A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support

전력망은 수요와 공급이 발생하는 즉시 그 둘 사이의 균형을 맞춰야 하는 거대하고 섬세한 기계입니다. 태양이 밝게 빛나고 바람이 강하게 불 때, 태양광이나 풍력 발전과 같은 재생 에너지원은 하루의 필요량 대부분을 충당할 수 있을 만큼 많은 전기를 생산할 수 있습니다. 이러한 저수요 시기에는 시스템을 안정적으로 유지하는 데 보통 쓰이는 전통적인 발전소들이 비용 절감을 위해 꺼지는 경우가 많습니다. 이로 인해 전선에 전류를 밀어내는 전기적 압력인 전압을 조절할 수 있는 대형 기계들이 그리드에 적게 남게 됩니다. 만약 이 압력이 너무 높아지면 장비가 손상되고 정전이 발생할 수 있으며, 너무 낮아지면 불이 깜빡거리거나 가전제품이 제대로 작동하지 않습니다. 수년 동안 엔지니어들은 재생 에너지가 지배적이 될 때 전압이 너무 높아질 것을 우려해 왔으며, 이는 압력을 낮추기 위해 과잉 에너지를 흡수해야 하는 상황으로 보였습니다.

스페인 세비야 대학교의 연구팀은 이러한 오랜 가설에 도전했습니다. 그들은 재생 에너지가 그리드를 가득 채우고 전통적인 발전소들이 꺼지는 상황, 즉 최근 이베리아 반도에서 대규모 정전을 초래했던 시나리오를 조사했습니다. 세 가지 서로 다른 전기 네트워크에 대한 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여, 그들은 전력망이 왜 실패하는지를 진단하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 연구는 그리드에 전압이 너무 높게 나타날 때, 그것이 종종 정반대의 문제, 즉 지원의 절박한 부족을 의미한다는 사실을 밝혀냈습니다. 연구진은 표준 안전 점검이 흔히 제안하는 것처럼 단순히 에너지를 흡수하려고 시도하는 것이 상황을 악화시킬 뿐이라는 것을 발견했습니다. 대신, 해결책은 특정 발전소들을 온라인 상태로 유지하여 능동적인 지원을 제공하고, 배터리 저장 시스템이 로컬 발전기를 잃었을 때 계속해서 전력을 끌어쓰지 않도록 보장하는 데 있습니다.

연구는 재생 에너지가 수요의 거의 전부를 충당하는 시간대를 살펴보는 것으로 시작되었습니다. 이러한 시기에는 비용 중심적인 시스템이 전압을 안정적으로 유지해 온 전통적인 동기 발전기 대부분을 끕니다. 연구진은 간단하지만 매우 중요한 질문을 던졌습니다. "남아 있는 장비들이 단 하나의 발전기가 갑자기 탈락하기 전과 후의 전압을 안전한 범위 내로 유지할 수 있는가?" 이 질문에 답하기 위해, 그들은 그리드를 위한 의료 스캔과 같은 역할을 하는 진단 도구를 구축했습니다. 단순히 전압이 가장 높은 곳을 찾는 대신, 이 도구는 수천 가지의 시나리오를 시뮬레이션하여 시스템이 실제로 에너지가 너무 많아서 실패하는 것인지, 아니면 에너지가 부족해서 실패하는 것인지를 판별합니다. 그들은 이를 소규모 9개 모선 시스템, 더 큰 39개 모선 네트워크, 그리고 실제 그리드의 복잡한 73개 모선 모델에 테스트했으며, 수요가 가장 낮고 재생 에너지 출력이 가장 높은 시간대에 대한 시뮬레이션을 실행했습니다.

결과는 놀랍고도 직관에 어긋났습니다. 그리드가 실패한 거의 모든 경우에서, 시스템은 실제로 전력이 너무 많은 것이 아니라 전압을 유지하는 데 필요한 에너지인 무효 전력이 부족한 상태였습니다. 연구진은 전압이 위험할 정도로 급등하게 만드는 특정 메커니즘을 발견했습니다. 전력원으로부터 멀리 떨어진 마을까지 연결된, 부하가 적은 긴 케이블을 상상해 보십시오. 케이블이 전류를 많이 운반하지 않기 때문에, 케이블은 자연스럽게 자체적인 전압을 생성하여 끝부분의 압력을 높입니다. 이 원격지의 전압이 너무 낮아지는 것을 막기 위해, 시스템은 전력원의 전압을 훨씬 더 높여야만 합니다. 이 동작은 케이블 끝단의 전압을 안전 한계치 위로 밀어 올립니다. 표준 점검 방식은 케이블 끝의 높은 전압을 보고 전력이 너무 많다고 판단하여 에로 에너지를 흡수하는 장치를 설치할 것을 제안합니다. 그러나 연구진은 이것이 잘못된 조치임을 보여주었습니다. 진짜 문제는 원격지의 마을이 에너지를 덜 받는 것이 아니라 더 많은 지원을 필요로 한다는 것이었습니다. 케이블 끝에서 에너지를 흡수하는 장치를 추가하는 것은 오히려 전압을 더 높여서 실패를 악화시켰습니다.

