초고압직류송전

1. 개요

초고압직류송전(HVDC)은 장거리, 대용량 전력 전송에 사용되는 기술로, 교류(AC) 송전에 비해 전력 손실이 적고, 전력망 연결 안정성이 높으며, 해저 케이블 송전에 유리하다는 장점을 가진다. HVDC는 1882년 독일에서 처음 시연되었으며, 수은 정류기를 거쳐 사이리스터, IGBT와 같은 반도체 소자를 활용하는 전압형 변환기(VSC) 기술로 발전해왔다. HVDC 시스템은 정류기와 인버터, 변환용 변압기, 무효 전력 보상 장치, 고조파 필터, 직류 차단기 등으로 구성되며, 단극, 양극, 백투백, 다중 터미널 방식 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 최근에는 800kV 이상의 초고압 직류 전압을 사용하는 UHVDC 기술이 개발되어 장거리 송전에 활용되고 있으며, 중국, 인도, 브라질 등에서 활발하게 도입되고 있다. 대한민국은 일본의 HVDC 도입 사례를 참고하여 전력망 효율성을 높이고, 동북아 슈퍼그리드 구축 등 미래 전력망 구축에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

2. 역사

1882년 독일에서 미스바흐-뮌헨 전력 송전을 통해 최초의 직류 송전이 시연되었으나, 송전된 전력은 1.5kW에 불과했다. 초기에는 직류 송전이 시도되었지만, 변압기를 사용하여 전압을 쉽게 변경할 수 있는 교류 송전 방식이 널리 사용되었다. 직류는 변압기를 통과할 수 없었기 때문에 전압 변환이 어려웠고, 교류 발전기가 직류 발전기보다 효율적이었기 때문이다. 이러한 이유로 20세기 초에는 저전압 직류 송전 시스템이 교류 시스템으로 대체되었다.

그러나 1950년대 스웨덴에서 우노 람의 ASEA 그룹이 수은 아크 밸브를 이용한 HVDC 기술을 상용화하면서 장거리 송전의 가능성이 열렸다. 1954년 스웨덴 본토와 고틀란드 섬을 연결하는 10-20MW 시스템이 설치되었다.

1970년대 이후 사이리스터, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 등 전력 반도체 소자의 발전으로 HVDC 기술은 더욱 발전하였다.

2.1. 전기 기계 시스템

르네 투리가 개발한 투리 시스템은 초기 HVDC 송전에 기여한 기술이다. 이 시스템은 직렬 연결된 전동 발전기 세트를 사용하여 전압을 높이는 방식을 사용했다. 1889년 이탈리아의 아쿠에데토 데 페라리-갈리에라 회사에서 처음 상용화되었으며, 14kV DC에서 120km 거리에 630kW를 송전했다. 리옹-무티에 DC 송전 방식은 200km 거리에 8600kW의 수력 발전을 송전했으며, 1906년부터 1936년까지 작동했다. 이 시스템은 양극과 음극 사이에 총 150kV의 전압을 사용했다.

1913년까지 15개의 투리 시스템이 가동되었고, 1930년대까지 최대 100kV DC에서 작동하는 시스템도 있었지만, 회전 기계를 사용했기 때문에 유지보수가 많이 필요하고 에너지 손실이 크다는 단점이 있었다.

2.2. 수은 아크 밸브

전력 전자 장치인 수은 아크 밸브는 1914년에 처음 제안되었고, 1920년부터 1940년까지 DC 송전과 관련된 정류기 및 인버터 기능에 사용되었다. 1932년부터 제너럴 일렉트릭은 뉴욕주 메캐닉빌에서 수은 증기 밸브와 12kV DC 송전선을 시험했으며, 이는 40Hz 발전을 60Hz 부하에 공급하는 데 사용되었다. 1941년에는 엘베 프로젝트라고 알려진 매설 케이블 링크가 베를린시에 60MW, ±200kV, 115km 규모로 설계되었지만, 1945년 나치 독일의 붕괴로 인해 완료되지 못했다. 이 프로젝트는 전쟁 중에 매설된 케이블이 폭격 대상이 되기 어렵다는 명목상의 이유를 가지고 있었다. 이 장비는 소련으로 옮겨져 모스크바-카시라 HVDC 시스템에 사용되었다.

우노 람의 ASEA 그룹이 1954년에 스웨덴 본토와 고틀란드 섬을 연결한 것은 HVDC 송전의 현대 시대를 여는 계기가 되었다.

수은 아크 밸브는 1972년까지 설계된 시스템에서 흔하게 사용되었으며, 마지막 수은 아크 HVDC 시스템(캐나다 매니토바의 넬슨강 Bipole 1 시스템)은 1972년과 1977년 사이에 단계적으로 사용되었다. 그 이후 모든 수은 아크 시스템은 폐쇄되거나 고체 장치를 사용하도록 전환되었다. 수은 아크 밸브를 사용한 마지막 HVDC 시스템은 뉴질랜드 북섬과 남섬 사이의 인터아일랜드 HVDC 링크로, 두 극 중 하나에 수은 아크 밸브를 사용했다. 수은 아크 밸브는 2012년 8월 1일에 교체용 사이리스터 컨버터의 시운전에 앞서 폐기되었다.

2.3. 사이리스터 밸브

1970년대 이후 새로운 초고압직류송전(HVDC) 시스템에는 대부분 반도체 소자인 사이리스터가 사용되어 왔다. 수은 아크 밸브와 마찬가지로 사이리스터는 HVDC 응용 분야에서 켜고 끄려면 외부 AC 회로에 연결해야 한다. 사이리스터를 사용하는 HVDC는 선로 정류 변환기(LCC) HVDC라고도 알려져 있다.

1960년대 후반에 HVDC용 사이리스터 밸브 개발이 시작되었다. 사이리스터를 기반으로 한 최초의 완전한 HVDC 시스템은 캐나다의 일 강 시스템으로, 제너럴 일렉트릭(General Electric)이 건설하여 1972년에 가동되었다. 1979년 3월 15일에는 카보라 바사와 요하네스버그 사이에 1920MW 규모의 사이리스터 기반 직류 연결이 가동되었다. 변환 장비는 1974년 AEG가 건설했으며, 브라운, 보베리 & 치에(Brown, Boveri & Cie, BBC)와 지멘스(Siemens)가 참여했다. 당시 ±533kV의 송전 전압은 세계 최고였다.

