HVDC 변환소
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1. 개요
HVDC 변환소는 고전압 직류(HVDC) 시스템의 핵심 구성 요소로, 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 변환하거나 그 반대로 변환하는 역할을 한다. 변환소는 변환기, 변환 변압기, 직류 설비, 무효 전력 보상 장치, 고조파 필터, 교류 개폐 장치 등 다양한 설비로 구성된다. 변환기에는 사이리스터 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 사용되며, 계통 정류형 변환기와 전압형 변환기로 구분된다. 대한민국에서는 제주-육지 간 전력 연계를 위해 해저 케이블 HVDC가 사용되고 있다.
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- 초고압직류송전 - 사이리스터
사이리스터는 애노드, 캐소드, 게이트를 가진 4층 구조의 반도체 소자로, 작은 전압으로 큰 전류를 스위칭하며, SCR, 트라이액, GTO 등 다양한 종류가 있고 전력 제어 등 여러 산업 분야에 사용되지만 최근에는 IGBT에 의해 대체되는 추세이다.
| HVDC 변환소 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 교직변환소 |
| 유형 | 변전소 |
| 기능 | 교류와 직류 간의 전력 변환 |
| 상세 정보 | |
| 주요 장비 | 변압기 정류기/인버터 필터 보호 장치 |
| 역할 | HVDC 시스템에서 교류 전력망과 직류 전력망을 연결 전압 레벨 조정 전력 품질 개선 |
| 위치 | 일반적으로 HVDC 시스템의 시작점과 종착점에 위치 |
| 추가 정보 | |
| 중요성 | HVDC 시스템의 효율적인 운영에 필수적임 |
| 고려 사항 | 전력망 안정성 환경 영향 비용 |
2. 구성 요소
HVDC 시스템은 크게 변환소, DC 송전 선로, 전극 등으로 구성된다.
- 변환소 (Converter Station): 교류를 직류로, 또는 그 반대로 변환하는 장치이다. 초기에는 수은 아크 밸브가 사용되었으나, 1970년대 중반 이후 사이리스터가 주로 사용되고 있다. 최근에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT)를 사용하는 전압형 변환기도 등장했다.[4]
- 변환 변압기 (Converter Transformer): AC 전원 전압을 승압하는 역할을 한다. 변압기 권선의 와이-델타 결선을 통해 고조파 전류 성분을 제거한다.
- 직류 설비 (DC Equipment): 직류를 평활하게 하기 위한 인덕터(리액터)와 전압 및 전류 측정을 위한 계측기 등을 포함한다.[4]
- 무효 전력 보상 장치 (Reactive Power Compensation): 계통 정류형 변환기의 경우, 상당한 양의 무효 전력이 필요하므로 이를 보상하기 위한 장치가 필요하다. 동기 조상기나 스위치드 커패시터 뱅크 등이 사용될 수 있다.[1]
- 고조파 필터 (Harmonic Filter): 고조파를 제거하고 무효 전력을 생산하는 데 필요한 장치이다. 콘덴서와 인덕터를 직렬로 조합하여 구성된다.[4]
- 교류 개폐 장치 (AC Switchgear): 변환기 변압기 보호, 제어, 측정 등을 위한 차단기, 단로기 등이 포함된다. 교류 시스템의 낙뢰 서지로부터 교류 설비를 보호하기 위한 피뢰기도 설치된다.[1]
2. 1. 변환소 (Converter Station)
변환기는 보통 밸브 홀이라고 불리는 건물에 설치된다. 초기 HVDC 시스템은 수은 아크 밸브를 사용했지만, 1970년대 중반 이후부터 사이리스터와 같은 고체 소자가 사용되어 왔다. 사이리스터 또는 수은 아크 밸브를 사용하는 변환기는 '계통 정류형 변환기'라고 알려져 있으며, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT)를 사용하는 변환기는 '전압형 변환기'라고 한다.
HVDC에 사용되는 거의 모든 변환기는 본질적으로 양방향으로 전력 변환을 수행할 수 있다. 교류에서 직류로의 전력 변환은 ''정류''라고 하고, 직류에서 교류로의 변환은 ''역변환''이라고 한다.
