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2017 HVDC 기술 워크숍 지상중계
2017년 04월 29일 (토) 15:46:47 박기진 기자 kjpark@epnews.co.kr

북당진~고덕 HVDC·신영주 STATCOM 올해 준공
한전의 HVDC/FACTs도입 계획(김병헌 한전 처장)

   
한전은 현재 제주~육지간 DC±180㎸, 300㎿ 1호기와 DC±250㎸, 400㎿ HVDC 2호기를 운영중이며 북당진~고덕 HVDC 1단계를 건설중이며 제주~해남 1호기, 진도~서제주간 2호기, 동해안~신가평 HVDC, 육지~제주 전압형 HVDC 3호기, 양주 전압형 Back To Back HVDC 등을 계획중이다.
1998년 3월에 가동에 들어간 해남~제주간 HVDC 1호기는 선로길이 101㎞(해저 96㎞, 육지 5㎞)로 변환소 2개소와 Valve, C.Tr, AC Filter, 보호·제어 System 등 변환설비로 구성돼 있다. 진도~서제주간 HVDC 2호기는 선로길이 113㎞(해저 101㎞ , 육지 12㎞)에 달한다. 2018년 준공예정인 북당진~고덕 HVDC 1단계(DC±500㎸, 1500㎿)는 선로길이 34.2㎞(해저 터널 5.2㎞, 육상부 29㎞)다.
유연송전시스템(FACTS, Flexible AC Transmission System)은 대전력용 반도체소자를 이용해 송전 능력과 설비 이용률을 증대시킬 수 있는 新개념 전력전송시스템이다.
양주(서대구 이설분), 강진(강진~장흥T/L), 동서울, 미금, 신제주, 한라, 신파주, 신성남 등에 설치돼 있다. 또한 신영주 STATCOM(±400MVar)과 신충주 STATCOM(±400MVar)은 지난해 효성과 계약을 완료하고 올해 12월 준공될 예정이다. 또한 신부평 STATCOM(±200MVar)은 내년 4월, 신제천 SVC(-225~+675MVar)는 내년 6월, 동해 STATCOM(±400MVar)는 내년 6월 준공된다. 아울러 신영주(한울~신영주T/L) TCSC(555MVar×2회선), 신제천(동해~신제천T/L) TCSC(595MVar×2회선), 고덕 ±300MVar(STATCOM 또는 SVC)은 올해 발주된다. 이와 함께 신가평 ±300MVar, 의정부 ±300MVar, 신한울#1,2 ±300MVar는 2018년 이후 발주될 예정이다.

슈퍼그리드 핵심은 장거리 HVDC 송전시스템 개발
슈퍼그리드와 송전 핵심 기술(윤재영 전기연구원 본부장)