2.4. 커패시터 정류 변환기 (CCC)

선로 정류 컨버터는 초고압직류송전 시스템에 사용하는데 몇 가지 제한 사항이 있다. 이는 차단을 수행하기 위해 '역' 전압 기간이 필요하기 때문에 발생한다. 이러한 제한 사항을 해결하기 위한 시도가 커패시터 정류 컨버터 (CCC)이다. CCC는 교류 라인 연결에 직렬 커패시터를 삽입한다. CCC는 턴오프 문제를 보다 직접적으로 해결하는 전압형 컨버터(VSC)의 출현으로 인해 틈새 응용 분야로만 남아 있다.

2.5. 전압형 변환기 (VSC)

1980년대부터 전동기 구동 장치에 널리 사용된 전압형 변환기(VSC)는 1997년 스웨덴의 실험적인 Hellsjön–Grängesberg 프로젝트를 통해 HVDC에 등장하기 시작했다. 2011년 말까지 이 기술은 HVDC 시장의 상당 부분을 차지했다.

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴오프 사이리스터(GTO), 집적 게이트 정류 사이리스터(IGCT)의 개발로 HVDC 시스템은 더욱 경제적이고 신뢰성이 높아졌다. 이는 최신 IGBT가 단락 고장 모드를 통합하여 IGBT가 고장 시 기계적으로 단락되기 때문이다. 따라서 최신 VSC HVDC 변환소는 전체 사용 수명 동안 작동을 보장하기 위해 충분한 이중화를 갖도록 설계되었다. ABB 그룹(ABB Group)은 이 개념을 HVDC Light라고 부르고, 지멘스(Siemens)는 유사한 개념을 HVDC PLUS (Power Link Universal System)라고 부르며, 알스톰(Alstom)은 이 기술을 기반으로 한 자사 제품을 HVDC MaxSine이라고 부른다. 이들은 HVDC의 사용을 수십 메가와트 정도로 작고 수십 킬로미터 정도로 짧은 가공선까지 확장했다. VSC 기술에는 여러 가지 변형이 있는데, 2012년까지 구축된 대부분의 설비는 사실상 초고전압 전동기 구동 장치인 회로에서 펄스 폭 변조를 사용한다. HVDC PLUS 및 HVDC MaxSine을 포함한 보다 최근의 설비는 모듈형 다단 컨버터(MMC)라고 하는 컨버터의 변형을 기반으로 한다.

다단 컨버터는 고조파 필터링 장비를 줄이거나 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다. 비교하자면, 일반적인 라인 정류형 컨버터 스테이션의 AC 고조파 필터는 컨버터 스테이션 면적의 거의 절반을 차지한다.

시간이 지남에 따라 전압원 컨버터 시스템은 가장 높은 직류 전력 전송 응용 프로그램을 포함하여 설치된 모든 단순 사이리스터 기반 시스템을 대체할 가능성이 높다.

3. 교류(AC) 송전과의 비교

고전압은 전선의 저항에 의한 에너지 손실을 줄이기 위해 사용된다. 송전 과정에서 전압을 2배로 높이면 전류는 절반으로 줄어들어, 결과적으로 열 손실이 감소해 전송 효율이 4배 증가한다. 도체를 늘리는 방법도 있지만, 무게와 비용이 증가한다.

1970년대 사이리스터를 시작으로, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 등 전력 전자 장비 개발로 직류와 교류 간 변환이 실용적으로 가능해졌다.

장거리 초고압직류송전(HVDC)은 일반적으로 같은 거리의 교류 송전보다 저렴하고 에너지 효율이 높다. 초기 HVDC 변환기 비용은 높지만, 장거리 송전선 건설 비용이 절감되고, 더 적은 수의 도체가 필요하며, 표피 효과의 영향을 받지 않아 효율적이다. 전압 및 건설 조건에 따라 다르지만, HVDC는 1000km당 약 3.5%의 전류 손실을 보이는 반면, 같은 전압의 교류 송전은 30~40%의 손실을 보인다.

HVDC는 각 교류 선에 전력을 송전할 수 있어 먼 거리에 있는 사용자에게 전력을 공급하는 데 적합하지만, 변환, 스위칭, 제어, 이용성 및 관리 측면에서 단점이 있다.

HVDC는 여러 변환 장비로 인해 교류 송전에 비해 신뢰성과 가용성이 낮다. 단극 시스템은 약 98.5%, 이중 시스템은 97~98% 정도의 가용성을 보인다. HVDC 변환소는 비싸고 과부하에 제한적이며, 짧은 거리에서는 교류보다 손실이 클 수 있다.

HVDC는 운영에 많은 부품이 필요하고, 교류 시스템에 비해 표준화가 덜 되어 있으며, 기술 발전 속도가 빠르다. 다중 터미널 시스템 구축은 복잡하며, 특히 라인 교환 컨버터의 경우 더욱 그렇다. 전력 흐름 제어를 위해서는 각 터미널 간 연결 상태가 양호해야 하며, 교류와 달리 컨버터 제어 시스템에 의해 전력 흐름이 결정된다.

3.1. 장점

HVDC(초고압직류송전)는 교류(AC) 송전에 비해 여러 장점을 가지고 있어, 특히 장거리 송전이나 해저 케이블 송전 등 특정 상황에서 유리하게 사용된다.

* 전력 손실 감소: HVDC는 표피 효과가 발생하지 않아 도체 이용률이 높고, 전류가 작아 전압 강하 및 전력 손실이 AC 송전에 비해 적다. 특히 장거리 송전에서 효율성이 높게 나타나는데, 1,000km당 전력 손실률이 약 3%로, 동일 전압의 AC 송전(6.7%)보다 훨씬 낮다. 이는 직류가 유효 전력만 전송하고, 교류처럼 위상 변이가 발생하지 않기 때문이다.
* 절연 용이성: HVDC는 동일한 실효값 전압의 AC보다 최고 전압이 낮아 절연이 용이하다. 따라서 송전탑 및 케이블의 크기를 줄일 수 있어 경제적이다.
* 안정적인 전력망 연계: HVDC는 주파수나 위상 차이가 있는 전력망을 안정적으로 연결할 수 있다. 이는 전력 계통의 안정성을 높이는 데 기여하며, 특히 연쇄 고장 확산을 방지하는 데 효과적이다.
* 해저 케이블 송전에 유리: 해저 케이블은 높은 정전 용량을 가지는데, AC 송전에서는 이로 인해 충전 전류가 발생하여 전력 손실이 커진다. HVDC는 충전 전류가 없어 이러한 문제가 발생하지 않으므로, 특히 장거리 해저 케이블 송전에서 AC 송전보다 유리하다.
* 기타 장점:
* 2가닥의 도체로 송전이 가능하며, 경우에 따라 대지를 귀로로 활용하여 1가닥으로도 송전할 수 있다.
* 정·부 2회선 구성 시 귀로를 공용하여 3가닥으로 2배의 전력을 보낼 수 있다(AC는 1.73배).
* 전선로의 리액턴스에 의한 전압 강하나 페란티 효과(전압 상승)를 고려할 필요가 없으며, 조상 설비가 불필요하다.
* 특히 케이블 송전의 경우, 용량성 리액턴스에 의한 송전 용량 제한이 없다.

