EP HVDC사업 소개 - 박창기 한전 처장
EP프로젝트는 경제성 보다는 주민 수용성이 높은 새로운 기술 도입을 위해 765㎸에서 직류 500㎸로 추진된다. 이에 따라 경제성은 765㎸ AC 대비 약 1.4배 늘어나지만 송전선로 전자파 논란 해소 및 부분 지중화가 가능하며 건설부지도 분산설치가 가능해 신규부지 확보를 억제할 수 있는 장점이 있다.
EP 프로젝트 송전망은 세계 최초로 2Bi-pole 도체 귀로방식 전류형 HVDC 시스템이 적용된다. 500㎸ DC 2Bi-pole 강관철탑의 전선은 ACSR/AW 480 C×6B, 중성선은 HTACSR/AW 480 C×3B, 애자는 400kN DC 내무형/폴리머로 구성된다.
케이블의 경우 MI-PPLP(Mass Impregnated Polypropylene Laminated Paper) 케이블이 적용된다. ±500㎸ 북당진~고덕 HVDC 케이블도 HVDC MI-PPLP 케이블이 선정된 바 있다.
현재 765㎸ 추진중단으로 인해 표준공기 120개월 대비 52개월의 절대공기가 부족한 상황이다. 또한 경북, 충북, 강원, 경기 등 4개 광역자치단체 및 17개 기초자치단체를 경유함에 따라 송전선로 경과지 구성의 어려움이 예상된다. EP 프로젝트의 준공 지연시 연간 약 2조원의 제약비용이 발생하게 될 것으로 분석됐다.
EP 프로젝트를 적기에 추진하기 위해서는 송전선로 입지선정 기간 단축 및 갈등 최소화를 위한 제도 개선이 시급하다는 지적이다.
경과지 선정, 사업승인 및 시공기간을 10년에서 5.6년으로 단축하기 위해 주민피해 최소화, 합리적 절차를 통한 주민수용성 제고를 통해 부족 공기를 만회하고 입지선정위원회를 통한 투명한 절차로 경과지를 선정하며, 적극적인 주민설명 및 대관협의를 통한 환경영향평가․실시계획승인 기간을 단축해야 하는 상황이다. 실시계획 승인전 용지보상, 공사계약 및 최적 공구분할로 부족한 시공기간도 만회해야 한다.
또한 송전선로 건설관련 갈등 최소화를 위한 제도 개선으로 ‘DC 500㎸ 송변전설비건설주변지역의 특별지원’에 관한 규정 제정, ‘가공 대비 지중화 적정차액 지급방안’에 관한 기준 수립, EP 경과대역내 현지 학계 및 시민단체 참여 연구과제 시행 등으로 사업추진 기반을 조성해야 할 것으로 보인다.
HVDC 무효전력 응답 요구량 검토 필요
HVDC Grid Code - 장길수 고려대 교수
HVDC 제어에 대한 요구 사항(Grid Code)으로는 일반 사항으로 주파수 안정화, 전압 안정화, FRT 등과 선택 사항으로 과도안정도 등을 꼽을 수 있다.
HVDC 송전 시스템의 제어특성은 AC 시스템 대비 높은 제어가능성, 능동적 조류/전압 제어, DC시스템의 제어특성을 통한 AC시스템 안정도 향상 등이다. 빠른 제어 가능성으로 외란에 대한 계통 과도상태의 안정화에 기여하고 HVDC 시스템의 Over-Loading 특성은 과도 안정도 향상에 기여하며 HVDC 시스템의 빠른 조류 제어는 발전/부하량 조정의 효과가 있다.
주파수 안정화를 위한 유효전력 제어에 관한 요구사항으로는 계통 주파수에 따른 HVDC 접속 최소 요구 시간을 달리 산정하고 유효전력 제어에 관한 범위 및 Ramping Rate을 규정해야 한다.
전압 안정화를 위한 무효전력 제어에 관한 요구로는 전압 제어 모드, 무효전력 제어 모드, Power Factor 제어 모드가 있으며 계통 전압 범위에 따른 무효전력 응답 요구량 및 계통접속 조건을 산정해야 한다.
전압형 HVDC 시스템에 관한 Grid Code는 전압형 HVDC의 전류용량에 의한 한계치를 고려한 HVDC의 무효전력 응답 요구량 검토가 필요하기 때문에 무효전력 제어 가능성을 고려한 유효전력 운전량을 산정한다.
