직류송전시스템(HVDC) 정의·장단점·방식

왜 배우는가: 직류송전(HVDC)은 장거리 대용량 송전과 비동기 계통 연계에서 교류 송전의 한계를 보완하는 방식으로, 서해안-수도권 같은 대규모 송전망 확충 사업에서 실무적으로 점점 중요해지고 있다. 정의·장단점·방식 비교는 기술사 시험에서 반복적으로 출제되는 기본 개념이므로 용어와 구분 기준을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제134회 3교시 2번, 제111회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

직류송전시스템(HVDC)은 교류를 직류로 변환해 고전압 직류로 전력을 송전하고, 수전단에서 다시 교류로 변환하는 송전방식이다.

키워드

• HVDC(High-Voltage Direct Current)
• 컨버터(변환기)
• 변환소
• 비동기 연계
• 장거리 송전
• 무효전력 보상
• Back to Back 방식
• Point to Point 방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 발전소에서 만든 교류를 중간에서 직류로 바꿔 긴 선로로 보내고, 받는 쪽에서 다시 교류로 되돌리는 방식이다. 교류 선로를 그대로 쓰는 것과 달리 전압·전류의 위상과 주파수가 맞지 않아도 전력을 주고받을 수 있다.

정식 정의는 고전압 직류송전(HVDC) 이다. 직류 송전은 교류 계통에서 나온 전력을 송전단 변환소에서 직류로 바꾸고, 직류 선로를 통해 전력을 전송한 뒤, 수전단 변환소에서 교류로 되돌리는 시스템이다. 기준 전압 범위는 일반적으로 100kV 이상 800kV 이하로 쓰인다. 변환소를 포함한 전체 설비를 HVDC 시스템이라 부른다.

핵심 용어는 다음과 같다.

컨버터(변환기) 는 교류와 직류를 서로 바꾸는 장치다. 송전단에서는 정류(교류→직류), 수전단에서는 역변환(직류→교류)을 수행한다. 사이리스터 등 반도체 소자를 쓴다.

변환소(HVDC 변환소) 는 직류 선로의 양 끝에 설치되는 변전소형 설비다. 컨버터 외에 교류 개폐설비, 변압기, 무효전력 보상설비, 고조파 필터, 직류 개폐설비를 포함한다.

비동기 연계 는 주파수나 위상이 서로 다른 두 교류 계통을 직류 링크로 묶는 것이다. 예를 들어 50Hz 계통과 60Hz 계통 사이의 전력 교환이 가능하다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 송전은 선로 길이가 길어질수록 선로 충전전류와 리액턴스 때문에 손실이 커진다. 장거리 대용량 송전에서는 이 손실이 경제성을 떨어뜨린다. 직류 송전은 리액턴스와 충전전류의 영향이 없어 긴 선로에서 손실을 줄일 수 있다. 다만 변환소 설치 비용이 추가로 드니, 선로가 충분히 길어 선로 절감 효과가 변환소 비용을 넘을 때 유리해진다.

또 다른 배경은 계통 연계다. 서로 다른 주파수나 비동기 계통을 교류 선로로 직접 묶으면 계통 안정성 문제가 생긴다. 직류 링크를 사용하면 두 계통을 독립적으로 운영하면서 전력만 교환할 수 있다. 직류 전력의 흐름은 송·수전단 위상각과 무관하게 제어되므로, 급격한 전력 변동에 대한 계통 안정화에도 기여한다.

국내에서는 서해안 발전단지와 수도권 부하를 잇는 대용량 송전망을 확충하는 과정에서 HVDC 도입이 검토되고 있다. 육지 계통에 HVDC를 적용하는 사례가 늘면서, 송전 용량 확보와 계통 연계의 수단으로 중요성이 커지고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

직류송전시스템은 교류를 직류로 바꾸는 변환설비, 직류 선로, 직류를 다시 교류로 바꾸는 변환설비로 이루어진다. 송전단 변환소는 정류기(Rectifier)로 교류를 직류로 바꾸고, 수전단 변환소는 인버터(Inverter)로 직류를 교류로 바꾼다. 두 변환소 사이를 직류 선로가 잇고, 교류 계통과는 변압기와 차단기로 연결된다.

구성요소를 기능별로 정리하면 다음과 같다.

표의 구성요소 중 변환기와 교류 필터, 무효전력 보상설비가 변환소의 핵심 부분이다. 변환소는 고압 변전소보다 넓은 부지와 많은 건설비를 요구한다.

원리는 다음과 같다. 변환기는 사이리스터나 IGBT의 점호 시점을 제어해 직류 전압과 전류를 조절한다. 점호각 \alpha를 키우면 직류 전압이 낮아지고, 인버터 측은 소호각 \gamma를 확보해야 사이리스터가 역방향으로 회복된다. 직류 선로의 전력은 다음 식으로 정해진다.

$P_d = V_d \times I_d$

여기서 P_d는 직류 전력(MW), V_d는 직류 전압(kV), I_d는 직류 전류(kA)다. 직류 전압은 변환기의 제어로 정해지므로 두 계통의 위상각과 무관하게 전력 흐름을 제어할 수 있다. 이 점이 비동기 계통 연계와 계통 안정화의 근거가 된다.

변환기 방식은 크게 두 가지다. 전류형 변환기(LCC, 사이리스터 기반)는 대용량에 유리하고, 전압형 변환기(VSC, IGBT 기반)는 무효전력을 독립적으로 제어하고 흑기동이 가능하다.

송전 절차는 다음과 같다.

• 송전단 교류 계통의 전력을 변압기로 변성한다.
• 정류기에서 교류를 직류로 변환하고 평활 리액터로 리플을 줄인다.
• 직류 선로로 장거리 수송한다.
• 수전단 인버터에서 직류를 교류로 변환하고 필터로 고조파를 제거한다.
• 무효전력 보상설비로 교류 계통의 전압을 유지하고 변압기로 계통 전압에 맞춘다.

직류송전의 핵심은 변환소에서 전력 흐름과 전압을 전력전자 제어로 조절하는 것이다.

흐름을 한눈에 보면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

직류송전설비는 전기사업법 등 전기 관계 법령과 한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받는다. 다음 표는 설계와 검토에서 자주 확인하는 기준 항목을 정리한 것이다.

표의 손실률과 전압 범위는 자료에 근거한 값이다. 변환소 설계 세부 기준은 KEC 관련 규정과 계통 연구 결과에 따른다.

직류송전 개정 연혁으로 알려진 것은 국내 육지 계통 직류송전 준공이다. 북당진-고덕 구간이 국내 최초 육지계통 직류송전으로 준공되어 서해안-수도권 송전망을 확충하였다. 동해안-신가평 HVDC는 신한울원자력발전소에서 가평군을 잇는 초고압직류송전선으로, 내륙 초고압 직류송전선 건설의 의미가 있다.

6. 유형과 비교

직류송전은 변환소의 배치와 극(pole) 구성에 따라 나뉜다. 극 구성은 단극(Mono-polar), 양극(Bipolar), 동극(Homopolar) 방식으로 구분한다.