3.1 전력망 간 연계 및 제어

HVDC 계통은 주파수가 다른 AC 계통을 연계하는 데 사용될 수 있다. 일본 관동지역의 50Hz 계통과 관서지역의 60Hz 계통은 HVDC를 통해 연계되어 운영 중이다. 주파수는 같지만, 위상차가 존재할 때도 HVDC를 통해 계통간 연계를 구현할 수 있다. HVDC를 통한 비동기 연계 방식은 정전사고 발생시 광역 파급을 예방하는 효과가 있는데, 미국에서 2003년 8월에 발생한 정전 사례는 HVDC 연계의 효과를 보여준다 ⁽³⁾. 북동부지역 대정전 당시, 퀘벡과의 비동기 HVDC 연계 지점 이후의 지역까지 정전이 파급되지 않았다. 또한, 전력망 사이의 HVDC 연계 방식 적용을 통해 전력 계통의 송전용량의 증대와 제어능력의 향상을 기대할 수 있다 ⁽⁴⁾.

3.2 경제성

송전용량이 동일한 경우, 일정거리 (가공 600km, 지중 50km) 이상에서 HVDC 송전은 동일한 길이의 HVAC 송전보다 경제적이다. 그림 1은 교류송전 및 HVDC를 사용한 가공 송전 비용과 간접 투자 등에 따른 개략 비용을 비교하여 도시한 그래프이다. 그림에서 확인되듯, 일정 거리 이상에서 손익분기점을 지나며, 이후 HVDC 송전의 송전 비용은 교류송전 기반의 선로보다 저렴해진다. 교류 계통이 각 상을 담당하는 송전선이 필요하나, 양극성 HVDC 송전의 경우 정(+), 부(-) 전압용 도체가 동일한 양의 전력을 공급하기 위한 송전탑의 설계 및 시공이 쉽고 경제적이다 ⁽⁵⁾. 국내 계획 중인 가공 HVDC 송전선로의 경우에 600km를 넘는 예는 없다. 이는 경제성 이외에도 기술 축적과 민원 회피 등 다른 편익을 고려한 결정임을 알 수 있다.

그림 1 HVDC-HVAC 비용 비교⁽⁵⁾

Fig. 1 HVDC and HVAC systems Cost comparison⁽⁵⁾

3.3 장거리 대용량 전력 공급

교류송전시, 송전선의 리액턴스에 따른 전압강하는 추가 비용을 발생시킨다 ⁽⁵⁾. 교류송전의 경우와 달리 HVDC 송전선로는 낮은 전압강하에 따른 경제적인 이점으로 인하여 장거리 송전을 위한 대안으로 대두되고 있다 ⁽³⁾. HVDC 계통은 해상 풍력 발전소를 계통에 연결하거나 원격지점에 있는 발전원으로부터 부하수요가 많은 지역으로 전력을 공급할 수 있다 ⁽⁶⁾.

HVDC 송전 구간에서는 무효전력의 크기가 교류 송전방식과 비교하였을 때 매우 작다. 식 (1)은 HVDC 송전계통의 역률 근사식을 정의하며, 무효전력이 매우 작아 역률이 1에 가깝다는 의미를 내포한다.

(단, $\cos\theta$ : 역률, $P$ : 유효전력, $Q$ : 무효전력, $S$ : 피상전력)

50km 미만의 교류 기반 단거리 송전선을 해석하기 위하여 활용하는 선로정수가 리액턴스와 저항으로 표현되는 모델에서, 전압강하는 식 (2)와 같이 표현된다. 리액턴스가 매우 작은 HVDC 송전계통의 전압강하는 식 (3)과 같이 정의되며, 미미한 전압강하만이 일어남을 시사한다.

(단, $\Delta E$: 계통 전압강하, $R$: 선로저항, $X$: 선로 리액턴스, $E_{r}$ : 수전단 전압, $\theta$: 전압과 전류의 위상차)

3.4 선로 절연계급 경감

그림 2처럼 HVDC를 통한 송전의 경우 선로 전압은 교류 최고전압의 $\dfrac{1}{\sqrt{2}}$배 크기이므로 절연비가 감소한다. 따라서, 지중송전용 케이블 제조비와 가공송전용 송전탑 건설비용의 절감이 가능하다.

