HVDC : 제가 이길 수 있는 전기는... 교류입니다!

HVDC : 제가 이길 수 있는 전기는... 교류입니다!

대학생신재생에너지기자단 18기 김민주, 서현영, 19기 권승호

 

HVDC의 등장배경과 정의

탄소중립에 발맞추어 신재생에너지는 빠르게 성장하게 되었다. 신재생에너지 시장이 빠르게 성장하면서 사용하게 된 태양광이나 ESS, 연료전지 등은 모두 터빈을 돌리지 않기 때문에 고정된 극성으로 직류전력을 생산하고 활용한다. 즉, 모두 직류전력을 출력한다는 의미이다. 이처럼 직류전력을 출력하는 신재생에너지원들과 기존의 직류송전 시스템을 융합하면 전력사용의 효율성이 높아지지 않을까? 이와 더불어, 데이터센터나 전기차 충전소 같은 직류전력만을 소모하는 수요자원도 등장하면서 직류전력 시스템은 빠르게 확산되었다. 이 외에도, 동북아 지역을 하나의 전력망으로 연결하자는 동북아 슈퍼그리드에 대한 논의가 활발해지면서 HVDC에 대한 관심은 더더욱 높아졌다.

 [자료 1. HVDC 이미지]

출처: sumitomo electric

HVDC는 High Voltage Direct Current Transmission(초고압 직류 송전)의 영문약자로, 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜 송전한 후, 교류전력으로 재변환하여 전력을 공급하는 기술을 말한다. 간단히 말해, 전력용 반도체 소자를 이용하여 교류를 직류로 변환시켜 직류상태로 송전하는 기술을 말한다.

 

본론 1: HVDC의 장단점

[HVDC의 장점]

[자료 2. 직류와 교류의 비교 ⓒ18기 김민주] 

첫번째 장점은 경제적이라는 것이다. [자료 2]를 보면, 동일 실효치(회색 점선)의 직류전압과 교류전압을 비교해 보았을 때, 직류전압은 교류전압의 최대치의 70%에 불과하기 때문에 그만큼의 절연레벨을 낮출 수 있다. 즉 그만큼의 절연이 필요 없어져, 절연을 하기위한 애자와 전선의 소요량을 줄일 수 있고 철탑의 높이도 낮게 할 수 있어 경제적이다.

[자료 3. 교류와 직류의 송전거리에 따른 투자비 그래프]

출처: 쌍용건설 기술 정보

또, 교류와 직류의 송전거리에 따른 투자비 그래프를 보면, 일정 포인트를 기준으로 직류가 교류에 비해 경제적인 것을 확인할 수 있다. 직류는 초기투자비용은 크지만, 송전투자비용이 작은 편이라 700km이상의 장거리 송전에 경제적으로 유리하다.

두번째 장점은 전력량을 제어할 수 있고, 계통의 안정도를 향상시킨다는 것이다. 교류는 전력의 고저차를 따라 단방향으로만 흐르지만, 직류 즉 HVDC는 전력의 크기와 방향을 제어할 수 있다. 따라서 고장이 발생했을 경우에도 인근에 있는 계통까지 고장이 파급되는 것을 막을 수 있어서 대규모의 전력계통을 안정적으로 운영할 수 있다.

세번째 장점은 무효전력이 없다는 것이다. 무효전력이 없기 때문에 송전거리와 무관하게 일정한 양의 전력을 공급할 수 있다. 또, 교류계통을 직류계통으로 연계하면 무효전력이 전달되지 않아,  기존계통의 단락용량이라는 것을 증가시킬 필요 없이 새로운 계통을 연계할 수 있다. 게다가, 무효전력에 의한 손실이 없어져 송전효율이 매우 높다.

 

[HVDC의 단점]

[자료 4. HVDC의 문제점 ⓒ18기 김민주]

단점을 알아보면, 먼저 변환장치의 소자에서 고조파가 발생하는데, (*고조파: 기본파를 억제/방해하는 파형) 이 고조파에 대한 대책이 필요하다. 그리고 변환장치는 고가여서, 단거리나 소용량 송전에는 비경제적이라는 단점이 있다.