이러한 장점들 덕분에 HVDC는 다음과 같은 분야에서 활용되고 있다.

* 장거리 대용량 전력 전송
* 해저 케이블 송전
* 비동기 전력망 연계
* 재생 에너지(풍력 등) 자원의 주 전력망 통합

3.2. 단점

HVDC(초고압직류송전)는 여러 장점에도 불구하고 몇 가지 단점을 가지고 있다.

변환 설비 비용

HVDC는 교류(AC)를 직류(DC)로, 또는 그 반대로 변환하는 설비가 필요하다. 이 변환 설비는 초기 투자 비용이 많이 든다. 특히 장거리 송전에서는 AC 송전보다 경제적일 수 있지만, 단거리에서는 변환 설비의 비용 부담이 크다.

제한적인 과부하 용량

HVDC 변환소는 과부하 용량이 제한적이다. 즉, 예상보다 많은 전력을 갑자기 보내야 할 때 유연하게 대처하기 어렵다. 이 때문에 단거리 송전에서는 AC 송전보다 손실이 더 클 수도 있다.

기술 복잡성

HVDC는 AC 시스템보다 기술적으로 복잡하다. 따라서 운영 및 유지보수에 더 많은 전문 인력과 기술이 필요하다. 또한, HVDC 시스템은 AC 시스템에 비해 표준화가 덜 되어 있고, 기술 발전 속도가 빨라 지속적인 관리와 투자가 필요하다.

다중 터미널 시스템 구현의 어려움

HVDC는 여러 지점을 연결하는 다중 터미널 시스템 구현이 복잡하다. 특히 선로 정류 변환기(LCC) 방식에서는 더욱 그렇다. 다중 터미널 시스템에서 전력 흐름을 제어하려면 모든 터미널 간의 원활한 통신이 필수적이다. AC 시스템에서는 전력 흐름이 임피던스 및 위상각에 따라 자연스럽게 결정되지만, HVDC에서는 변환기 제어 시스템을 통해 능동적으로 조절해야 한다. 이러한 이유로 다중 터미널 시스템은 드물며, 2012년 기준으로 퀘벡-뉴잉글랜드 송전 시스템과 사르데냐-이탈리아 본토 링크 두 곳 뿐이다.

DC 차단기 개발의 어려움

HVDC 차단기는 아크 때문에 제작하기 어렵다. AC에서는 전압이 주기적으로 0이 되면서 아크가 자연스럽게 소멸하지만, DC에서는 아크가 계속 유지되기 때문이다. 따라서 DC 차단기는 전류를 강제로 0으로 만들고 아크를 소멸시키는 복잡한 메커니즘이 필요하다. 2012년 11월, ABB에서 최초로 초고속 HVDC 차단기를 발표했다.

기타 단점
* HVDC 시스템은 AC 시스템보다 신뢰성이 낮고 가용률이 낮다. 단극 시스템은 약 98.5%, 쌍극 시스템은 전체 용량의 약 97~98% 가용성을 보인다.
* HVDC 시스템 운영에는 많은 예비 부품이 필요하며, 시스템이 표준화되지 않아 유지보수가 어렵다.
* 변환 과정에서 발생하는 고조파에 대한 대책이 필요하다.

4. HVDC 시스템 구성 요소

HVDC 시스템은 정류기, 전선로, 제어 장치 등의 구성 요소로 이루어진다. 고전압 환경에서는 광사이리스터가 정류 소자로 사용된다. 제어 장치는 대용량 처리를 위해 중복성을 갖춘 구조를 가진다.

HVDC는 교류 시스템에 비해 변환, 전환, 제어 및 유지보수 측면에서 단점을 갖는다. 추가적인 변환 설비로 인해 신뢰성과 가용성이 낮아지는 경향이 있다. 1회선 시스템의 가용성은 약 98.5%이며, 이중화된 2회선 시스템은 50% 용량에서는 높은 가용성을 보이지만, 전체 용량(100%)에서는 약 97%의 가용성을 보인다.

필수적인 정지 전력 인버터는 가격이 비싸고 부하 용량에 제한이 있다. 짧은 송전 거리에서는 정지 인버터의 손실이 교류 송전에 비해 커질 수 있어, 배전선 건설 및 손실 비용 절감 효과를 상쇄하지 못할 수 있다. 과거에는 수은 정류기가 사용되었으나, 현재는 대부분 사이리스터 장치로 대체되었다. 뉴질랜드 북섬과 남섬 간, 그리고 캐나다 밴쿠버 섬 연계의 일부 구간에서만 예외적으로 수은 정류기가 사용되고 있다.

다중 터미널 직류 시스템은 구현이 복잡하며, 전력 조류 제어를 위해서는 모든 터미널 간의 원활한 통신이 필수적이다. 전력 조류는 인버터 제어 시스템에 의해 능동적으로 조정되어야 한다. 다중 터미널 배전은 드물게 운영되며, 캐나다 퀘벡 주의 라디슨-미국 매사추세츠 주 에어 간 퀘벡 수력-뉴잉글랜드 송전과 사르데냐 섬-이탈리아 본토 연계 (1989년 코르시카 섬 전력 공급 기능 추가) 등이 그 예이다.

고압 직류 차단기는 전류를 강제로 0으로 만드는 장치가 필요하여 제작이 복잡하다. HVDC 시스템 운용에는 많은 보수 부품이 필요하며, 교류 송전에 비해 표준화가 어렵고 기술 변화 속도가 빠르다는 단점이 있다.

4.1. 변환기 (Converter)

HVDC 변환소의 핵심에는 AC와 DC 간의 변환을 수행하는 "변환기"가 있다. 거의 모든 HVDC 변환기는 기본적으로 AC를 DC로 변환하는 정류와 DC를 AC로 변환하는 전력 인버터 기능을 모두 수행할 수 있다. 그러나 많은 HVDC 시스템은 전력 흐름이 한 방향으로만 최적화되어 있다.

초기 HVDC 시스템은 전기 기계적 변환(Thury 시스템)을 사용했지만, 1940년대 이후 건설된 모든 HVDC 시스템은 전자식 변환기를 사용한다. HVDC용 전자식 변환기는 크게 두 가지로 나뉜다.

