국내 전력계통 발전기 Governor-Free(GF) 응동 성능평가 기준 개선에 관한 연구 = A Study on the Improvement of Governor-Free (GF) Response Performance Evaluation Criteria for Generators in the Korean Power System

국문 초록 (Abstract)

재생에너지 확대와 동기발전기 비중 감소로 인해 국내 전력계통의 관성 수준이 저하되면서, 사고 발생 시 주파수 하강 속도(ROCOF)가 증가하고 주파수 Nadir 도달 시간이 단축되는 저관성 계통 특성이 두드러지고 있다. 이러한 환경에서는 사고 직후 수 초 이내에 발현되는 발전기 조속기 기반의 Governor-Free(GF) 응동이 계통 주파수 안정도 확보에 결정적인 역할을 한다. 그러나 현행 국내 GF 성능평가 제도는 주파수 회복 구간을 포함하는 단일 평가창을 적용하고 있어, 조속기에 의한 1차 주파수 응답과 AGC에 의한 2차 복원 제어를 명확히 구분하지 못하는 구조적 한계를 지닌다. 이로 인해 사고 직후 주파수 하강을 억제한 발전기들이 과소평가되고, 후행적인 출력 회복이 큰 발전기들이 과대평가되는 평가 왜곡이 발생할 수 있다.
본 논문은 이러한 한계를 개선하기 위해, 사고 발생 시점을 기준으로 한 0~10초 과도구간을 중심으로 GF 성능을 평가하는 새로운 평가창을 제안한다. 제안된 평가창은 사고 직후 조속기 기반 자율 응동이 실제로 주파수 안정도에 기여하는 시간 구간에 초점을 맞추어, AGC 개입에 따른 복원 효과를 평가 대상에서 자연스럽게 배제하도록 설계되었다. 이를 검증하기 위해 국내 전력계통을 모사한 동적 시뮬레이션을 수행하고, 동일한 사고 조건에서 평가창 적용 전·후의 GF 이행률 분포와 발전기 순위 변화를 비교·분석하였다.
분석 결과, 제안된 평가창을 적용할 경우 GF 이행률의 절대값이 물리적으로 해석 가능한 범위로 수렴하였으며, 사고 직후 조속기 응답이 명확한 발전기들이 상위로 재배치되는 일관된 순위 변화가 관측되었다. 또한 초기 GF 응동이 실제 주파수 응답에 미치는 영향을 정량적으로 해석하기 위해, 주파수 Nadir 완화 효과를 발전용량 관점에서 환산하였다. 동일한 90 MW 발전기 탈락 사고를 기준으로 분석한 결과, 초기 GF 응동을 개선한 경우 주파수 Nadir가 약 17% 완화되었으며, 이는 사고 초기 약 15 MW 규모의 신속한 유효전력 응동을 추가로 확보한 것과 동등한 효과로 해석될 수 있었다.
본 연구는 GF 성능평가의 기준을 출력 증가량 중심의 사후적 평가에서 벗어나, 사고 초기 주파수 방어에 대한 실질적 기여를 반영하는 시간응답 기반 평가로 전환할 필요성을 실증적으로 제시한다. 제안된 0~10초 평가창은 저관성 전력계통의 동특성과 정합된 물리적 근거를 가지며, 발전기 제어 성능의 공정한 비교와 주파수 안정도 향상을 동시에 달성할 수 있는 합리적인 대안으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 국내 GF 제도의 한계 5
• 1.3 문제 정의 10
• 1.4 연구 목적 13
• 제 2장 GF 응동의 시간영역 기반 분석 프레임워크 14
• 2.1 저관성 계통에서 GF 응동 해석의 시간영역적 필요성 14
• 2.2 사고 이후 발전기 출력 응동의 시간적 구성과 제어 메커니즘 16
• 2.3 GF 응동 유효 시간창의 정의 및 시간영역 기반 분석 방법 19
• 2.4 모의계통 및 실계통 데이터 기반 분석 적용 절차 21
• 제 3장 모의계통 기반 시뮬레이션 분석 22
• 3.1 모의계통 구성 및 모의 목적 22
• 3.2 시나리오 이행 출력 특성 비교 25
• 3.3 정규화된 응답률 및 정착시간 기반 GF 성능 비교 28
• 제 4장 실계통 사고 데이터 분석 31
• 4.1 사건 개요 및 구성 31
• 4.2 사고 데이터 분석 33
• 제 5장 분석기반 개선된 GF 성능평가 창 제안 35
• 5.1 분석에 기반을 둔 GF출력 평가 창 제시 35
• 5.2 제안 평가 창 적용에 따른 GF 이행률 재산정 38
• 5.3 초기 GF 응동개선에 따른 주파수 기여 및 동등 발전용량 해석 54
• 제 6장 결론 57
• 참고문헌 59
• ABSTRACT 61