1. 서 론

최근 발표된 제10차 전력수급기본계획에 따르면, 2036년까지 예상되는 재생에너지 설비용량은 약 108GW이다^[1]. 이는 다시 말하자면, 앞으로 우리나라 전력계통에서 평균적인 재생에너지의 발전량 비율이 커지고, 동기발전기는 점점 줄어들어야 하는 것을 말한다. 그리고 재생에너지가 시간별로 얼마의 이용률을 가지느냐에 따라 전력 수급 상황이 실시간으로 변할 수 있음을 시사한다. 기저 발전으로 분류되는 대다수의 동기발전기가 폐지되는 상황을 가정 해본다면, 이러한 상황이 우리나라 전력계통안정도에 큰 영향을 미칠 것은 자명한 일이다^[2]. 이와 관련하여, 재생에너지가 발생시킬 수 있는 안정도 측면의 문제를 최소화하고자 국제적으로는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 전기전자공학자협회)에서 재생에너지의 계통 연계와 관련하여 IEEE 1547-2018로 일컫는 별도의 표준(Standard)을 만들어 제시하고 있다. 국내에서는 한국전력거래소에서 발표되는 전력시장 운영규칙에 재생에너지 연계 기준이 명시되어 있다. 하지만 고장 상황에 따른 출력 및 제어를 유지할 수 있는 기능을 보유한 재생에너지가 전체 연계된 재생에너지의 일부에 불과하여, 계통 안정도 개선에 유효한 효과를 주기 위해서는 더 많은 노력이 필요한 실정이다^[3~5].

현재 우리나라 전력계통은 재생에너지로 분류되는 태양광 발전이 주로 호남권에 집중되어 계통에 연계되고 있으며, 수도권에 집중된 부하로 인해 계통 구조상 대규모 북상 전력이 수송되고 있다^[1]. 그래서 호남권에서 수도권까지 북상 전력 선로가 항상 포화 돼 있고, 이에 따라 미래계통에 대한 새로운 설비 투자 및 선로 건설 등의 계획이 이루어지고 있다^[6~7]. 하지만, 다양한 상황에 의한 설비 준공 지연 등의 문제로 인해 비약적으로 늘어나는 재생에너지를 충분히 감당하기는 현실적으로 매우 어렵다. 또한, 이러한 재생에너지의 비약적인 증가는 수급 불균형, 전압안정도 및 주파수안정도 하락 등의 다양한 안정도 문제를 유발할 가능성을 높이게 되는데, 특히 수급 및 전압안정도 관점에서는 태양광 발전에 대한 출력제한을 시행할 정도로 문제를 직면하고 있다^{[1, 8~9]}. 풍력발전의 경우, GW급의 대규모 해상풍력이 동·서해안에 연계될 예정이므로 현재 대규모 북상 전력으로 인해 발생한 문제를 가중할 여지가 대단히 높다고 할 수 있다. 재생에너지의 증가는 기존 전력계통보다 한층 복잡한 구조를 형성하기 때문에 현재까지 진행해 온 안정도 검토 프레임과는 다른 방향의 해석을 요구하게 된다.

기존에는 국내 전력계통 분석 시에 각 권역별로 대표되는 안정도 문제만을 집중하여 분석을 진행하였다. 예를 들면, 수도권은 전력수급 및 전압안정도 관련 문제, 동해안은 송전제약에 의한 과도안정도 문제, 서해안은 과도 및 주파수 안정도 문제를 주로 다루었다고 해도 과언이 아니다. 하지만 재생에너지가 계속해서 늘어난다면 앞서 말한 바와 같이 주요 공급 발전원이 바뀌어 복합적인 원인에 의한 안정도 문제가 발생할 수 있으며, 이에 맞는 해석 방법론이 필요하다. 즉, 근본적인 불안정 원인이 무엇인가를 찾는 부분이 중장기 미래 전력계통 해석 프레임 안에서 가장 중요하며, 특히 재생에너지의 경우 전압과 연관이 깊은 설비이기 때문에 다른 동적안정도 문제로 보일지라도 실제 분석을 해보면 전압불안정 문제일 가능성이 있다. 실제로, 재생에너지의 증가가 국내 전력계통의 전압안정도에 미치는 영향을 알아보기 위해 제9차 전력수급기본계획을 반영한 전력계통 DB를 활용한 사례도 있다. 해당 연구 사례에서는 765kV급 상정고장을 모의하여 전체 계통에 대해 전압 위반 사례를 분석하고 영향을 미칠 수 있는 재생에너지 출력량을 정의하였다. 해당 연구 결과를 통해 재생에너지의 증가가 전압안정도에 직접적인 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였다^[8].