* 선로 전압 변환기 (LCC, Line Commutated Converter)
* 전압형 변환기 (VSC, Voltage Source Converter)

선로 전압 정류기(LCC)는 사이리스터를 사용하여 전류를 제어하는 방식으로, 주로 대용량 HVDC 시스템에 사용된다. 기본 LCC 구성은 3상 브리지 정류기인 "6 펄스 브리지"를 사용하며, 3개의 전자 스위치를 통해 3개의 위상 중 하나를 2개의 DC 레일 중 하나에 연결한다. 완전한 스위칭 소자는 일반적으로 그 구조에 관계없이 밸브라고 한다. 그러나 위상 변화가 60°마다 발생하므로 DC 및 AC 단자 모두에서 상당한 총 고조파 왜곡이 발생한다.

LCC에서 DC 전류는 일반적으로 방향을 변경할 수 없고, 큰 인덕턴스를 통해 흐르며 거의 일정하다고 간주할 수 있다. AC 측면에서 변환기는 대략 전류원처럼 동작하여 그리드 주파수와 고조파 전류를 AC 네트워크에 주입한다. 이러한 이유로 HVDC용 LCC는 전류원 인버터로도 간주된다.

초기 LCC 시스템은 수은 아크 밸브를 사용했지만, 유지 관리가 많이 필요했다. 마지막 수은 아크 시스템은 2012년에 폐쇄되었다. 1972년부터 사이리스터 밸브가 HVDC 시스템에 사용되기 시작했다. 사이리스터는 다이오드와 유사한 고체 반도체 소자이지만, AC 사이클 동안 특정 시점에 소자를 켤 수 있는 추가 제어 단자가 있다. HVDC 사이리스터 밸브는 많은 수의 사이리스터를 직렬로 연결하여 제작되며, 각 사이리스터와 병렬로 등급 커패시터 및 저항과 같은 수동 소자가 연결되어 전압 분배를 균등하게 한다. 사이리스터와 그 등급 회로 및 기타 보조 장비를 통틀어 사이리스터 레벨이라고 한다.

각 사이리스터 밸브는 일반적으로 수십 또는 수백 개의 사이리스터 레벨을 포함하며, 각 레벨은 지구와 관련하여 다른 (높은) 전위에서 작동한다. 사이리스터를 켜라는 명령 정보는 광학적인 방법을 통해 전달된다. 간접 광학 트리거링 방법에서는 저전압 제어 전자가 광섬유를 통해 각 사이리스터의 전압에서 전력을 얻는 하이 사이드 제어 전자로 광 펄스를 보내고, 직접 광 트리거링 방법에서는 제어 전자의 광 펄스를 사용하여 광 트리거 사이리스터(LTT)를 스위칭한다.

전압형 변환기(VSC)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 등 전력 반도체 소자를 사용하여 전압과 전류를 모두 제어하는 방식으로, 유연성과 효율성이 높다. 1997년 스웨덴의 실험적인 Hellsjön–Grängesberg 프로젝트를 통해 HVDC에 등장하기 시작했다. ABB 그룹(ABB Group)은 이 개념을 HVDC Light라고 부르고, 지멘스(Siemens)는 HVDC PLUS (Power Link Universal System)라고 부르며, 알스톰(Alstom)은 HVDC MaxSine이라고 부른다. VSC 기술은 HVDC의 사용을 수십 메가와트, 수십 킬로미터 정도의 가공선까지 확장했다. VSC 기반 HVDC 시스템은 일반적으로 6 펄스 연결을 사용하는데, 이는 컨버터가 비교적 적은 고조파 왜곡을 생성하기 때문이다.

시간이 지남에 따라 전압원 컨버터 시스템은 가장 높은 직류 전력 전송 응용 프로그램을 포함하여 설치된 모든 단순 사이리스터 기반 시스템을 대체할 가능성이 높다.

4.1.1. 12 펄스 브리지

오늘날 운용 중인 대부분의 초고압직류송전(HVDC) 시스템은 선로 전압 정류기(LCC)를 기반으로 한다. 기본 LCC 구성은 3상 브리지 정류기인 6 펄스 브리지를 사용하는데, 이 방식은 DC 및 AC 단자 모두에서 상당한 총 고조파 왜곡을 발생시킨다.

이러한 문제를 개선하기 위해 12 펄스 브리지는 12개의 밸브를 사용한다. AC는 변환 전에 두 개의 별도 3상 전원으로 분할된다. 전원 세트 중 하나는 스타(와이) 2차를 갖도록 구성되고, 다른 하나는 델타 2차를 갖도록 구성되어 두 세트의 세 위상 사이에 30°의 위상 차이를 만든다. 12개의 밸브가 두 세트의 세 위상 각각을 두 개의 DC 레일에 연결하면 30°마다 위상 변화가 발생하고 고조파가 상당히 감소한다. 이러한 이유로 12 펄스 시스템은 1970년대 이후에 구축된 대부분의 선로 전압 정류기 HVDC 시스템에서 표준이 되었다.

4.1.2. 모듈형 멀티레벨 컨버터 (MMC)

모듈형 다단 컨버터(MMC)는 고조파 필터링 장비를 줄이거나 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다. 이는 컨버터 스테이션 면적의 거의 절반을 차지하는 일반적인 라인 정류형 컨버터 스테이션의 AC 고조파 필터와 비교하면 효율적이다. MMC는 HVDC PLUS 및 HVDC MaxSine을 포함한 최근 설비에서 사용되는 컨버터 변형 방식이다.

4.2. 변환용 변압기

각 변환기의 AC 측에는 변압기 뱅크가 있는데, 종종 물리적으로 분리된 세 개의 단상 변압기가 있어 AC 전원으로부터 변전소를 절연하고, 국부적인 접지를 제공하며, 정확한 최종 DC 전압을 보장한다. 이 변압기의 출력은 변환기에 연결된다.

LCC HVDC 방식의 변환용 변압기는 고조파 전류가 높은 수준으로 흐르고 2차 권선 절연에 영구적인 DC 전압이 가해져 탱크 내부 절연 구조의 설계에 영향을 미치기 때문에 매우 특수하다. 밸브 측에는 더 견고한 절연이 필요하다. LCC 시스템에서 변압기는 또한 고조파 제거에 필요한 30° 위상 변이를 제공해야 한다.

VSC HVDC 시스템의 변환용 변압기는 일반적으로 LCC HVDC 시스템의 변환용 변압기보다 더 단순하고 전통적인 설계 방식을 사용한다.