   
동북아전력망 연계 필요기술로는 HVDC 기술(송전 및 변환분야), 계통계획 및 운영기술 등이 있다. HVDC 기술의 경우 장기적으로는 VSC 기술이 필요하며 송전분야는 국내기술 일부 확립하고 변전은 기술개발이 필요하다. 변환 분야는 설계·시공·감리·유지보수 등 CSC-VSC 변환소 EPC O&M 기술이, 송전분야는 해저케이블 설계·제작, 시공·포설 기술이 필요하다.
계통계획 및 운영기술 분야에서는 국내 장기전력수급과의 병행 등을 바탕으로 국가간 연계계통 계획기술, 평상·이상시 상호 운영전략 조화 등 국가간 연계전력망 운영기술, 국가간 전력융통 운영방식 및 정산문제·전력시장과의 조화 문제 등이 중요하다. R&D 요구사항으로는 HVDC 변환·송전기술 분야, 연계망 운영과 관련된 기술과 기술정책적 사안이 필요하다.
동북아 슈퍼그리드 기술·경제적 운영 검토사항으로는 연계전력망 운영관점에서 개별급전 및 변환소간 데이터 교환문제, 연계 수출입 전력의 융통 및 내부망 처리문제, 전기품질, 신뢰도 유지기준 등 다양한 기술적 문제 도출 등이 있다. 전력시장 운영관점에서는 단기 계약정산 및 장기 동북아 통합 전력시장 구상, 한국의 시장운영규칙의 적용 범위 및 위반시 배상 책임 범위, 전력수요입찰(시간대별 전력 예측 수요)방법 및 절차, 입찰 자료의 유효성 검증 방법, 계량 방법과 계량 주기·기기 관리, 정산(대금결재) 방법 및 절차, 전력공급 및 판매 주체와 책임 및 권한, 전력구매가격 결정 적용, 분쟁 발생시 중재 범위, 절차, 장소 등을 검토해야 한다.
결론적으로 국내 HVDC 송전망 구축계획은 전원단지·수도권·풍력단지 중심으로, 고비TEC·한~중·한~일·한~러 연계는 대규모 신재생전원과 연계망 구축으로, 동북아전력시장의 운영수단은 국가간 HVDC 연계망 구축에서, HVDC 연계망의 국내외적 기대수요 창출시기와 향후 실현이 중요하다. 또한 슈퍼그리드 구축의 핵심은 장거리(해저) HVDC 송전시스템 개발로 국내외 송전수요에 대응해 HVDC 송변환기술 자립이 필요하다.

전압형 HVDC 무효전력 공급 운전 가능
계통관점에서 HVDC 기술(장길수 고려대 교수)

   
HVDC는 LCC(전류형) HVDC와 VSC(전압형) HVDC로 구분된다. LCC HVDC는 Thyristor 밸브를 사용하며 밸브 firing 시간 제어 가능, DC 고장 발생시 밸브로 제거 가능, 저손실 등의 장점이 있으나 밸브 firing 각도만 제어 가능, SCR 큰 AC 시스템이 필요, 무효전류 소모, 보조 설비 필요 등의 단점이 있다. Valve Firing만 제어 가능하며 AC측 연결 부분은 Converter Transformer다.
VSC HVDC는 IGBT 밸브로 Open과 close 시간 제어 가능, Commutation때 전원 불필요, 무효전력 공급 가능 등의 장점이 있지만 고손실, 고장 발생시 차단기 필요 등의 단점도 있다. 스위치 Turn-off가 가능하며 AC측 연결 부분은 Series Inductance다.
VSC HVDC 계통보강 특성을 분석해보면 VSC는 필터없이 동작 가능, 제어를 통해 Islanded Mode에서도 동작 가능, 계통 보강과 관련해 STATCOM처럼 동작, 빠른 응답특성․댐핑 제어로 계통보강에 도움, LCC·VSC 연계운전시 Commutation failure 방지에 도움 등으로 무효전력 공급 운전이 가능하다.
신재생에너지 설치 증가로 인한 전체 계통 관성 감소, 계통 관성 감소에 따른 계통 안정도 분석 필요, VSC HVDC의 INEC(Inertia Emulation Control) 제어 전략 시행, 계통 초기 주파수 회복 특성에 관여 등으로 VSC HVDC의 계통 관성 참여가 필요하다.
VSC DC 전압 변화, VSC 유효전력 변화, AC 전압 변화, AC 계통 주파수 변화 등을 분석한 결과 VSC HVDC의 계통 관성 참여로 1초에 AC 시스템 사고 이후 1.14초에 사고가 클리어되고 사고 발생 지역이 멀수록 INEC 제어 효과가 커지며 사고 발생 지역이 가까우면 전압 하강이 심해져 VSC의 전류가 포화되는 것으로 나타났다.

