2.1 SCR (Short Cirtcuit Ratio, 계통 강건도)

SCR은 전력 계통의 강건도를 간략히 가늠할 수 있는 지수로 널리 활용된다. 전력 계통의 단락용량과 연계되는 HVDC 정격 용량의 상관관계를 정량적으로 계산하며 통상 설비 계획 시 SCR > 3을 안정한 접속 모선의 기준으로 사용하며 전력전자 기반 설비의 정상 동작을 위해 필요한 SCR을 분석할 때는 설비 설계 단계에서 제작사에서 검토한 기준값을 고려하기도 한다.

그림 2. HVDC를 포함하는 등가 AC 전력 계통 구성도

Fig. 2. Equivalent AC power system configuration including HVDC

SCR 지수는 사용 용도와 목적에 따라 다양하게 파생되나 본 논문에서는 SCR만 고려한다. SCR을 이해하기 위한 등가 AC 전력계통과 전류형 HVDC에 대한 구성도는 그림 2와 같다.

전력계통의 단락용량(SCL, Short Circuit Level)은 식 (1)과 같이 계산되며, SCR은 이로부터 식 (2)를 통해 산출된다.

(1)

(2)

2.2 FFTOV (Fundamental Frequency Temporary Overvoltage, 상용주파수 일시 과전압)

FFTOV는 전력 계통의 기본주파수에서 단시간에 일시적으로 발생하는 과전압이다^[9-11]. 전류형 HVDC는 통상 정격 전력의 50~60%의 무효전력 보상이 필요하고 접속 모선의 전압 유지를 위해 대용량의 용량성 AC 필터가 함께 운영된다. 하지만 접속 모선 인근의 심각한 외란이나 DC 송전선을 포함하는 설비 내부 고장으로 인해 순간적인 HVDC Block 동작 시에 용량성 AC 필터가 같이 개방되는데 필터 차단기의 물리적인 차단시간의 존재로 AC 필터의 개방 전 과전압이 발생할 수 있고 이로 인해 컨버터 변압기 1차측 AC 설비의 절연파괴와 같은 손상을 유발할 수 있어 설계 시 적절한 검토가 필요하다. 통상 AC 전력 계통의 피뢰기 사양 등에 의해 결정되며 1.3~1.4 pu 수준의 값을 가지고 그림 3과 같이 표현 가능하다.

그림 3. FFTOV 검토를 위한 AC 전력 계통 구성

Fig. 3. AC power system configuration for FFTOV review

간혹 실무 현장에서 FFTOV와 TOV(Transient Over Votlage)를 혼용하는 사례가 있는데, TOV는 차단기를 포함하는 설비의 정격, 용량 검토를 위해 Lighting과 Switching Surge와 같은 수 $\mu s$ 시간영역의 동작을 이해하기 위함이며 두 지표의 차이를 비교하면 표 1과 같다. 일정 기준을 초과하는 FFTOV 값에 노출되어 운전되는 HVDC 설비는 지속적이고 안정적인 설비 운전에 지장을 주기 때문에 전력계통의 변화나 HVDC 운전량에 따라 사전 분석을 통해 적정 운전 범위 내에서 동작하도록 해야 한다.

2.3 UIF(Unit Interaction Factor)

UIF는 발전기 연계 모선에서 HVDC와의 상호 영향 발생 가능성을 수치화하여 분석하는 지수이다^[12-13]. 일반적으로 HVDC의 정류기 측 인근에 운전되는 발전기의 고유 진동 주파수의 상호작용으로 인해 비틀림 공진 발생 가능성을 스크리닝하고 상세 검토를 위한 시나리오 구축에 활용되며 HVDC의 정격 용량과 연계된 전력 계통의 단락용량 관점에서 정량적으로 나타낸 값이다. 이를 분석하기 위해서는 일부 사례이긴 하나 다수의 송전선로 상정고장 등 매우 심각한 송전선로 고장을 고려하기도 한다. 통용되는 기준값은 0.1을 경계로 매우 보수적으로 선정된 값을 사용한다. 다만, 이때 UIF 지수가 기준값을 초과함이 무조건적인 발전기 상호유발을 일으키는 것이 아니라 발생 가능성이 있음을 의미하며, HVDC의 설계 단계에서 PSCAD/EMTDC와 같은 정밀한 환경에서의 상세 스터디 수행을 위한 시나리오의 선정을 위해 활용된다. UIF의 검토를 위한 간략한 구성과 계산식을 그림 4와 식 (3)에서 보여준다.

