전기 그리드란 무엇인가요？

정의

전력망, 또는 전력 그리드는 발전, 송전, 배전 단위를 통합한 포괄적인 네트워크로 정의됩니다. 주요 기능은 발전소에서 최종 사용자까지 전력을 전송하는 것입니다. 대량의 전력이 220kV 이상의 고압으로 발전소에서 부하 중심지로 전송됩니다. 이러한 고압 송전선로로 구성된 네트워크를 슈퍼 그리드라고 합니다. 슈퍼 그리드는 일반적으로 132kV 이하의 전압으로 작동하는 부-송전 네트워크에 전력을 공급합니다.

전력망의 종류

전력망 내의 발전소는 연료 원천에 가깝게 위치하여 시스템 운송 비용을 최소화합니다. 그러나 이렇게 하면 인구 밀집 지역에서 멀리 떨어진 곳에 위치하게 됩니다. 이러한 발전소에서 생성된 고압 전력은 변전소에서 스텝다운 변압기를 통해 저압으로 변환되어 소비자에게 분배됩니다. 전력망은 주로 두 가지 유형으로 구분할 수 있습니다:

지역 그리드

지역 그리드는 특정 지리적 영역 내의 다양한 송전 시스템을 송전선으로 연결하여 설립됩니다. 이러한 유형의 그리드는 지역이나 지역 수준에서 전력 분배와 관리를 최적화하여 해당 지역의 전력 수요를 효율적으로 충족시킵니다.

국가 그리드

국가 그리드는 여러 개의 지역 그리드를 상호 연결하여 형성됩니다. 이는 전체 국가를 아우르는 통합적이고 광범위한 전력 분배 네트워크를 제공하여 서로 다른 지역 간에 전력을 원활하게 전송할 수 있게 합니다. 이러한 상호 연결된 시스템은 전국적인 전력 공급과 수요를 균형 잡고, 전체 그리드의 안정성과 신뢰성을 향상시킵니다.

그리드 상호 연결의 이유

전력망의 상호 연결은 여러 중요한 이점을 제공합니다. 이를 통해 전력 자원을 최적화하여 서로 다른 지역 간에 효율적으로 에너지를 분배할 수 있습니다. 또한, 하나의 그리드 부분에서 발생하는 장애가 다른 상호 연결된 지역의 전력으로 보완될 수 있어 전력 공급의 안전성이 향상됩니다.

더욱이, 그리드 상호 연결은 전체 전력 시스템의 경제적 효율성과 신뢰성을 향상시킵니다. 발전소를 연결함으로써 각각의 지역에서 필요한 예비 발전 용량을 줄일 수 있습니다. 이러한 공유 자원 접근 방식은 과도한 백업 전력 유지에 따른 비용을 절감하고, 전력망의 전체적인 회복력과 성능을 향상시킵니다.

특정 전력망 구역에서 갑작스러운 부하 증가나 발전 중단이 발생하면, 그 구역은 인접한 상호 연결된 지역에서 전력을 공급받을 수 있습니다. 그러나 신뢰성 있는 상호 연결을 위해서는 일정량의 발전 용량, 즉 스핀닝 리저브가 필요합니다. 스핀닝 리저브는 정상 속도로 작동하며 필요할 때 즉시 전력을 공급할 준비가 된 발전기들로 구성됩니다.

상호 연결의 종류

전력망 사이의 상호 연결은 주로 두 가지 유형으로 구분할 수 있습니다: 고압 교류(HVAC) 링크와 고압 직류(HVDC) 링크.

HVAC (고압 교류) 상호 연결

HVAC 링크에서는 두 개의 교류(AC) 시스템이 AC 송전선을 통해 연결됩니다. AC 시스템의 성공적인 상호 연결을 위해서는 두 시스템 모두에서 주파수를 엄격히 제어해야 합니다. 50Hz 시스템의 경우, 허용되는 주파수 범위는 일반적으로 48.5 Hz에서 51.5 Hz 사이입니다. 이러한 유형의 상호 연결은 두 AC 시스템 간에 강력한 연결을 만드는 동기 상호 연결 또는 동기 결합이라고 합니다.

AC 상호 연결은 널리 사용되고 있지만, 몇 가지 한계가 있으며, AC 시스템의 상호 연결은 다음과 같은 도전과제를 마주합니다:

• 주파수 교란 전파: 두 AC 네트워크의 상호 연결이 동기적이므로, 하나의 시스템에서 발생하는 주파수 변화는 빠르게 다른 시스템으로 전파됩니다. 이는 상호 연결된 네트워크 전체에 불안정성을 초래할 수 있습니다.

• 전력 스윙 영향: 한 AC 시스템에서 발생하는 전력 스윙은 다른 시스템에 크게 영향을 미칩니다. 대규모 전력 스윙은 보호 장치의 자주적인 트리핑을 유발할 수 있으며, 이는 시스템 내에서 주요 고장을 일으킬 수 있습니다. 심각한 경우, 이러한 고장은 전체 상호 연결된 AC 네트워크의 완전한 붕괴를 초래할 수 있습니다.

• 고장 수준 증가: 기존 AC 시스템을 AC 연결선을 통해 다른 AC 시스템에 연결하면 고장 수준이 증가할 수 있습니다. 이는 추가적인 병렬 선로가 상호 연결된 시스템의 등가 반응을 감소시키기 때문입니다. 그러나 두 AC 시스템이 동일한 고장 선로에 연결되어 있으면, 각각의 시스템의 고장 수준은 영향을 받지 않습니다.

HVDC (고압 직류) 상호 연결

DC 상호 연결 또는 DC 결합은 연결되는 두 AC 시스템 간에 더 유연한 결합을 제공합니다. HVAC 상호 연결과 달리, DC 결합은 비동기적입니다. HVDC 상호 연결 방법은 몇 가지 주목할 만한 장점이 있습니다:

• 주파수 독립성: DC 상호 연결 시스템의 비동기적 특성 덕분에, 동일하거나 다른 주파수로 작동하는 AC 네트워크를 연결할 수 있습니다. 이러한 독특한 기능은 다양한 AC 시스템을 원활하게 통합하면서 각 시스템이 자체 주파수 표준을 유지하고 독립적으로 운영할 수 있도록 합니다.

• 정밀한 전력 흐름 제어: HVDC 링크는 컨버터의 발사 각도를 조정하여 전력 흐름의 크기와 방향을 신속하고 신뢰성 있게 제어할 수 있습니다. 이러한 정밀한 제어 메커니즘은 상호 연결된 시스템의 일시적 안정성 한계를 크게 향상시켜 더 안정적인 전력 전송을 보장합니다.

• 전력 스윙 감쇠: DC 결합을 통해 전력 흐름을 조절하면, 상호 연결된 AC 네트워크에서 전력 스윙을 신속하게 감쇠시킬 수 있습니다. 이는 전력망의 전체적인 안정성을 향상시키며, 연쇄적인 고장 위험을 줄이고 시스템의 회복력을 향상시킵니다.

현대에는 전통적인 전력망이 점점 스마트 그리드로 대체되고 있습니다. 스마트 미터와 지능형 가전 제품을 활용하여, 스마트 그리드는 전통적인 그리드와 비교하여 향상된 운영 효율, 더 나은 수요 측면 관리, 그리고 개선된 전체 성능을 제공합니다.