HVDC와 HVAC 전력 송전에서 HVDC의 장점은 무엇인가요？

HVDC와 HVAC를 비교했을 때 HVDC의 장점은 무엇인가요?

전력은 소비자에게 도달하기 전에 긴 거리를 이동합니다. 종종 원거리에 위치한 발전소에서 수백 마일과 여러 개의 변전소를 통해 전력을 공급합니다. 고압 송전은 손실을 줄이는데, AC와 DC 모두 사용됩니다. AC는 가로등 기둥과 가정용 콘센트를 통해 익숙하지만, HVDC는 전력 송전에서 독특한 장점을 제공합니다.

전력 송전의 목표는 손실과 비용을 최소화하는 것입니다. 두 시스템 모두 영향을 미치는 요인이 있지만, HVDC는 더 많은 장점을 가지고 있습니다. 이 글에서는 HVDC가 HVAC보다 가지는 장점을 살펴봅니다:

더 낮은 송전 비용
송전 비용은 단말기 전압 변환 장비, 도체의 수량/크기, 철탑의 크기, 그리고 손실에 따라 달라집니다. HVAC는 변환을 위해 변압기를 사용하는데, 이는 HVDC의 트리스터 기반 변환기에 비해 간단하고 저렴합니다. 이는 HVAC의 유일한 비용 우위입니다.

HVAC는 3상 송전을 위해 최소한 3개의 도체가 필요합니다. HVDC는 지구를 반환 경로로 사용하여 1개(단극) 또는 2개(양극)의 도체만 사용하므로 비용을 절감할 수 있습니다. 심지어 3상 도체도 HVDC의 이중 양극 연결을 통해 두 배의 전력을 전송할 수 있습니다.

HVAC는 더 큰 위상-대지 및 위상-대위상 간격이 필요하므로 더 높고 넓은 철탑이 필요합니다. HVDC 철탑은 설치 비용을 줄입니다. 또한 HVDC는 훨씬 적은 송전 손실을 가지므로 효율성이 높습니다.

총 송전 비용은 주로 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다: 단말기 역 비용과 송전선 비용입니다. 전자는 송전 거리와 무관한 고정 비용이며, 후자는 선로 길이에 따라 달라집니다. AC 단말기 비용은 상대적으로 낮지만, HVDC 단말기 비용은 훨씬 높습니다. 그러나 HVAC 송전선의 100km당 비용은 HVDC 송전선의 100km당 비용보다 훨씬 높습니다. 따라서 HVAC와 HVDC의 총 비용 곡선은 특정 지점에서 교차하며, 이를 break-even distance라고 합니다.

break-even distance는 HVAC의 총 투자 비용이 HVDC의 총 투자 비용을 초과하는 송전 거리를 말합니다. 이 거리는 송전 유형에 따라 다르며, 대기 중 선로는 약 400~500마일(600~800km), 수중 선로는 20~50km, 지하 선로는 50~100km입니다. 이 임계값을 넘어서 HVDC는 전력 송전에 있어 더 효율적이고 경제적인 선택이 됩니다.

HVDC 송전은 HVAC에 비해 훨씬 적은 손실을 발생시키며, 다음의 영역에서 주요 개선 사항이 있습니다:

무효 전력 손실의 부재

HVAC 송전은 무효 전력 손실을 겪으며, 이러한 손실은 선로 길이, 주파수, 그리고 수신측의 인덕티브 부하와 직접적으로 비례합니다. 이러한 손실은 효과적인 전력 전송을 감소시키고 에너지를 낭비하여 효율적인 HVAC 선로의 최대 길이를 제한합니다. 이를 완화하기 위해 HVAC 시스템은 시리즈 및 셧 컴펜서션을 사용하여 VARs(볼트-암페어 반응)를 줄이고 안정성을 유지합니다.

반면에 HVDC는 주파수나 충전 전류 없이 작동하므로 무효 전력 손실이 전혀 없습니다. 이렇게 되면 그러한 보상 조치가 필요하지 않습니다.

