HVDC 시스템의 유형과 MTDC 구조
고압직류(HVDC) 시스템 구조
고압직류(HVDC)는 전통적인 교류(AC) 송전보다 훨씬 효율적으로 장거리 전력 송전을 수행하는 매우 효과적인 방법입니다. HVDC 시스템은 특정 운영 요구 사항에 맞게 다양한 구조로 구현될 수 있습니다. 이 기사는 주요 HVDC 시스템 구조의 간략한 개요를 제공합니다.
백 투 백 HVDC 시스템
백 투 백(B2B) HVDC 구조에서 변환기의 주요 구성 요소인 정류기와 역변환기는 동일한 종단역내에 위치합니다. 이러한 두 변환기 요소는 서로 직접 연결됩니다. 이 구조의 주요 기능은 두 개의 별도의 AC 전력 시스템을 연결하는 것입니다. 이를 위해 먼저 들어오는 AC 전력을 정류기를 통해 DC로 변환하고, 즉시 역변환기를 통해 DC 전력을 다시 AC로 변환합니다.
백 투 백 HVDC 시스템 (계속)
백 투 백 HVDC 구조는 단일 방 내에 설치되어 두 개의 비동기식 AC 전력 시스템을 연결합니다. 정류기와 역변환기가 직접 연결되기 때문에 DC 송전선이 필요하지 않습니다. 직렬로 연결된 thyristor 수를 최소화하기 위해 중간 DC 전압은 의도적으로 낮게 유지됩니다. 한편, 이 구조의 전류 등급은 수천 암페어에 달할 수 있습니다.
이 유형의 HVDC 시스템은 다음 상황에서 두 개의 비동기식 AC 전력 시스템을 연결하는 데 특히 유용합니다:
두 종단 HVDC 시스템
두 종단 HVDC 구조에서는 각각 변환역으로 기능하는 두 개의 별도의 종단역이 있습니다. 하나의 종단역에는 정류기가, 다른 종단역에는 역변환이 위치합니다. 이 두 종단역은 HVDC 송전선으로 연결되어 장거리 전력 송전을 효율적으로 수행합니다. 이 구조는 전통적인 AC 송전의 제한을 극복하여 장거리 전력 송전에서 DC 전력의 이점을 활용하여 손실을 최소화하고 전송 효율을 향상시킵니다.
두 종단 HVDC 시스템은 병렬 송전선이나 중간 탭 없이 두 지점 사이를 직접 연결합니다. 이 특성으로 인해 점대점 전력 송전이라는 별칭이 붙여졌습니다. 이 시스템은 지리적으로 멀리 떨어진 두 위치 간의 전력 공급에 이상적입니다.
두 종단 HVDC 시스템의 주요 장점 중 하나는 HVDC 회로 차단기의 필요성이 없다는 것입니다. 유지보수나 고장 해제 시 AC측의 AC 회로 차단기를 사용하여 DC 선로를 소거할 수 있습니다. DC 회로 차단기보다 AC 회로 차단기가 설계가 간단하고 비용이 저렴하므로, 두 종단 HVDC 시스템은 경제적이며 유지보수가 쉽습니다.
다중 종단 DC(MTDC) 시스템
다중 종단 DC(MTDC) 시스템은 더 복잡한 HVDC 구조를 나타냅니다. 여러 전송선을 사용하여 두 개 이상의 지점을 연결합니다. 이 구조는 각각 변환기를 갖춘 여러 종단역으로 구성되며, 이러한 종단역은 HVDC 전송선 네트워크로 연결됩니다. 이 네트워크 내에서 일부 변환기는 정류기로서 AC 전력을 DC로 변환하고, 다른 변환기는 역변환기로서 DC 전력을 다시 AC로 변환하여 부하에 분배합니다. MTDC 시스템의 기본 원칙은 정류기 종단역에서 공급되는 총 전력이 역변환기(부하) 종단역에서 받는 결합 전력과 같아야 하며, 이는 상호 연결된 네트워크 전체에서 균형 잡히고 효율적인 전력 흐름을 보장합니다.
다중 종단 DC(MTDC) 시스템 (계속)
MTDC 네트워크는 유연성 면에서 AC 그리드와 유사하지만, DC 분산 네트워크 내에서 전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 독특한 이점을 제공합니다. 그러나 이러한 향상된 기능은 복잡성을 증가시키므로, MTDC 시스템은 두 종단 HVDC 구조보다 훨씬 복잡합니다.
MTDC 구조에서는 AC측의 AC 회로 차단기를 의존할 수 없습니다. 두 종단 시스템과 달리 AC 회로 차단기를 사용하면 오직 고장이나 유지보수가 필요한 선로뿐만 아니라 전체 DC 네트워크를 소거하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 MTDC 시스템은 다수의 DC 스위치 기어 구성 요소, 예를 들어 회로 차단기가 필요합니다. 이러한 특수한 DC 회로 차단기는 유지보수 작업 중이나 고장 해제 시 회로를 안전하게 소거하거나 특정 섹션을 격리하여 네트워크의 안정성과 신뢰성을 보장하도록 설계되었습니다.
