전력 송전에서 HVAC와 HVDC의 차이점은 무엇인가요

Edwiin

필드: 전원 스위치

China

HVAC와 HVDC의 차이점

발전소에서 생산된 전기는 장거리로 송전되어 변전소로 보내진 후 소비자들에게 분배됩니다. 장거리 전력 송전에 사용되는 전압은 매우 높으며, 이 고전압의 이유는 나중에 살펴보겠습니다. 또한, 송전되는 전력은 교류(AC) 또는 직류(DC) 형태일 수 있습니다. 따라서 전력은 HVAC(High Voltage Alternating Current) 또는 HVDC(High Voltage Direct Current)를 사용하여 송전될 수 있습니다.

왜 송전을 위해 고전압이 필요한가?

전압은 송전 손실, 즉 선로 손실을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 전력 송전에 사용되는 모든 도체는 일정량의 저항(R)을 가지고 있습니다. 이러한 도체를 통해 전류(I)가 흐르면 열 에너지가 발생하며, 이는 본질적으로 낭비되는 에너지나 전력(P)입니다.

오ーム의 법칙에 따르면

명백히, 송전 중 도체에서 낭비되는 에너지는 전류에 의존하며, 전압에는 그렇지 않습니다. 그러나 특수한 장비를 사용하여 전압 변환을 통해 전류의 크기를 조정할 수 있습니다.

전압 변환 중에는 전력이 보존되고 변하지 않습니다. 전압과 전류는 단순히 동일한 비율로 반비례하여 변화합니다.

예를 들어, 220V의 전압에서 11KW의 전력은 50A의 전류를 가집니다. 이런 경우, 송전선 손실은

전압을 10배 증가시켜보겠습니다. 그러면 같은 11KW의 전력은 2200V의 전압과 5A의 전류를 가집니다. 이제 선로 손실은 다음과 같습니다.

보시다시피, 전압을 증가시키면 송전선 손실이 크게 감소합니다. 따라서 같은 양의 전력을 송전하면서 전송 케이블의 전류를 줄이기 위해 전압을 증가시킵니다.

전류의 전쟁 (AC 대 DC)

1880년대 후반, "전류의 전쟁"이라는 시기에, 직류(DC)가 최초로 전력 송전에 사용되었습니다. 그러나 실용적인 전압 변환 장비가 부족했기 때문에 매우 비효율적이었습니다. 반면, 교류(AC)는 변압기를 사용하여 쉽게 전압을 올리거나 내릴 수 있었습니다. 초기의 저전압 DC 발전소는 몇 마일 반경 내에서만 전기를 공급할 수 있었고, 그 이상의 거리에서는 전압이 급격히 떨어져 작은 지역마다 여러 개의 발전소가 필요했습니다. 이것은 비용이 많이 드는 접근 방식이었습니다.

고전압 DC 송전은 본질적으로 AC보다 낮은 손실을 가져왔지만, 초기 DC 시스템은 장거리 송전을 위해 고전압 AC를 DC로 변환하는 데 수은 아크 밸브(정류기)를 사용해야 했습니다. 이러한 종단 장치들은 부피가 크고 비싸며 자주 유지 관리가 필요했습니다. 반면, AC 송전은 변압기를 사용하였는데, 이는 더 효율적이고 저렴하며 신뢰성이 뛰어났습니다. 이로 인해 AC가 당시 장거리 전력 송전의 주요 선택이 되었습니다.

고전압 AC(HVAC)와 고전압 DC(HVDC)를 선택할 때 여러 중요한 요소를 고려해야 합니다. 이 기사는 이러한 요소들을 자세히 탐색합니다.

HVAC & HVDC

HVAC(High Voltage Alternating Current)와 HVDC(High Voltage Direct Current)는 장거리 전력 송전에 사용되는 전압 범위를 의미합니다. HVDC는 일반적으로 초장거리(일반적으로 600km 이상)에 선호되지만, 두 시스템 모두 오늘날 전 세계적으로 널리 사용되며 각각 장단점이 있습니다.

송전 비용

장거리 전력 송전은 고전압을 필요로 하며, 전력을 처리하는 종단 변전소 사이에서 전압 변환이 이루어집니다. 총 송전 비용은 종단 변전소 비용과 송전선 비용의 두 가지 구성 요소에 따라 달라집니다.