그림 4. UIF 검토를 위한 AC 전력 계통 구성

Fig. 4. AC power system configuration for UIF review

(3)

2.4 Reliability (신뢰도)

Reliablity는 전력 계통의 안정도 유지 기준을 HVDC를 포함한 운전 시 만족여부에 대해 분석한다. 다양한 운영 조건에서 ‘전력계통 신뢰도 및 전기 품질 유지기준’에 의거 HVDC 연계 모선의 전압 및 선로 부하량을 일정한 기준 내로 유지 됨을 분석하며 345kV 이상의 설비들에 대한 기준값은 ‘전압 기준[pu] : 0.95 ≤ V ≤ 1.05’, ‘선로 과부하 기준[%] : 평상 시 100%, 고장 시 120%’ 준용하고 있다. 선로 과부하와 전압변동은 HVDC 전송량에 따라 많은 영향을 받기에 안정적인 운전 영역 산정을 위해서는 필수적인 분석이다.

3.1 시나리오 구성

본 장에서는 전류형 HVDC가 포함된 모의 계통을 그림 5와 같이 구성하고 제2장에서 제안한 4가지 평가 방법론을 적용한 운전영역 평가 사례에 대해 소개한다. 정격 용량 3GW 전류형 HVDC는 정류기 측 단락용량 14,800MVA, 인버터 측 13,300MVA 으로 연계하여 실제와 유사한 형태의 계통을 구성하였다.

시뮬레이션은 HVDC 전송량을 5% 단위로 증가시키며 PSS/E 프로그램으로 해석하였으며, 모의 계통에서 고려한 주요 상정고장 목록은 표 2에 나타내었다. 이밖에 개별 분석에 적용된 기준값과 추가 정보는 각 절에서 자세히 기술한다.

그림 5. 사례 연구를 위한 모의 계통 구성도

Fig. 5. Simulated system configuration for case study

3.2 SCR 분석 결과

SCR은 전력 계통의 강건도를 확인할 수 있는 기본적인 지표이다. 앞서 소개한 식 (2)와 같이, 전송량이 증가할수록 SCR이 감소하는 것을 표 3을 통해 확인할 수 있으며 특히 정류기 측 인근 계통 고장(1∼3번)과 인버터 측(4~6번) 고장으로 인한 선로개방 시, 계통 단락용량 감소로 각 단의 SCR이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

그림 6. SCR 검토에 기반한 HVDC 운전 가능 영역 (정류기 측)

Fig. 6. HVDC operating range based on SCR review (Rectifier Side)

그림 7을 통해 상정고장 4번 케이스가 인버터 측 계통 강건도에 가장 큰 영향을 주는 고장으로 65% 이상 전송량 구간에서는 기준값으로 가정한 “SCR>3” 이 위반됨을 확인하였다. 전류형 HVDC의 정류기 측과 인버터 측 양단의 상정고장 분석결과를 종합하여 그림 8과 같이 안정 운영 영역을 표현하였다.

그림 7. SCR 검토에 기반한 HVDC 운전 가능 영역 (인버터 측)

Fig. 7. HVDC operating range based on SCR review (Inverter Side)

그림 8. SCR 검토에 기반한 HVDC 운전 가능 영역 (종합)

Fig. 8. HVDC Operating Range Based on SCR Review

3.3 FFTOV 분석 결과

FFTOV는 HVDC가 연계된 모선의 순간적인 과전압을 검토하여 계통, 설비 모두 악영향을 끼칠 수 있는지 평가하는 분석이다. 분석 방법은 PSS/E 모의계통에서 HVDC 전송량을 5% 단위로 증가시켜 가며, 해당 운전점에서 무효전력 보상량에 따른 AC 필터를 투입한다. 이후 HVDC Block 시 컨버터 모선에서 발생하는 순간 과전압의 크기를 계산하였으며, 그 결과는 표 4와 같다.

전류형 HVDC는 전송량 증가에 따라 무효전력 소모량이 증가하는데, 이를 보상하기 위해 투입되는 필터량이 늘어난다. 따라서 운전점이 증가할수록 HVDC Block 시, 투입되어 있는 AC 필터에 의해 순간 과전압도 증가하는 경향을 그림 9를 통해 확인할 수 있다. 기준값은 국내의 AC 피뢰기 상용 주파 과전압 배수인 1.35[pu]로 적용해 이보다 큰 값일 때 안정 운영이 어려울 것으로 판단하고 정류기 측과 인버터 측의 검토 결과를 종합하여 그림 10에 운전 가능 영역을 도시하였다.

SCR 검토와 유사하게 인버터 측 4번 상정 고장 시 기준값을 위반하여 85%까지 운전 가능 영역이 산정되었다. 이는 345kV 계통분리로 인해 154kV 계통 연계로 인버터 측 전압이 취약해 지기 때문이며 이러한 경우 단기적으로는 인근의 추가 발전기를 기동하는 등의 운영 방안의 수립과 장기적으로는 동기조상기와 같은 전압 보상 설비 및 신규 송전선로의 연계 등의 설비보강을 통해 HVDC 안정 운전 영역을 증가시킬 수 있다.