관련하여, 우리나라 전력계통에서는 재생에너지가 부하 근처에서 전력을 공급하는 경우도 있지만, 수십 킬로미터 이상 먼 부하단에 공급하는 경우가 많다. 이러한 경우에는 전압 및 고장전류 문제가 우선적으로 발생할 수 있으며, 이로 인해 운전 중인 재생에너지가 대규모 탈락하여 심한 경우 정전까지 이어질 수 있다. 그러므로 증장기 미래 전력계통에 대해서 많은 재생에너지가 연계되는 시나리오를 가정하고 우리나라 전력계통에서 발생할 수 있는 안정도 문제 분석 및 원인점을 찾는 과정이 필요하다.

본 논문에서는 재생에너지 연계에 따른 전압안정도 문제를 정적 및 동적 영역에서 분석한다. 정적 영역에서는 YV해석이라는 방법론을 통해 대규모 상정고장이 발생하였을 때, 부하 모델별 안정도 여유를 산정하고 이에 따른 권역간 융통전력을 분석한다. 동적 영역에서는 전압불안정 현상을 해결하기 위한 FACTS 용량을 산정하여 제시한다.

본 논문의 2절에서는 재생에너지의 증가가 전압안정도에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 현상을 통해 문제를 제기하고, 이를 분석하기 위한 방법론을 제안한다. 3절에서는 2절에서 제안한 방법론을 통해 문제 제기된 현상을 검증하고 이에 대한 분석 결과를 보여주며, 이러한 전압안정도 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시한다. 마지막으로, 결론에서는 앞선 현상 및 연구를 고찰하고 향후 연구 진행 방향을 제안한다.

2. 중장기 전력계통 동적 전압불안정 양상 분석

국내 전력계통은 이때까지 경험하지 못했던 수많은 재생에너지를 현재까지 수용하고 있고 미래에도 수용할 예정이다. 이러한 새로운 전원의 수용은 앞서 말한 바와 같이, 기존에는 문제로 발생하지 않았던 부분을 촉발할 가능성이 있고 예상치 못한 원인으로 인해 안정도 문제를 발생시킬 수 있다. 그 가능성을 염두에 두고 미래 전력계통에 대해 과도안정도 검토를 진행해 보았을 때, 주요 345kV 모선에 대해 아래 그림 1과 같은 전압불안정이 실제로 나타날 수 있음을 확인할 수 있었다. 검토한 DB는 제10차 전력수급기본계획을 반영한 2030년 계획 DB이며, 검토를 위한 상정고장은 아래 표 2와 같이 동해안 지역의 765kV급 상정고장 및 발전기 탈락 SPS(Special Protection System, 고장파급방지장치)를 반영하였다. 결과를 먼저 요약하자면, 과도안정도는 문제가 없었으나, 북상 선로가 부족한 상태에서 호남권에 집중되어 있는 재생에너지로 인해 전압안정도 여유가 부족해져 이러한 문제 현상이 발생한 것으로 확인하였다. 검토한 계통의 발전량 및 부하량 관련 정보는 아래 표와 같다.

