고압직류송전(HVDC) 방식의 장단점 및 구성도, 효과는 어떻게 될까?

 

산업 전반의 분위기가 로봇 중심의 사회 및 산업으로 점차 발전하고 있어 전력 사용량이 증가하는 추세입니다. 이에 따라 전력 손실을 최소화하고 전력 효율성을 높일 수 있는 고압 직류 송전(HVDC) 방식이 있습니다. 이번에는 고압 직류 송전 방식의 장단점, 구성 및 효과에 대해 살펴보겠습니다.

 

<목차> 직류송전방식(HVDC) 이란? 직류송전방식(HVDC)의 장점 직류송전방식(HVDC)의 단점 직류송전방식(HVDC)의 구성도 직류송전방식(HVDC)의 적용분야 및 효과

 

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1. 직류송전방식(HVDC) 이란?

직류 송전 방식(HVDC)은, 전력을 효율적으로 송전하기 위해 송전 단측에서 교류 계통의 전력을 변환 장치를 통해 직류로 변환하여 송전하고, 이를 수전 단측에서 역변환 장치를 통해 다시 교류로 변환하여 수전하는 방식입니다. 이 방식은 전력 손실을 줄이고 전력 효율성을 향상하는데 도움이 됩니다. 또한, 직류 송전 방식은 장거리 송전에 적합하며, 특히 대용량 전력의 송전에 더욱 효과적입니다. 따라서, 이 방식은 전력 공급 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

 

2. 직류송전방식(HVDC)의 장점

① 계통의 절연 등급을 낮출 수 있습니다.

직류 송전 방식에서는 선로 전압이 교류 최고 전압의 1/√2배로 되므로 계통의 절연 등급을 낮출 수 있습니다.

 

② 송전 효율이 좋습니다.

직류 송전 방식에서는 주파수가 없고 역률이 1이므로 무효 전력과 표피 효과에 의한 손실 전력이 없어 송전 효율이 좋습니다.

 

③ 안정도에 의한 송전 전력의 제한이 없습니다.

계통의 리액턴스나 안정도에 의한 송전 전력의 제한이 없습니다.

 

④ 주파수가 다른 계통 간에 비동기 연계가 가능합니다.

 

⑤ 단락 용량이 경감됩니다.

직류 송전은 유효 전력은 공급하지만 무효 전력은 공급하지 않으며, 단락 전류의 대부분은 무효 전력이므로 직류 계를 채택하면 계통 용량이 증가해도 단락 전류가 증가하지 않습니다. 또한, 기존의 교류 계통을 적정 규모로 분할하여 직류로 연계하면 단락 전류를 억제할 수 있습니다.

 

⑥ 페란티 현상이 없습니다.

교류 송전에서는 장거리 무부하 시에 페란티 현상으로 송전 거리가 제한될 수 있지만 직류 계통에서는 이런 현상이 없습니다.

 

⑦ 유전체 손실이 없습니다.

직류 송전에서는 주파수가 없어 전력 케이블을 직류로 송전하면 유전체 손실이 없어 손실 전력이 감소하고, 케이블 온도 상승도 감소됩니다.

 

⑧ 정전 용량과 무관합니다.

직류 계통은 정전 용량과 무관하여 충전이 불필요하므로 전원 용량이 작아도 됩니다.

 

⑨ 귀로도체를 생략할 수 있습니다.

대지를 귀로 사용하여 송전이 가능한 경우 귀로도체를 생략할 수 있습니다.

 

⑩ 신속한 전력 조류 제어가 가능합니다.

교류 계통의 사고로 주파수가 변동하면 급속한 직접 전력 제어를 통해 신속한 전력 조류 제어가 가능합니다.

 

 

3. 직류송전방식(HVDC)의 단점

① 직류↔교류 변환장치가 고가이므로 소용량 단거리 선로에서는 경제성이 없습니다.

 

② 직류↔교류 변환장치는 유효전력의 50~60 [%] 정도의 무효전력을 소비하므로 이를 위한 무효전력 보상설비의 경비가 큽니다.

 

③ 직류↔교류 변환장치에서 고조파가 발생하므로 이를 제거하기 위한 필터가 필요합니다.