종단 변전소
종단 변전소는 송전을 위한 전압 수준을 변환합니다. AC 시스템의 경우, 이는 주로 변압기를 사용하여 높은 전압과 낮은 전압 간에 전환합니다. DC 시스템의 경우, 종단 변전소는 트라이스터 또는 IGBT 기반 변환기를 사용하여 DC 전압 수준을 조정합니다.
변압기가 고체 변환기보다 더 신뢰성 있고 저렴하기 때문에, AC 종단 변전소는 DC 종단 변전소보다 비용이 적게 들며, AC 전압 변환이 경제적입니다.
송전선
선로 비용은 도체의 수와 송전탑 설계에 따라 달라집니다. HVDC 시스템은 두 개의 도체만 필요하지만, HVAC 시스템은 세 개 이상의 도체(코로나 효과를 줄이기 위한 번들 도체 포함)가 필요합니다.
AC 송전탑은 더 무거운 기계적 부하를 지탱해야 하므로, HVDC 송전탑보다 더 강하고 높으며 넓은 구조가 필요합니다. 선로 비용은 거리에 따라 증가하며, 100km 당 HVAC 선로는 HVDC 선로보다 상당히 비쌉니다.
전체 송전 비용
총 비용은 종단 비용(거리에 독립적인 고정 비용)과 선로 비용(거리에 따라 증가하는 가변 비용)으로 결정됩니다. 따라서 송전 시스템의 전체 비용은 거리가 증가함에 따라 증가합니다.

균형 거리

"균형 거리"는 HVAC의 총 투자 비용이 HVDC를 초과하는 송전 거리를 의미합니다. 이 거리는 약 400~500마일(600~800km)입니다. 이 거리를 초과하면 HVDC가 더 경제적인 선택이며, 이보다 짧은 거리에서는 HVAC가 더 경제적입니다. 위의 그래프에서 이를 시각적으로 확인할 수 있습니다.

유연성

HVDC는 주로 점 대 점의 장거리 송전에 사용되며, 중간 지점에서 전력을 분배하려면 고가의 변환기를 사용하여 고전압 DC를 낮추어야 합니다. 반면, HVAC는 더 큰 유연성을 제공합니다: 여러 종단 변전소가 저렴한 변압기를 사용하여 고전압을 낮추어, 선로의 다양한 지점에서 전력을 추출할 수 있습니다.

전력 손실

HVAC 송전은 코로나 손실, 피부 효과 손실, 복사 손실, 유도 손실 등 여러 종류의 손실을 겪습니다. 이러한 손실은 HVDC 시스템에서는 대부분 존재하지 않거나 최소화됩니다:

코로나 손실: 전압이 임계값을 초과하면 도체 주변의 공기가 이온화되어 스파크(코로나 방전)가 발생하여 에너지를 낭비합니다. 이러한 손실은 주파수에 따라 달라지며, DC는 주파수가 0이므로 HVAC의 코로나 손실은 HVDC의 약 3배입니다.
피부 효과 손실: AC 송전에서 전류 밀도는 도체 표면에서 가장 높고 중심부에서 가장 낮아(피부 효과), 전류가 흐르는 효과적인 단면적이 줄어듭니다. 이로 인해 도체 저항이 증가하여 I²R 손실이 증가합니다. DC 전류는 도체 전체에 균일하게 분포하여 이러한 효과를 제거합니다.
복사 및 유도 손실: HVAC의 교류 자기장은 장거리 송전선을 안테나처럼 작동시켜(복구 불가능한 에너지를 방사) 인근 도체에 유도 전류(유도 손실)를 발생시킵니다. HVDC의 정상적인 자기장은 이러한 문제를 피합니다.

피부 효과

피부 효과는 주파수에 직접적으로 비례하여 대부분의 AC 전류가 도체 표면을 따라 흐르게 하고, 중심부는 활용되지 않습니다. 이로 인해 도체 효율이 감소합니다: 더 큰 전류를 운반하려면 HVAC 시스템은 단면적이 더 큰 도체가 필요하며, 이는 재료 비용을 증가시킵니다. 피부 효과에 영향을 받지 않는 HVDC는 도체를 더 효율적으로 사용합니다.

따라서 같은 전류를 운반하려면 HVAC는 더 큰 직경의 도체가 필요하지만, HVDC는 더 작은 직경의 도체로 이를 달성할 수 있습니다.