그림 9. HVDC 전송량별 FFTOV 분석 결과 (인버터 측)

Fig. 9. Analysis Results of FFTOV by HVDC Operating Range (Inverter Side)

그림 10. FFTOV 검토에 기반한 HVDC 운전 가능 영역 (종합)

Fig. 10. HVDC operating range based on FFTOV review

3.4 UIF 분석 결과

발전기는 단지 단위로 건설되어 단지 내 발전기별 다양한 조합을 통해 전력을 생산하며 UIF 분석을 위해서는 이러한 다양한 조합과 HVDC 연계 모선 인근의 송전선로 상정고장, 그리고 HVDC의 운전량을 함께 고려해야 하므로 검토 시나리오 케이스가 매우 많아질 수 있다. 또한 HVDC는 양단이 전기적으로 분리되어 있으므로 양단 모두 발전기 그룹을 구성하여 분석해야 하나 본 논문에서는 인버터 측 인근에는 발전기가 없도록 구성하고 표 5와 같이 정류기 측에 대해서만 검토하였다.

상정고장별 UIF 최대값은 표 6과 같으며, 이를 전송구간별 운전 가능 영역으로 그림 11에 나타내었다. 45% 이상 전송 구간에서는 UIF 지수가 기준치 0.1 이상이 되어 운전 영역이 제한됨을 확인할 수 있는데, 이는 앞서 소개한 식 (3)을 통해 알 수 있듯이 정류기 측 연계 모선에서 상정고장이 발생할 경우 단락용량의 감소와 상대적인 HVDC 운전량 증가로 UIF 지수가 증가한 결과로 판단된다. 이러한 상호 영향 가능성을 해소하기 위한 방안으로, 정류기 연계 모선 인근 발전기의 추가 기동과 같은 단기적 조치 또는 송·변전 설비 보강을 통한 계통 강건도 향상을 고려할 수 있다.

인버터 측에서 분석한 검토 결과는 표 6에 제시된 것과 같이 UIF 지수가 거의 0으로 이는 전기적으로 양단이 분리되어 있다는 것을 의미한다.

그림 11. UIF 검토에 기반한 운전 가능 영역

Fig. 11. HVDC operating range based on UIF review

3.5 Reliability 분석 결과

본 절에서는 전력 계통이 정상 시 및 상정 고상 시 모두 안정적으로 운영되기 위해 요구되는 「전력계통 신뢰도 및 전기 품질 유지기준」의 만족 여부를 검토하며 345kV 설비의 과전압과 과부하 관점에서, ‘전압 기준[pu] : 0.95 ≤ V ≤ 1.05’, ‘선로 과부하 기준[%] : 평상시 100%, 고장 시 120% 이내’로 적용하여, 해당 범위를 벗어났을 때 위반으로 판단하였다. Reliability 분석 결과도 UIF 분석과 마찬가지로 상정고장별 모선과 선로에 대해 모두 분석되기에 검토의 경우의 수가 매우 많다. 이에 상정고장별 각 선로 부하의 최대값과 모선전압의 최대 또는 최소값을 추출하여 표 7, 8에 제시하였으며 이를 종합한 운전 가능 영역은 그림 12에 나타내었다.

그림 12. Reliability 검토에 기반한 운전 가능 영역

Fig. 12. HVDC Operating Range Based on Reliability Review

과전압 분석 결과 인버터 측 4번 상정 고장에 의해 10~80%까지의 운전 가능 영역이 산정되며 이는 HVDC의 높은 전송량이 345kV 1회선으로만 전달되다가 해당 선로 고장 시 순간적으로 전력을 전환해 줄 대안 경로가 부족하여 시뮬레이션이 수렴하지 못함을 의미한다. 실제 계통 운영 상황에서는 단기적으로 HVDC 긴급 출력 저감(Run-back)과 같은 부가 기능을 통해 고장 시 순간적으로 운전량을 조절함으로써 해소가 가능하다.

과부하 측면에서는 2번 상정 고장 시 95% 이상 전송량 구간에서 120%를 초과하는 과부하가 발생한다. 이는 높은 HVDC 전송량 구간에서 인입선로(정류기 측)의 조류량이 높아지는데, 이때 정류기 측 선로 중 일부에 고장이 발생함에 따라 인근 선로에 과부하가 발생하는 것으로 해석할 수 있다. 이러한 과부하 해소를 위해서는 모선 분리 등의 운영 방안과 위에서와 같이 HVDC의 긴급 출력 저감 기능을 활용하여 95% 이하의 안정 운전이 가능하다.