전류형 HVDC

왜 배우는가: 전류형 HVDC(LCC-HVDC)는 장거리 대용량 직류송전의 표준 방식이라 실무 설계·운전 판단의 기준이 된다. 변환기 구조, 무효전력, 전류실패 같은 개념이 시험에서 반복 출제되므로 원리와 구성을 함께 이해해야 한다.

출제 이력: 제135회 1교시 2번, 제121회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전류형 HVDC는 사이리스터 등 전류형(LCC) 변환기로 교류를 직류로 바꿔 송전하고, 수전단에서 다시 교류로 되돌리는 직류송전 방식이다.

• 전류형 변환기(LCC)
• 사이리스터 밸브
• 정류·역변환
• 점호각 제어
• 무효전력 보상
• 고조파 필터
• 평활리액터
• 전류실패

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전류형 HVDC는 교류 전기를 직류로 바꾸어 두 변전소 사이를 직류 선로로 잇는 방식이다. 송전단에서 교류를 직류로 바꾸는 장치를 정류기, 수전단에서 직류를 교류로 되돌리는 장치를 인버터라 부른다. 두 장치는 같은 구조의 변환기를 쓰며 동작 방향만 다르다.

정식 정의는 다음과 같다. 전류형 HVDC는 변환 과정이 연계된 교류 계통의 선간전압에 의해 정류되는 선로정류 변환기(Line-Commutated Converter, LCC)를 쓰는 직류송전 방식이다. 즉 스위칭 소자가 자기 스스로 꺼지지 않고, 교류 계통 전압이 전류를 다음 소자로 넘겨준다.

소자는 과거 수은 아크 밸브에서 1970년대 이후 사이리스터로 바뀌었다. 다이오드는 제어가 되지 않아 정류 전용으로만 쓸 수 있고 직류 전압을 조절할 수 없어 실용 방식으로 쓰이지 않는다. 따라서 사이리스터의 점호 시점을 조절해 직류 전압과 전력의 방향을 바꾸는 것이 이 방식의 핵심이다.

점호각(firing angle, α)은 사이리스터를 켜는 시점을 나타낸다. 정류 동작은 α가 90° 이하일 때이고, 90°를 넘으면 직류 전압이 음이 되어 역변환(인버터) 동작이 된다. 실제로는 α를 180°까지 늘리지 못한다. 전류가 옮겨 가는 중첩각(overlap angle, μ)과 사이리스터가 역방향 전압을 견디기 위한 소호각(extinction angle, γ)을 남겨야 하기 때문이다. 소호각은 사이리스터의 소호시간(turn-off time, tq)과 관련되며 대표적인 값은 15° 정도이다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 송전은 거리가 길어질수록 선로의 충전전류와 리액턴스 때문에 송전 용량과 전압 안정도가 떨어진다. 반면 직류 송전은 교류에서 생기는 무효전류와 리액턴스 성분이 없어, 같은 전선에서 더 많은 전력을 더 먼 거리까지 보낼 수 있다. 직류송전은 두 계통의 주파수가 달라도 연계할 수 있어 비동기 연계에도 쓰인다.

직류 송전의 경제성이 장거리에서 나타나므로, 수백에서 수천 km 구간의 대용량 송전이나 해저 연계에 HVDC가 적용된다. 여기에 신재생에너지 확산과 원거리 발전단지의 계통 연계 필요가 더해져 HVDC의 수요가 늘었다. 최근 국내 사례로는 2GW급 HVDC 제어기 검증과 전압형 HVDC 실증사업이 있으나, 이는 전압형 방식의 동향이므로 전류형과 구분해 이해해야 한다.

전류형 방식은 1950년대 중반 상용화된 이후 장거리 대용량 송전의 표준으로 자리 잡았다. 소자 기술이 발전하면서 밸브와 제어 시스템이 개선되었고, 디지털 제어와 실시간 감시로 운전 신뢰성도 높아졌다. 다만 교류 계통 전압에 의존하는 구조이므로, 교류 계통이 약하거나 사고로 전압이 떨어지면 전류실패가 생기는 한계가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

전류형 초고압직류송전(LCC-HVDC)은 교류를 직류로 바꾸는 컨버터, 직류 송전선로, 직류를 다시 교류로 바꾸는 인버터로 구성된다. 두 변환기 모두 사이리스터 밸브를 사용하므로 전류형이라 부른다.