4.3. 무효 전력 보상 장치

LCC HVDC 시스템은 무효 전력을 소비하는 주요 단점이 있다. AC 시스템에서 변환기로 흐르는 AC 전류는 AC 전압보다 뒤처지므로, 변환기는 항상 무효 전력을 흡수한다. 흡수되는 무효 전력은 이상적인 조건에서 최소 0.5 Mvar/MW이며, 변환기가 평소보다 높은 점호각 또는 소호각에서 작동하거나 DC 전압이 감소하면 이보다 더 높을 수 있다.

HVDC 변환소가 발전소에 직접 연결된 경우, 일부 무효 전력은 발전기 자체에서 제공될 수 있다. 그러나 대부분의 경우 변환기에서 소비되는 무효 전력은 변환기의 AC 단자에 연결된 분로 커패시터 뱅크에서 제공해야 한다. 분로 커패시터는 일반적으로 전력망 전압에 직접 연결되지만, 경우에 따라 변환기 변압기의 3차 권선을 통해 더 낮은 전압에 연결될 수 있다.

소비되는 무효 전력은 전송되는 유효 전력에 따라 달라지기 때문에, 분로 커패시터는 일반적으로 여러 개의 스위치 가능한 뱅크(일반적으로 변환기당 4개)로 세분화되어야 한다. 이를 통해 낮은 전송 전력에서 무효 전력 과잉 생성을 방지할 수 있다. 분로 커패시터는 거의 항상 튜닝 리액터와 필요한 경우 댐핑 저항을 갖추고 있어 고조파 필터의 이중 역할을 수행할 수 있다.

반면에 VSC는 필요에 따라 무효 전력을 생산하거나 소비할 수 있다. 그 결과 일반적으로 별도의 분로 커패시터가 필요하지 않다(순수하게 필터링에 필요한 경우 제외).

4.4. 고조파 필터

모든 전력 전자 변환기는 연결된 AC 및 DC 시스템에 어느 정도의 고조파 왜곡을 발생시키며, HVDC 변환기도 예외는 아니다.

최근 개발된 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)를 사용하면 고조파 왜곡 수준이 실질적으로 무시할 수 있지만, 선로 정류 컨버터 및 더 간단한 유형의 전압형 컨버터(VSC)를 사용하면 변환기의 AC 및 DC 측면 모두에서 상당한 고조파 왜곡이 발생할 수 있다. 결과적으로, 이러한 변환기의 AC 단자에는 거의 항상 고조파 필터가 필요하며, 가공선을 사용하는 HVDC 전송 방식에서는 DC 측에도 필요할 수 있다.

선로 정류 컨버터 HVDC 컨버터의 기본 구성 요소는 6 펄스 브리지이다. 이 구성은 6n±1차 고조파 전류를 교류(AC) 시스템에 주입하고 직류(DC) 전압에 6n차 고조파 전압을 중첩시킴으로써 매우 높은 수준의 고조파 왜곡을 생성한다.

이러한 고조파를 억제할 수 있는 고조파 필터를 제공하는 것은 매우 비용이 많이 들기 때문에, 12 펄스 브리지(두 개의 6 펄스 브리지를 30° 위상차로 직렬 연결)로 알려진 변형이 거의 항상 사용된다. 12 펄스 배열을 사용하면 고조파가 여전히 생성되지만, 교류(AC) 측에서는 12n±1차, 직류(DC) 측에서는 12n차에서만 발생한다. 이러한 고조파를 억제하는 작업은 여전히 어렵지만, 관리할 수 있다.

HVDC용 선로 정류 컨버터는 일반적으로 교류(AC) 측에서 11차 및 13차 고조파를, 직류(DC) 측에서 12차 고조파를 처리하도록 설계된 고조파 필터 조합으로 제공된다. 때로는 교류(AC) 측에서 23, 25, 35, 37차 등과 직류(DC) 측에서 24, 36차 등을 처리하기 위해 하이패스 필터가 제공될 수 있다. 때로는 교류(AC) 필터가 3차 또는 5차 고조파와 같은 저차 비특성 고조파에서 댐핑을 제공해야 할 수도 있다.

HVDC 컨버터 스테이션용 교류(AC) 고조파 필터를 설계하는 작업은 복잡하고 계산 집약적이다. 교류(AC) 시스템에서 허용할 수 없는 수준의 전압 왜곡이 발생하지 않도록 보장하는 것 외에도, 고조파 필터가 교류(AC) 시스템의 다른 구성 요소와 공진하지 않도록 보장해야 하기 때문이다. 교류(AC) 필터를 설계하려면 광범위한 주파수에서 교류(AC) 시스템의 고조파 임피던스에 대한 자세한 지식이 필요하다.

직류(DC) 필터는 가공선을 포함하는 HVDC 시스템에만 필요하다. 소비자들은 시스템의 직류(DC) 단자에 직접 연결되지 않으므로, 전압 왜곡 자체가 문제가 되지 않는다. 따라서 직류(DC) 필터의 주요 설계 기준은 직류(DC) 라인에 흐르는 고조파 전류가 인근의 개방형 전화선에 간섭을 유발하지 않도록 하는 것이다. 간섭에 훨씬 덜 민감한 디지털 이동 통신 시스템의 부상으로 인해 직류(DC) 필터는 HVDC 시스템에서 덜 중요해지고 있다.

전압형 컨버터의 일부 유형은 매우 낮은 수준의 고조파 왜곡을 생성하여 필터가 전혀 필요하지 않을 수 있다. 그러나 펄스 폭 변조(PWM)와 함께 사용되는 2레벨 컨버터와 같은 컨버터 유형은 선로 정류형 컨버터 시스템보다 적지만 여전히 일부 필터링이 필요하다.

이러한 컨버터를 사용하면 고조파 스펙트럼이 일반적으로 선로 정류형 컨버터보다 더 높은 주파수로 이동한다. 이렇게 하면 일반적으로 필터 장비를 더 작게 만들 수 있다. 지배적인 고조파 주파수는 PWM 주파수의 측파대와 그 배수이다. HVDC 적용 분야에서 PWM 주파수는 일반적으로 약 1~2 kHz이다.

4.5. 직류 차단기

HVDC 차단기는 아크 때문에 제작이 어렵다. 교류(AC)에서는 전압이 반전되어 초당 수십 번 0볼트를 통과한다. AC 아크는 이러한 0 교차점에서 자체적으로 소멸되는데, 전위차가 없는 곳에는 아크가 발생할 수 없기 때문이다. 직류(DC)는 0볼트를 절대 통과하지 않고 자체적으로 소멸되지 않으므로 동일한 전압의 AC보다 DC의 아크 거리와 지속 시간이 훨씬 길다. 이는 차단기에 전류를 0으로 강제하고 아크를 소멸시키는 메커니즘이 포함되어야 함을 의미한다. 그렇지 않으면 아크와 접점 마모가 너무 커서 안정적인 스위칭이 불가능해진다.

