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HVDC 송전방식과 교류 송전방식/문제
HVDC 송전방식과 교류 송전방식
기술력의 진보로 전력계통에 HVDC 시스템을 적용하는 사례는 점증하고 있다. HVDC 송전에 대해 간략히 설명하고 이 방법의 장점을 10개 정도 약술하시오.
기술력의 진보로 전력계통에 고압직류송전(HVDC) 시스템을 적용하는 사례가 점점증가하고 있으며, 현재 우리나라의 제주-해남 지역에 적용되어 사용되고 있다. HVDC 송전에 대해 간략히 설명하고 이 방법의 장점을 5개 정도 약술하시오.
직류송전(HVDC)시스템의 구성설비에 대하여 설명하시오.
기존 전력계통에 분산형 전원의 연계에 따른 직류송전(HVDC)의 요구가 증가하고 있는바 송전과 배전에서의 HVDC 역할을 설명하시오.
초고압 직류송전(HVDC)의 장·단점을 교류송전과 비교하여 설명하시오.
개요
1) HVDC란 발전소에서 발전되는 교류전력을 직류로 변환시켜서 송전한 후 수전점에서 재변환시켜 공급하는 방식
2) 적용분야
- 해저 케이블 송전 → 해남(진도)~제주간 연계, 해상풍력 연계 등
- 대용량/장거리 송전 → 유럽연합 HVDC 연계, 동북아, 남북한 연계 등
- 주파수가 다른 전력계통의 연계 → 비동기 연계
- 단락전류 저감을 위한 연계 → Back to Back system
3) HVDC의 경제성
- 가공 선로: 450km 이상
- 해저케이블: 50km 이상
구성
구성도
구성설비
(1) 변환장치(Thyristor Valve)
- 변환장치의 직류 송전방식의 핵심 요소
- Thyristor 소자를 직·병렬로 접속한 모듈의 형태
(2) 평활 리액터: 직류 전류의 리플을 감소하는 전류의 평활기능 담당
(3) 고조파 필터: 변환기에서 발생되는 고조파를 흡수
(4) 변환기의 제어 및 보호장치
(5) 조상설비: 무효전력의 공급 및 흡수
(6) 직류 해저케이블: MI(Mass Impregnated) Cable → XLPE Cable
(8) 변환기용 변압기: 적정전압으로 변환, 직류시스템과 교류시스템의 분리
(9) 교류차단기: 초고압 직류차단은 어렵기에 교류시스템에서 고장시 차단
(10) 접지전극: 변환소에 가깝게 설치
(11) 피뢰기: 뇌서지, 개폐서지로부터 기기보호
MI cable(유침지 케이블, Mass Impregnated Cable)
MI 케이블은 종이절연지를 도체위에 구성하고 절연유로 보강함침을 최적화하는 것인데, 해저케이블(Submarine Cable)은 현재 사용중인 급유조로는 케이블 절연을 위한 압력유지가 불가능하므로 OF Cable이나 Gas Pressure Cable은 사용할 수 없다. 또한 XLPE Cable은 장거리 케이블 제작 자체가 불가능하기 때문에 현재까지는 장거리 HVDC 해저케이블에 사용한 실적이 없다. 따라서, 장거리 고압직류 해저케이블로는 Solid Cable인 MI(Mass Impregnated) Cable을 많이 사용하고 있다.
직류송전 방식
Mono-polar 방식
주로 부(-)극성의 하나의 도체를 가지며, 귀로로서는 대지나 해수가 사용되나 때때로 금속제의 귀로도 사용된다. Mono-polar 방식은 Bi-polar 송전선로 건설 초기에 수요증가로 Bipolar 운전이 필요할 때까지 변환설비의 투자를 연기시킬 목적으로 채용되고 있다.
(1) 대지(해수)귀로 방식
⦁대지나 해수가 이용되므로 경제적인 송전방식임
⦁매설금속 전식, 통신선 장해, 나침반 오작동
(2) 도체귀로 방식
⦁대지(해수) 귀로가 허용될 수 없는 경우에 이용하는 방식
Bi-polar 방식
하나는 정(+)으로 다른 하나는 부(-)극성을 갖는 2개의 도체로 구성된다. 각 단자에는 직류측에 직렬로 연결된 동일 정격 2 SET의 변환설비를 가지며, 한 측이나 양측이 접지된다. 통상적으로 양극은 동일 전류로 동작되며 따라서 이러한 조건하에서는 접지전류의 흐름은 영(Zero)이다.