코로나 손실의 감소

송전 전압이 임계 값(코로나 시작 전압)을 초과하면 도체 주변의 공기 분자가 이온화되어 스파크(코로나 방전)가 발생하여 에너지를 낭비합니다. 코로나 손실은 전압 수준과 주파수에 따라 달라집니다. DC는 주파수가 0이므로 HVDC의 코로나 손실은 HVAC 시스템의 약 1/3 수준입니다.

피부 효과의 부재

AC 전류는 피부 효과를 나타내며, 전류가 도체 표면 근처에 집중되면서 도체 중심부는 활용되지 않습니다. 이러한 불균형한 전류 분포는 도체의 효과적인 단면적을 줄이고 저항(저항은 면적과 반비례)을 증가시켜 HVAC 선로의 I²R 손실을 높입니다. HVDC는 일정한 직류로 피부 효과를 피하므로 도체 전체에 걸쳐 전류가 균일하게 분포되고 저항 손실을 최소화합니다.

방사 또는 유도 손실의 부재

HVAC 송전선은 계속 변하는 자기장 때문에 방사 및 유도 손실을 겪습니다. 방사 손실은 긴 AC 선로가 안테나처럼 작용하여 복구할 수 없는 에너지를 방사하기 때문입니다. 유도 손실은 교류 자기장에 의해 인근 도체에 유도되는 전류로 인해 발생합니다. HVDC 시스템에서는 자기장이 일정하므로 방사 및 유도 손실이 완전히 사라집니다.

충전 전류 손실의 감소

지하 및 수중 케이블은 본래의 패러사이트 커패시턴스를 가지고 있으며, 전력을 전송하기 전에 충전이 필요합니다. 커패시턴스는 케이블 길이에 따라 증가하며, 따라서 충전 전류도 비례하여 증가합니다.

AC 시스템에서 케이블은 매 초마다 여러 번 충전 및 방전을 반복하며, 이를 유지하기 위해 소스로부터 추가 전류를 필요로 합니다. 이러한 추가 전류는 케이블의 I²R 손실을 증가시킵니다. HVDC 케이블은 초기 에너지화 또는 스위칭 시에만 충전이 필요하므로, 연속적인 충전 전류와 관련된 손실이 사라집니다.

다이엘릭트릭 가열 손실의 부재

AC 시스템의 교류 전기장은 송전선의 절연 재료에 영향을 미쳐 에너지를 흡수하고 열로 변환하는 현상을 다이엘릭트릭 손실이라고 합니다. 이는 에너지를 낭비하고 절연 수명을 단축시킵니다. HVDC 시스템은 일정한 전기장을 생성하므로 다이엘릭트릭 손실과 관련된 절연 가열 문제를 피할 수 있습니다.

3) 더 얇은 도체

AC의 피부 효과로 인해 전류가 도체 표면 근처에 집중되므로, 더 두꺼운 도체가 필요해 표면적이 늘어나고 더 큰 전류를 수용할 수 있게 됩니다. HVDC는 피부 효과가 없으므로, 도체의 단면적 전체에 걸쳐 전류가 균일하게 분포합니다. 이렇게 하면 같은 전류 용량을 유지하면서 더 얇은 도체를 사용할 수 있어 재료 비용과 무게를 줄일 수 있습니다.

4) 선로 길이 제한

HVAC 선로는 선로 길이에 따라 무효 전력 손실이 직접적으로 증가합니다. 이로 인해 HVAC 송전 거리에는 중요한 제한이 생깁니다: 대기 중 선로의 경우 약 500km를 넘어가면 무효 전력 손실이 너무 커져 시스템이 불안정해집니다. HVDC 송전은 이러한 길이 제한이 없으므로, 매우 긴 거리의 전력 전송에 적합합니다.

5) 케이블 등급 요구사항의 감소

케이블은 최대 허용 전압과 전류로 등급이 매겨집니다. AC 시스템에서 피크 전압과 전류는 평균 값(실제 전력 전송에 해당)의 약 1.4배 정도로 높습니다. 그러나 도체는 이러한 피크 값을 기준으로 등급이 매겨져야 합니다. DC 시스템에서는 피크 값과 평균 값이 동일하므로, HVDC는 HVAC보다 낮은 전압과 전류 등급의 케이블을 사용하여 동일한 전력을 전송할 수 있습니다. 실제로 HVAC 시스템은 피크 요구사항으로 인해 도체의 용량 약 30%를 낭비합니다.

