전류형·전압형 HVDC

왜 배우는가: HVDC는 장거리 대용량 송전과 계통 연계에 쓰이며, 전류형(LCC)과 전압형(VSC) 변환기의 구조 차이가 송전 방식과 제어 능력을 가른다. 두 방식의 차이는 교류 송전 대비 장단점, 변환설비, 전압제어 문제로 이어져 여러 교시에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제133회 3교시 6번, 제132회 2교시 5번, 제128회 2교시 2번, 제123회 1교시 3번, 제111회 4교시 2번, 제108회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

HVDC는 교류를 직류로 변환(정류)해 고압 직류로 송전하고, 수전단에서 다시 교류로 변환(역변환)하는 송전 방식이며, 변환기 방식에 따라 전류형(LCC)과 전압형(VSC)으로 나뉜다.

핵심 키워드

• 고압직류송전(HVDC): 직류로 장거리 대용량 전력을 송전하는 방식.
• 전류형 변환기(LCC): 사이리스터로 구성되고 직류 전류를 평활하는 변환기.
• 전압형 변환기(VSC): IGBT 등 자기소호형 소자로 구성되고 직류 전압을 일정하게 유지하는 변환기.
• 점호각(firing angle): 사이리스터 점호 시점의 지연각. LCC의 유일한 빠른 제어 변수.
• 정류·역변환: 교류→직류 변환과 직류→교류 변환.
• 변환소(converter station): 교류와 직류를 상호 변환하는 설비.
• 전류 실패(commutation failure): LCC에서 밸브 전류가 다음 밸브로 이행하지 못하는 현상.
• 모듈러 멀티레벨 변환기(MMC): VSC의 대표 구조로 서브모듈을 직렬 연결해 계단 전압을 만드는 방식.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, HVDC는 발전소에서 만든 교류를 한 번 직류로 바꿔 긴 선로로 보내고, 받는 쪽에서 다시 교류로 바꾸는 방식이다. 교류 선로는 대지 정전용량과 표피효과 때문에 먼 거리에서 손실과 전압 문제가 커지지만, 직류는 이 문제가 작다.

정식 정의는 다음과 같다. 교류 전력을 직류로 변환하는 정류기(컨버터)와 직류를 교류로 되돌리는 역변환기(인버터)를 양단에 두고, 직류 선로로 전력을 전달하는 송전 방식이다. 변환기 구조에 따라 전류형(LCC, Line-Commutated Converter)과 전압형(VSC, Voltage-Source Converter)으로 구분한다.

전류형(LCC)은 사이리스터를 쓰는 변환기다. 사이리스터는 턴온은 제어할 수 있지만 턴오프는 전류 영점에서 교류 측 전압이 자연적으로 소호시키므로, 교류 계통에 의해 전류가 전환(commutation)된다. 이 때문에 'Line-commutated'라 부른다. 직류 측 전류가 거의 일정하게 흐르도록 리액터로 평활하는 것이 특징이다.

전압형(VSC)은 IGBT처럼 턴온과 턴오프를 모두 제어할 수 있는 소자를 쓴다. 직류 측에는 커패시터를 두어 직류 전압을 일정하게 유지한다. 교류 계통의 전류 전환에 의존하지 않으므로 교류 계통이 약하거나 무부하 상태에서도 운전할 수 있다.

핵심 용어 두 가지를 구분하면 답안이 명확해진다. 점호각 α는 밸브 전압이 양(+)이 되는 시점부터 사이리스터가 턴온될 때까지의 지연각이다. 점호각을 키우면 직류 평균 전압이 줄어든다. 정류 운전은 α가 90° 이하일 때이고, 역변환 운전은 90°를 넘을 때다. 실제 상한은 소자와 계통 조건에 따른 실용 한계가 있으며, 그 이상이면 밸브의 턴오프 여유 시간이 부족해진다.

3. 등장 배경과 필요성

HVDC는 교류 송전의 한계를 넘기 위해 나왔다. 교류 송전은 선로의 리액턴스와 정전용량 때문에 송전 거리가 길어질수록 무효전력이 늘고 안정도가 떨어진다. 지중·해저 케이블은 정전용량이 커서 이 문제가 더 심하다. 직류는 정전용량에 따른 무효전류가 없으므로 해저 케이블 구간에 특히 유리하다.