컨버터는 교류 계통의 선간 전압을 이용해 전류를 다음 밸브로 넘기는 선로 전류 전이(line commutation)를 한다. 밸브를 끄는 능력이 없어도 계통 전압이 소호를 돕는다. 따라서 교류 계통 전압이 왜곡되거나 사고로 떨어지면 전류 전이가 실패할 수 있다.

표의 설비는 모두 직류 송전 계통을 구성하는 필수 요소이다. 교류 필터와 무효전력 보상설비는 한 설비로 묶여 설계되는 경우가 많다.

점호각(firing angle α)은 밸브에 점호 신호를 주는 시점을 정하는 각이다. 정류 모드에서 α가 0~90° 이면 직류 전압은 양(+)이고, 90°를 넘으면 직류 전압이 음(-)이 되어 인버터 동작을 한다. 직류 전류 방향은 바뀌지 않으므로 전압 극성 전환으로 전력 방향을 뒤집는다.

직류 전압은 점호각 α로 제어하고, 전력 방향은 직류 전압 극성 전환으로 바꾼다

정류기의 직류 전압은 다음 식으로 나타낸다. 6펄스 브리지의 이론 무부하 직류 전압은 다음과 같다.

$V_{d0}=1.35\,V_{LL}$

여기서 V_{d0}는 무부하 직류 전압, V_{LL}은 컨버터측 교류 선간 전압 실효값이다. 중첩각 \mu를 고려한 직류 전압은 다음과 같다.

$V_d=\frac{V_{d0}}{2}\left(\cos\alpha+\cos(\alpha+\mu)\right)$

여기서 V_d는 직류 전압, \alpha는 점호각, \mu는 중첩각(overlap angle)이다. 중첩각은 전류가 앞 밸브에서 뒤 밸브로 넘어가는 동안의 각이며, 커질수록 직류 전압이 떨어진다.

소호각 \gamma는 밸브가 역전압을 받은 뒤 순방향 전압 저지 능력을 회복하는 데 필요한 각이다. 인버터에서는 \alpha+\mu+\gamma=180^\circ 관계가 성립하므로, 점호각을 무한정 늘릴 수 없다. 소호각의 통상값은 15° 이다.

직류 전류 제어의 절차는 다음과 같다.

• 교류 전압의 위상을 PLL로 검출한다.
• 전류 지령과 직류 전압 지령에 따라 점호각 α를 정한다.
• 정해진 시점에 사이리스터 밸브를 점호한다.
• 중첩각 동안 전류가 앞 밸브에서 뒤 밸브로 이동한다.
• 소호각 동안 밸브가 역전압 저지 능력을 회복한다.
• 직류 전류·전압을 피드백하여 다음 주기의 점호각을 조정한다.

컨버터는 정상 운전 중 유효전력에 비례하는 상당한 양의 무효전력을 소비한다. 따라서 콘덴서 뱅크와 교류 필터로 무효전력을 공급해야 계통 전압이 유지된다. 6펄스 컨버터는 교류측에서 5·7·11·13차 등 특성 고조파를 발생시키므로 교류 필터가 이를 흡수한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전류형 HVDC의 교류측 설비는 한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받는다. 직류 송전 자체의 용어와 시험 방법은 IEC의 HVDC 관련 국제 표준을 따른다. 국내 발주에서는 전력회사 기술규격과 발주 사양이 추가로 적용된다.

위 표의 값은 설계 시 계산의 출발점이다. 필터 용량과 소호각 여유는 계통 조건에 따라 달라지므로 해당 발주 사양으로 최종 확정한다.

전류형 방식은 직류 전류 방향이 고정되고 직류 전압 극성이 바뀐다. 전압형 방식은 직류 전압 극성이 고정되고 전류 방향이 바뀐다. 이 차이가 전력 방향 전환과 계통 연계 능력의 차이로 이어진다.

개정 연혁으로 보면 전류형 컨버터의 초기 밸브는 수은 아크 밸브였고 1970년대까지 사용되었다. 이후 사이리스터 밸브가 주류가 되어 현재까지 쓰인다. 고전압 직류 송전은 1950년대 중반에 실용화되었다.

국내에서는 2024년 양주변전소에 200MW급 전압형 HVDC가 운영되고 있다. 정부는 2030년까지 서해안 에너지고속도로를 구축해 재생에너지 단지와 수도권을 연결하는 계획을 세웠다. 이 사업에는 전압형 HVDC가 필수 기술로 꼽힌다.