6) 좁은 통행권

"통행권"은 송전 인프라를 위한 땅의 통로를 의미합니다. HVDC 시스템은 더 작은 철탑과 더 적은 도체를 사용하므로 더 좁은 통행권이 필요합니다. HVAC는 더 많은 도체와 더 큰 절연체(AC 피크 전압에 맞춤)를 지원하기 위해 더 높은 철탑이 필요하므로, 구조적 지지가 강화되어야 합니다. 이 넓은 발자국은 재료, 건설, 그리고 땅의 비용을 증가시킵니다. 따라서 HVDC는 통행권 효율성 측면에서 우월합니다.

7) 우수한 케이블 기반 송전

지하 및 해저 케이블은 여러 개의 도체가 절연재로 분리되어 있으며, 이들 사이에 패러사이트 커패시턴스가 생성됩니다. 이러한 케이블은 완전히 충전되기 전까지는 전력을 전송할 수 없으며, 커패시턴스(그리고 충전 전류)는 길이에 따라 증가합니다. AC 시스템은 케이블을 반복적으로 충전 및 방전(초당 50~60회)하여 I²R 손실을 증가시키고 케이블 길이를 제한합니다. HVDC 케이블은 초기 에너지화 또는 스위칭 시에만 한 번 충전되므로, 이러한 손실과 길이 제한이 사라집니다. 이로 인해 HVDC는 해상, 해저, 지하 케이블 송전에 가장 적합한 선택이 됩니다.

8) 양극 송전

HVDC는 다양한 송전 모드를 지원하며, 양극 송전은 널리 사용되고 비용 효율적인 옵션 중 하나입니다. 이는 서로 반대되는 극성을 가진 두 개의 병렬 도체로 구성되며, 그들의 전압은 지구에 대해 균형을 이루고 있습니다. 한 선로가 고장이나 단선될 경우, 시스템은 단극 모드로 무鏻 전환됩니다: 남아 있는 선로는 지구를 반환 경로로 사용하여 계속 전류를 공급합니다.

9) 제어 가능한 전력 흐름

HVDC 변환기는 고체 전자 기반으로, AC 네트워크에서 전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그들은 빠른 스위칭 능력(주기당 여러 번 작동)으로 하모닉 성능을 향상시키고, 전력 변동을 억제하며, 네트워크의 전력 공급 용량을 최적화합니다.

10) 빠른 고장 처리

고장 전류는 전기 고장으로부터 발생하는 비정상적인 전류로, 상당한 위험을 초래합니다. HVAC 시스템에서 고장 전류는 송전선, 변전소, 발전기, 그리고 부하를 손상시킬 수 있습니다. HVDC는 이러한 위험을 최소화합니다: 고장 전류가 낮아 특정 섹션의 손상을 제한하고, 빠른 스위칭 작동으로 빠른 고장 대응을 가능하게 하여 시스템의 탄력성을 향상시킵니다.

11) 비동기 그리드 연결

HVDC는 다른 파라미터(예: 주파수, 위상)를 가진 비동기 AC 그리드 간의 연결을 가능하게 합니다. 지역마다 서로 다른 주파수(예: 유럽은 50Hz, 미국은 60Hz)를 사용하며, 그리드는 위상 차이가 있을 수 있으므로, 직접적인 AC 연결은 불가능합니다. HVDC는 주파수나 위상 제약 없이 이러한 독립적인 시스템을 쉽게 연결할 수 있습니다.

12) 스마트 그리드 실현

스마트 그리드는 소규모 발전기(태양광, 풍력, 핵발전)를 지능적인 전력 흐름 제어를 가진 통합 네트워크에 통합합니다. HVDC는 발전 단위의 비동기 연결을 지원하고 전력 분배를 완전히 제어하므로, 스마트 그리드 요구사항에 부합합니다.

13) 노이즈 간섭 감소

HVDC는 HVAC보다 인근 통신선에 대한 노이즈 간섭을 훨씬 적게 일으킵니다. HVAC는 주파수에 따라 청각적인翁