초고압 직류 송전선로 HVDC (High Voltage Direct Current)

1. HVDC 송전원리

  ▣ 송전단에서는 밸브의 동작을 통해서 AC(교류)를 DC(직류)로 변환하고 이를 수전단의 밸브 동작을 통해서 DC를 AC로 변환

       하여 전력을 전달함

 

  ▣ HVDC는 AC 전력계통의 대용량 전력 전송과 계통 안정화를 위하여 사용된다. DC 송전을 위하여 송전단에는 AC를 DC로 변환

       하는 컨버터가 필요하고 수전단에는 DC를 AC로 바꾸는 인버터가 필요하다.

  ▣ 송전단과 수전단의 전압조정이 임의적으로 가능하기 때문에 송전 전력량이 제어될 수 있고 컨버터와 인버터의 전압 극성 전환

       을 통하여 전력전송의 방향을 조절할 수 있다.

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2. HVDC 송전의 특성

  ⊙ DC는 AC 대비 송전효율이 높아 장거리 송전이 가능함

  ⊙ 전자파를 방출하지 않으며 송전탑 크기가 작아 환경 및 경제적으로 유리함

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 ▣ 일반적으로 HVDC는 AC에 비하여 송전거리가 길다. AC 송전은 용량성, 유도성 특성에 의해 송전거리 제한이 있지만 DC 송전

      은 이에 대한 제약이 없다.

 

  ▣ HVDC는 송전효율이 AC 송전보다 좋다. 교류는 장거리 선로의 경우 리액턴스로 송전용량이 감소하나, 직류는 저항손실만 있어

        장거리 송전에 유리하다.

 

  ▣ HVDC 송전은 AC 송전에 비하여 전자파가 적다. 직류는 전압과 전류의 크기가 항상 일정하며, 자계는 지구자계와 동일하여

       전자파 인체 유해성 논란이 없다.

  ▣ HVDC 가공철탑은 AC 송전탑에 비하여 크기가 작아 경관장해 측면에서 우수하다.

       AC전압과 대비하여 전선 소요량이 30% 절감되고 철탑 규모가 약 25% 감소한다.

 

  ▣ HVDC 송전은 AC 송전방식에 비해 변환설비가 고가여서 건설비용이 많이 든다.

        그러나 송전선로 건설비용이 상대적으로 적어 송전거리가 길어질수록 경제적으로 유리하다.

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2. HVDC 송전의 역사

가. HVDC의 역사

  ▣ DC 송전의 역사는 1920~1940년 Mercury arc 밸브의 개발로 시작되었고 1970년대 사이리스터 (thyristor), IGBT[Insulated

       Gate Bipolar Transistor(절연 게이트 양극성 트렌지스터)] 등의 전력 전자소자가 개발되면서 본격화되었다.

  ▣ GE(General Electric)사는 1932년 부터 Mecury arc 밸브를 사용하여 12kV DC 송전선을 시험하였고 이 설비는 40Hz로 발전

       한 전력을 60Hz 부하에 공급하는데 사용하기도 하였다.

  ▣ 2차 세계대전 당시 독일에서는 Elbe 프로젝트로 Mercury arc 밸브를 사용한 ±200kV HVDC와 115㎞ 지하 케이블 링크(Link)

       를 베를린에 설치하는 개발 연구가 있었다. 그러나 독일 패전으로 완성되지 못했고 설비들은 소련으로 옮겨져 Moscow-ashira

       HVDC 시스템으로 운전되었다.

  ▣ 한편 1954년 스웨덴에서 본토와 Gotland 섬을 연결하는 98㎞ 해저 케이블을 통하여 100kV로 20MW를 송전하는 최초의 상업

       용 HVDC 송전이 시작되었다.

  ▣ 장거리 케이블을 사용한 AC 송전은 (보통 30㎞ 이상) 많은 충전전류가 흐르기 때문에 중간에 무효전력 보상을 위한 변전소가

       설치되어야 한다.

  ▣ 이것이 불가능하면 케이블을 사용한 AC 송전은 사실상 불가능하고, 충전전류가 없는 HVDC 송전이 유일한 해결책이다. 따라서

       초기의 Mercury arc 밸브를 사용한 HVDC 송전은 대부분 Gotland의 경우처럼 해저 케이블을 이용하여 두 전력계통을 연결하

       는 것이었다.

  ▣ HVDC 송전은 주파수가 다르거나 안정도 문제로 인해 AC로 직접 연결하는 것이 불가능한 두 시스템의 연계에 필수적이었다.           약 600㎞ 이상의 장거리 송전에는 HVDC 송전이 AC 송전보다 경쟁력이 있다.

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나. 밸브(Valve)의 역사

 ⊙ 밸브는 HVDC 전력변환 설비의 핵심 요소임

 ⊙ 1900년대 초반의 Mercury arc 밸브의 개발로 AC를 DC로 변환

 ⊙ 1900년대 중반의 Thyristor 밸브의 개발로 변환 용량을 증대

 ⊙ 1900년대 후반의 IGBT 밸브의 개발로 변환 설비의 제어성이 증대

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 ▣ Mercury arc 밸브는 1901 년 미국의 Peter Cooper Hewitt에 의해 개발되었다. 유리 용기 안에 수은 전극과 양극을 갖추고

      용기 속에 수은주를 주입하여 진공으로 한 다음 수은 증기 안에서 아크방전을 일으키면 양극에서 수은 전극으로는 전류가 흐르

       지만 반대방향으로는 전류가 흐르지 않는 성질이 있어 정류기로 사용되었다. 하지만 유리 용기의 용량이 작고 진공도를 유지하

       기가 어려우며 간혹 수은전극에서 양극으로 전류가 반대로 흐르는 등의 문제가 발생되어 철을 이용한 용기를 사용하면서

       그 쓰임이 확대 되었다.

