Special Report l HVDC / 기술현황
교류를 직류로 바꿔 고효율 전력 전송 가능
HVDC(High Voltage Direct Current Transmission System)는 교류 발전기에 의해서 만들어지는 교류 전력을 AC/DC 변환기를 이용, 직류 전력으로 변환하여 배전 대상 지역으로 직류 전력을 전송하고, 다시 DC/AC 변환기를 이용하여 교류 전력으로 변환하여 전력을 공급하는 방식을 말한다.
직류 송·배전 방식이 이제 와서 각광을 받고 있는 것은 전력용 반도체 기술의 발전 때문이다. 직류 변환장치인 사이리스터(Thyristor, 전력용 반도체소자)의 성능이 향상됨에 따라 고전압의 직류를 쉽게 얻을 수 있게 된 것.
만약 직류로 배전한다면, 각종 전자제품의 크기가 대폭 줄어들 것이고 각종 교류 장치에 필요한 변압기 역시 모두 제거될 수 있을 것이며, 다양한 속도를 낼 수 있는 모터 역시 직류 전기를 쓸 수 있게 된다.
교류 전압보다 낮은 전압의 직류 전압은 송전 손실이 적어 효율이 좋고 전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이를 안전하게 연결해주는 장점이 있다. 또 거리와 지역에 따른 제한이 없어 해저를 통한 전력 전송에도 유용하다.
HVDC 시스템, 전류형과 전압형 구분
HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 ‘σσ 시스템’과 IGBT 소자를 이용하는 ‘전압형 HVDC 시스템’으로 크게 구분된다.
전류형 HVDC 시스템은 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반도체 소자인 사이리스터를 이용하는 것으로, 제주∼해남 간에 설치된 시스템이며, 최근 한전에서 추진하는 제주∼진도 간에도 적용될 예정이다.
이는 400MW의 용량이라면 10MW의 사이리스터 밸브를 40개 쌓아 전압을 맞추면 되는 구조인데, 손실률이 1%에 불과해 매우 경제적인 시스템이다. 다만, 이 시스템의 경우, 사이리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기 기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 캐패시터 뱅크가 인버터 측이나 렉티파이어 측에 존재해야 하는 단점이 있다. 특히 이 시스템은 고조파를 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다.
이러한 전류형 HVDC 시스템의 단점을 보완하기 위한 것이 IGBT 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템이다. 전류형 시스템과 비교했을 때 고속 스위칭에 의해 점차 고조파가 큰 폭으로 감소해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 적어질 수 있으며, 무효전력 공급이 필요하지 않음은 물론 유효전력과 무효전력 제어가 독립적으로 가능하다는 것이 장점이다. 특히 모듈화되고 규격화된 설계로 짧은 기간에 전력 전송이 가능하며, 전압과 전력의 제어가 용이하다는 점이 중요하다.
하지만 고속 스위칭을 해야 하기 때문에, 전압형 HVDC 시스템의 경우 손실률이 5∼10% 가까이 되기 때문에 대용량일 경우 경제성이 떨어지며, 수명도 전류형 HVDC에 비해 뒤떨어진다는 분석이다.
HVDC 시스템, 장단점 있어
우선 장점을 보면 직류 방식의 전압은 교류 전압의 약 70%에 불과하여, 기기의 절연이 용이하고, 현수애자의 수량 및 전선의 소요량을 그만큼 줄일 수 있거나, 철탑의 높이를 낮게 할 수 있어 우수한 경제성을 얻을 수 있다.
둘째, 직류는 교류처럼 교번하는 성분이 없으므로 리액턴스 성분에 의한 무효전력이 발생하지 않는다. 따라서 리액턴스에 제한받지 않고 전선의 허용 한도까지 송전이 가능하다. 교류 송전의 경우 열, 전압, 안정도 등에 크게 영향을 받기 때문에 230kV는 400MW, 345kV는 1,100MW 등 큰 폭으로 용량이 작아지는데, 직류 송전의 경우 같은 전압에 대해 용량은 교류 실효치의 2배가 되며, 열과 전압의 안정도에 대한 제약 조건은 교류에 비해 거의 없고, 또한 전력 조류를 제어할 수 있다. 만약 동일한 피상전력을 직류와 교류 방식으로 공급한다면 직류 송전 방식이 교류 송전 방식에 비해 유효전력 성분이 많아지므로 보다 높은 송전 효율을 보인다.
셋째, 직류 송전은 대지(Earth)를 하나의 도체로 이용할 수 있으므로 최소 2선 이상이 소요되는 교류 송전에 비하여 경제적이다. 즉, 대지 귀로로 송전 가능한 경우는 귀로도체의 생략이 가능하다.
넷째, 직류 송전은 상대계통에 유효전력을 공급하지만 무효전력을 전달하지는 않으므로, 교류 계통 사고 시 인접 계통으로부터 유입전류가 증대하지 않아 계통 분할의 효과가 있다. 그러므로 기존의 교류 계통을 적정 규모로 분할하여 직류 계통과 연계할 경우 단락 전류를 효율적으로 억제할 수 있어 계통 운영을 원활하게 수행할 수 있다.
다섯째, 또한 주파수 및 전압이 서로 다른 송·수전 계통이 직류 계통으로 연계가 가능하되, 각 계통이 전기적, 기술적 제약 없이 각각 독립적인 운전이 가능하다.
단점도 있다. 첫째, 대용량 AC/DC 변환기에서 다량의 고조파가 발생해 고조파 필터를 반드시 설치해야 한다. 둘째, 직류에서는 전류0점이 형성되지 않기 때문에 교류보다 우수한 성능의 차단기가 필요하며, 전압강하가 송전 전력의 크기에 비례해 증가한다.
셋째, 직류 전압을 높이면 부하손실은 줄어들지만 절연레벨을 높이기 위해서 투자비가 톺아지고, 전압을 낮추면 절연레벨은 작아지지만 부하손실이 커지므로, 절연레벨과 부하손실을 고려한 최적의 직류 전압을 선정하여야 한다.
직류 송전 방식이 교류 송전 방식에 비해 절대적인 기술적 우위를 보이는 것은 아니다. 또한 현재 대부분의 전력 계통이 교류식 인프라로 이루어져 있기 때문에 현재의 교류 기반 전력 시스템을 직류 시스템으로 온전히 바꾸는 것은 불가능하고 비실용적일 것이다.
다만, 교류 전력 시스템 기반 하에서 직류 방식이 우월한 경우에 한해 적극적인 도입이 필요할 것이며, 이는 최근 중국, 인도 등 면적이 넓은 지역의 대형 송전 방식에서 HVDC 방식이 급속하게 도입되는 등, 점차 현실화되고 있다.
따라서 HVDC 활용이 증대되는 환경 변화에 따른 국내 관련 기술 발전에 대한 적극적인 지원이 필요하며, 이를 바탕으로 보다 수준 높은 한국형 HVDC 시스템 개발될 것으로 기대된다.