케이블 전류 및 전압 등급

케이블은 최대 허용 전압과 전류를 가지고 있습니다. AC의 경우, 최대 전압과 전류는 평균 값(실제 전달되는 전력이나 DC와 동등한 값)의 약 1.4배입니다. 반면, DC 시스템의 경우 최대 값과 평균 값이 동일합니다.

그러나 HVAC 도체는 최대 전류와 전압에 대해 등급이 매겨져 있어 용량의 약 30%가 낭비됩니다. 반면, HVDC는 도체의 전체 용량을 활용하므로, 동일한 크기의 도체가 HVDC 시스템에서 더 많은 전력을 전송할 수 있습니다.

통행권

"통행권"은 송전 인프라를 위한 토지 통로를 의미합니다. HVDC 시스템은 더 작은 송전탑과 더 적은 도체(두 개의 DC 대비 세 개의 3상 AC)로 인해 더 좁은 통행권을 가집니다. 또한, 송전탑의 AC 절연체는 최대 전압에 대해 등급이 매겨져 있어 더 큰 면적을 차지합니다.

이 좁은 통행권은 재료, 건설, 토지 비용을 줄여 HVDC가 통행권 효율성 측면에서 우수합니다.

해저 전력 송전

해양 전력 송전에 사용되는 해저 케이블은 병렬 도체 사이에 스트레이 용량을 가지고 있습니다. 용량은 전압 변화에 반응합니다. AC의 경우 50~60회/초로 계속 충전 및 방전되지만, DC의 경우 전환 시에만 발생합니다.

AC 케이블은 지속적으로 충전 및 방전되어, 전력을 수신측으로 전달하기 전에 상당한 전력 손실을 일으킵니다. HVDC 케이블은 한 번만 충전되어 이러한 손실을 없앱니다. 자세한 내용은 해저 케이블 구조, 특성, 설치 및 접합에 대한 내용을 참조하십시오.

전력 흐름의 제어 가능성

HVAC 시스템은 전력 흐름에 대한 정밀한 제어가 불가능하지만, HVDC 링크는 IGBT 기반의 반도체 변환기를 사용합니다. 이러한 복잡한 변환기는 주기당 여러 번 스위칭되어 시스템 전체의 전력 분배를 최적화하고, 고조파 성능을 개선하며, 빠른 고장 보호 및 해결을 가능하게 합니다. 이는 HVAC에서 볼 수 없는 장점입니다.

비동기 시스템 연결 및 스마트 그리드

스마트 그리드는 여러 발전소가 통합된 네트워크로 전력을 공급할 수 있으며, 소규모 그리드를 활용하여 고출력 발전이 가능합니다. 그러나 주파수나 위상이 다른 여러 비동기 AC 그리드를 연결하는 것은 매우 어려운 작업입니다.

비동기 그리드 연결

전 세계의 전력망은 서로 다른 주파수(일부는 50Hz, 일부는 60Hz)로 운영됩니다. 같은 주파수라도 위상이 다를 수 있습니다. 이러한 것들은 "비동기 시스템"으로 분류되며, 표준 AC 링크를 통해 연결할 수 없습니다.

그러나 DC는 주파수나 위상에 영향을 받지 않습니다. HVDC 인터링크는 AC를 주파수와 위상에 무관한 DC로 변환하여 비동기 그리드를 원활하게 연결합니다. 수신측에서는 HVDC 인버터가 DC를 필요한 주파수의 AC로 다시 변환하여 통합된 전력 송전을 가능하게 합니다.

회로 차단기

회로 차단기는 고전압 송전에서 중요한 역할을 하며, 고장이나 유지 관리 중에 회로를 전기적으로 차단합니다. 주요 요구 사항 중 하나는 전력 흐름을 중단하기 위한 아크 소멸 능력입니다.

HVAC 회로 차단기: AC 전류는 지속적으로 방향을 바꾸므로, 자연적으로 전류가 0인 순간(초당 50~60회)이 생깁니다. 이러한 "자연 소멸" 기능은 HVAC 차단기 설계를 간소화하여 상대적으로 단순하고 비용 효율적입니다.
HVDC 회로 차단기: DC 전류는 일방향적이며 자연적인 0 전류 순간이 없습니다. 아크를 소멸시키기 위해서는 특수한 회로가 인공적으로 0 전류 순간을 생성해야 합니다. 이러한 복잡성으로 인해 HVDC 차단기는 AC 차단기보다 더 복잡하고 비쌉니다.