HVDC 송전의 기초

 

이번에 제가 취업을 하게 되었는데요, 담당할 프로젝트가 HVDC송전 프로젝트라고 해서 공부삼아 HVDC송전에 대한 포스팅을 하게 되었습니다. 기초부터 가능한 부분까지 한번 다루어 보도록 하겠습니다.

 

 

1. 정의 (Definition)

고전압 직류 전송, 약칭 HVDC는 교류로 동작하는 HVAC 전력 시스템과 대조적으로 전기 전송을 위해 직류를 사용하는 대용량 전력 전송 기술입니다. HVDC에 자주 사용되는 전기 이름은 Superhighway 또는 Power Superhighway입니다.

 

교류 송전에서는 전압과 전류의 방향이 지속적으로 변하여 선로에 과열이 발생하여 전력 손실이 크게 발생합니다. 교류 송전과 달리 직류 송전에서는 전류와 전압이 한 방향으로만 흐릅니다. 따라서 HVAC를 HVDC로 변환하면 전력 손실이 크게 감소하여 송전선로의 효율이 증가합니다.

 

HVDC Transmission system은 AC와 DC를 결합한 시스템으로, 먼저 발생한 AC 전압이 송신단에서 DC로 변환되고, 수신단에 도달하면 분배 목적으로 AC로 변환됩니다. 따라서 이 작업을 수행하기 위해서는 전송선로 양쪽 끝에 변환 장치가 필요합니다. 그러나 HVDC Transmission은 길이가 600km 이상인 가공선로와 50km 이상의 지중 케이블로 장거리 전송에만 경제적입니다. 또한 HVDC Transmission 시스템의 구성 요소, 작업, 분류, HVAC 시스템과의 비교, 장단점에 대해서도 논의하고자 합니다.

 

2. Components of HVDC System

 

Converter (컨버터):

Converts AC to DC and DC to AC. It consists of rectifiers and inverters.

AC를 DC로 또 DC를 AC로 변환하는 장치. 정류기와 인버터로 구성됨

 

Rectifier (정류기):

A device that converts alternating current to direct current which flows only in one direction.

교류 전류를 한반으로만 흐르는 직류 전류로 변환하는 장치

 

Inverter (인버터):

A device that converts direct current into alternating current.

직류 전류를 교류 전류로 변환하는 장치

 

Electrodes (접지극):

Conductors that are used to connect the system to the earth.

대지에 시스템을 접속하는데 사용하는 도체

 

Smoothing Reactors (평활 리액터):

Smoothing reactors consist of inductors connected in series with the pole of each converter station. It prevents commutation failures experienced by inverters, reduces harmonics, and avoids breaking off the current.

평활 리액터는 각 컨버터 스테이션에 직렬로 연결된 인덕터로 구성됩니다. 이 장치는 인버터에의한 정류 실패를 방지하고 하모닉을 줄여주며 전류가 끊어지는 것을 피하게 해줍니다.

 

DC Lines (DC 선로):

Cables or overhead lines that carry power.

전력을 전달하는 DC 가공 선로

 

Harmonic Filters (고조파 필터):

Used to minimize the harmonics in voltage and currents of the converters used.

컨버터의 전압과 전류에서 고조파를 최소화 시키는데 사용되는 장치

 

Reactive Power Supplies(무효 전력 공급 장치):

Converters at the terminals consume reactive power from the supply, thus shunt capacitors are used to provide this reactive power compensation.

공급단으로 부터 온 무효전력을 소비하는 장치, 병렬 커패시터가 무효전력 보상을 제공하는데 사용됩니다.

 

AC Circuit Breaker (AC 차단기):

Used for electrical safety ; like fault in transformers, disconnection of the DC link.

전기적 안전을 위해 사용되는 장치, 변압기의 고장 차단이나 DC link의 분리등에 사용

 

 

3. How does HVDC Transmission System Work?

HVDC 송전 시스템은 어떻게 작동하는가?

 

변전소를 생성하는 과정에서 교류 전원이 발생되고, 이를 정류기를 이용하여 직류로 변환됩니다. 직류는 오버헤드 라인을 통해 흐르게 되고, 다시 사용자단에서 인버터를 이용하여 교류로 변환된 후 부하에 교류가 공급됩니다. 정류기와 인버터는 송수신단의 컨버터 스테이션 내부에 배치됩니다.

 

DC가 오버헤드 라인을 통해 흐르면 입력 전력이 출력 전력과 같아 손실이 감소하고 효율이 향상됩니다.

 

위 그림은 2개의 컨버터 스테이션과 1개의 전송선로를 보여주기 때문에 이러한 형태의 시스템을 '점대점 시스템' 또는 '2단자 DC 시스템'이라고 합니다. 마찬가지로 하나의 변전소에 2개 이상의 컨버터와 상호 연결된 직류단선로가 있는 경우 '다단자 DC변전소'라고 이름 붙입니다.

 

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4. HVDC Links Types (HVDC 링크의 종류)

HVDC links 시스템이나 네트워크를 연결하는데 사용됩니다. 여기에는 3가지의 분류가 있습니다.