그림 2 DC와 AC 절연계급 비교⁽⁷⁾

Fig. 2 DC and AC Insulation Class Comparison⁽⁷⁾

4.1 비용

그림 3에서, HVDC 전송 시설 구축 시 전력전자 장치와 변환기 변압기에 가장 큰 비용이 소요된다. HVDC 계통의 안정성 향상을 위해서 많은 전력전자 소자들이 필요하므로 변환소를 포함한 HVDC 계통의 건설비용은 비슷한 등급의 교류 송전계통보다 4배 정도 많다 ⁽⁸⁾.

그림 3 HVDC-HVAC 건설 비용 비교 ⁽⁹⁾

Fig. 3 HVDC-HVAC Construction Cost Comparison ⁽⁹⁾

4.2 고조파

Rectifier를 거치는 동안 고조파가 생성되는데 연결된 Rectifier의 수가 증가하면 발생하는 고조파도 증가한다. 고조파는 전력의 품질과 전자 장비에 좋지 않은 영향을 주며 Rectifier와 계통 간 공진을 초래하기도 한다 ⁽¹⁰⁾. 이는 HVDC 기반의 송전계통이 해결해야 할 문제점이다. 고주파 성분은 HVDC 송전선로 근처의 통신 회선에 유도장해를 발생시키며 ⁽¹¹⁾, 이러한 고조파의 영향을 상쇄하기 위해 변환소에 다양한 필터와 기기들이 설치된다.

4.3 HVDC 계통과 AC 전력망 통합

HVDC 송전 계통과 교류 기반 전력망을 연결하는 것은 복잡하고 까다로운 작업이다. HVDC 송전 계통에서, 대형 고조파 필터는 고장 발생 시 상당한 과전압을 발생시키지만, HVDC 계통은 전력전자 기반의 기술을 통해 우수한 고장 감지 및 보호 성능을 확보하고 있으므로 고장 발생에 따른 파급은 제한적이다 ⁽¹²⁾.

4.4 전력망의 불안정성

향후 HVDC 계통 간 연계가 점점 더 많아질 것으로 예상된다. 특히 다단자 HVDC(Multi-terminal HVDC; MTDC) 내부의 개별 송전 설비 사이의 통신은 더욱 중요해질 것이며, HVDC 계통 사이의 통신 장애는 사고 발생 시 신속한 대응을 불가능하게 하여 계통의 안정성에 불안 요소로 작용할 수 있다. 이에 대한 대책으로 신속한 사고 감지 및 제거를 위한 보호 시스템이 도입되어 있으며 직류 차단기와 알고리즘 등을 지속해서 개발하고 있다.

4.5 기타

전류형 Thyristor Valve 변환 시 60% 전후의 무효전력을 소비하게 되므로 무효 전력 보상 장치 설치비용이 증가하게 된다. 교류 계통은 변압기를 통해 전압의 변성이 용이하나 직류 방식은 변압기를 통한 변성이 불가능하다. 현재 건설을 추진 중인 육상 HVDC의 경우 선로 거리가 교류기반 송전계통의 손익분기점 이내의 거리이므로 경제성만 따진다면 비경제적이다 ⁽¹³⁾. 그러나, 향후 HVDC 시장의 성장 가능성과 국내 지역 간 HVDC 연계를 통해 얻을 수 있는 편익이 이를 상쇄하므로 동해안-수도권, 경기 북부 지역 등에 HVDC 증설이 예정되어 있다.

5.1 비용

그림 4에서 알 수 있듯이 2030년까지 가동될 것으로 예상되는 총 HVDC 송전 용량은 400GW에 가깝다. 그림 5를 보면 해당 송전용량의 절반 이상(61%)은 아시아에서 발생하며, 이는 중국과 인도의 수요에서 기인한다. 최근 중국의 여러 프로젝트는 6,400MW/±800kV로 정격을 정하였으며 ^(14-16), 일부 계통은 이미 정격이 10GW를 초과하였다 ⁽¹⁷⁾.