그림 1. 동해안 상정사고에 의한 주요 모선 계통 전압 붕괴

Fig. 1. Voltage collapse by east coast contingency

그림 2. 동해안 상정사고에 의한 권역별 대표 발전기 위상각

Fig. 2. The variation of rotor angle in representative generator by region

일반적으로 대규모 상정고장이 발생하면 그 인근에서 전압의 변화가 매우 크고 이에 따른 영향성이 나타난다. 하지만 그림 1에서는 동해안 고장을 상정했음에도 불구하고 호남권-충청권-수도권 융통 전력과 관련된 신옥천 모선 전압이 가장 먼저 하강하고 이후에 전체적인 계통 전압 붕괴가 시작되는 것을 보여준다. 이 같은 현상이 과도안정도 문제가 아님을 증명하기 위해서 그림 2처럼 전압붕괴 전까지 과도안정도 관점에서 안정도가 유지되는지를 확인하였다. 그림 2에서는 전압이 붕괴된 시점 이후에도 수초 이상 위상각이 안정되는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 동해안 상정사고에 의한 과도안정도 문제가 아닌 호남권의 전압붕괴로 인한 전압안정도 문제로 잠정 결론을 지을 수 있었다.

그리고 그림 3을 통해 전압안정도 문제가 재생에너지 출력 변화 또는 탈락으로 발생한 전압안정도 문제가 아닌지 판단할 수 있었다. 그림 3에서는 호남권으로 분류되는 광주전남 및 전북 지역의 부하량 변화와 재생에너지 출력 변화를 보여주고 있는데, 상정사고 발생 이후 지속적으로 감소하는 반면에 재생에너지 출력량은 시뮬레이션 시간으로 2초 이후까지도 일정 수준으로 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 그래서 본 계통에서 발생한 전압안정도 문제는 과도안정도나 재생에너지 출력 변화 또는 탈락에 의한 전압안정도 문제가 아닌 계통 자체의 전압안정도 한계 문제로 확인할 수 있다. 이는 다른 안정도 여유를 검토함에도 재생에너지의 증가로 인해서 계통 자체의 전압안정도 여유가 낮아져 원단의 대규모 상정고장에 의해서도 전압불안정이 먼저 나타나는 결과를 초래할 수 있으며, 이는 전력계통의 붕괴로 이어질 수 있다는 것을 의미한다.

그림 3. 호남권 부하량 및 재생에너지 출력량 변화 (위: 광주전남 지역, 아래: 전북 지역)

Fig. 3. The variation of load and renewable generation in Honam region

본 논문에서는 위와 같은 전압불안정 양상의 원인 및 지점을 쉽게 찾기 위해 기존에 제안된 YV해석이라는 기법을 적용 및 응용하고 융통 전력을 분석하여 원인을 심도있게 분석한다. 또한, 동적 전압안정도를 확보하기 위해 전압 보상 설비를 활용하여 전압불안정 문제를 효과적으로 극복하는 방안을 모색한다.

3. 전압안정도 해석 방법론

전압안정도는 정적 및 동적안정도 모의로 분석을 진행할 수 있으며, 정적 모의는 전압 크기 및 전력 방정식(Power Balance Equation)을 풀어내서 해가 수렴하는지에 대한 여부로, 동적 모의는 외란 이후 시간에 따른 파형 분석을 통해 안정 및 불안정을 판단한다. 문헌에서는 대부분 동적 전압안정도 해석보다는 정적 전압안정도 해석 방법론에 대해 상세히 기술하고 있으며 PV해석, VQ해석 등 다양한 해석 방법론을 정의하고 이를 설명하고 있다. 본 논문에서는 PV해석을 기반으로 한 YV해석이라는 방법론을 통해 정적 전압안정도를 분석한다.

전력계통에서 전압불안정이 발생 가능성이 높은 상황은 약한 계통으로 구성되어 전압안정도 여유가 낮은 경우, 과도한 송전선 길이로 인해 무효전력 손실이 높은 경우, 과중한 부하로 인해 무효전력 소모가 높아져 전압이 낮아지는 경우 등을 대표적으로 들 수 있다. 이외에도 여러 요인에 의해 전압불안정이 발생할 수 있으며, 전압불안정이 심해지면 전압붕괴로 이어져 시스템 정전이 발생할 수 있다. 이를 예방하기 위해서는 무효전력 보상을 통해 전압안정도 여유를 확보해야 한다.