국내 HW․SW 플랫폼 수준 정상급
전류형 HVDC와 전압형 HVDC 요소기술 - 김찬기 전력연구원 박사
전압형 HVDC 구성에 따른 변압기는 Mono Pole,케이블 2회선의 일반 변압기와 Bi-Pole , 케이블 2회선 혹은 3회선의 특수 변압기가 있다.
HVDC 플랫폼은 하드웨어, 알고리즘, 소프트웨어로 구성된다. H/W와 S/W 플랫폼은 전세계적으로 비슷하며 국내 H/W와 S/W 플랫폼 수준은 정상급이다.
지멘스 시스템의 장점은 시스템이 단순하고 Master, Pole, Phase으로 섹션화돼 있다. 또한 전체 회로의 70% 이상이 보호회로로 외부 고장에 강인해 시스템 고장 시 파급 영향이 거의 없다. 시스템 Margin이 작으며 시스템의 설계가 수학적으로 신뢰성이 높다. Open Marketing Access 방식으로 독자적인 알고리즘의 Originality가 있다는 게 큰 특징이다.
지멘스와 ABB, 알스톰의 알고리즘 플랫폼을 비교해 보면 동일한 성능, 동일한 기능으로 동일한 정격을 보인다. 다른 정격의 경우 동일한 가격을 보이도 있다. 프로세스/테스트 플랫폼의 경우 3사가 동일하다.
하드웨어 소프트웨어 플랫폼을 비교해보면 차이를 보인다. ABB는 MACH(Modular Advanced Control HVDC)로 Process Card와 IGBT는 자체 개발했으며 I/O & Interface Card는 자체 제작했다. 알스톰의 경우 개발은 최소화했으며 지멘스는 알스톰과 ABB의 중간적인 성격을 띤다.
전류형 HVDC 업그레이드 새 이슈로 부각
KAPES의 HVDC 추진현황 - 문형배 KAPES 이사
HVDC 엔지니어링 프로세스는 △시스템 디자인(주회로 설계, 절연설계, 필터설계) △시스템 Verification(제어전략, 계통해석(PSS/E, PSACD)) △밸브(전기적, 기계적 설계, 냉각설계) △Control(H/W, S/W, MHI 설계) △Station(Layout, Civil, 보조전원 설계) 등으로 대변된다.
북당진 프로젝트 기준 전체 주요보고서 약 601건 중 133건이 △주 회로 정수 및 회로 전류 보고서 등 주 회로 정수관련 보고서 △공기 절연거리, 절연설계 등 절연설계 관련 보고서 △평활리엑터, 스위치 및 피뢰기 등 주요기기 사양 △필터성능 및 정격, 커패시터, 리엑터, 저항 등 필터설계 △TOV, RRRV, RFI 등 성능검토, △평활리액터 예비품, 기술노트 등 시스템 설계(18%)가 차지한다.
또한 스테이션 분야 286건(32%), 시스템 검증은 21건(3%), 밸브 분야 41건(6%), 제어분야 67건(10%), H/W 36건, S/W 9건 MHI-SCADA 7건, 테스트 8건 등이다.
HVDC 새 비즈니스 분야로 LCC(전류형) HVDC System 수명 및 운전과 최신 LCC HVDC 시스템 수명연장 및 업그레이드가 논의되고 있는 것을 꼽을 수 있다.
1970년경부터 수많은 LCC HVDC 프로젝트 건설 및 운영 중이며 일반적으로 LCC HVDC 프로젝트의 설계 수명은 30년으로 기설 LCC HVDC 프로젝트의 수명연장 또는 업그레이드에 대한 논의가 이슈화되고 있다. 이는 기설 LCC HVDC 프로젝트의 업그레이드가 새로운 사업영역으로 발전할 가능성이 있음을 시사한다.
LCC HVDC 프로젝트 업그레이드 사례로는 캐나다 넬슨강 프로젝트, 영국~프랑스간 HVDC 등이 있다.
전압형 HVDC․FACTS 국산화 개발 주도
VSC HVDC/SVC/STATCOM 개발 현황 - 정용호 LS산전 이사
전류형 HVDC 기술개발을 위해 한전과 2009년 합동연구 양해각서를 체결한 바 있다. 2018년 Mono Pole이 준공 예정이 ±500㎸ 1500㎿×2 당진~고덕 프로젝트를 추진중이다.
전압형 HVDC는 지멘스․알스톰․ABB 등 메이저 3사의 sub-module 방식을 채택했다. C&P, CCS Rack는 상위제어기의 지령치를 적용하기 위해 광통신 모듈을 적용했으며 제어 이슈 I, II를 해결하기 위해 6개 Arm을 총괄한다. AC 전류제어(Unbalanced 상황 고려), 순환전류 제어, DC 전압 제어 등을 수행한다.