2. 1. 1. 계통 정류형 변환기 (Line Commutated Converter, LCC)
변환기는 보통 밸브 홀이라고 불리는 건물에 설치된다. 초기 HVDC 시스템은 수은 아크 밸브를 사용했지만, 1970년대 중반 이후부터 사이리스터와 같은 고체 소자가 사용되어 왔다.[4] 사이리스터 또는 수은 아크 밸브를 사용하는 변환기는 ''계통 정류형 변환기''라고 알려져 있다. 사이리스터 기반 변환기에서는 여러 개의 사이리스터가 직렬로 연결되어 사이리스터 밸브를 형성하며, 각 변환기는 일반적으로 6개 또는 12개의 사이리스터 밸브로 구성된다. 사이리스터 밸브는 일반적으로 쌍 또는 네 개 그룹으로 묶여 있으며, 바닥의 절연체 위에 서거나 천장의 절연체에 매달릴 수 있다.[4]
계통 정류형 변환기는 정류를 위해 AC 네트워크의 전압이 필요하다.[4]
2. 1. 2. 전압형 변환기 (Voltage Source Converter, VSC)
1990년대 후반부터 HVDC에 전압형 변환기가 사용되기 시작했다. 전압형 변환기는 사이리스터 대신 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스터(GTO 사이리스터)를 사용하며, 이는 전원이 공급되지 않는 AC 시스템에도 전력을 공급할 수 있게 한다.[4]2. 2. 변환 변압기 (Converter Transformer)
컨버터 변압기는 AC 전원 네트워크의 전압을 승압한다. 변압기 권선의 스타-델타 또는 "와이-델타" 결선을 사용하여 컨버터는 AC 전원에서 각 사이클당 12개의 펄스로 작동할 수 있으며, 이는 수많은 고조파 전류 성분을 제거한다. 변압기 권선의 절연은 대지에 대한 큰 DC 전위를 견딜 수 있도록 특별히 설계되어야 한다. 컨버터 변압기는 단일 장치로 최대 300MVA로 제작될 수 있다. 더 큰 변압기를 운송하는 것은 비실용적이므로 더 큰 정격이 필요한 경우 여러 개의 개별 변압기를 함께 연결한다. 2개의 3상 유닛 또는 3개의 단상 유닛을 사용할 수 있다. 후자의 변형에서는 단일 유형의 변압기만 사용하므로 예비 변압기 공급이 더 경제적이다.
컨버터 변압기는 사이클당 컨버터의 4단계에서 높은 자속 전력 단계를 사용하여 작동하므로 일반적인 3상 전력 변압기보다 더 많은 음향 노이즈를 발생시킨다. 이 효과는 HVDC 컨버터 스테이션의 위치를 선정할 때 고려해야 한다. 소음 감소 인클로저를 적용할 수 있다.
2. 3. 직류 설비 (DC Equipment)
직류 설비는 직류를 평활하게 하기 위해 직류 라인과 직렬로 인덕터(리액터)를 포함하는 경우가 많다. 인덕턴스는 일반적으로 0.1 H에서 1 H 사이이다. 평활 리액터는 공심 또는 철심 중 하나를 가질 수 있다. 철심 코일은 오일로 채워진 고전압 변압기와 유사하다. 공심 평활 코일은 고전압 송전선의 반송 주파수 초크 코일과 유사하지만 훨씬 더 크며 절연체로 지지된다. 공심 코일은 철심 코일보다 음향 잡음을 적게 발생시키고, 유출된 오일의 잠재적인 환경 위험을 제거하며, 과도한 고전류 단락 조건에서 포화되지 않는 장점이 있다. 이 설비 부분에는 직류 및 전압 측정을 위한 계측기도 포함된다.[4]
특수 직류 필터는 고주파 간섭을 제거하는 데 사용된다. 이러한 필터는 송전선이 통신 및 제어를 위해 전력선 통신 기술을 사용하거나, 가공선이 인구 밀집 지역을 통과할 경우 필요하다. 이러한 필터는 수동 LC 회로 필터 또는 증폭기로 구성된 액티브 필터일 수 있으며, 변압기 및 보호 커패시터를 통해 결합되어 라인의 간섭 신호에 위상이 반대되는 신호를 출력하여 이를 상쇄한다. 이러한 시스템은 발트 해 케이블 HVDC 프로젝트에 사용되었다.[4]
2. 4. 무효 전력 보상 장치 (Reactive Power Compensation)