3.1 YV해석(YV Analysis)

정적해석 시 765kV 2회선 고장과 같은 대규모 상정고장을 적용하였을 때, 해가 수렴하지 않고 바로 발산이 발생하는 경우가 발생한다. 조류계산이 발산하게 되면 계통 상태에 대한 모든 정보를 취득할 수 없으므로, 고장의 크기를 조정해 계통 발산 직전 상황의 정보를 얻을 방법이 필요하다. 이때 YV해석 기법을 활용할 수 있는데, YV해석은 임피던스를 파라미터화하여 고장의 정도를 정의하고 발산하는 지점을 찾아 발산 직전 상황에 대한 계통 정보를 취득할 수 있는 방법론이다^[10~11].

YV해석은 PV해석을 응용한 일종의 민감도 해석 기법으로, 대상 선로의 임피던스를 조정하고 연속적인 조류계산을 수행하여 해석을 진행할 수 있다. 이를 활용하면, 동적 모의를 통해 확인된 전압불안정 현상의 원인 지역 혹은 모선을 조류계산을 활용해 짧은 시간에 쉽게 찾을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 기존 논문에서 제안하는 YV해석은 파라미터 $Y$가 1인 상황을 기준으로 상정사고 상황에 따른 임피던스 변화와 PV곡선 크기를 정의하고 전압안정도 여유를 분석한다. 이는 전압안정도 여유 변화를 직관적으로 파악하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 기존 논문에서 제시하는 $\pi$회로도는 직렬 성분을 임피던스가 아닌 어드미턴스로 모델링을 제시하여, 해석의 복잡도가 높아져 활용도가 떨어질 것으로 판단하였다.

그러므로 본 논문에서는, 기존에 제안된 지수를 아래 수식과 같이 본 논문에서 직관적으로 사용할 수 있도록 간단히 수정하고 $\rho$라는 새로운 지수를 정의하였다. 또한, PV곡선 상에서 파라미터 $Y$를 기준으로 전압안정도 여유를 분석하는 것이 아니라 기존 데이터의 동작점(Operating point)을 기준으로 하여 $\rho$ 변화에 따라 직관적으로 전압안정도 여유가 변하는 것을 파악할 수 있게 재정의하였다.

(1)

$1-Y=\rho$

가령, 그림 4와 같이 Bus 1과 Bus 2 사이에 송전선로가 있다고 가정하면 그림에서처럼 선로정수를 나타낼 수 있다. 여기서, $Z_{s}$는 직렬 임피던스, $Y_{c}$는 병렬 어드미턴스를 의미하며, $\rho$값은 0에서 1사이 값을 가진다. $\rho$값이 1일 때는 모든 선로 정수가 정상이므로 상정사고가 발생하기 전 상황을 나타낸다. $\rho$값이 0일 때는 직렬 임피던스는 무한대가 되고 병렬 어드미턴스는 0이 되는데, 이는 상정사고로 인한 선로의 완전 탈락을 의미한다. 즉, 본 논문에서 사용하는 YV해석은 $\rho$을 조정하여 임피던스에 따른 선로의 탈락(고장) 정도를 높여가며, 계통의 수렴성을 판단하는 방법이라고 할 수 있다.

그림 4. YV해석을 위한 선로 파라미터화 예시

Fig. 4. Example of line parameterization for YV analysis

$\rho$값에 따른 YV해석을 아래 그림과 같이 PV곡선을 통해 나타낼 수 있다. 각 문헌에서 정의하고 있는 PV곡선 수식과 개념에서는 계통에서 상정사고가 발생하면 임피던스의 증가로 인해 PV곡선의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다^[12~14]. 이같은 원리로 그림 5처럼 임피던스 변화에 따른 PV곡선을 그릴 수 있으며, 여기서 $\rho_{1}$에서 $\rho_{3}$으로 갈수록 $\rho$값이 작아져 선로 임피던스가 증가함을 의미한다. 결론적으로, 선로 임피던스가 커지게 되면 PV곡선의 크기가 줄어들어 전압안정도 여유가 줄어드는 것을 의미한다. 그리고 $\rho$값이 일정 값 이하로 떨어지게 되면 PV곡선이 더 이상 해가 존재할 수 없는 영역으로 들어서게 되어, 발산되는 것을 보여준다.

