HVDC 송전 장단점

왜 배우는가: HVDC 송전은 장거리·대용량 송전과 비동기 계통 연계의 핵심 기술이며, 해저 케이블 연계와 재생에너지 대규모 송전 사례가 늘면서 전력 분야 기술사 시험에서 반복해 출제된다. 장단점을 정확히 설명하려면 교류 송전과 비교하는 기준을 먼저 알아야 한다.

출제 이력: 제126회 1교시 13번, 제100회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: HVDC 송전은 교류를 직류로 변환(정류)해 고전압 직류 선로로 송전하고, 수전단에서 다시 교류로 변환(역변환)하는 송전 방식이다.

핵심 키워드

• HVDC 변환소(컨버터 스테이션)
• 사이리스터 밸브
• 정류·역변환
• 무효전력 보상
• 고조파 필터
• 스무딩 리액터
• 비동기 계통 연계
• 다단자(멀티 터미널)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 장거리 송전선에서는 전기를 직류로 바꿔 보내는 편이 손실과 선로 비용이 적은 경우가 있다. 이때 송전단과 수전단에 설치하는 장치가 변환소다.

정식 정의는 다음과 같다. 고전압 직류송전(HVDC)은 교류를 직류로 바꾸는 정류기(컨버터) 와 직류를 다시 교류로 바꾸는 역변환기(인버터) 를 양 끝에 두고, 직류 선로로 대용량 전력을 보내는 방식이다. 현재 HVDC 는 대개 고압 직류 등급 범위에서 쓰인다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

HVDC 변환소는 교류 측 차단기, 변압기, 무효전력 보상 설비, 고조파 필터, 직류 측 개폐기로 구성된 변전소의 특수 형태다. 변환기의 본체는 사이리스터 밸브이며, 여러 개의 사이리스터를 직렬로 묶어 고전압을 견딘다. 사이리스터 한 개는 수 kV 수준의 내전압을 가지므로 직렬 연결이 필수다.

정류와 역변환은 전력 흐름 방향에 따라 변환기의 역할이 바뀌는 과정이다. 송전단에서는 교류를 직류로 정류하고, 수전단에서는 직류를 교류로 역변환한다. 이 방식에서는 위상각으로 전력 흐름을 제어하므로 두 계통의 위상 관계와 무관하게 전력을 주고받을 수 있다.

비동기 계통 연계는 주파수가 다르거나 위상이 맞지 않는 두 교류 계통을 직류 링크로 묶는 것을 뜻한다. 예를 들어 50Hz 계통과 60Hz 계통 사이의 전력 교환이 가능하다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 송전은 거리가 길어질수록 선로의 충전전류와 리액턴스 증가로 전압 강하와 손실이 커진다. 해저 케이블은 정전용량이 커서 충전전류가 특히 크므로 장거리 해저 연계에 불리하다. 이 한계가 직류 송전을 다시 검토하게 된 배경이다.

직류 송전에는 선로 정전용량에 의한 충전전류가 없고, 표피효과가 없어 도체 이용률이 높다. 따라서 같은 전력을 보낼 때 교류보다 적은 도체로 송전할 수 있다. 한 개 회로의 전력 용량이 크고 송전 거리에 따른 손실 증가가 완만하다는 점도 필요성을 높였다.

또한 재생에너지 단지가 수요지에서 멀리 떨어진 경우가 많아, 대용량을 장거리로 보내는 수단이 필요해졌다. 계통 간 주파수 차이나 비동기 연계 문제도 HVDC 가 해결하는 대표 과제다. 최근에는 해상풍력과 국가 간 계통 연계 수요가 늘면서 HVDC 의 적용 범위가 넓어지고 있다.

교류 대비 장거리 손실이 작다는 방향만 참고로 보며, 손실 수치는 전압과 건설 조건에 따라 달라진다. 손실 수치를 외울 절대 기준으로 쓰지 않는다.

단거리에서는 변환소 설비 비용 때문에 교류가 더 경제적이다. 장단점의 분기점은 송전 거리와 전력 규모이며, 이 분기점 개념을 답안에 함께 쓰면 점수가 높아진다. 이 기준은 4절 비교와 6절 유형에서 다시 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

HVDC 송전은 송전단에서 교류를 직류로 바꾸고, 직류 선로로 전력을 보낸 뒤, 수전단에서 다시 교류로 바꾸는 방식이다. 변환을 담당하는 설비가 변환소(Converter Station)이고, 그 중심이 사이리스터 밸브(Thyristor Valve)다.

변환소의 구성요소는 다음과 같다.

사이리스터는 개당 내압이 수 kV 수준이므로 수많은 소자를 직렬로 연결해 밸브를 만든다. 각 소자에는 전압 분담을 위한 균압 콘덴서와 저항을 병렬로 붙인다. 이 소자와 부속회로를 합쳐 사이리스터 레벨(thyristor level)이라 부른다.

원리는 다음과 같다. 사이리스터는 게이트 신호로 점호 시점을 정하는 소자이므로, 점호각 α를 조정해 직류 전압과 전력의 방향과 크기를 제어한다. 직류 전압은 다음 식으로 근사한다.

$V_{d}=\frac{3\sqrt{2}}{\pi}V_{LL}\cos\alpha$

여기서 V_{d}는 직류 평균 전압[V], V_{LL}은 변환기 교류 측 선간 전압 실효값[V], \alpha는 점호각[rad]이다. 6펄스 기준 식이며, 12펄스 변환기는 같은 형식으로 두 6펄스 브리지의 합으로 본다.

컨버터 제어로 전력 흐름의 방향과 크기를 독립적으로 정한다

컨버터 제어(Converter Control)는 정전류 제어, 정여유각 제어, 전압 제어를 조합한다. 이 제어로 교류 계통의 위상과 무관하게 전력을 정하므로, 비동기 계통 연계와 계통 안정화가 가능하다.

송전 절차는 다음 순서다.

• 송전단 교류 계통에서 변압기를 거쳐 송전단 컨버터로 전력을 보낸다.
• 송전단 컨버터가 교류를 직류로 정류하고 스무딩 리액터로 리플을 줄인다.
• 직류 선로(가공선 또는 해저·지중 케이블)로 장거리 송전한다.
• 수전단 컨버터가 직류를 교류로 역변환한다.
• 필터와 무효전력 보상설비로 고조파와 무효전력을 처리한 뒤 수전단 교류 계통에 공급한다.

흐름을 한눈에 보면 아래와 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

HVDC 송전은 전기사업법과 전기설비기술기준 계열의 일반 전기설비 기준을 따르며, 직류 송전 전용 기준은 도입 사업별 기술규격과 국제 표준(IEC 계열)으로 정한다. 조문 번호는 확실한 범위에서만 쓴다.

국내에서는 제주-육지 간 연계 등 사례가 있으며, 설계 시 적용하는 주요 기준값은 다음과 같다.

위 표의 값은 자료마다 조건이 달라 범위로 이해해야 한다. 답안에는 손실 차이와 무효전력 소비 비율을 중심으로 쓴다.

개정 연혁으로는 국내 HVDC 관련 기준이 신규 사업 규격과 함께 갱신되고 있으며, 구체적인 개정 내용은 이 절에서 확정하지 않는다.

6. 유형과 비교

초고압직류송전(HVDC)은 교류송전(HVAC)과 비교해 이해해야 하고, 변환기 방식과 연계 형태에 따라서도 나뉜다. 먼저 교류송전과의 차이를 표로 정리한다.