(1) 중성점 1단접지 방식
⦁순·역 변환소의 1곳에만 중성점을 접지하는 방식
⦁1회선 고장시 운전 불가
⦁전식, 통신선 영향 없음
⦁한쪽 선로에는 정전압(+), 다른 한쪽 선에는 부전압(-)인가
(2) 중성점 양단접지 방식
⦁중성선을 설치하지 않고 순, 역변환소의 중성점을 접지하는 방식
⦁1회선 고장시에도 1/2 송전 가능
⦁전식, 통신선 영향 없음
⦁한쪽 선로에는 정전압(+), 다른 한쪽 선에는 부전압(-)인가
(3) 중성선 도체 방식
⦁중성점 양단을 도체로 접속한 방식으로 중성선 1곳에만 접지함
Homo-polar 방식
모두 동일 극성을 갖는 2개 이상의 도체로 구성되며 항시 대지나 도체를 귀로로 사용한다. 보통 대지귀로성분이 없는 직류연계의 필요성 때문에 Bi-polar 연계가 가장 일반적으로 사용되고 있으며, Homo-polar 연계방식은 절연비용을 절감할 수 있는 장점은 있으나 대지귀로 성분이 있는 단점이 있다.
⦁모두 동일 극성을 갖는 2개 이상의 도체로 구성되어 항상 대지 또는 도체로 귀로하는 방식임
⦁절연비용이 절감됨
⦁대지 귀로 성분 존재 -> 전식, 통신선 영향 있음
특징
직류방식의 특징
(1) 장점
① 송전효율이 높으며, 장거리 송전에서 경제적이다.
⦁주파수 특성으로 나타나는 표피효과, 유전체 손실이 없어 효율적
② 대용량 송전이 가능하다.
⦁선로리액턴스 영향이 없어 전선의 허용한도 만큼 전송가능
③ 전선의 소요량이 저감된다.
⦁대지귀로 방식의 경우 대지를 귀로로 사용할 수 있으므로 교류 3상의 3가닥을 사용하는 것에 비해서 전선소요량이 감소
④ 주파수가 다른 계통과 비동기 연계가 가능하다.
⦁국가간 전력계통 연계를 고려할 때 유리함
⑤ 단락용량이 경감된다.
⦁무효전력의 전달이 없으므로 계통분할 효과로 고장전류 저감효과가 있음
⑥ 선로의 절연계급이 낮으므로 절연비 저감
⦁코로나 발생이 저감
⦁애자의 개수 절감, 지지물(철탑)의 높이 낮출수 있음
⑦ 정태안정도 및 과도안정도가 향상된다.
⦁리액턴스나 위상각에 대해서 고려할 필요가 없기 때문
⦁전력변환기 제어장치를 통한 신속한 조류 제어가 가능하기 때문
⑧ 패란티, 발전기 자기여자 등과 같은 이상현상 발생이 없다.
(2) 단점
① 무효전력 보상설비의 경비가 크다.
⦁변환장치는 정상시 유효전력의 50~60% 정도의 무효전력을 소비
② 필터설비 필요 → 교·직류 변환장치에서 고조파 발생
③ 교류계통 보다 자유도가 낮다.
④ 직·교류 변환장치가 고가 → 소용량 단거리 선로에서는 비경제적
⑤ 직류전류의 차단이 곤란하여 직류 다단자 회로망 구성이 곤란
교류방식의 특징
(1) 장점
① 변압기로 손쉽게 전압의 승압과 강압이 가능하다.
② 3상 교류전력으로 회전자계를 쉽게 얻을 수 있다.
⦁부하설비의 70%가 유도전동기 부하로 회전자계를 이용하여 운전한다.
③ 전류 0점이 존재하므로 사고전류 차단이 용이하다.
④ 계통의 합리적, 경제적 운용, 일관된 운영이 가능하다.
⦁발전에서 배전까지 전 과정을 통일
(2) 단점
① 송전 손실이 크다 → 무효전력, 표피효과, 유전체손(케이블) 손실 크다.
δ : 침투깊이,σ:도전율,μ:유전율]
단심 케이블의 유전체손실
② 인근 통신선에 유도장해가 크다.
⦁1선 지락 고장에 의한 기유도 전류(I0: 영상전류)의 영향이 큼
③ 페란티 현상, 발전기의 자기여자 현상 등의 이상상태가 발생한다.
④ 직류방식에 비해 계통 안정도가 저하됨
⑤ 주파수가 다른 계통의 비동기 연계가 불가능하다.
⑥송전전력의 한계가
에 의해 제한된다.
국내 HVDC 사업 현황
주요 제원
| 구 분 | 제주~해남 | 제주~진도 | 비고 |
|---|---|---|---|
| Rated DC voltage | ±180 kV | ±250 kV | |
| Length | 101km | 105km | |
| Cable | MI 800㎟×2 | MI 900㎟×3 XLPE 900㎟×1 | 2회선 운영 |
| Rated DC power | 300MW | 400MW | |
| Converter valve | 12-pulse | 12-pulse | |
| 시스템 구성방식 | Mono Bi-pole (해수귀로) | Double Bi-pole (도체귀로) | 중성선 도체 2회선 |
HVDC 시스템 송전방식 비교
1) 1차 HVDC (해수귀로) : DC Switch 배치로 7가지 운전모드 가능
– Bipole, Monopole, Transfer Monopole 등
2) 2차 HVDC (도체귀로) : DC Switch 배치로 27가지 운전모드 가능
– Double Monopole, Bipole, Monopole 등
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