에너지Biz 전기경제 시공&SOC 뉴스&피플 오피니언 전기문화
전력산업의 새로운 동력 HVDC ① 경제성에 환경성까지...국가간 연계 대규모 송전에 '딱'
전력 손실적고, 전자파 발생없어 장거리 대규모 송전에 제격
[ 해당기사 PDF | 날짜별 PDF ]
HVDC는 장거리 송전에 경제성이 높기 때문에 국내외에서 건설이 활발히 진행되고 있으며, 제주와 육지를 연결하는 HVDC는 현재 2개 노선이 운영중이며 1개 노선이 건설 계획 중에 있다. 서제주 변환소 전경.
동북아지역을 하나의 전력망으로 연결하자는 논의가 활발해지면서 HVDC기술에 대한 관심이 높아졌다. 국가간 연계 등 먼 거리에 전력을 보낼 때 손실을 최소화 하는 것이 중요한데 DC기술이 이런 욕구를 충족할 최적의 방식으로 평가를 받는다. 또 태양광, ESS, 연료전지와 같이 터빈을 돌리지 않고 고정된 극성으로 DC전력을 생산․활용하는 자원의 증가는 물론 데이터센터, 전기차 충전소와 같은 DC 전력만을 소모하는 수요자원이 등장하면서 DC기반의 전력시스템이 빠르게 확산되고 있다. DC전압이 본격 사용된 것은 1954년 수은 정류기 밸브(Mercury Arc Valve)를 이용해 스웨덴 본토와 고틀랜드 섬(Gotland)을 연계하는 세계 최초의 HVDC((High Voltage Direct Current) 시스템이 건설 되면서다. 이후 반도체 소자 기술이 빠른 속도로 개발되면서 사이리스터 및 IGBT 등 전력전자 소자를 이용한 HVDC시스템이 새로운 기술로 재탄생하며 전 세계적으로 사용이 늘고 있다.

HVDC 국내서도 전력공급의 큰 축 담당

우리나라의 첫 HVDC 상업운전은 육지와 제주를 연결하면서 시작됐다. 한전은 1998년 해남~제주 간 #1HVDC(±180kV, 300MW)를 최초로 개통했다. 2013년에는 진도~제주간 #2HVDC(±250kV, 400MW)를 개통했다.
한전에 따르면 현재 제주지역은 약 9.6%에 이르는 높은 전력수요 증가율을 보이고 있어 적정 예비율 확보가 필요하며, 특히 풍력을 중심으로 한 신재생 전원이 지속적으로 확대되고 있기 때문에 HVDC 증설이 필요한 상황이다. 한전은 #3HVDC가 추가로 건설을 계획하고 있으며, #3HVDC는 빠른 전압제어와 역송이 가능한 전압형으로 건설될 예정에 있다.
제주지역 뿐만 아니라 육상에서도 전력 효율에 대한 관심이 높아지고 계통안정성 확보에 대한 욕구가 많아지면서 HVDC 연계사업이 활발히 진행되고 있다. GW급 대규모 사업으로는 북당진~고덕 간 HVDC(±500kV, 3GW)와 신한울~수도권 간 HVDC(±500kV, 4GW)가 건설중에 있으며, 수도권 지역의 고장전류 및 AC선로 과부하 제한을 위해 양주 BTB HVDC(200MW, 전압형)가 추진되고 있다.

HVDC 세계적 추세 세계 시장도 급속히 커져

1954년 스웨덴 ASEA에 의해 개발된 최초의 HVDC가 상업운전을 시작한 이래, 현재 전 세계 약 165개소의 HVDC 시스템이 설치되어 운영 중에 있다. 글로벌 HVDC 시장은 2020년 기준 약 75조원 규모까지 성장이 전망된다. 특히 국토가 넓은 중국과 인도를 중심으로 한 아시아 시장과 대형 해상풍력단지가 집중된 유럽이 시장을 이끌고 있는 상황이다. .
아시아 시장은 향후 전 세계 HVDC시장의 약 49.5%를 차지할 것으로 예상된다. 그 중 HVDC 도입에 가장 적극적인 중국의 수요가 약 25%에 이를 것이라는 전망이다. 중국은 경제발전으로 인한 전력수요를 충당하기 위하여 산베이(三北, 동북, 화북, 서북 지역)지역에서 생산한 신재생에너지 전력을 중동부 지역(베이징, 텐진 등)으로 확대 공급하는 정책을 추진하고 있다. 중국에서 추진된 HVDC 프로젝트의 58%가 3GW급 이상의 대용량 정격이며, 2001년부터 2010년 동안에만 23개 이상의 프로젝트가 진행됐다.
유럽은 현재에도 수백 MW급 대규모 풍력단지 연계 프로젝트가 HVDC로 진행중에 있으며 EWEA(European Wind Energy Association)의 계획에 따르면 2030년까지 건설될 약 350GW의 해상풍력발전단지 중 약 150GW 규모는 전압형 HVDC로 계통에 연계될 예정이다.
이밖에도 북미, 중동, 아프리카 등지에서도 전류형 프로젝트를 중심으로 전압형 프로젝트가 지속적으로 확산되는 추세다.