VBE Rack은 다수의 SM을 직접 제어하기 위한 하부 담당 제어 Layer로 SM의 전압을 일정 제어 수행하고 Switching을 결정한다. VBE 알고리즘을 연산 처리하는 DSP 보드와 다른 보드와의 통신을 위한 통신 보드, 그리고 SM과의 통신을 위한 MIU로 구성된다.
MMC 모델 내장 RTDS는 다수의 SM을 실시간으로 제어하기 위해서 GTFPGA를 이용 SM Valve 모델을 사용한다. 각 SM의 Capacitor 전압을 제공하고 SM 상태 정보를 입력한다. 한 Arm당 512개까지 모의시험이 가능하다.
FACTS 국산화를 살펴보면 SVC를 적용하면 전기 아크로를 사용하는 공장의 플리커 성분을 제거해 전압 변동을 억제하거나 전압, 무효전력 및 역률 제어를 통한 전기 품질 향상을 통해 생산성을 증대시킬 수 있으며 계통 전력 변동을 억제해 안정적인 계통 운영이 가능하게 하며 계통 사고 후 신속하게 계통 전압을 안정범위로 유지할 수 있도록 한다.
DC산업 정부 주도 집중 육성해야
HVDC 해저 케이블 기술과 세계 시장 - 이인호 LS전선 상무
HVDC 송전 시스템이 장거리 송전에 낮은 손실로 인해 높은 효율을 얻을 수 있어 대규모 송전에 유리하다. 한국은 중국-일본-러시아의 전력거래 시 중요한 지리적 요충지이며, 장기적인 검토가 진행중이다.
유럽의 HVDC 케이블 프로젝트는 현재까지 HVDC 해저케이블을 이용한 interconnection이 대부분이다. 2025년까지 해저와 육상 모두를 고려한 HVDC 케이블 시스템이 요구되고 있다. 유럽의 경우 공공의 요구에 의해 해저와 지중 모두 HVDC 케이블망을 계획하고 있다.
HVDC 케이블 기술은 공간전하 특성(Space Charge Control)을 갖는다. 즉 HVDC 전계하에서 XLPE 재료내에 공간전하의 생성 및 이동 현상이 발생하는데 공간전하의 분포 형태 및 거동 따라 절연체 내부의 전기적인 스트레스가 상승함에 따라 공간전하 특성 평가 기술 및 DC 특성에 최적화된 재료의 선정이 필요하다.
LS전선은 2013년 9월까지 LCC DC 250㎸ XLPE 케이블 시스템 국책과제 컨소시엄을 통해 개발한데 이어 내년말까지 VSC DC 320㎸ XLPE 케이블 시스템 개발을 완료할 방침이다.
DC로의 전력망 확대는 관련 산업체가 발달한 유럽에서 주도하고 있으며, 공급과 수요 불균형을 해소하기 위한 수퍼그리드(Supergrid) 구축의 본격 적용 중에 있다. 또한 신재생에너지의 활성화와 환경친화적인 수단으로서 해상풍력을 영국, 독일, 덴마크를 중심으로 발전원으로 활발히 개발 중이며, 이를 육상전력계통에 병입하기 위한 해저케이블도 원거리화와 대용량화에 따라 AC에서 DC로 점차 확대되고 있다.
하지만 국내 DC 산업기반은 2000년대 초반 345㎸급 AC 제품군의 개발 완료 후 학계, 산업계, 연구계에서 핵심기술 육성이 미흡한 상태로 DC 산업을 정부 주도로 집중 육성할 수 있는 로드맵이 필요하다. 향후 HVDC 관련 산업규모는 수십조원 이상이 예상되고 전통적으로 기술강세인 유럽의 일부 국가가 선도하고 있으나, 한국의 기술력과 지정학적 위치를 활용해 한국-일본-중국-러시아 동북아 수퍼그리드 구축 등과 같은 다국가간 협력체계사업을 선도해 중전기 사업이 도약할 수 있는 기회로 삼아야 할 것이다.
기술인력 양성 장기 기초R&D과제로 시행해야
신송전기술 기초기술 R&D - 안희성 기초전력연구원 박사
한전 관점에서의 신송전망기술은 신송전망 운영 및 제어기술, 신송전망 절연 및 고장전류 대책기술, 신송전망 장해방지기술, 기타 등으로 분류된다.