 

④ 전압의 승압과 강압이 어렵습니다.

 

⑤ 직류는 전류 0점이 없으므로 직류의 차단이 어렵습니다.

 

4. 직류송전방식(HVDC)의 구성도

 

① 변환기용 변압기

직류↔교류 변환에 적합한 전압으로 변환합니다.

일반 변압기와 비교하면,

• 권선에 고조파를 많이 포함한 전류가 흐르므로 변압기 간 또는 상간 리액턴스 오차를 줄여 고조파를 억제해야 합니다.
• 밸브 사고 시 과대한 고장 전류가 흐르므로 이를 억제하기 위해 리액턴스를 일반 변압기보다 크게 합니다.

② 변환기

직류를 교류로, 교류를 직류로 변환합니다.

 

③ 직류 리액터(Smoothing Reactor)

• 순·역변환기에 설치되어 직류 전류의 맥동을 감소시켜 평활화합니다.
• 직류 계통 사고 시 전류 상승률을 억제합니다.
• 경부하 시 직류 전류의 단속을 억제합니다.
• 고조파를 억제합니다.

④ 무효전력 공급 설비

직류 ↔ 교류 변환 시, 유효전력의 50~60% 정도에 해당하는 무효전력이 소비되므로 동기 조상기나 SVC로 진상 무효전력을 공급합니다.

 

 

5. 직류송전방식(HVDC)의 적용분야 및 효과

① 해저 케이블 계통

• 해저 케이블을 교류로 송전하면 충전 전류에 따른 무효 전력과 케이블 시스전류에 의한 손실 때문에 송전 용량이 저하됩니다.
• 또한, 거리가 멀어지면 무효 전력 자체가 케이블의 정격 용량을 초과하게 되며, 이 경우 케이블 양단에 분로 리액터를 사용하여 진상 무효 전력을 보상해도 케이블 중간 부분에서는 내부 과전압이 발생하므로 해저 케이블 계통에서는 직류 송전 방식을 채용합니다.

② 대용량 장거리 선로

장거리 선로를 교류로 송전하는 경우, 송전 용량은 도체의 허용 전류, 전압 강하, 안정도의 한계 등에 의해 결정되며, 거리가 멀어질수록 송전 용량은 저하됩니다.

이를 개선하기 위해 선로에 직렬로 커패시터를 삽입하여 선로의 리액턴스를 감소시켜 송전 용량을 증대시킬 수 있으나, 발전기에 바람직하지 못한 영향을 줄 수 있습니다.

장거리 선로를 직류로 송전하면, 아래의 이점이 있습니다.

• 계통의 리액턴스나 안정도에 의해 송전 전력이 제한되지 않으며,
• 전압 전류의 최대값과 실효값이 같으므로 절연이 저감 되며,
• 전선의 단면적이 절약되므로 동일 전력을 수송하는 교류 가공선에 비해 철탑과 전선의 규모가 작아지므로 선로 투자비가 적게 듭니다.

③ 비동기 연계

전력 계통을 연계하면 아래의 이점이 있습니다.

• 공급 신뢰도의 향상
• 송전 용량의 증대 및 계통의 안정도 향상
• 송전 효율의 향상
• 설비 이용률의 향상
• 공급 예비력의 절감 등의 이점이 있습니다.

교류 송전 방식으로 계통을 연계하면 전력 조류 제어가 어렵고, 양 계통 간 동기가 유지되어야 하나,

직류 송전 방식으로 계통을 연계하면 전력 조류 제어가 용이하며 필요시 조류 반전도 가능하여 계통의 안정도가 향상됩니다.

 

④ 대도시 지역의 전력 공급

교류로 대도시 지역에 전력을 공급하면, 계통 규모가 커짐에 따라 단락 용량이 증가하여 차단기 차단 용량이 부족하고, 지락 사고 시 지하 매설물 등을 손상하거나 유도장해를 초래하게 됩니다.

한편 대도시 지역의 전력 공급은 케이블을 많이 사용하므로, 직류 송전 방식을 채용하면 케이블 비용 절감과 단락 용량 증대로 인한 기술적 문제점을 해결할 수 있습니다.