2012년 11월, ABB는 최초의 초고속 HVDC 차단기를 발표했다. 기계식 차단기는 HVDC 그리드에서 사용하기에는 너무 느리지만 수년 동안 다른 응용 분야에서 사용되어 왔다. 반대로, 반도체 차단기는 충분히 빠르지만 전도 시 저항이 높아 에너지를 낭비하고 정상 작동 시 열을 발생시킨다. ABB 차단기는 반도체와 기계식 차단기를 결합하여 빠른 차단 시간과 낮은 저항을 모두 갖춘 하이브리드 차단기를 생성한다.

고압 직류 차단기는 차단기 내부에 전류를 강제로 0으로 만드는 기구가 포함되어야 하므로 복잡하다. 그렇게 하지 않으면, 신뢰성을 확보한 개폐를 하기 위해 아크 방전과 접촉자의 마모가 심대해질 것이다.

5. HVDC 시스템 구성 방식

HVDC 시스템은 크게 단극 방식, 양극 방식, 백투백 방식, 다중 터미널 방식으로 구성된다.

* 단극(Monopole) 방식: 하나의 도체와 대지 귀로를 사용하는 방식이다.
* 대칭 단극(Symmetrical Monopole) 방식: DC 전압의 약 절반으로 작동하는 두 개의 고전압 도체를 사용하는 방식이다.
* 양극(Bipolar) 방식: 짝을 이루는 도체를 사용하며, 각 도체는 접지를 기준으로 반대 극성으로 높은 전위를 갖는 방식이다.
* 백투백(Back to Back) 방식: 양쪽의 컨버터가 같은 구역에 위치하여 직류 선로의 길이를 최소화하는 방식이다.
* 다중 터미널(Multi-terminal) 방식: 3개 이상의 변환소가 연결된 방식이다.

초기에는 주로 사이리스터 밸브를 사용한 전류형 변환기(LCC)가 사용되었으나, 최근에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용한 전압형 변환기(VSC)가 많이 사용된다. 전압형 컨버터는 자가 정류형이므로 AC 시스템의 동기기에 의존하지 않고, 수동 부하만으로 구성된 AC 네트워크에도 전력을 공급할 수 있다. 또한, 6펄스 연결을 주로 사용하여 고조파 왜곡을 줄인다.

2012년까지 구축된 대부분의 VSC HVDC 시스템은 2레벨 컨버터를 기반으로 하였으나, 최근에는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)와 같은 형태의 멀티레벨 컨버터가 주로 사용된다. MMC는 각 밸브가 여러 개의 독립적인 컨버터 서브 모듈로 구성되어 매우 낮은 수준의 고조파 왜곡으로 계단형 전압을 합성할 수 있다.

5.1. 단극 (Monopole) 방식

단극(Monopole) 방식은 하나의 도체와 대지 귀로를 사용하는 방식이다. 정류기의 한쪽 단자는 접지에 연결되고, 다른 한쪽 단자는 송전선에 연결된다. 접지된 단자는 금속 귀로 도체를 통해 역변환소에 연결될 수 있다.

금속 귀로 도체가 설치되지 않은 경우, 전류는 두 전극 사이의 대지(또는 물)를 통해 흐른다. 이러한 배열은 단선 접지 귀로 시스템의 일종이다. 전극은 보통 변전소에서 수십 킬로미터 떨어진 곳에 위치하며, 중전압 전극선을 통해 변전소에 연결된다. 대지 귀로를 사용하는 단극 방식은 대지 전류가 한 방향으로 흐르기 때문에 음극 설계는 비교적 간단하지만, 양극 전극 설계는 상당히 복잡하다.

장거리 송전의 경우, 대지 귀로는 전용 중성 도체를 사용하는 것보다 저렴하지만 다음과 같은 문제를 야기할 수 있다.

* 파이프라인과 같은 매설된 금속 물체의 전기 화학적 부식(전식).
* 해수 중 수중 대지 귀로 전극은 염소를 생성하거나 물의 화학적 성질에 영향을 미칠 수 있다.
* 불균형한 전류 경로는 순 자기장을 유발하여, 수중 케이블 위를 지나는 선박의 자기 나침반에 영향을 줄 수 있다.

이러한 영향은 단극 송전선의 양쪽 끝 사이에 금속 귀로 도체를 설치하여 제거할 수 있다. 변환기의 단자 중 하나가 접지에 연결되어 있기 때문에 귀로 도체는 전체 송전 전압에 대해 절연될 필요가 없어 고전압 도체보다 비용이 저렴하다. 금속 귀로 도체 사용 여부는 경제적, 기술적, 환경적 요인에 따라 결정된다.

순수 가공선용 현대 단극 시스템은 일반적으로 1.5 GW를 처리한다. 지하 또는 해저 케이블을 사용하는 경우 일반적인 값은 600 MW이다.

대부분의 단극 시스템은 향후 양극 확장을 위해 설계된다. 송전선 철탑은 단극 송전 시스템에 처음 하나만 사용하더라도 두 개의 도체를 수용하도록 설계될 수 있다. 두 번째 도체는 사용되지 않거나, 전극선으로 사용되거나, 다른 도체와 병렬로 연결된다(발트 케이블의 경우).

5.2. 대칭 단극 (Symmetrical Monopole) 방식

대칭 단극 방식은 각 끝에 단일 컨버터만 사용하여 DC 전압의 약 절반으로 작동하는 두 개의 고전압 도체를 사용하는 방식이다. 이 방식을 대칭 단극이라고 하며, 컨버터는 높은 임피던스를 통해서만 접지되며 어스 전류는 없다. 대칭 단극 방식은 선로 정류형 컨버터에서는 드물지만(NorNed 상호 연결이 드문 예시), 케이블을 사용하는 전압형 컨버터에서는 매우 일반적이다.

5.3. 양극 (Bipolar) 방식

양극성 송전은 짝을 이루는 도체를 사용하며, 각 도체는 접지를 기준으로 반대 극성으로 높은 전위를 갖는다. 이 도체들은 전체 전압에 대해 절연되어야 하므로, 송전선 비용은 귀로 도체가 있는 단극성 방식보다 높다. 그러나 양극성 송전에는 몇 가지 장점이 있다.