두번째로, 직류의 특성상 전류의 0점이 없기 때문에 고장전류에 대한 차단이 어렵고, 차단기의 용량이 커질 수밖에 없다는 것이 단점이다.

세번째는, HVDC의 종류 중 ‘대지귀로식 HVDC’가 있는데, 통신선과 신호선에 유도장해를 가져온다.(*유도장해: 정전기유도나 전자기유도로 인해 통신회로나 인체에 유도로 발생하는 장해)

네번째로, ‘해수귀로식 HVDC’의 경우에는 선박 나침반에 악영향을 준다.

 

본론 2: 우리나라의 HVDC

우리나라에는 현재 2개의 HVDC가 존재한다. 첫번째는 1998년 완공된 해남과 제주를 잇는 96km의 HVDC #1이고, 두번째는 2013년에 완공된 진도와 서제주를 잇는 105km의 HVDC #2이다.

[자료 5. 다양한 HVDC 운전방식]

출처:  Electrical Edck

두 HVDC 모두 육지와 제주도의 전력 수송을 위해 만들어졌지만 운전 방식에는 차이가 있다. HVDC #1는 양극(Bipolar) 해수귀로를 사용하는데, 하나의 선은 양(+), 다른 선은 음(-)의 극성을 갖는 2개(양극)의 도체로 구성되며 케이블을 왕로(가는 길)로 하고 해수를 귀로(돌아오는 길)로 하는 방식을 말한다. 해수귀로를 사용하여 건설비가 저렴하였으나 통신선에 전자유도장애나 선박의 자기나침판에 영향을 줄 가능성이 있어 HVDC #2에는 다른 방식으로 대체되었다. HVDC #2는 이중 단극(mono polar) 도체귀로를 사용하였다. 극성을 띄는 1개의 도체를 가지는 2회선이 존재하며 XLPE라는 별도의 도체를 따로 가설하여 귀로로 사용한다는 의미이다. 따라서, 하나의 케이블이 고장나도 다른 선으로 운전이 가능하고 도심지 등 각종 지하 금속 매설물이 많은 곳에서 직류 송전에 의한 전식을 막을 수 있다는 장점이 있다.

출처: 이투뉴스

[자료 6. 제주도 HVDC ⓒ18기 서현영, ⓒ19기 권승호]

한편, 제주도의 수급 안정과 계통 연계를 위해 완도와 동제주를 잇는 89km의 HVDC #3을 준공 예정 중에 있다. 이 HVDC의 경우 위의 두개가 전류형 전압기를 사용하는 것과 달리 전압형 전환기를 사용한다. 전류형(LCC)의 경우 교류 전류를 입력 받아 Thyristor 변환소자를 통해 직류 전류로 변환하고, 전압형(VSC)의 경우 교류 전압을 입력 받아 IGBT, GTO 등을 통해 직류 전압으로 변환시키는 원리이다. 이전에는 전압형 변환소자로 쓰이는 전력반도체의 발전이 더딘 반면 전류형은 설치용량에 제한이 없고 변환 손실이 적을 뿐만 아니라 오랜 시간 검증되었기에 전류형을 주로 사용했었다. 하지만 최근에는 빠른 양방향 전송이 가능하고, 대용량 고조파 필터가 필요 없으며, 멀티터미널 구현이 간단하고 해상 변환소 구축이 가능한 전압형 HVDC가 각광받고 있다.

이 외에도 제9차 전력수급기본계획에 의하면 충남 발전력 인출, 공급망 보강, 경기 남부지역 전력공급을 위한 북당진-고덕 HVDC(±500kV, 1500MW, 34km, 총 2단계)이 현재 중공 중이며, 동해안 대규모 발전력 계통연계를 위한 신한울–신가평 HVDC(±500kV, 2000MW X 2, 226km), 신한울-수도권 HVDC(±500kV, 2000MW X 2, 266km)가 중공 예정이다.

또한 mono, bipolar와 같이 두 지점을 연결하는 point-to-point 방식이 아닌 한 장소에서 AC → DC → AC로 바로 변환되고 변환소 중간에 송전선로가 없어서 서로 다른 주파수를 갖는 두개의 교류 네트워크 간의 비동기접속에 유리한 back-to-back 방식을 이용한 HVDC도 건설도 예정되어 있다. 경기북부지역의 154kV 계통 과부하와 고장전류 증가, 전압불안정 등 AC계통의 기술적 문제를 해결하기 위한 양주 BTB HVDC(전압형, 200MW)와, 인천 지역의 문제를 해결하기 위한 신부평 BTB HVDC(500MW, 총 2단계)가 그것이다.