기초기술 R&D 사례로 HVDC 기기/시스템 절연설계 및 절연협조 기술을 살펴보면 HVDC 환경에서의 기기 및 시스템 절연설계 기법은 기존 교류시스템과는 완전히 차별화돼야 하며. DC전계해석 기반 최적 절연설계가 이뤄져야 한다. 또한 HVDC 전력기기간의 절연협조 연구가 반드시 필요. 내외부 과전압에 대한 Air clearance 및 섬락거리, creepage distance 결정을 위한 해석 및 실험 연구가 필요하다.
이에 대한 핵심 기술은 DC 전계해석 기반 절연설계 기술, HVDC 기기 및 시스템간 절연협조 기술, 전력기기 외란 및 내란에 대한 절연 이격거리 산정 기술, 가공 HVDC 절연설계 기술, 지중 HVDC 절연설계 기술, HVDC 변환소 및 시스템 절연 설계 기술 등으로 볼 수 있다.
풀뿌리 기술 가공 HVDC, 지중 HVDC, 지중 HVDC로 구분된다. 가공 HVDC는 고도 및 기압 조건에 따른 DC 코로나 특성을 고려한 도체 설계 기술이나 수분 및 오손에 따른 HVDC 애자의 연면 특성 평가 및 이격거리 선정 기술, ion flow를 고려한 DC 전계해석 및 측정 평가 기술 등이며 지중 HVDC는 DC케이블 복합 절연물에서의 공간전하 영향에 대한 해석 및 측정 기술, 온도 및 전계영향을 고려한 DC전계해석 기반 케이블 지중 및 가공 접속함 절연설계 기술 등이다. 지중 HVDC는 컨버터 스테이션 대지 및 WALL 이격거리 산정을 위한 DC+스위칭 임펄스에 대한 공기 절연 평가 기술, 외부 과전압 및 외란을 고려한 컨버터 밸브 코로나 쉴드 구조 및 STRAY CAPACITANCE 최적화 기술 등이 해당된다.
성공적인 풀뿌리 연구를 위해서는 기성고 과제 관리는 정부과제 관리방안을 도입하고 인력양성은 현물로, 연구는 현금으로 교수 인건비를 지급하며 기술인력 양성은 장기 기초기술개발 과제로 시행해야 할 것이다. 특히 연구자 사기 진작을 위해 성과물 수준을 제고해야 할 것이다.
GW 이상 제어시스템 구축 등 필요
VSC HVDC/STATCOM 개발현황 - 정홍주 (주)효성 중공업연구소 PGS팀 부장
효성은 2012년 11월부터 올해 10월까지(48개월) 삼화콘덴서, 숭실대, 제주대, 전북대, 남부발전과 함께 해상 풍력 연계용 20㎿급 전압형 HVDC 연계 기술 개발을 주관하고 있다.
컨버터 시스템 개발 현황을 살펴보면 Half-bridge 구조로 2.4㎸ DC, 740A, Bypass S/W 차단속도 4ms이하로 2013년말 Sub-module 개발을 완료했다.
2014년 10월에는 컨버터 밸브를 제작했다. 컨버터 밸브는 서브모듈 144개(6개/밸브), 밸브 구조물 24세트(4층 구조×3×2)로 구조진동해석/절연해석이 가능하다.
2015년 2월에는 단상 컨버터 구성/시험을 완료했다. 단상 구조 및 BTB 시험회로 구성, 정격 전압 (±12㎸) 및 정격전류 (740A) 시험, 컨버터의 온도 포화 시험 및 Arm 제어기의 알고리즘 검증이 가능하다. 이후 20㎿ HVDC 실증 시스템 구성 기기 배치 및 설계를 완료함으로써 실증시험에 들어가게 된다. 단 빠른 유지보수가 가능한 구조로 개선하고 성능 개선(바이패스 스위치 속도 개선)과 중량 개선이 필요한 것으로 분석됐다. 컨버터 시스템의 제어기류 환경시험(진동, 환경시험 등), Sub-module 파괴시험 등 신뢰성시험 결과 하나의 Sub-module 소손(파괴)시 인근 Sub-module이 정상적으로 운전을 유지했다.
또한 효성은 150MVA급 MMC Type 컨버터 밸브 개발, MMC STATCOM용 제어시스템 개발, 축소형 3상 MMC STATCOM 실증(10MVA급)을 위해 MMC STATCOM 개발을 진행하고 있다.
향후 Sub-module의 에너지 밀집도 향상, DC 커패시터의 최적화, Lower losses, 방폭 설계, GW 이상의 제어 시스템 구축 등이 필요할 것으로 예상된다.
박기진 기자
kjpark@epnews.co.kr