1대1 연계서 Multi-terminal HVDC로 진화
HVDC 설계 플랫폼(김찬기 전력연구원 박사)


   
1대1 연계방식에서 Multi-terminal HVDC로 발전 중으로 대규모 해상풍력과 AC계통과의 연계에 Multi-terminal HVDC 기술이 상업적으로 적용 중이다. Multi-terminal HVDC 기술은 향후 직류 계통망(DC-Grid) 기술로 발전할 것으로 전망된다. Multi-terminal HVDC 구현에 필요한 기술 요소로는 컨버터, 제어플랫폼, DC차단기 등이 있다.
송배전 공칭전압 결정방법은 일반적으로 발전기 단자전압을 기준으로 결정된다. 격상에 따른 기기 개발 시 기존 기기의 단순 배수만큼 절연강도를 상승시킴으로써 개발의 이점이 있다. 우리나라 송전전압 격상도 해방 이후 기술도입선에 따라 송전전압이 정해졌다.
Siemens 시스템은 △변압기 Cooling System은 AC Motor Relay 구동 On/Off △DC Motor 제어로 속도 및 소음 제어 △변압기에는 식물성 절연유로 Ester를 사용해 7~8% 시스템 증가(Mineral Oil에 비해 절연 특성이 우수) △IGBT의 전류 용량은 1kA이나 IGBT를 병렬로 연결해 2kA △제어기는 IEC 61850, EtherCat(Pentium, DSP, FPGA) △서브모듈의 크기와 부피가 작은 것이 기술 등으로 요약된다.
HVDC 플랫폼은 크게 하드웨어, 알고리즘, 소프트웨어로 구분된다. 하드웨어는 통신 Protocol, 진단의 Pentium과 고속 연산 DSP, Logic·Gating의 EPLD, Profibus, Profinet, Ethernet, EtherCAT으로 설명된다. 고유 알고리즘 성능은 동일하며 Originality는 ABB, Siemens, GE가 보유 중이다. 중복기술 90%, 독자기술은 10% 수준이다. 상위 level SW는 SNMP, 하위 Level SW는 Vxwork, Visual DSP, Tornado 등이다.
H/W와 S/W 플랫폼은 전세계적으로 비슷하며 국내 H/W와 S/W 플랫폼 수준은 정상급이다.

전압형 HVDC DC 고장 차단 토플로지 연구
HVDC 핵심 요소기술(허 견 연세대 교수)


   
연세대학교의 전압형 HVDC(MMC-HVDC) 연구는 △MMC(Modular Multilevel Converter)의 모듈 고장 시 서브 모듈 제어, Redundancy를 연구하는 MMC Control for Non-interruptible Energy Transfer △스위칭 손실 저감 및 효율적인 컴퓨팅을 위한 서브 모듈 제어 및 등가 모델링을 연구하는 Efficient Switching and Modeling Methods △MMC-HVDC의 에너지 관점에서 PQ 능력 및 2차 순환 전류 제어에 의한 변화를 살피는 전압형 HVDC의 운전 범위(Energy Storage Requirement) △DC 고장 차단을 위한 서브 모듈 구성 방법 개발 및 DC 고장 시 컨버터의 서브 모듈 보호 알고리즘 개발을 위한 전압형 HVDC DC 고장 차단 토폴로지 연구 등을 수행하고 있다.
연세대는 2차 고조파 순환 전류를 주입해 DC 순환 전류 및 확장된 작동 영역을 사용해 원래의 작동 범위에서 작동하는 MMC의 작동 영역 및 에너지 요구 사항을 조사했다. 전류 주입으로 인한 불필요한 스위칭을 피함으로써 시스템 손실을 줄이면서 2차 고조파 순환 전류의 최대 양을 결정하기 위한 체계적이고 실용적인 규칙을 개발했다.
2차 고조파 순환 전류 주입은 MMC-HVDC의 무효 전력 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 주입으로 인한 암 전류의 증가된 RMS 값은 스위칭 장치 및 기타 구성 요소의 선택에 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 새로운 HVDC의 이점을 달성하기 위해서는 믿을 수 있는 서브 모듈 고장 비상 사태와 함께 P-Q 기능의 독특한 모양과 변화를 이해하는 것이 MMC-HVDC 라인을 계획하고 서브 모듈의 에너지 요구 사항 및 중복 수준을 적절히 결정하는 데 중요한 것으로 나타났다.