 ▣ Mercury arc 밸브는 1972년까지 설계된 시스템에 사용되었고 이 소자를 사용한 최종 HVDC 시스템은 1972년과 1977년에

      단계적으로 운전을 시작한 캐나다 Manitoba의 Nelson River 프로젝트이다. 

      그 후 반도체 소자를 적용한 시스템으로 전환되었다.

 

 ▣ 하지만 Mercury arc 밸브는 운전이나 유지, 보수 중 대기로 수은이 방출되는 등의 문제들과 라디오 간섭, 용량의 한계, 부피가

      커서 설비의 규모가 커지는 이유로 1977년 이후의 HVDC 시스템에는 대부분의 경우 사이리스터 밸브를 사용하였다. 사이리스

      터 밸브는 ON/OFF를 위해 외부 AC 계통과 연결을 필요로 하며 이를 사용한 HVDC를 LCC (Line Commutated Converter)

      HVDC라 부른다.

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 ▣ 이러한 사이리스터 밸브는 직 · 병렬 연결을 통해 용량을 키울 수 있고 도통 시 손실을 줄이며 비도통시 높은 역전압을 견디게

       제작되면서 1970년대 부터 HVDC에 적용이 확대되었다.

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 ▣ 사이리스터 밸브 기반의 최초의 HVDC는 캐나다 Eel River의 80kV, 320MW의 back-to-back scheme으로 GE가 제작하여

      1972년 운전을 하였다. 남아프리카의 Cabora Bassa와 Johannesburg 를 연결하는 1,410㎞, ±533kV, 1,920MW HVDC가

      1979년 3월 가압되었는데 원래 이 프로젝트는 1974년에 운전될 예정이었으나 내전으로 연기되었다.

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 ▣ 1984년에는 파라과이/브라질의 국경지역에 있는 Itaipu 수력발전소와 브라질 남동부를 연결하는 약 800㎞, ± 600kV,

       6,300MW, two bipole HVDC가 운전을 시작하였다.

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 ▣ 현재 운전중인 세계에서 가장 긴 HVDC 송전선로는 브라질의 Porto Velho와 Araraquara를 연결하는 2,375㎞, 600kV,

      7,100MW 링크이다.

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 ▣ 이를 넘어서는 수준으로 계획되고 있는 HVDC 설비는 Xinjiang-Anhui 프로젝트로 중국의 Weicaiwan 과 인도의 Anhui가 연결

       되는 3,333Km의 1,100kV, 10,000MW 등이 있다.

 

 ▣ 현대의 사이리스터 밸브는 일반적으로 규격화되어 있어 HVDC 시스템의 설계와 개발 중 편리성을 제공하며 이는 사이리스터를

      직렬로 연결함으로써 전체 시스템에서 요구는 전압 졍격을 만족시킨다.

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 ▣ 일반적으로, 12개 밸브로 컨버터를 구성할 때 보통 단일밸브로 시스템을 구성하지 않고 수개의 밸브를 합쳐 구성한 MVU(Multi

       Valve Unit)를 기본으로 시스템을 구성한다. 밸브는 설치방법에 따라 바닥에 고정하는 스탠딩과 천정에 매다는 서스펜딩형으로

       구분할 수 있다.

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 ▣ 절연 및 냉각방식은 초기에는 오일(Oil)이 적용되었으나 현재에는 수냉각 및 공기절연 방식이 적용되고 있다.

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3. 전압형 HVDC의 개발

 ⊙ 전류형(LCC) HVDC와 전압형(VSC) HVDC의 가장 큰 차이점은 변환용 밸브 소자가 다름

 ⊙ 전류형은 자체적으로 턴-오프 능력이 없는 사이리스터를 사용하는 반면 전압형은 자체 턴-오프 능력이 있는 IGBT소자를 사용

 

 ▣ 1980년대부터 전동기 구동시스템에 광범위하게 사용되어 왔던 전압원 컨버터(Voltage Source Converter, VSC)는 1997년에

       HVDC에 적용되었다. VSC는 현재 HVDC 시장의 상당한 부분을 차지하고 있다.

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 ▣ VSC에 사용되는 반도체 소자인 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO (Gate Turn Off) 사이리스터, IGCT

      (Integrated Gate Commutated Thyristor)는 스스로 Turn Off가 가능하므로 LCC HVDC처럼 정류에 외부전원이 필요하지

      않고 PWM(Pulse With Modulation)을 사용하여 고조파 발생을 줄이고 무효전력을 소비/공급할 수 있는 여러가지 장점이 있다.

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 ▣ 즉, 외부 전원 없이 Black Start가 가능하여 고립된 지역에 전력공급이 가능하고 고조파 필터가 실질적으로 필요 없으며 무효전

      력 공급이 가능하므로 취약한 계통에 사용될 경우 전압조정 기능까지 수행할 수 있다. 이러한 장점으로 앞으로 VSC HVDC

      수요는 점점 증가될 것으로 예상된다.

 

 ▣ 전류형과 전압형 HVDC를 비교하면 아래와 같다.

항 목	전류형 HVDC	전압형 HVDC
컨버터 기술	사이리스터 밸브	IGBT 밸브
최대 송전용량/전압	10,000MW/1,100kV	1,100MW / ± 320 kV
최대 송전거리(실적)	3,333 ㎞	200~500 ㎞
전체 시스템 손실	2~3 %	4~6 %
무효전력 보상	송전전력의 50~60%	필요없음
Black-Start 능력	불가능	가능
해상변전소 구축	어려움	가능
Multi-terminal 구조	복잡	단순
조류역전 방법	컨버터 전압 극성 반전	컨버터 전류 방향 전환

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