그림 4 HVDC 용량 증가 현황 ⁽¹⁷⁾

Fig. 4 HVDC Capacity Growth ⁽¹⁷⁾

한편, 2022년 2월부터 전쟁 중인 우크라이나와 러시아 간에는 1965년에 건설된 750[kW]급 HVDC 연계선이 있었으나, 2014년 폐지된 바 있다.

그림 5 세계 HVDC 용량[GW] 분포 ⁽¹⁸⁾

Fig. 5 Global HVDC Capacity[GW] Distribution ⁽¹⁸⁾

5.2 대륙별 HVDC 설치현황

첫 번째 상용 HVDC 연계선은 60여 년 전에 ABB에 의해 건설되었다 ⁽¹⁹⁾. 60여 년이 지난 지금도 HVDC 변환기 시장은 ABB, 지멘스 그리고 2015년에 제너럴 일렉트릭에 에너지 사업이 인수된 Alstom Grid 등 3개 공급사가 장악하고 있다. 국내 HVDC 건설사업의 경우, Alstom이 참여한 KAPES사 에서 주도하고 있다. 그림 6에 주요 HVDC 공급사별 시장점유 현황을 도시하였다.

5.3 제조사별 HVDC 차단기 공급현황

HVDC용 차단기는 차단기의 결선 방법에 따라 2단자 방식과 3단자 방식으로 나뉘며, 3단자 방식은 다단자망 (MTDC)에 효과적으로 활용될 수 있다. 제작사들은 활발하게 개발을 진행하고 있으며, 이를 표 1에 정리하였다 ⁽²¹⁾.

6.1 제주도 1, 2단계

1, 2단계의 송전목적은 경제성과 안정성을 고려한 송전이다. 제주도의 발전설비는 대부분 가스, 중유, 경유 등을 사용하므로 석탄과 원자력발전으로 생산하는 육지 전력비용에 비해 비경제적이다. 제주도의 인구는 2022.11월 현재 약 70만명이며 ‘한 달 제주 살기’열풍 등으로 인해 점차 증가 추세로서 전력수요도 계속 증가하고 있다.

6.2 제주 3단계 HVDC

제주도의 안정적인 전력 공급 시스템 구축, 재생에너지 수용 능력의 향상, 완도 등 전남 남부지역의 계통 안정화를 통한 광역 정전 예방이 사업 목적이다. 제주지역에 늘어난 신재생에너지 발전력을 필요시에 육지로 송전할 수 있도록 전압형으로 설계되었고, 제주도의 전력 주파수를 조정하기 위한 목적도 있다. 2022년 4월에 기공식을 진행한 바 있고, 변환설비는 ABB, 케이블은 LS전선에서 공급할 예정이다.

6.3 서해안 HVDC

태안, 당진, 평택 화력발전소의 발전량을 수도권으로 융통하기 위한 설비이다. 당초 2020년 12월부터 상업 운전이 예정되었으나, 시운전 등으로 인해 설계된 용량까지의 정상 송전은 지연되고 있다.

6.4 동해안 HVDC

신한울발전소 등 동해안 건설 중인 대규모 원자력, 석탄화력 발전력을 수도권으로 수송하기 위한 설비이다. 2012년 밀양지역 765kV 송전선로 건설사업 당시 사례를 거울삼아, 지역주민이 참여한 입지선정협의회를 30여 차례 개최하는 등 민원을 선제적으로 관리하고 있으며, 계획보다 공정이 늦어지고 있다.

6.5 경기 북부 HVDC

경기 북부지역 154kV 계통의 과부하 해소 목적으로 추진 중이다. 고장전류 증가, 전압불안정 등의 AC 계통의 기술적 문제 해결을 위해서 국책과제로 추진 중이다. 송전선로 없이 변환장치(Converter, Inverter)만 설치된다.

6.6 호남지역 HVDC

한전에 따르면, 2021년 전국 태양광발전소에서 발전된 전력은 약 22GWh였고 이중 호남지역에서 생산된 전력이 약 40% 정도를 차지했고, 지역적인 재생에너지 수용 능력 초과로 전라도 지역 내 재생에너지에 대한 출력 제한 조치가 수년째 빈번하게 발생하고 있다. 이에, HVDC 송전선로를 건설하여 호남지역에서 생산된 신재생에너지를 수도권을 송전하기 위해 호남지역 HVDC 건설을 계획 중이다.