 

HVDC의 전망

[자료 7. 주민수용적 설비 디자인]

출처: 제9차 전력수급기본계획

앞으로 HVDC는 기술적으로 동시에 사회 수용적으로 발전할 것으로 보인다. 현재 한전에서 시험 중인 전세계 최고고압 ±800kV급 HVDC 케이블 실증 완료 후, ‘23년 1.2GW 전북 서남권 해상풍력’, ‘24년 1.5GW 신안 해상풍력’ 등 대규모 재생에너지 사업에 연계될 예정이며, 동북아 그리드처럼 국가 간 계통을 연결하는 슈퍼그리드 적용을 위해 수출도 늘어날 전망이다. 제주도에서 여름철에 자주 일어나는 출력제어 역시 HVDC #3 실증으로 잉여 재생에너지 전력을 역송하여 완화될 것으로 보인다. 또한, 제9차 전력수급기본계획에 의하면 HVDC 설비의 주민수용성을 높이기 위해 HVDC, 송전탑 등의 설비를 주민 공감형 디자인으로 설치하고 지중선로 확대를 검토하고 있다.

2050 탄소중립을 위해 대용량 재생에너지를 확대하고 있는 지금, HVDC는 필수적인 설비가 되었다. 재생에너지 접속을 위해서 결국 우리나라의 전력망은 AC 계통과 DC 계통이 혼합된 하이브리드 형태를 향해 나아갈 것이며, 이에 따라 2034년 HVDC 송전선로 1,771C-km, 변전소 20개, 변전설비 45,142M/A를 목표하고 있다. HVDC 세계 케이블 시장규모는 20년 70조원에서 30년 159조원으로 10년 동안 약 2.27배 증가할 것으로 추정되고 있기도 하다. 이렇듯, 앞으로 HVDC의 규모가 더 커지는 만큼 HVDC의 안정적 운영으로 교류와 함께 미래에 맞는 전력망으로 발전되길 기대해본다.  

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참고문헌

[HVDC의 등장배경과 정의]

1) 김선용, “고전압 직류송전”, 쌍용건설 기술정보, 2015

2) GE코리아 뉴스레터, “고압직류송전 기술과 신재생 에너지”, GE리포트 코리아, 2016.06.10, https://www.gereports.kr/what-is-hvdc-high-voltage-direct-current/

3) 문승필, 최종윤, “전압형 hvdc 시장전망 및 기술개발 현황”, 대한전기학회 기획시리즈,2015

[HVDC의 장단점]

1) 공산, 공영초의 사랑방, “HVDC계통도 및 장단점”, 2020.03.22, https://m.blog.naver.com/k8010314/221866478735

2) www.ssyenc.co.kr, 쌍용건설 기술정보

3) kapes, ”KAPES:사업소개 HVDC란?”, http://kapes.co.kr/business/technology1.asp

4)  태울이와 언더더씨, “HVDC송전의 특징”, 2018.01.01, https://urmadestiny.tistory.com/m/entry/HVDCHigh-Voltage-Direct-Current-%EC%86%A1%EC%A0%84%EC%9D%98-%ED%8A%B9%EC%A7%95

[우리나라의 HVDC]

1) 공산, 공영초의 사랑방, "국내 HVDC 사업현황", 2021.02.21, https://blog.naver.com/k8010314/222251015332

2) 한국전력공사, 제9차 장기 송변전설비계획, 2021.09.30, https://home.kepco.co.kr/kepco/PR/ntcob/ntcobView.do?pageIndex=1&boardSeq=21053616&boardCd=BRD_000117&menuCd=FN06030103&parnScrpSeq=21053701&searchCondition=total&searchKeyword= 

3) 산업통상자원부, 제9차 전력수급기본계획, 2021.04.19, http://www.motie.go.kr/motie/py/td/tradefta/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=72&cate_n=3&bbs_seq_n=210325