* 정상 부하 조건에서, 금속 접지 귀로가 있는 단극성 송전과 마찬가지로 접지 전류는 무시할 정도로 적다. 이는 접지 귀로 손실과 환경 영향을 줄여준다.
* 선로에 고장이 발생하면, 선로 각 끝에 접지 귀로 전극이 설치되어 있어 접지를 귀로 경로로 사용하여 정격 전력의 약 절반을 단극성 모드로 계속 흐르게 할 수 있다.
* 주어진 총 전력 정격에서 양극성 선로의 각 도체는 단극성 선로 전류의 절반만 전달하므로, 동일 정격의 단극성 선로에 비해 두 번째 도체의 비용이 절감된다.
* 매우 열악한 지형에서는 두 번째 도체를 독립적인 송전 타워 세트에 실을 수 있으므로, 한 선로가 손상되어도 일부 전력을 계속 송전할 수 있다.

양극성 시스템은 금속 접지 귀로 도체와 함께 설치될 수도 있다.

양극성 시스템은 중국의 닝동-산둥 프로젝트와 같이 극당 단일 변환기를 사용하여 ±660 kV의 전압에서 최대 4 GW의 전력을 전달할 수 있다. 12펄스 변환기당 2,000 MW의 전력 정격으로, 해당 프로젝트의 변환기는 2010년 기준으로 건설된 가장 강력한 HVDC 변환기였다. 각 극에 두 개 이상의 12펄스 변환기를 직렬로 연결하여 더 높은 전력을 달성할 수 있으며, 이는 각 극에 두 개의 12펄스 변환기 브리지를 사용하고 각각 400 kV DC 및 1,600 MW 정격인 중국의 ±800 kV 샹자바-상하이 프로젝트에서 사용된다.

단극성으로 처음 설치된 해저 케이블 설치는 추가 케이블로 업그레이드하여 양극성으로 운영될 수 있다.

양극성 방식은 한 개 또는 양극의 극성을 변경할 수 있도록 구현할 수 있다. 이를 통해 두 개의 병렬 단극으로 작동할 수 있다. 한 도체에 고장이 발생하면, 용량을 줄여 송전을 계속할 수 있다. 이 모드에서 추가 전류에 맞게 접지 전극과 선로가 설계되지 않은 경우 손실이 증가할 수 있다. 이 경우 손실을 줄이기 위해 중간 스위칭 스테이션을 설치하여 선로 세그먼트를 끄거나 병렬화할 수 있다. 이는 잉가-샤바 HVDC에서 수행되었다.

5.4. 백투백 (Back to Back) 방식

백투백 변전소(Back-to-back station, B2B)는 양쪽의 컨버터가 같은 구역, 일반적으로 같은 건물 안에 위치하는 발전소이다. 직류 선로의 길이는 가능한 짧게 유지된다. HVDC 백투백 변전소는 다음과 같은 경우에 사용된다.

* 서로 다른 주파수의 전력망 연결 (예: 일본과 남아메리카; 2009년에 완공된 사우디아라비아(60 Hz)와 나머지 걸프 협력 회의(GCC) 국가(50 Hz) 간의 GCC 상호 연결망)
* 동일한 공칭 주파수를 가지지만 고정된 위상 관계가 없는 두 네트워크 연결 (예: 1995/96년까지 에첸리히트, 뒤른로어, 빈 및 비보르크 HVDC 계획).
* 서로 다른 주파수 및 위상 수 (예: 견인 전류 변환기 발전소를 대체하는 경우)

HVDC 백투백 변전소에서는 전도체 길이가 짧기 때문에 중간 회로의 직류 전압을 자유롭게 선택할 수 있다. 직류 전압은 일반적으로 작은 밸브 홀을 건설하고 각 밸브에서 직렬로 연결된 사이리스터의 수를 줄이기 위해 가능한 한 낮게 선택된다. 이러한 이유로 HVDC 백투백 변전소에서는 최고 정격 전류(경우에 따라 최대 4,500 A)를 가진 밸브가 사용된다.

5.5. 다중 터미널 (Multi-terminal) 방식

세 개 이상의 변환소가 연결된 방식이다. 여러 터미널을 연결하기 위해서는 각 터미널 간의 연결 상태가 좋아야 하며, 제어가 복잡하다는 특징이 있다. 이러한 이유로 현재는 다중 터미널 방식은 제한적으로 사용되고 있다.

직렬, 병렬 또는 하이브리드(직렬과 병렬의 혼합) 구성이 가능하며, 병렬 구성은 대용량 변전소에, 직렬 구성은 소용량 변전소에 주로 사용된다. 대표적인 예시로 퀘벡-뉴잉글랜드 송전 시스템이 있으며, 1992년에 개통되어 현재 세계에서 가장 큰 다중 터미널 HVDC 시스템이다.

계통 연계형 컨버터를 사용하는 경우, 전력의 반전이 DC 전압의 극성 반전을 통해 이루어지기 때문에 모든 컨버터에 영향을 미쳐 다중 터미널 시스템 구현이 어렵다. 반면 전압형 변환기(VSC)를 사용하면 전류 방향을 반전시켜 전력 반전이 가능하므로, 병렬 연결된 다중 터미널 시스템을 제어하기가 더 쉽다. 이러한 장점 덕분에 가까운 미래에는 다중 터미널 시스템이 더 많이 사용될 것으로 예상된다.

중국 남방 전력망은 2011년에 3개의 터미널 VSC HVDC 파일럿 프로젝트를 시작했다. 이 프로젝트는 HVDC 육상 케이블, 해저 케이블 및 가공 전선 조합을 통해 나나오 섬에서 생산된 풍력 발전을 중국 본토 광둥 전력망으로 전송하며, 2013년 12월 19일에 가동되었다.

6. 코로나 방전

코로나 방전은 강한 전기장의 존재로 인해 유체(대기) 내에서 이온이 생성되는 현상이다. 전자는 중성 공기로부터 분리되어 양이온 또는 전자가 도체로 끌려가고, 하전된 입자가 이동한다. 이 효과는 상당한 전력 손실을 유발하고, 가청 및 주파수 간섭을 일으키며, 질소 산화물 및 오존과 같은 유해 화합물을 생성하고, 아킹(arc) 현상을 발생시킬 수 있다.

교류 및 직류 송전선 모두 코로나를 발생시킬 수 있으며, 교류의 경우 진동하는 입자 형태로, 직류의 경우 일정한 바람 형태로 나타난다. 도체 주변에 형성된 공간 전하로 인해 HVDC 시스템은 동일한 양의 전력을 수송하는 고전압 교류 시스템에 비해 단위 길이당 손실이 약 절반 정도이다. 단극 송전의 경우, 활성화된 도체의 극성 선택을 통해 코로나 방전을 어느 정도 제어할 수 있다. 특히, 방출되는 이온의 극성을 제어할 수 있으며, 이는 오존 생성에 환경적 영향을 미칠 수 있다. 음극 코로나 방전은 양극 코로나 방전보다 훨씬 더 많은 오존을 생성하며, 송전선으로부터 더 멀리 '하류'에서 생성하여 건강에 영향을 줄 가능성이 있다. 따라서 양극 전압을 사용하면 단극 HVDC 전력선의 오존 영향을 줄일 수 있다.