계통 정류형 변환기를 사용하는 경우, 변환소는 정격 전력의 40%에서 60%에 해당하는 무효 전력을 필요로 한다. 이는 스위치드 커패시터 뱅크 또는 동기 조상기로 제공될 수 있으며, 정적 인버터 플랜트 근처에 적절한 발전소가 위치한 경우 발전소의 발전기로 제공될 수 있다.[1] 변압기에 교환 탭 전환기(on-load tap changers)가 있고 교류 전압 제어를 위한 충분한 범위의 탭이 있는 경우, 무효 전력 요구량을 줄일 수 있다.[1] 무효 전력 요구량의 일부는 고조파 필터 구성 요소에서 공급될 수 있다.[1]전압형 변환기는 유효 전력뿐만 아니라 무효 전력도 생성하거나 흡수할 수 있으며, 일반적으로 추가적인 무효 전력 장비는 필요하지 않다.[1]
2. 5. 고조파 필터 (Harmonic Filter)
고조파 필터는 HVDC 변환소에서 고조파를 제거하고, 선로 정류형 변환소에서 무효 전력을 생산하는 데 필요한 장치이다. 6 펄스 선로 정류형 변환기를 사용하는 발전소에서는 교류 측에서 6n+1 및 6n-1 차수의 홀수 고조파와 직류 측에서 6n 차수의 짝수 고조파가 발생하므로 복잡한 고조파 필터가 필요하다. 12 펄스 변환소에서는 12n+1 및 12n-1 (교류 측) 또는 12n (직류 측) 차수의 고조파 전압 또는 전류만 발생한다.[4]필터는 예상되는 고조파 주파수에 맞춰 조정되며, 콘덴서와 인덕터를 직렬로 조합하여 구성된다. 전압형 변환기는 일반적으로 선로 정류형 변환기보다 낮은 강도의 고조파를 생성한다. 따라서 고조파 필터는 일반적으로 더 작거나 아예 생략될 수 있다.[4]
고조파 필터 외에도, 30 kHz에서 500 kHz 범위의 전력선 통신 장비 주파수 범위에서 발생하는 스퓨리어스 신호를 제거하기 위한 장비도 제공된다. 이러한 필터는 일반적으로 정지형 인버터 변압기의 교류 단자 근처에 위치한다. 이들은 부하 전류를 통과시키는 코일과 공진 회로를 형성하는 병렬 콘덴서로 구성된다.[4]
특수한 경우, 무효 전력을 생성하기 위해 전적으로 기계를 사용할 수 있다. 이는 볼고그라드-돈바스 HVDC의 볼가 수력 발전소에 위치한 단자에서 실현되었다.[4]
2. 6. 교류 개폐 장치 (AC Switchgear)
변환소의 3상 교류 개폐 장치는 교류 변전소의 개폐 장치와 유사하다. 여기에는 변환기 변압기의 과전류 보호를 위한 차단기, 단로기, 접지 스위치, 제어, 측정 및 보호를 위한 계기용 변압기가 포함된다. 또한, 이 변전소에는 교류 시스템의 낙뢰 서지로부터 교류 설비를 보호하기 위한 피뢰기가 설치된다.[1]3. 기타 설비
HVDC 변환소는 일반적인 변압기보다 훨씬 넓은 부지를 필요로 한다. 예를 들어, 600MW의 송전 용량과 400kV의 송전 전압을 가진 변환소 부지는 대략 300m x 300m 정도이다. 더 낮은 전압의 설비는 실외 고전압 설비 주변에 필요한 공간이 적기 때문에 다소 적은 부지를 필요로 할 수 있다.
변환소는 음향 잡음을 발생시키며, 심각한 수준의 무선 주파수 간섭을 발생시킬 수 있다. 따라서 이러한 방출을 제어하기 위한 설계가 필요하다. 벽은 소음 방지 기능을 제공할 수 있다. 모든 교류 변전소와 마찬가지로, 장비에서 기름이 유출될 경우 지하수를 오염시키는 것을 방지해야 한다. 가공 송전선로는 상당한 면적이 필요할 수 있지만, 지하 케이블을 사용하면 줄일 수 있다.
4. 대한민국 내 HVDC
대한민국은 HVDC 기술을 활용하여 전력망을 효율적으로 운영하고 있다.
4. 1. 육상 HVDC
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世界で進む高圧直流送電（HVDC）の導入とその背景
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洋上から陸上まで直流で送電するシステム、日本の近海に風力発電を広げる
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