연구는 또한 인버터를 사용하여 그리드에 연결되는 현대적인 발전소들이 어떻게 도움을 줄 수 있는지 조사했습니다. 이러한 발전소들은 전통적인 발전소를 대체하면서 전압을 직접 제어하도록 프로그래밍될 수 있습니다. 연구진은 이 발전소들이 전압을 제어하도록 설정되었을 때, 안전하게 운영 가능한 시간의 비율이 급격히 증가한다는 것을 발견했습니다. 한 대규모 시스템에서, 전압 제어를 사용하는 발전소들이 고정 설정을 사용할 때보다 안전하게 운영할 수 있는 시간의 비중이 9%에서 73%로 늘어났습니다. 이러한 개선은 주로 무효 전력을 요구에 따라 생성하거나 흡수할 수 있는 능력 덕분이었습니다. 심지어 발전소들이 이 기능을 평소 용량의 절반만 가지고 있더라도, 고정 출력을 사용하는 풀 용량 발전소만큼 잘 수행했습니다. 핵심은 조건이 변함에 따라 전압을 안정적으로 유지하기 위해 루프를 닫는 동적인 조정 능력이었습니다.

또 다른 중요한 발견은 재생 에너지 발전소와 함께 위치한 배터리와 관련되었습니다. 많은 현재 설계에서는 태양광 또는 풍력 발전소가 탈락할 경우, 해당 위치의 배터리가 계속 충전하며 그리드로부터 전력을 끌어올 수 있습니다. 연구진은 이러한 동작이 위험할 수 있다는 것을 발견했습니다. 발전소가 탈락하면 해당 지역은 전력원을 잃게 되는데, 이때 배터리가 계속 충전된다면 이는 추가적인 전력 소모원으로 작작용하여 국부적인 에너지 부족을 심화시킵니다. 시뮬레이션 결과, 발전소 탈락 후에도 충전을 계속하는 배터리는 시스템이 otherwise 안정적인 경우 중 약 4분의 1의 사례에서 안전 운영 능력을 제거했습니다. 결정적으로, 문제를 일으킨 배터리는 항상 최대 사고가 발생한 지점에 있는 것이 아니었습니다. 그것은 종아가 멀리 떨어진 취약한 그리드 부분을 공급하고 있는 다른 위치의 배터리인 경우가 많았습니다. 이는 안전 규칙이 단순히 최대 사고 지점에만 집중해서는 안 되며, 발전소가 탈락하는 즉시 모든 배터리가 충전을 중단하도록 요구해야 함을 의미합니다.

연구진은 표준적인 그리드 실패 판독 방식이 종종 오해를 불러일으킬 수 있다고 결론지었습니다. 안전 점검에서 높은 전압 제한을 표시한다고 해서 그것이 자동으로 시스템에 전력이 너무 많다는 것을 의미하지는 않습니다. 재생 에너지가 주류가 되는 저수요 시간대에 높은 전압 수치는 빈번하게 국부적인 부족, 즉 그리드가 원격 부하를 지원하기 위해 너무 얇게 늘어나 있는 상태를 나타내는 증상입니다. 해결책은 에너지를 흡수하는 것이 아니라, 전통적인 유닛들을 온라인 상태로 유지하거나 현대적인 인버터의 전압 제어 능력을 활용하여 부족한 곳에 에너지를 공급하는 것입니다. 그들이 만든 진단 도구는 네트워크의 상세한 레이아웃을 알 필요 없이 이 두 가지 상황을 구별할 수 있어, 운영자들이 불을 밝힐 수 있는 명확한 경로를 제공합니다. 높은 전압이 지원의 부족을 나타낼 수 있다는 점을 이해함으로써, 그리드 관리자들은 잘못된 처방을 피하고 그리드가 가장 취약한 곳을 정확히 강화할 수 있습니다.