어요. 3세대인 STATCOM은 전력 반도체를 사용한다는 점에선 SVC와 동일하지만, 1, 2세대와 달리 전력 변환 기술을 사용하여 선형적인 전압 보상이 가능한 장치예요.
3세대 STATCOM 방식으로 개발된 우리 회사의 PQUP 역시 전압의 선형적 보상이 가능한데요. ‘선형적’이란 쉽게 말해 무효전력의 입력 대비 출력이 일관적이라는 의미예요. 예를 들어 90kvar의 보상장치를 설치한다고 가정해봐요. 필요 무효전력량은 부하의 사용 전력량에 따라 실시간으로 변동하기에 90kvar의 장치를 설치하더라도 실제 필요량은 40kvar가 될 수도 있고 10kvar가 될 수도 있어요. 이러한 상황에서 90kvar의 무효전력을 공급한다면 무효전력이 크게 증가해 오히려 문제가 발생할 수 있어요. 그래서 1, 2세대인 무효전력 보상장치는 단위 조합의 커패시터와 리액터를 병렬 구성하는 방식을 택했는데요. 30kvar 커패시터를 3개 설치해 30kvar 단위씩 무효전력을 입력하는 거죠. 이러한 방식은 무효전력 제어의 세밀함이 다소 떨어진다는 한계가 있어요. 반면 PQUP은 병렬 구성 방식이 아니라 우리 회사의 전력 변환 기술인 MSSP(Modular Scalable String Platform)를 이용하기에 무효전력을 1kvar 단위로 투입할 수 있어요. 실시간으로 변동하는 무효전력량을 세밀하게 제어하기에 전력 품질을 보다 연속적으로 확보할 수 있는 거죠.
우리 회사가 PQUP을 개발하며 특히 신경 쓴 요소가 하나 있는데요. 바로 운영 및 유지보수의 편의성이에요. PQUP은 고객이 필요로 하는 전력 품질을 세팅해 놓기만 하면 자동으로 무효전력 제어가 가능해 상시 양질의 전력을 확보할 수 있어요. 이러한 기능은 1, 2세대 장치에서는 구현이 불가하거나 여러 제약이 따르기에 PQUP만의 특장점이라 볼 수 있죠. 커패시터와 리액터를 병렬 구성하는 1, 2세대의 경우 유지보수가 불편하고 복잡하다는 단점이 있는데요. PQUP은 병렬 구성 방식이 아닌 데다 자가진단 기능을 탑재해 전문 인력 없이도 수월하게 기기를 점검할 수 있어요. 그럼 지금까지 살펴본 PQUP의 특장점을 정리해볼까요?
산업용 플랜트, 전력회사, 신재생 발전소 등을
중심으로 PQUP을 확대하려 해요.
우리 회사는 이미 많은 고객사에 PQUP을 공급 중인데요. 향후에는 생산성 향상과 전력 계통 안정화가 필요한 산업용 플랜트나 전력회사, 신재생 발전소 등을 중심으로 PQUP 보급을 확대하려 해요. 특히 바람이나 햇빛의 양에 따라 발전량이 변동되는 신재생 발전소에서 PQUP이 큰 역할을 할 수 있으리라 기대하고 있어요.
우리 회사의 장기적인 목표는 1, 2세대 무효전력 보상장치를 우리 회사의 PQUP이 완전히 대체할 수 있도록 만드는 거예요. 1, 2세대 장치보다 비싼 가격 때문에 PQUP 도입을 망설이던 한 고객사와의 미팅이 기억에 남아요. 그때 고객사에 “1, 2세대 보상장치가 폴더폰이라면 PQUP은 스마트폰”이라고 말씀드린 적이 있어요. 해당 고객사는 PQUP을 시범 적용해 본 후 안정성과 유지보수 측면에서 크게 만족하였고, 현재는 전체 분전반을 대상으로 적용 범위를 넓혀 나가는 중이에요. PQUP은 1, 2세대 무효전력 보상장치의 한계를 똑똑하게 보완한 솔루션이에요. 기능의 우수성을 고려한다면 1, 2세대 장치를 대체하는 것은 시간문제가 아닐까요? 무효전력 보상으로 전력 계통의 안전성을 책임질 PQUP에 앞으로도 많은 관심 부탁드려요.
이번 시간엔 우리 회사가 개발한 PQUP에 관해 알아보았는데요.
한번 배운 내용 잊어버리면 너무 아깝겠죠?
아래 문제를 풀어보고 오늘 배운 내용 잊지 마세요~