20MW급 풍력 연계용 HVDC 실증 추진
전압형 HVDC 및 STATCOM 기술 개발 현황(정홍주 효성 부장)


   
효성은 STATCOM에서 확보한 대용량 전압형 인버터 기술을 바탕으로 전압형 HVDC 기술 개발을 추진중이다. 20㎿급 Pilot 실증 프로젝트를 통해 핵심기술인 컨버터, 제어시스템, 엔지니어링 기술을 확보하고 이를 바탕으로 수백㎿급 상용화 실증 프로젝트에 참여할 방침이다.
해상풍력 연계용 20㎿, ±12kVDC 전압형 직류송전 시스템 구성 개발을 목표로 2012년 11월부터 올해 10월(60개월)까지 진행중인 ‘해상 풍력 연계용 20㎿급 전압형 HVDC 연계 기술 개발’ 과제는 효성, 삼화콘덴서, 숭실대, 제주대, 전북대, 한국남부발전 등이 참여하고 있다. 2015년 RTDS ChainV5를 이용해 HILS환경을 구축(Control Panel 6면, Protection Panel 4면), CIGRE WG B4. 63 기반의 Commissioning 절차에 따라 2016년에 HVDC 제어알고리즘을 검증했다.
효성은 2005~2010년 ‘IT 기반의 대용량 전력수송 제어시스템’ 국가과제를 한전과 공동으로 수행해 STATCOM을 국내 최초로 개발, 345kV 100MVAr STATCOM 시제품을 한전 미금 변전소에 설치해 실증 시험함으로써 레퍼런스를 확보했다. 2세대 MMC type STATCOM은 지난해 상반기 실증시험 및 장기 신뢰성 시험을 거쳤으며 신충주, 신영주, 동해 400MVAR(3×±134Mvar)와 동해 200MVAR(2×±100Mvar)를 수주했다.
향후 20㎿급 풍력 연계용 HVDC 실증과 관련 5월 실증단지 구축을 완료하고 6~10월 커미셔닝 완료 및 국가과제 종료에 이어 11월부터 장기 신뢰성 운전에 들어간다. 200㎿ BTB HVDC 국가과제는 하반기 과제 추진을 위해 준비 중이다.

네델란드·덴마크 등서 HVDC 리스크 분석 수행
DNV GL 글로벌 HVDC Experiences(윤형희 DNV GL 지사장)

   
DNV GL은 140년 역사를 가지고 있는 노르웨이 선급회사인 DNV가 네델란드의 에너지컨설팅 및 초고압대전력시험기관인 KEMA를 2012년에 합병하고 2013년에 독입 선금 및 신재생에너지 컨설팅회사를 합병해 지금의 DNV GL의 이름을 갖게 됐다.
HVDC사업을 착수하기 전 시행착오를 줄이고 예산의 낭비를 최소화하기 위해 반드시 Risk Analysis가 이뤄져야 한다.
DNV GL은 네델란드 TSO인 TENNET에 ABB가 시행하는 프로젝트에 대한 리스크 분석을 의뢰, 제공했다. 또한 노르웨이 몽스타드와 Collsrs 해저구간에 420㎸ XLPE케이블을 설치하는 사업에 대해 리스크분석을 제공했다. 아울러 네델란드와 덴마크를 잇는 325㎞ 700㎿ 해저케이블을 monopole로 잇는 사업에 케이블, 컨버터 스팩, 설비간 인터페이스 검토 등을 수행하기도 했다.
최근에 국가간 장거리 계통연계를 하면서 어떻게 하면 가장 경제적이며 안정된 계통을 구성하는가가 가장 중요하며 이는 결국 기술로 생산하는 전력설비의 성능이 안전한 가를 평가는 기술이 중요한 이슈로 등장했다. 결국 사용경험이 많지 않은 신개발품은 계산치나 시뮬레이션을 통해 확정된 설계 값으로 제품 품질을 확정하기는 어렵고 오로지 실사용 조건을 고려한 시럼이 유일한 방안임을 IEC나 CIGRE Committee에서 결론을 내리고 있어 미리 공인된 시험기관에 TT나 PQ를 받아 놓는 것이 유리하다. DNV GL은 최근 500~600㎸ 시행대행에 대한 준비를 하고 있다.
특히 유럽 10개국 35개 기관이 투자해 지난해 출범해 2019년 종료 예정인 ‘PROMOTioN EU Horizon 2020’에 PM 및 Technical Advisor역할을 하고 있다.