MTDC 시스템에서 시스템 균형 유지가 중요합니다. 정류기 종단역에서 공급되는 총 전류는 역변환기 종단역에서 소비되는 전류와 정확히 일치해야 합니다. 어떤 역변환기 종단역에서 갑작스럽게 전력 수요가 증가할 경우, DC 전력 출력을 늘려서 증가한 부하를 충족시켜야 합니다. 이 과정에서 공급 전압과 역변환기의 작동을 철저히 모니터링하고 제어하여 과부하를 방지하고, 시스템 실패를 예방해야 합니다.
MTDC 시스템의 주요 강점 중 하나는 강제 정전 시의 신뢰성입니다. 발전소 중 하나에서 예기치 않은 정전이 발생하면, 시스템은 대체 변환기 종단역을 통해 전력을 재로우팅하여 전체 전력 공급의 중단을 최소화할 수 있습니다.
MTDC의 응용
MTDC 시스템은 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다:
직렬 MTDC 시스템
직렬 MTDC 구조에서는 여러 변환기 종단역이 직렬로 연결됩니다. 전기 직렬 회로의 구성 요소와 유사하게 연결됩니다. 이 구조의 특징 중 하나는 각 변환기 종단역을 통과하는 전류가 동일하다는 것입니다. 이것은 하나의 종단역에서 설정됩니다. 그러나 전압 강하는 변환기 종단역들 사이에 분산되며, 각 종단역은 직렬 연결된 네트워크의 총 전압 강하의 일부를 경험합니다.
직렬 MTDC 시스템 (계속)
직렬 MTDC 시스템은 두 종단 HVDC 시스템의 확장 버전으로 볼 수 있으며, 여러 변환기 종단역이 직렬로 연결되어 있습니다. 그림에서 보듯이, 일반적으로 직렬 MTDC 구조의 변환기 종단역은 병렬 MTDC 시스템에서 사용되는 것보다 용량이 낮습니다.
이 시스템은 일반적으로 단극 DC 링크를 사용하며, DC 선로는 특정 지점에서만 접지됩니다. 일시적인 전기 서지로부터 보호하기 위해 선로의 다른 지점에 접지 커패시터를 추가로 설치할 수 있습니다.
직렬 MTDC 시스템에서 각 종단역의 다양한 DC 전압으로 인해 절연 조정이 상당한 도전입니다. 직렬 MTDC 시스템의 전력 흐름 제어 메커니즘은 병렬 MTDC 시스템보다 복잡합니다. 병렬 MTDC 시스템에서는 특정 선로에 전류를 주입하여 전력 흐름을 조절할 수 있지만, 직렬 MTDC 시스템에서는 각 종단역의 전압을 조정하여 전력 흐름을 제어합니다.
직렬 MTDC 시스템에서 전력 흐름 반전은 전압 소스 변환기(VSC)와 전류 소스 변환기(CSC)를 모두 사용하여 쉽게 이루어질 수 있습니다. 그러나 특정 선로에서 고장이 발생하거나 예정된 유지보수가 필요할 때, 전체 DC 네트워크가 정전 상태가 됩니다. 두 종단 HVDC 시스템과 마찬가지로, AC측 회로 차단기를 사용하여 DC 네트워크를 소거합니다. 직렬 MTDC 시스템의 확장도 어려움이 따릅니다. 새로운 종단역을 설치하려면 네트워크 전체를 정전 상태로 만들어야 하며, DC 네트워크의 고리를 설치 지점에서 분리하여 모든 다른 종단역의 전력 공급을 중단해야 합니다.
병렬 MTDC 시스템
병렬 MTDC 시스템에서는 역변환기 또는 부하 종단역으로 기능하는 여러 변환기 종단역이 단일 변환기 종단역인 정류기에 연결됩니다. 이 정류기 종단역은 전체 DC 네트워크에 전력을 공급합니다. 병렬 전기 회로와 유사하게, 모든 역변환기 또는 부하 종단역에서 전압은 일정하며, 그 값은 하나의 변환기 종단역에서 설정됩니다. 반면, 각 종단역의 전력 요구에 따라 전류 공급이 달라집니다. 균형 잡힌 전류 공급을 유지하기 위해, 각 부하 종단역의 전력 요구에 따라 전류를 동적으로 조정합니다. 일반적으로 병렬 MTDC 시스템의 종단역은 직렬 MTDC 네트워크보다 용량이 높습니다.
병렬 MTDC 시스템 (계속)
병렬 MTDC 시스템에서 전력 반전은 전압 반전 또는 전류 반전 방법을 통해 이루어질 수 있습니다. 전압 반전을 사용할 때, 일반적으로 전류 소스 변환기(CSC) 기반 종단역과 관련이 있으며, 이는 모든 변환기 종단역에 영향을 미칩니다. 따라서 이러한 효과를 관리하기 위해 변환기들 사이에 고도로 정교한 제어 및 통신 시스템을 구현해야 합니다. 반면에 전류 반전 기법을 사용할 때, 일반적으로 전압 소스 변환기(VSC) 기반 종단역과 관련이 있으며, 이 과정은 훨씬 간단하게 실행할 수 있습니다. 이것이 병렬 MTDC 시스템에서 VSC가 CSC보다 선호되는 주된 이유입니다.
