저주파 진동 Low Frequency Oscillation, LFO 이란

저주파 진동(Low Frequency Oscillation, LFO)은 전력계통의 안정성과 신뢰성에 중대한 영향을 미치는 현상으로, 0.1에서 2㎐ 사이의 주파수 범위에서 발생합니다. 최근 전력수요 증가와 발전기 용량 확대 등으로 인해 전력설비가 확장되면서 계통 리액턴스가 증가하고, 안정도 여유가 감소하고 있습니다. 본 글에서는 저주파 진동의 개념과 유형, 그리고 이를 억제하기 위한 효과적인 방법을 살펴보고자 합니다.

저주파 진동

저주파 진동(Low Frequency Oscillation, LFO)은 전력계통 운전 조건에서 주로 0.1～2㎐ 주파수 범위에서 발생하는 지속적인 동요를 의미합니다. 이는 전력수요의 급증과 발전기 단위용량의 증가로 인해 전력설비가 확장됨에 따라 발생하는 현상입니다. 이러한 계통 규모의 대형화는 계통 리액턴스를 증가시키고, 전력계통의 안정도 여유를 감소시킵니다.

저주파 진동

 

이를 보상하기 위해, 대형 발전기에 고성능 여자기를 채용하여 전력계통의 안정도를 증가시키고 있습니다. 그러나 이러한 고성능 여자기는 동기화 토크(Synchronizing Torque)를 증가시켜 과도안정도를 개선하지만, 제동토크(Damping Torque)를 감소시켜 발전기의 동요를 지속시키는 저주파 진동현상을 유발합니다.

 

저주파 진동은 크게 광역 진동모드(Inter-area oscillation mode)와 지역 진동모드(Local oscillation mode)로 구분됩니다.

 

광역 진동모드(Inter-area Oscillation Mode):

전력계통 내 다수의 발전기군들이 지역적으로 서로 동요하는 현상입니다.

동요주파수는 약 0.1-0.8 Hz 정도입니다.

주로 한 지역의 발전기들이 다른 지역의 발전기들과 동요하는 경우에 발생합니다.

 

지역 진동모드(Local Oscillation Mode):

하나의 발전기가 나머지 전력계통에 대해 동요하는 현상입니다.

동요주파수는 약 0.5-2 Hz 정도입니다.

특정 발전기나 부분계통만이 관련되는 현상이므로 지역모드라고 합니다.

 

저주파 진동을 억제하는 가장 경제적인 방법 중 하나는 발전기에 전력계통 안정화장치(Power System Stabilizer, PSS)를 설치하고 최적 튜닝하여 운용하는 것입니다.

 

기타 동요모드로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

제어 모드(Control Mode):

발전기나 그 밖의 제어기에 의해 발생하는 동요모드입니다.

여자기, 조속기, HVDC, SVC 등의 제어변수가 부적절하게 설정되었을 때 불안정한 제어모드가 발생합니다.

 

비틀림 모드(Torsional Mode):

터빈 축과 관련된 동요모드입니다.

여자기나 조속기, HVDC, SVC 제어기들 사이의 상호작용으로 발생합니다.

 

국내에서도 이러한 저주파 진동현상이 여러 번 관찰되었습니다. 예를 들어, 1986년과 1999년 서대구-신옥천 간 345KV 1회선 정지 시, 심야 양수발전기 기동/정지 시, 그리고 삼랑진 양수와 영동 출력 동요 등 소규모 외란이 지속적인 계통 동요로 발전하는 현상이 보고되었습니다. 이러한 현상은 전력계통의 안정적인 운용을 위해 반드시 제어하고 억제해야 하는 중요한 과제입니다.

 

결론

저주파 진동은 전력계통의 안정적인 운용을 위협하는 중요한 문제로, 이를 효과적으로 제어하기 위한 다양한 접근이 필요합니다. 고성능 여자기의 사용과 같은 방법은 과도안정도를 개선할 수 있지만, 제동토크 감소로 인해 저주파 진동이 발생할 수 있습니다. 이에 따라 전력계통 안정화장치(PSS) 설치와 같은 경제적이고 효율적인 해결책이 요구됩니다.

저주파 진동의 억제는 전력계통의 신뢰성을 유지하고, 안정적인 전력 공급을 보장하기 위한 핵심 과제입니다. 따라서, 지속적인 연구와 최적화된 제어 전략의 개발이 필요하며, 이를 통해 전력계통의 안정도를 향상시킬 수 있을 것입니다.