7. 대한민국 내 HVDC 도입 사례

1979년 전원개발 송변전 네트워크는 혼슈 (조호쿠 변환소) - 홋카이도 (하코다테 변환소) 간 HVDC 사업을 통해 일본 최초의 본격적인 직류 송전을 시작했다. 송전 거리는 167km (케이블 부분 43km 포함), 운전 전압은 ±250kV, 용량은 60만 kW였다.

1999년에는 주부 전력 파워 그리드와 호쿠리쿠 전력 송배전을 잇는 미나미후쿠미츠 연계소가 건설되어 "0 km 직류 송전"을 시작했다. 이는 교류로 연계하면 간사이 전력 송배전의 연계선도 루프 형태가 되어 안정성 측면에서 계통을 분리하여 연계하기 위한 것이었다. 도야마현 난토시에 위치하며, 용량은 30만 kW이다.

2000년에는 전원개발 송변전 네트워크, 간사이 전력 송배전, 시코쿠 전력 송배전이 공동 소유하는 기이 수도 직류 연계 사업이 시작되어, 혼슈 (키호쿠 변환소) - 시코쿠 (아난 변환소) 간 세계 최대급 설계 전압을 가진 직류 송전이 개시되었다. 송전 거리는 100km (케이블 부분 49km 포함), 운전 전압은 ±250kV, 용량은 140만 kW (설계 전압 ±500kV, 설계 용량 280만 kW)였다.

8. 국외 HVDC 사례 및 상세

HVDC(고전압 직류 송전)는 장거리, 대용량 전력 전송의 핵심 기술로 자리 잡고 있으며, 특히 해저 케이블, 국가 간 전력망 연계, 재생 에너지 연계 등에서 활발하게 활용되고 있다.

* 중국: UHVDC(초고압 직류 송전) 기술 개발과 도입에 적극적으로 나서고 있다. 2018년에 준동-완난 UHVDC 회선(1100kV, 3400km, 12GW)을 완공하였고, 2020년 현재 최소 13개의 UHVDC 송전 회선을 완공하는 등 세계적인 수준의 기술력을 보유하고 있다.
* 유럽: 북해 지역의 해상 풍력 발전과 연계된 HVDC 프로젝트가 활발하게 추진되고 있다. 유럽 위원회는 아일랜드, 영국, 네덜란드, 독일, 덴마크, 스웨덴 간의 HVDC 연결 개발을 지원하기 위해 3억 {{cvt를 제안하기도 했다.
* 지중해 연합: 북아프리카의 태양광 발전을 유럽으로 전송하는 HVDC 프로젝트를 추진하고 있다.
* 일본-대만-필리핀: HVDC 송전 상호 연결망이 2020년에 제안되었다. 이는 미래의 아시아 태평양 슈퍼 그리드를 준비하기 위해 인도네시아 및 호주와의 국경 간 재생 가능 전력 거래를 용이하게 하는 것이 목적이다.
* 인도: 라이가르와 푸갈루르 사이의 1830km, 800kV, 6GW 회선이 2019년에 완공되었다.
* 브라질: 싱구-에스트레이토 HVDC 송전선 (2076km, 800kV, 4GW)이 2017년에, 싱구-리우 HVDC 송전선 (2543km, 800kV, 4GW)이 2019년에 완공되었으며, 두 회선 모두 벨루 몬테 댐에서 생산된 에너지를 송전하기 위한 것이다.

9. 결론 및 전망

HVDC는 전력 손실 감소, 안정적인 전력망 연계, 재생 에너지 연계 등 다양한 장점을 바탕으로 미래 전력망의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히, 전압형 변환기(VSC) 기술의 발전과 UHVDC 기술의 상용화는 HVDC 기술의 적용 범위를 더욱 확대할 것으로 기대된다.

HVDC 송전은 일반적으로 같은 교류 송전에 비해 가격이 저렴하고 에너지 효율이 더 높다. 터미널의 HVDC 변환기는 비용이 발생하지만, 총 직류 라인은 같은 길이의 교류 선에 비해 가격이 저렴하다. 또한 HVDC는 같은 길이에서 더 적은 도체를 필요로 하며, 3상이나 표피 효과를 필요로 하지 않는다. HVDC는 1000km당 3.5%의 전류 손실을 보이는데, 이는 같은 전압의 교류 그리드가 30~40%를 손실하는 것과 대조적이다. HVDC는 각각의 교류 선에 전력을 송전할 수 있기 때문에 이러한 기술적인 이점을 얻기 위해 선택되기도 한다. 이러한 여러 이점 때문에 먼 거리에 있는 사용자에게 전력을 공급하는 데 적합한 선택이 될 수 있다.

하지만, HVDC는 여러 변환 장비들로 인해 교류 송전에 비해 신뢰성이 떨어지며, 가용성이 교류 시스템보다 낮다. 단극 시스템의 경우 가용성이 98.5%이며, 고장으로 인해 정비되는 시간이 3배가 넘어간다. 고장을 회피하기 위한 이중 시스템의 경우 50%보다 높은 가용성을 보장하지만, 그래도 97~98% 정도의 가용성을 보여준다. 또한 HVDC 변환소는 비싸면서도 과부하가 제한되어 있다. 짧은 거리의 경우, 교류보다 더 많은 손실률을 보일 수 있다. HVDC는 운영하기 위해 많은 부품이 필요하며, 하나의 시스템으로 구축했다고 해도 아직 교류 시스템에 비해 표준화가 덜 되어 있으며, 기술이 빨리 발전하는 경향이 있다.

초고압직류송전(UHVDC)은 800kV 이상의 직류 전압 송전을 의미한다. 2010년, ABB 그룹은 세계 최초의 800kV UHVDC를 중국에 건설했다. 2020년 현재, 최소 13개의 중국 UHVDC 송전 회선이 완공되었다. 중국에서는 2019년에 3300km 거리에 1,100kV 링크가 완공되었으며, 전력 용량은 12GW이다. 이러한 규모는 대륙 간 연결을 가능하게 하여 풍력 발전 및 태양광 발전의 변동성에 대처하는 데 도움이 될 수 있다.

대한민국은 HVDC 기술을 적극적으로 도입하여 전력망 효율성을 높이고, 동북아 슈퍼그리드 구축 등 미래 전력망 구축에 기여할 수 있을 것이다.