VSC 기반 MTDC 시스템에서 전압이 일정하므로, 종단역의 전력 등급은 밸브 변환기의 전류 등급에 의해 결정됩니다. 이 구조는 DC 네트워크 내에서 전력 흐름을 정밀하게 제어하는 데 상당한 이점을 제공합니다. 특정 선로에 전류를 주입하여 전력 흐름을 조절할 수 있으므로, 각 종단역의 전압을 조정하는 직렬 시스템의 전력 제어 메커니즘보다 편리합니다.
병렬 MTDC 시스템의 가장 눈에 띄는 특징 중 하나는 고장에 대한 탄력성입니다. 어떤 종단역에서 고장이 발생하더라도 나머지 DC 네트워크는 영향을 받지 않습니다. 그러나 고장 종단역과 관련된 특정 DC 선로를 격리하려면 별도의 DC 회로 차단기가 필요합니다. 또한, DC 네트워크를 확장할 때 전력 공급을 중단할 필요가 없습니다. 새로운 종단역을 기존 선로와 병렬로 설치하여 무중단으로 통합할 수 있기 때문입니다.
또한 병렬 MTDC 시스템은 직렬 시스템에 비해 비교적 간단한 절연 조정을 가집니다. 네트워크 전체에서 일정한 전압으로 인해 절연 요구 사항이 관리하기 더 간단합니다.
병렬 MTDC 시스템은 두 가지 범주로 더 세분화할 수 있습니다:
방사형 MTDC 시스템
방사형 MTDC 시스템은 특정 유형의 병렬 MTDC 구조입니다. 이 구조에서 만약 전송선이 끊기거나 한 링크가 제거되면, 하나 이상의 변환기 종단역의 전력 공급이 중단됩니다. 이 특성으로 인해 방사형 MTDC 시스템은 단일 포인트 오류 시나리오에 취약하며, 전송선의 어떤 중단이라도 네트워크의 특정 부분에 전력 공급에 직접적인 영향을 미칩니다.
제공된 그림은 네 개의 역변환기 종단역이 단일 정류기 종단역에 연결된 구성을 보여줍니다. 이 구조에서 어느 하나의 선이 끊어지면, 적어도 하나의 종단역의 전력 공급이 중단될 것입니다. 이러한 취약성으로 인해 방사형 MTDC 시스템은 메쉬 또는 링형 MTDC 시스템보다 덜 신뢰성이 있습니다.
메쉬(링) MTDC 시스템
메쉬 또는 링형 MTDC 시스템에서는 역변환기(부하) 종단역이 메쉬 또는 링 형태로 단일 정류기 종단역과 상호 연결됩니다. 이 구조의 주요 장점 중 하나는 단일 전송선이 끊어지거나 한 링크가 제거되어도 어떠한 역변환기 종단역의 전력 공급에도 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 후속 그림은 이러한 메쉬 또는 링형 MTDC 시스템을 명확히 보여줍니다. 이 고장에 대한 내구성은 메쉬 또는 링형 MTDC 시스템이 특정 응용 분야에서 전력 송전 및 분배에 더 신뢰적인 옵션임을 의미하며, 중단을 최소화하고 연결된 부하 종단역에 지속적인 전력 공급을 보장할 수 있습니다.
그림에서 보듯이, 메쉬 또는 링형 MTDC 시스템에서 어떤 단일 링크를 제거하더라도 어떠한 변환기 종단역의 전력 공급에도 영향을 미치지 않습니다. 대신, 네트워크 내의 대체 링크를 통해 전력이 자동으로 재로우팅됩니다. 이는 메쉬 또는 링 구조의 상호 연결된 특성으로 가능합니다. 그러나 이러한 대체 링크는 전력 손실을 최소화하면서 증가된 전력 송전을 처리하도록 신중하게 설계되어야 합니다.
메쉬형 MTDC 시스템에서 전력 중단이 없는 것은 중요한 장점입니다. 이는 예기치 않은 링크 고장에도 불구하고 지속적이고 안정적인 전력 공급을 보장합니다. 따라서 병렬 연결된 메쉬형 MTDC 시스템은 병렬 연결된 방사형 MTDC 시스템보다 우수한 신뢰성을 제공합니다. 방사형 시스템의 단일 링크 중단으로 인한 전력 중단 가능성은 메쉬 시스템의 유사한 상황에서도 전력 흐름을 유지하는 강력한 능력에 비해 크게 떨어집니다. 이러한 이유로 메쉬 또는 링형 MTDC 시스템은 중단 없는 전력 공급이 필수적인 응용 분야에서 선호되는 선택입니다.