그림 5. PV 곡선을 통한 YV해석 예시

Fig. 5. Example of YV analysis using PV curve

3.2 재생에너지 증가 및 부하모델에 따른 전압안정도 해석

전력계통을 해석하는 데 있어서 부하모델은 정임피던스, 정전류, 정전력 등 세 가지로 모델링할 수 있으며, 또한 이를 특정 비율에 따라 분배하는 ZIP 모델이 있다. 정적해석 수준에서는 정전력 모델을 주로 사용하고 있는데, 이를 수식화하여 나타내면 식 (2)와 같이 정의할 수 있다. 하지만, 이와 달리 동적해석에서는 ZIP 모델을 주로 사용하며 이는 식 (3)과 같이 정의된다. 아래 두 식에서 $P$는 부하량, $P_{0}$는 초기 부하량(초기점), $V$는 전압을 의미하고 $p_{1}$, $p_{2}$, $p_{3}$는 각각 정임피던스, 정전류, 정전력 부하의 비율을 나타낸다^[12~13].

이를 활용하여 PV해석에서 두 가지 부하모델을 비교해보면, 그림 6을 통해 일반적으로 정전력 모델이 조금 더 보수적인 결과를 보여준다는 것을 확인할 수 있다. 그림 6에서 각 부하모델의 $P_{0}$값은 동일하며, ZIP 부하 비율은 전력시장 운영규칙에 명시된 값을 대입하여 비교하였다^[3].

(2)

$P=P_{0}$

(3)

$P=P_{0}(p_{1}V^{2}+p_{2}V+p_{3})$

그림 6. PV곡선과 부하 모델

Fig. 6. PV curve and load model

위 그림에서 비추어 볼 때, 정전력 부하모델이 ZIP 부하모델보다 PV해석 관점에서 전압안정도 여유가 작다는 것을 볼 수 있다. 하지만, 재생에너지 비중이 높은 계통에 대해 정적해석을 진행할 때 ZIP 모델을 반영하게 되면, 융통전력 해석 관점에서 기존과 다르게 정전력 부하보다 보수적인 결과를 가져올 수 있다. 그 이유는 그림 7을 통해 설명할 수 있는데, 해당 그림은 지역 A에서 외부로 융통 전력이 흐르고 있는 상황이고 어떠한 상정고장으로 인해 계통 전압이 감소한다고 가정한 그림이다. 정전력 모델의 경우에는 전압이 감소하여도 부하량이 변하지 않지만, ZIP 모델은 위 식 (3)과 같이 전압에 의존적인 모델이므로 상정고장에 따라 계통 전압이 감소하면 부하량도 감소하게 된다. 하지만 재생에너지 출력은 고장상황에서도 단시간내에서는 일정하게 유지되기 때문에 남는 발전량은 융통 전력량에 가중된다. 이 같은 현상이 결국 선로의 부하율을 증가시켜, 전압안정도를 악화시킬 수 있음을 알 수 있다. 결론적으로, 재생에너지 비중 증가가 복합적인 영향을 미쳐 기존의 안정도 해석 범위보다 한층 더 심화된 해석 역량을 요구할 수 있다는 것을 보여준다.

그림 7. 상정고장에 따른 부하모델별 융통전력 변화

Fig. 7. Powerflow variation of each load model according to the contingency situation

4. 국내 전력계통 전압불안정 분석 및 극복 방안

앞선 2.1절에서 보여주었던 국내 전력계통의 전압불안정 현상은 동적 모의를 통해 확인할 수 있었다. 해당 사례처럼 계통 발산(붕괴) 시점 이후에도 수치해석을 통해 어떠한 해를 찾아낼 수는 있으나, 해당 정보가 유효하다고 판단하기는 어렵다. 그래서 본 절에서는 YV해석을 통해 붕괴 직전의 상황을 모의하고 계통에서 어떠한 영향으로 인해 이러한 현상이 나타나는지 분석하였다. 또한, 본 논문에서 제시한 전압불안정 현상을 해결하기 위해 가장 적정하고 효과적인 전압 보상 위치를 선정하고, 그 결과를 분석하였다.