7.1 안정도 증진

인버터 전원이 점점 증가하면 전력망의 안정성과 회복력이 저하된다. HVDC 계통의 안정도를 평가하는 MAP (Maximum Available Power) 방법은 HVDC 계통의 용량과 계통의 단락용량의 비율을 이용하는 것으로 계통의 단락용량은 운전상황에 따라 변화하므로 계통의 단락용량 최소값에 기초한 안정도 확보가 필요하다 ^(26,27). 그림 7은 HVDC Point-to-point (PTP) 방식의 모델이다. 식 (4)는 HVDC가 연계 계통에서 계통의 강도(Short circuit ratio, SCR)를 계산하는 방법을 나타낸다. 즉, 계통 전체의 단락용량을 HVDC 송전용량으로 나누어 계통의 강도(SCR)를 계산한다. HVDC 등 인버터를 통한 전원의 비율이 높아지면 전력망의 계통의 강도(SCR)는 작아진다. HVDC 용량 대비 계통의 단락용량이 3배 이상이어야 안정적인 운영을 기대할 수 있다⁽²⁸⁾. D.Wu 등은 전통적인 계통의 강도(SCR) 개념 외에 계통과 신재생에너지와의 상호작용을 고려하기 위한 SDSCR (Site-Dependent SCR) 개념을 도입하여 다양한 최소 계통 강도 값(Minimum SCR)을 주장하였다 ⁽²⁹⁾.

그림 7 HVDC PTP 계통 모델 ⁽²⁶⁾

Fig. 7 HVDC PTP System Model ⁽²⁶⁾

(단, : AC 계통의 테브낭 등가저항, : DC Power, : RMS 정격전압, MVAsc : 계통 단락용량)

Javier Reneo 등은 VSC-MTDC (Multi-terminal HVDC) 계통에서 과도 안정도 개선에 최적화된 보조 제어기들이 전기기계적인 진동의 감쇄에 미치는 영향을 분석하고 MTDC에 속한 각각의 VSC는 가중평균 주파수(Weighted-average frequency)를 비교하고 각자의 유효전력과 무효전력 투입량을 조절하거나 두 가지를 동시에 조절하여 투입하여 지역 간 전기기계적인 진동을 감쇄시킬 수 있다고 주장하였다 ⁽³⁰⁾.

7.2 고장 해석

한국전력공사에 따르면 2021년까지 해남~제주 구간 HVDC, 진도~제주 구간 HVDC 송전선로에서 고장을 자주 일으킨 바 있다. 잦은 고장 발생은 계통의 신뢰도를 떨어뜨리고 공급사와의 분쟁을 유발할 수 있다. 하지만, 향후 10년 내 HVDC 케이블 시장 규모가 연간 수십조 원 규모로 성장할 것으로 예상되므로 고장의 원인을 찾아 해결한 후 기술 축적을 위한 투자를 계속해야 한다.

그림 8은 제주-해남 구간 HVDC 계통과 유사한 모델인 CIGRE Benchmark Model에 송전선로에 지락사고를 추가한 모델이다. 그림 9 (a)와 그림 9 (b)는 정상 투입 시와 HVDC 선로에 전원 투입 직후 지락 사고 발생 시 전압과 전류를 각각 나타낸다. 그림 9 (b)에서 전압이 정상상태로 회복되지 못하고 영점 부근으로 하락 후 상태가 지속된다. Rectifier의 점호각과 소호각을 제어하기 위한 제어기를 확인한 결과, 소호각이 제어기의 참조값과 같아지는 현상이 발생한 상황임을 확인하였다. 이를 극복하기 위하여 그림 10 (a)의 CIGRE의 HVDC 벤치마크 모델의 Rectifier 제어기에 상단 6 펄스의 위상각을 반영하는 제어기를 그림 10 (b)과 같이 수정하였다. 그 결과, 그림 11 (a)처럼 고장이 발생한 이후 기존의 정상상태로 돌아오는 것은 가능하였으나, 그림 11 (b)와 같이 고장이 없는 초기 작동에서 안정화되는 시간이 증가하는 경향을 보였다. 이를 극복하기 위한 제어기의 개념 설계는 향후 연구과제로 제시한다.

