전력 품질(Electric power quality)에 대하여 알아보자

대부분의 사람들이 전력품질이라는 용어를 쓴다. 하지만 전력이나 전류보다는 전압의 품질을 의미한다. 전력은 단순한 에너지의 흐름, 부하에 따라 바뀌는 전류는 공급단에서 조종하기 매우 어렵다.

전력 품질이 우수하다는 것은 규정된 범위 내 전압 안정, 정격 주파수에 가깝게 교류 주파수를 보내고, 정현파와 같이 부드러운 곡선 형태의 파형으로 송전함을 의미한다. 소비자는 전기 콘센트에서 나오는 전력과 꽂혀 있는 전자기기의 부하가 서로 잘 맞아 충돌이 없다는 것을 의미한다. 전기 부하를 구동시키는 전력이 부하가 제대로 작동하게 하는지 확인하는데 사용한다. 전력 품질이 나쁜 경우 오작동 하거나 심한 경우 절연파괴로 고장 날 수 있다. 전력 품질은 전압, 주파수, 파형 등이 얼마나 안정되어 있는지 보여주는 것으로 품질을 떨어트리는 데에는 여러 요인이 있다.

전력회사는 발전, 송전, 배전을 통해 전기계량기까지 전력을 공급하여 수요자가 사용할 수 있게 한다. 이때 최종 부하에 도달할 때까지 전기선을 통해 최종 배선 시스템까지 흘러간다. 전기 에너지가 생산지에서 소비지로 이동하는 중간 날씨, 세대, 수요 등과 같은 여러 복잡한 요인으로 공급 전력 품질이 나빠지게 된다.

전력 품질은 4가지로 설명 된다.
1. 전압 임계점 이하로의 강하나 이상으로의 상승 등으로 인하여 블랙아웃 또는 브라운아웃을 일으킬 정도로 전력이 불안정한가
2. 전압의 크기 변동
3. 전압과 전류의 과도 파형
4. AC전원에서 파형의 고조파 모양

호환성 문제에는 2가지 해결책이 있다.
1. 전원부 정리
2. 장비를 더 튼튼하게 만든다
이는 망에 연결된 장비들이 망에서 보내주는 전력과 상호 호환성을 체크할 수 있다.

데이터 처리기기의 허용 전압 오차는 전압 크기, 시간 길이를 나타내는 국제 정보통신 표준 위원회에서 제정한 CBEMA 곡선을 사용한다.

CBEMA 곡선
전원공급단이 본선에 직접 연결되지 않은 경우에 따라 정해진 전압 진폭과 주파수로 전력을 공급한다.

CBEMA 곡선

전력 품질의 편차
부하가 지나치게 낮거나 공급이 지나치게 높아 예비전력이 정상 이상으로 초과하면 전력공급 과잉이라 부르며 수요와 공급 양쪽 모두 전력 품질에 악영향을 끼친다. 실제 전원은 이상적으로 일정하지 않다. 공급 전력에서 부하 전력(수요)을 뺀 예비 전력이 어느 정도이냐에 따라 달라진다.

전압
1. 최대 진폭 or RMS값 둘 다 장비에 서로 다른 영향을 끼친다.
2. RMS 전압값이 0.5분~1분 허용값의 10~80%를 넘을 경우 swell 상태라 한다.
3. 반대로 RMS 전압값이 허용값의 10~90% 낮은 경우를 sag 상태로 부른다.
4. RMS 전압값이 정상치에서 90~110% 사이를 왔다 갔다 하며 반복적, 랜덤하게 변화할 경우 조명 장비의 플리커 현상이 발생한다. 플리커 현상이란 눈에 보이는 불쾌한 깜빡임을 만드는 전압 변동 특성이다.
5. 써지, 임펄스, 스파크 순간 전압이 튀는 현상은 대형 전동기의 탈락, 전력망에 번개 등 요인으로 발생한다.
6. 부족전압 현상은 1분 이상 전압이 기준치에서 90% 미만으로 강하하는 현상이다. 브라운아웃이란 일부 지역에 부족전압 현상이 일어나 정전되어 일부는 전력공급, 일부는 블랙아웃인 상황을 의미한다. 공식적으로 정의된 용어는 아니나, 전력회사 또는 발전소 등에서 수요를 강제로 줄이거나 망 보호율을 높이기 위해 전압강하를 실시할 때 사용한다. 시스템 오류나 과부하 등으로 망 내 모든 곳에 전력 공급이 부족할 경우 문제 있는 곳의 전기 공급을 끊어버린다.
7. 과전압 현상은 1분 이상 전압이 기준치 110% 이상 상승하는 현상이다. 공급 전력이 지나치게 많아 예비전력이 과잉될 경우 발생한다.

주파수
1. 저주파 임피던스가 0보다 커짐(수요가 많아 전압이 drop)
2. 고주파 임피던스가 0보다 커짐(수요가 많다가 갑자기 떨어지면 전력망이 인덕턴스 역할을 하여 전압이 급강하, 요동친다)
3. 파 모양의 변형, 낮은 주파수(3kHz 이하)로 내려가거나 주파수의 왜곡, 더 높아지는 현상을 의미
4. 전력망 주파수의 변화

파형
1. 이상적인 파형에서 고조파가 왜곡시킨 정도를 THD(고조파 왜곡)으로 부른다.
2. 이상적인 전압과 전류의 파형은 사인, 코사인 함수이나 실제는 불안정한 형태로 변할 수 있다.
3. 보통 발전기는 전압 왜곡을, 부하는 전류 왜곡을 일으킨다. 통상 60Hz 이상 빠른 진동으로 발생하며, 고조파라 한다.
4. 파형에서 고조파가 줄일수록 이상적이다. 고조파는 변압기 진동으로 윙윙 소리, 장비 이상, 손실, 과열을 일으킨다.

고조파 문제는 보통 수요단의 문제이며 전력망 내로 퍼져 다른 수요단에 영향을 준다. 고조파 문제는 수요지의 우수한 전자기기 설계 및 안정장비 등으로 해결할 수 있다. 전력품질은 다양한 원인으로 수요와 공급이 모두 영향을 미치고 영향 받는다. 전력 전송망의 결함으로 전압 급강하 현상이 발생하고 정도에 따라 영향 받는 수요자가 더 늘어난다.

전력 유지
전력 조절기를 사용하여 전력을 안정적으로 유지한다.
서지 보호기, 축전기, 배리스터로 대부분의 과전압 상태로부터 기기를 보호, 써지는 피뢰기로 막는다.
전자 필터로 고조파를 막을 수 있다.

전력망에 써지 문제가 발생할 경우 UPS(무정전 전원 장치)를 통해서 해결할 수 있다. UPS는 들어오는 AC 전원을 DC로 변환하여 배터리 충전한다. 이를 AC 사인파로 재방출하는 이중 변환 형태로 전력 공급한다. 재방출된 사인파는 원래 AC 전원 품질보다 더 높을 수 있다.(고품질 UPS)

스마트그리드와 전력 품질
스마트 그리드의 신속한 탐지, 자동복구 기능을 이용하여 전력 품질이 떨어질 수 있는 소규모 독립형 전력망이나 태양광 등에 전력을 공급하면서 고품질의 전력을 공급하고 가동 중지 시간을 줄인다. 현재는 위상 계측장치(PMU)를 이용하여 자동으로 전력 품질을 모니터링하고 일부 자동으로 대응한다.