 

Monopolar Link:

모노는 '1'을 의미하기 때문에 음의 극성을 가진 도체가 한 개만 있으며, 리턴 경로는 지상과 해상에서 제공됩니다. 지상에 대해 음의 극성으로 작동하면 선로의 코로나 손실과 전파 간섭이 줄어듭니다. 모노폴라 링크는 도체에 부착된 접지 전극과 함께 각 극의 끝에 배치된 두 개의 도체로 구성됩니다. 이들은 각각의 터미널 스테이션에서 약 15~55km 떨어진 곳에 배치됩니다. 모노폴라 HVDC 링크는 저전력 정격과 주로 케이블 전송에만 사용되었지만 몇 가지 단점 때문에 현재는 자주 사용되지 않습니다.

 

Bipolar Link:

Bi는 '2'를 의미하므로 바이폴라 링크는 두 개의 도체가 하나는 양극이고 하나는 접지에 음극입니다. 또한 각 끝에 있는 변환기 스테이션과 접지를 위해 변환기 스테이션의 중간 지점에 연결된 전극으로 구성되어 있어 각 극이 독립적으로 작동할 수 있습니다. 또한 바이폴라 링크 중 하나라도 작동을 멈추면 대지 복귀 시스템 때문에 링크가 자동으로 모노폴라 모드로 변환되어 시스템의 절반이 계속 전원을 공급합니다. 바이폴라 링크는 장거리 HVDC 전송에 널리 사용됩니다.

 

Homopolar Link:

호모폴라 링크는 보통 음극인 같은 극성의 도체 두 개로 구성되며, 항상 대지를 복귀 전도체로 사용합니다. 이 링크의 극들이 병렬로 작동하므로 설치 비용이 절감됩니다. 이 유형의 링크는 적용이 제한적이고 매우 복잡합니다. 따라서 현재 사용되지 않습니다.

 

5. Comparison of HVDC and HVAC Transmission

HVDC와 HVAC 송전의 비교

 

이 그래프는 거리에 대한 AC와 DC 송전의 비용을 비교합니다. 그래프에 따르면, HVDC 송전의 초기 비용은 HVAC 송전에 비해 높습니다. 이는 DC와 AC 터미널 비용 사이의 상당한 차이 때문입니다(HVDC 송전 시스템의 터미널에 있는 컨버터 스테이션은 매우 비쌉니다). 그러나 HVDC 송전의 특정 거리 비용에서 HVAC 시스템의 비용과 동일하며, 이를 브레이크벤 거리라고 합니다. 이 시점 이후에는 HVDC 송전의 전반적인 비용이 HVAC 송전보다 낮아집니다(장거리 HVAC 송전에는 엄청난 전력 손실이 있습니다). 따라서 HVDC 송전 시스템이 장거리 전송에 대해 경제적이라는 사실을 증명합니다. 브레이크벤 거리는 오버헤드 전송 선로의 경우 약 600km입니다.

 

 

6. Advantages & Disadvantages of HVDC Transmissions

HVDC송전의 장점과 단점

 

장점: 이 전송에는 더 적은 수의 도체와 절연체가 필요하므로 전체 시스템의 비용이 절감됩니다. 상간 및 대지간 간극이 덜 필요합니다. HVDC 전송의 철탑은 저렴합니다. HVDC 전송의 코로나 손실은 HVAC의 전력 전송 선로의 손실에 비해 적습니다. 전력 전송에 사용되는 선로가 더 적습니다. 따라서 전력 손실이 줄어듭니다. HVDC 시스템은 한 극에 고장이 발생할 경우 대지 복귀를 사용합니다. '대지 복귀'가 있는 극은 독립적인 회로처럼 작동하여 시스템의 유연성을 높입니다. HVDC 시스템은 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 변전소를 상호 연결하는 데 사용됩니다. HVDC 링크를 사용하여 연결된 두 개의 교류 스테이션 사이에 비동기 연결이 있으므로 전력 전송은 송신단 주파수와 수신단 주파수에 독립적입니다. HVDC 라인에는 주파수가 없기 때문에 시스템에서 근접 및 표피 효과가 발생하지 않습니다. 무효 전력을 생성하거나 흡수하지 않으므로 무효 전력 보상이 필요하지 않습니다. DC 링크를 통해 흐르는 전력은 매우 값싸고 손실이 없습니다.

 

단점: 컨버터 변전소 양단 설치로 인하여 교류에서 직류로 변환하거나 교류에서 직류로 변환하는 비용이 상당히 듭니다. 고조파는 정류기와 인버터에서 생산되는데 능동 필터를 사용하여 감소하므로 시스템 비용이 증가합니다. HVDC 변전소는 근처의 교류 변전소에 고장이 발생하면 정전이 발생할 가능성이 있습니다. 컨버터 변전소에 사용되는 인버터의 과부하 용량이 제한됩니다. HVDC에 사용되는 차단기는 매우 비용이 많이 듭니다. 변압기는 전압 레벨을 변경할 수 없습니다. 컨버터 변전소에서는 열 손실이 발생합니다. HVDC 링크 자체도 매우 복잡합니다.

 

Is HVDC better than HVAC?

HVDC 송전 시스템의 장점을 고려하면 HVAC보다 HVDC를 사용하는 것이 더 경제적이라고 할 수 있지만 HVDC 송전소의 초기 비용이 상당히 높고 변전소가 매우 복잡하기 때문에 몇 가지 단점을 고려해야 합니다. 따라서 전력을 AC로 생산한 후 DC로 변환하여 장거리 송전하는 경우에만 HVDC 시스템이 HVAC 시스템보다 선호된다고 결론지었습니다. 따라서 송전 시스템의 효율 향상과 함께 더 경제적인 송전 시스템을 만들 수 있습니다.