직류송전(HVDC) 시스템 개요와 특징

1. 직류송전의 개요

직류송전 시스템이란 발전소에서 생산된 교류 전력을 직류로 변환시켜 송전한 후 수전점에서 교류로 재 변환시켜 전력을 공급하는 방식을 말한다.
이러한 송전방식은 교류송전 기술에 비하여 리액턴스 성분에 의한 영향이 없기 때문에 선로의 열용량까지 전력 전송량을 증가시킬 수 있으며, 전력전송의 방향 및 크기를 고속으로 제어할 수 있어 계통 안정도를 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
반도체 및 전력 전자 기술의 혁신적인 발달은 HVDC 시스템 성능과 신뢰성, 그리고 경제성을 크게 향상시키고 있으며,
장거리 대전력 전송,
주파수 변환,
비동기 연계
등의 목적에 널리 이용되고 있다.

아래는 HVDC 개념도로
발전소에서 생산된 교류전력을 직류로 변환하여 수전점까지 전송하고 수전점에서 다시 교류로 재변환하는 방식이다.

2. 직류 송전의 특징

동일한 전력을 전송할 경우에 HVDC 송전망은 AC에 비해 철탑 크기 및 소요부지가 작다. AC 송전과 비교하여 HVDC의 이점을 크게 경제성 요인과 기술적 요인으로 나누어 보면 다음과 같다.
가. 경제적 요인
1) 낮은 투자비
HVDC의 경제성을 AC 방식과의 단순 비교 설명하기는 어렵다. AC 대신 HVDC를 선택하는 이유는 각각의 사례마다 모두 다르고 투자비 규모도 많은 차이를 보일 수 있다.
HVDC 시스템은 초기에 변환소 건설 비용으로 인해 투자비용이 높지만 장거리 전력전송에 있어서는 교류 송전에 비해 가격이 저렴해진다. 일반적으로 가공선을 이용한 전력전송의 경우에는 600~800km 이상의 장거리 송전의 경우에 HVD 방식이 경제적일 수 있다.
케이블을 이용한 전력전송의 경우에는 50km 이상의 경우에 HVDC를 사용하는 것이 경제적 일 수 있다.
아래는 두 방식간의 거리에 따른 투자비 비교로 HVDC의 경우 선로길이가 길수록 경제성이 있음을 나타낸다.

2) 낮은 전송손실
표피효과, 리액턴스 성분에 의한 손실이 없기 때문에 동일한 전력량에 대하여 HVDC 송전선 에서의 손실이 AC 송전선보다 적게 발생한다. 전력 변환 과정에서의 손실은 전류형의 경우 전송전력의 약 0.7 프로, 전압형의 경우 약 1.0프로 정도만을 차지한다.
특히 장거리 대전력 전송에서 더욱 유리하다.

나. 기술적 요인
1) 비동기 연계
서로 다른 전력계통을 교류로 직접 연계할 때에는 두 계통의 주파수와 위상이 같아야 하며 한쪽 전력 계통의 전압이나 주파수 변동 등이 연계되어 있는 다른 전력계통에 직접적으로 영향을 끼치게 된다. 그러나 직류 계통으로 연계할 경우에 위에서 언급한 선로 영향의 문제는 존재하지 않게 되는데 그 이유는 다음과 같다.
첫째
전력 전송의 크기와 방향이 전략용 반도체 소자로 구성된 전류 변환기에 의해 고속으로 제어되어 계통 간의 상호 영향을 신속히 차단할 수 있기 때문이다. 교류계통의 경우 전력 전송의 크기와 방향은 두 지점의 전압의 크기, 위상차, 선로의 임피던스에 의해 결정되며 임의로 제어할 수 없다.
둘째
HVDC 송전의 경우 두 계통에 전압 위상을 일치시킬 필요가 없게 된다. 남북한이 직류로 연계되어 있으면 남북한의 전력계통은 독립적으로 운영이 가능하다.

2) 낮은 단락 전류
대용량의 AC 계통으로 발전소의 부하 중심지가 연결되면 단락 전류가 수전단측에서 증가하게 된다. 큰 단락전류는 큰 용량의 차단기 및 기타 설비를 요구하게 된다. HVDC 개통은 컨버터의 제어와 DC에 의한 AC 계통 분할 효과로 인하여 단락 전류의 크기가 작아진다. 신규 증설 발전소
를 HVDC를 이용하여 기존의 AC 계통에 연결할 경우 단락전류 증가에 의해 야기되는 문제점을 피할 수 있다. 또한 기존의 AC 계통을 백투백 HVDC로 분리할 경우 개통 분할 효과로 단락 전류의 크기를 감소시킬 수 있다.

3) 높은 제어성
HVDC는 정전력 제어, 정주파수 제어 등 AC 계통 특성에 맞는 여러 가지 제어 방식이 가능하다. 또한 고속제어 특성을 이용하여 AC 계통의 감쇠제어 등 안정화 제어도 가능하다. 이를 통하여 AC계통의 송전 용량을 증대시킬 수 있다.
아래는 HVDC 계통이 포함된 경우와 그렇지 않은 경우 외부영향에 의한 감쇠의 정도를 나타낸다

4) 장거리 해저 송전
DC의 경우 케이블의 정전 용량에 의한 영향이 없다. 해저 송전의 경우 케이블의 사용이 불가피하기 때문에 HVDC를 사용하는 것이 AC에 비해 확실히 유리하다.