전류형 HVDC 변환손실 적고 가격 저렴
전압형 HVDC 양방향 전력전송이 가능

HVDC는 사용되는 소자와 동작원리에 따라 전류형(LCC, Line Communicated Converter)과 전압형(VSC, Voltage Source Converter) 으로 구분된다. 전류형 HVDC는 사이리스터(Thyristor) 소자를 사용하고 턴온 시간을 조절해 흐르는 전류의 크기를 제어하는 원리로 동작한다. 전압형 HVDC는 IGBT 소자를 사용해 턴온 및 턴오프 스위칭을 통해 AC전압의 크기와 위상을 제어하는 원리로 동작한다. 전류형 HVDC는 전력변환 손실이 적고 컨버터 가격이 전압형 HVDC 대비 저렴하다는 장점이 있다. 반면 전압형 HVDC에 비해 설치면적이 크고 AC 전압원이 필요한 한계가 있다. 전압형 HVDC는 설치면적이 전류형의 60% 정도 밖에 안 되고 무효전력 보상설비가 불필요하며 양방향 전력전송이 가능하다는 장점이 있어 DC Grid 구성에 더 적합 하다는 평가다.
세 개 이상의 HVDC 출력원을 연결하면 다단자망 HVDC (MTDC, Multi-Terminal DC)라고 부르는데 대규모 풍력, 태양광, 수력 발전연계가 늘면서 1990년대 중반 이후 빠르게 확산되는 추세다.
전류형 HVDC는 ±800kV 기술이 최초로 상업운전에 성공한 후 널리 보급돼 송전능력 5GW 이상, 송전거리 1000~2500km 프로젝트에서 경제성이 입증됐다. ±1,100kV, 12GW, 3400km급 프로젝트 또한 현재 진행 중에 있다.
전압형 프로젝트는 ±500kV, 1,000MW급까지 프로젝트가 건설되어 운영 중에 있다. 다단자망 HVDC의 경우 2014년 중국 Zhoushan 지역에서 5단자망 전압형 HVDC 프로젝트(±200kV, 400MW, 300MW, 100MW×3)가 구축됐다.

장거리 송전 경제성 탁월..전자파 문제도 해결

대용량 발전소에서 수요지까지 이르는 장거리 선로에 Point-to-Point 방식의 HVDC를 적용할 경우, 전력손실이 적기 때문에 경제성의 확보가 가능하다.
일반적으로 송전선로가 길어질수록 HVDC가 경제적으로 유리하다고 평가된다. 한전 관계자는 “HVDC 선로의 손실은 전체용량의 0.3~0.4%로 매우 작은 손실률을 갖고 있다”며“ 교류 전력의 경우 송전선로의 전력 전송능력은 무효전력 성분에 영향을 받으며 또한 표피효과를 고려해 도체의 설계값을 결정해야 하는데 반해 직류 송전방식을 채택하면 이러한 무효전력 성분에 영향받지 않으며 표피효과로 인한 손실을 고려할 필요가 없다”고 설명했다.
HVDC로 송전선로를 구성하면 송전탑이 작아진다. 국내외 사례를 보면 전압 및 용량이 동일한 조건에서 HVDC 송전철탑이 AC 송전선로에 비해 규모가 작아지는 것은 물론 철탑 선하지 면적이 축소된다. 현재 국내에서 진행중인 신한울-신가평 HVDC 사업의 경우 기존 AC 765kV 철탑 대비 25%정도 높이를 줄이고 철탑 선하지 면적 또한 10% 이상 줄일 수 있을 것으로 전망된다. DC 자계는 지구자계와 동일하여 전자파 유해성 논란이 없다. 전력계통 운영에도 효과적이다. 서로 다른 전력계통을 교류로 직접 연계할 경우 기본적으로 두 계통의 주파수와 위상이 같아야 한다. 전압과 주파수 변동이 심하고 북한 전력계통을 연결할 때 교류방식으로 직접 연계하면 북한측의 전압변동, 주파수변화, 전력설비사고 등의 영향이 남쪽에 직접적인 영향을 주게 된다. 하지만 HVDC Back-to-Back 시스템으로 연계할 경우 쉽게 해결될 수 있다.
작성 : 2019년 01월 10일(목) 11:47
게시 : 2019년 01월 11일(금) 09:03


유희덕 기자 yuhd@electimes.com        유희덕 기자의 다른 기사 보기

많이 본뉴스
전기계 캘린더
2019년 3월
12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31