4.1 YV해석 활용 정적 전압불안정 및 융통 전력 분석

본 검토를 진행하기 위해 위의 표 2에 기술된 고장 정보를 Basecase에 입력하여 YV해석용 DB를 생성하고, 부하모델 방식에 따라 두 가지로 구분하였다. 검토 선로는 $\rho$값 반영을 통해 임피던스를 조정하여 탈락의 정도를 심화시켰다. 또한, 검토 대상 모선은 앞선 모의와 동일하게 345kV급 이상의 간선망 모선으로 지정하였다. 전체적인 YV해석 과정은 그림 8에서 보여주는 절차와 같다. 전압 위반 기준은 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준에 명시된 345kV 전압 유지 기준을 채택하여, 0.95pu보다 작거나 1.05pu보다 큰 값이 발생하면 전압 위반으로 판단하였다.

두 가지 부하모델을 고려한 YV해석 결과는 모두 다 앞선 동적 모의 검토 결과와 마찬가지로 신옥천 모선에서 전압 위반이 가장 먼저 나타났다. 여기서, 두 부하모델을 비교해보면 앞서 3.2절에서 설명한 바와 같이, ZIP 부하모델($\rho$: 4.2%)이 정전력 부하모델($\rho$: 4.0%)보다 안정도 여유가 작은 것을 확인할 수 있었다. 이는 재생에너지 비중 증가가 그림 7과 같은 현상을 일으켜 부하모델에 따라 안정도 여유 정도가 달라지는 것을 직접적으로 보여주며, ZIP 부하모델이 보수적인 결과를 가져옴을 말해주고 있다.

그림 8. YV해석 절차

Fig. 8. YV analysis procedure

표 3 부하모델별 전압 위반 결과 및 주요 모선 전압 변화

Table 3 Results of each load model for using YV analysis

또한, Basecase와 비교하여 각 부하모델을 반영한 전압 위반 직후 계통의 권역간 융통전력을 비교해 보았을 때, 강원권에서 수도권으로 가는 전력 중 일부가 영남권-호남권-충청권을 거쳐 수도권으로 전송되는 것을 확인할 수 있었다. ZIP부하의 경우는 0GW, 정전력 부하의 경우에는 이로 인해 기존에 호남권에서 수도권으로 전송되는 전력에 강원권으로부터 오는 우회 전력이 가중되어 호남권 전압 강하에 큰 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있었다.

그림 9. 권역간 융통 전력 분석(기존)

Fig. 9. Inter-regional transmission power analysis(basecase)

그림 10. 권역간 융통 전력 분석(정전력 부하모델)

Fig. 10. Inter-regional transmission power analysis(constant power)

그림 11. 권역간 융통 전력 분석(ZIP 부하모델)

Fig. 11. Inter-regional transmission power analysis(ZIP)

4.2 전압 보상을 통한 동적 전압안정도 개선 효과 분석

앞선 2.1절에서 제시한 동적안정도 분석 결과처럼 재생에너지의 발전 비중이 높아진 상태에서 대규모 상정사고가 일어난다면, 예상치 못한 곳에서 전압안정도 문제로 나타날 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 근본적으로 송전선로를 건설하여 송전 여유를 확보하는 것이 중요하지만, 현실적으로 송전선로의 신규 건설은 적기에 시행하기 어렵기 때문에 단기적으로는 적정한 개소에 전압을 보상할 수 있는 설비를 투입하는 것이 현실적으로 타당하다고 볼 수 있다.

그래서 본 절에서는 모선별 전압 보상 설비의 투입 효과를 동적안정도 해석을 통해 분석하고, 해당 전압불안정을 제거하기 위한 모선별 적정 설비용량을 제시한다. 앞선 해석 결과에서 권역별로 지정하였던 6개 개소(신영주, 북경남, 신남원, 신옥천, 서서울, 신시흥)에 차례로 전압 보상 설비를 투입하여 전압안정도 개선 효과를 분석하였다. 전압 보상 설비는 FACTS 설비로 설정하였고, 각 모선별로 설치 효과를 보기 위해 FACTS 설치 후 전압 파형이 안정화될 때까지 용량을 증가시켜 모의를 진행하였다. 이에 따른 결과를 요약하면 고장 인근이나 수도권에 전압을 보상해주는 것은 효과가 없었으며, 전압이 가장 빨리 붕괴되는 모선 인근(신옥천 등)의 설치 효과가 가장 뚜렷한 것으로 나타났다.

