HVDC

왜 배우는가: HVDC는 해저·지중 케이블과 장거리 대용량 송전, 비동기 계통 연계, 분산형 전원 연계에서 교류송전의 한계를 보완하는 방식이라 실무에서 설계 판단의 기준이 된다. 기술사 시험에서는 LCC와 VSC의 구분, 계통강도, 블랙스타트 같은 개념 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제139회 3교시 1번, 제134회 3교시 4번, 제99회 4교시 1번, 제93회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

HVDC는 교류를 직류로 변환해 직류로 송전하고 수전단에서 다시 교류로 변환하는 초고압 송전 방식이다.

답안 첫 줄에 이 정의를 쓰고, 이어서 장거리 대용량 송전과 비동기 연계의 이점을 한 문장으로 붙인다.

핵심 키워드

• HVDC(초고압직류송전)
• LCC(line commutated converter, 전류형)
• VSC(voltage source converter, 전압형)
• 사이리스터와 IGBT(변환기 스위칭 소자)
• SCR(단락비, short circuit ratio)
• 계통강도
• 블랙스타트(Black Start)
• 비동기 연계
• 분산형 전원 연계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 보면 HVDC는 발전소에서 만든 교류를 변환소에서 직류로 바꾸어 긴 선로로 보내고, 도착지 변환소에서 다시 교류로 바꾸어 전력망에 넣는 방식이다. 교류선로는 충전전류와 무효전력 때문에 거리가 길어질수록 용량이 줄어드는데, 직류는 이 문제가 없다.

정식 정의는 다음과 같다. HVDC는 정류기(rectifier)와 인버터(inverter)로 이루어진 변환소 한 쌍 사이를 직류 선로로 잇는 송전 방식이다. 직류 선로에서는 주파수와 위상 동기가 필요 없으므로 서로 다른 주파수나 비동기 계통을 연결할 수 있다.

LCC는 사이리스터를 쓰며, 교류계통 전압의 영점을 이용해 전류를 다음 밸브로 넘기는 자연전환 방식이다. 교류계통이 강해야 안정적으로 동작하고, 운전 중 무효전력을 소비하므로 보상설비가 따른다.

VSC는 IGBT 같은 자기소호 소자를 쓰며, PWM으로 전압과 전류를 직접 제어한다. 자기전환이 가능해 약한 계통이나 수동계통에도 연결할 수 있고, 유효전력과 무효전력을 독립적으로 조절한다.

계통강도는 교류계통이 변환기 운전 변화를 얼마나 잘 견디는지를 뜻한다. SCR은 변환소 모선의 단락용량을 직류 변환기 정격용량으로 나눈 값으로 나타내며, 값이 클수록 계통이 강하다.

블랙스타트는 외부 송전망 없이 정전된 계통을 기동하고 복구하는 기능이다. HVDC 변환소가 이 기능을 갖추면 한쪽 계통의 전력으로 무전압 계통에 전압을 세우고 발전기와 부하를 순차적으로 투입할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

교류송전은 거리가 늘어날수록 선로의 충전전류가 커지고 무효전력이 쌓여 송전용량이 줄어든다. 해저와 지중 케이블은 정전용량이 커서 이 문제가 특히 심하다. 직류는 정상상태에서 정전용량에 따른 충전전류가 없으므로, 이런 구간에서 교류보다 유리하다.

또한 교류 계통끼리는 주파수와 위상이 맞아야 연결할 수 있지만, HVDC는 변환소를 사이에 두고 비동기로 연결할 수 있다. 여러 나라가 전력망을 잇거나 주파수가 다른 계통을 묶을 때 이 점이 쓰인다.

최근에는 태양광, 연료전지, ESS처럼 직류를 내는 분산형 전원이 늘면서 직류 연계의 필요성이 커졌다. 데이터센터나 전기차 충전소처럼 직류만 쓰는 수요도 나타났다. 이 때문에 HVDC는 대규모 벌크 송전뿐 아니라 분산형 전원 연계 수단으로도 검토된다.

SCR 기준값은 LCC 운전의 계통강도 판단에서 자주 인용되며, 계통이 약하면 전환실패와 전압변동 위험이 커진다. 이 기준은 4절과 5절에서 다룬다.