그림 8 CIGRE HVDC 모델(송전선로 지락사고 추가)

Fig. 8 CIGRE HVDC Model (with a line-to-ground fault)

그림 9 Rectifier 측과 inverter 측 전압 전류 파형 (a) 정상 투입, (b) 고장 발생

Fig. 9 Voltage and Current wave-forms of rectifier and inverter side (a) Normal start, (b) Fault occurrence

그림 10 CIGRE HVDC 모델 제어기 변경전(a), 변경 후(b)

Fig. 10 Original(a) and Modified(b) Controller of CIGRE HVDC model

그림 11 제어기 수정시 Rectifier 및 Inverter의 정상상태 작동 (a) 정상 투입, (b) 고장 발생

Fig. 11 Voltage and Current wave-forms of Rectifier and Inverter side after controller modification (a) Normal start, (b) Fault occurrence

고장이 발생한 상황이 지속되는 것은 계통이나 장비뿐만 아니라 사람에게도 위험하므로, 최대한 빨리 격리되고 제거되어야 한다 ⁽³²⁾. 이를 위해 보호 시스템은 정확도, 속도, 민감도, 선택성, 복구 가능성 등의 성능 요구사항을 만족하며 작동해야 한다 ^(33,34).

고장 측정 장치는 전압 및 전류 신호를 조정하여 보호 계전기가 적절히 사용할 수 있도록 한다. 측정 신호에 따른 측정 장치에는 로고스키 코일(Rogoski Coil)과 분로, 그리고 광학 전송회로로 이루어진 전류 측정 장치와 광전압변압기 등을 활용한 전압 측정 장치의 두 가지 유형이 있다 ⁽³¹⁾. HVDC 계통에서 고장 발생시 10ms 내에 감지하고 고장 위치를 특정할 수 있어야 한다. 보호 알고리즘은 고장 상태를 찾고 감지하는 역할을 하며, 로컬 측정 기반 알고리즘과 통신 기반 알고리즘으로 분류할 수 있다 ⁽³⁵⁾.

HVDC 회로 차단기는 최근에 개발되었으므로, HVDC 측 고장에 대해서도 경제적이고 기술이 축적된 AC 차단기를 통해 대응해 왔다. HVDC 차단기는 교류처럼 “0”이 되는 상태가 없으므로 전류 “0”상태를 만들 수 있어야 한다 ⁽³⁶⁾. DC 보호 장치는 AC 차단기에 비해 더 빨리 작동하며 다단자 HVDC 계통에서 대상 그리드만 분리하여 차단할 수 있다. 따라서 계통 내 정상 부분은 계속 작동하고 고장 부위만 분리해 낼 수 있다 ⁽³⁷⁾. 주로 사용되는 HVDC 차단기에는 기계적 차단기, 고체상태 차단기, 하이브리드 차단기 등이 있다.

고장 제거 및 복구 단계 중 고장 상태가 계통에 미치는 영향은 채택된 고장 제거 전략에 따라 달라지며, 비선택적, 부분선택적 또는 완전선택적 고장제거 전략으로 분류된다. 이중 완전선택적 고장 제거 전략의 경우 계통은 고장 영역만 분리하기 위해 서로 다른 보호 영역으로 나뉘고 HVDC 차단기는 모든 보호 구역의 양 끝에 위치하여 고장 상태의 영향을 최소화할 수 있고 계통 내 정상 부분은 계속 정상 동작할 수 있다. 이런 개념은 기존의 교류 계통에서의 차단 개념과 가장 유사한 전략이다. 현재 가장 일반적인 HVDC 차단기는 기계적 또는 하이브리드 기술을 기반으로 하며, 완전 선택적 고장제거 전략이 통용되고 있다 ⁽³⁸⁾.

7.4 향후 과제

고장해석을 위한 기초자료인 CIGRE HVDC 벤치마크 모델에서 제어기 수정을 통해 선로에서 지락사고로 의심되는 상황이 발생하는 경우 영구 고장으로 취급하여 곧바로 차단하지 말고 재투입 시도 등 실제 고장 발생여부 확인 등 고장 피해 최소화를 위한 개념 연구가 필요하다.