표 4 FACTS 설치에 따른 각 모선 전압 보상 효과

Table 4 Voltage compensation effect on each bus by installing FACTS

FACTS 설치 개소	(a) 신영주	(b) 북경남	(c) 신옥천
전압안정도 개선 여부	X	X	O
수렴 여부	발산	발산	수렴
FACTS 용량 [Mvar]	산정 불가	산정 불가	2000 [Mvar]
FACTS 설치 개소	(c) 신남원	(e) 서서울	(f) 신시흥
전압안정도 개선 여부	O	X	X
수렴 여부	수렴	발산	발산
FACTS 용량 [Mvar]	산정 불가 (신옥천 전압 위반)	산정 불가	산정 불가

그림 12. FACTS 투입에 따른 안정도 개선 효과 분석 (a: 신영주, b: 북경남, c: 신옥천, d: 신남원, e: 서서울, f: 신시흥)

Fig. 12. Analysis of stability improvement effect according to FACTS installation

5. 결 론

본 논문에서는 재생에너지 발전 비중의 증가가 전력계통안정도에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 분석하고, 이를 해결하기 위한 방안을 제시하였다. 본 논문에서 검토한 계통과 같이 재생에너지 발전 비중이 증가하게 되면 대규모 상정고장에 따라 전혀 다른 위치에서 전압불안정이 나타날 수 있으며, 이는 기존과 다른 계통해석이 필요함을 시사하고 있다. 본 논문에서는 동적 모의를 통해 전압불안정이 발생한 현상을 제시하고, 이를 정적해석 영역에서도 모의할 수 있는 해석법을 제안하였다. 그리고 재생에너지 비중이 높은 계통에 대해서 부하모델에 따른 정적해석의 결과가 달라질 수 있음을 설명하였다. 이를 활용하여, 동적 모의와 제안한 방법론의 해석 결과가 일치하는 것을 확인하고 ZIP 부하모델을 반영함에 따라 해석 결과가 더 보수적으로 나타나는 것을 결과로 보여주었다. 이를 통해 제안한 해석법이 상대적으로 시간이 소요되는 동적 모의 대신 간편한 정적해석을 통해 전압안정도를 빠르게 검토할 수 있고, 전압불안정이 발생하는 지점을 구체화할 수 있는 장점이 있음을 나타내고 있다.

또한, 전체 계통의 융통 전력 변화를 분석하여 두 가지 해석을 통해 확인한 전압불안정의 발생 원인이 융통 전력의 변화로 인해 발생하는 것을 알아내었다. 재생에너지가 호남권에 집중되고 북상 전력이 많은 상황에서 동해안 대규모 상정사고로 인해 강원권-수도권의 일부 전력이 호남권-충청권-수도권으로 돌아가는 것을 확인하였고, 이를 통해 권역간 융통 전력이 몰리는 지점인 신옥천 모선 인근에서 전압불안정 양상이 가장 먼저 나타날 수 있음을 검토하였다. 마지막으로, 발생한 전압불안정 현상을 해결하기 위해 효과적인 전압 보상 설비 설치 위치를 검토하였다. 해당 검토를 통해 본 계통과 같은 전압불안정이 발생하면 상정고장이 발생한 지점이 아니라 불안정 현상이 가장 먼저 발생하는 지점을 먼저 보상해 주어야 안정도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 정확한 계통해석을 통해 전압 보상 설비를 최적화된 위치에 설정하여 전압 보상 효과를 극대화할 필요성을 시사한다. 향후에는 본 논문의 검토 결과를 기반으로 하여, 다양한 상정고장 및 부하 모델을 반영한 복합접인 동적 전압안정도 해석이 수행되어야 할 것이다.