80kV 하이브리드 DC 차단기술 개발 공동연구
LS산전의 HVDC 기술현황(정용호 LS산전 이사)


   
LS산전은 2009년 한전과 HVDC 기술개발을 위한 합동연구 양해각서를 체결하면서 전류형 HVDC 개발에 착수했다.
국내에서 Multi-Terminal HVDC 적용방안은 100GW급 단일 AC 계통을 수도권, 서남권, 동부권 등 다수 권역으로 분할, HVDC로 상호연결할 수 있는 방안이 있다. Multi-Terminal HVDC는 LCC와 VSC의 혼합구조로 부하 단 black starting 및 무전원 부하에 전력 공급이 가능하며 부하 쪽에 VSC를 사용하므로 변전소 사이즈가 콤펙트하다. 신뢰성 있는 기존 설치된 LCC를 이용할 수 있으며 DC short circuit fault ride through가 가능하다.
Hybrid HVDC를 위한 Asymmetric mixed MMC를 살펴보면 상단 암은 HB, 하단 암은 FB로 구성(반대도 가능)되며 단방향 Power Flow(DC단 전압을 0~1p.u.로 조정)다. STATCOM처럼 동작 가능하며 AC 계통 전압 확립을 위한 무효전력 주입 가능해 DC Fault Ride Through가 가능하며 Symmetric mixed MMC와 단가가 거의 동일해 FB-MMC에 비해 초기 단가가 저렴하다. Symmetric mixed MMC와 정상운전 시 손실이 거의 해 정상 운전시 손실이 HB-MMC보다 크고 FB-MMC보다 작다.
Asymmetric MMC의 SM 밸런싱은 각 암이 HB 또는 FB로만 이뤄져 있어 동등하게 Sorting되며 FB 암이 DC 단 전압을 조정한다. 이 토폴로지의 장점은 FB-MMC 보다 효율이 좋으며 Symmetric mixed MMC와 설치비용과 효율이 비슷하다. 전송 전력 조절을 위해 DC 단 전압을 낮춰도 셀 전압 밸런싱이 가능하며 제어가 간단한 특징이 있다. LS산전은 전기연구원과 80㎸ 하이브리드 DC 차단기술 개발을 공동 진행한 바 있다.
MMC STATCOM 제어 이슈는 각 클러스터의 전체 에너지를 일정하게 유지돼야 하며 동작에 의한 Loss에 해당하는 부분만 유효전력을 사용해야 한다. 한 Arm 내부의 모든 SM의 전압도 균등하게 제어해야 한다.

해저시공·HVDC 접속함 기술 등 보유
HVDC Cable 요소기술(김원배 LS전선 이사)


   
HVDC 케이블은 고전압·대용량, 장거리·장조장, 해저구간 증가 등으로 대변된다.
500~600㎸ DC MI(PPLP)는 프리즈미안(Prysmian)이, 320~500㎸ DC XLPE는 ABB, 프리즈미안, NKT 케이블이 제품을 보유하고 있다. HVDC는 AC와 다른 절연·반도전 재료, 케이블 및 접속함 개발, 시스템 평가기술 등 기술개발에 장기간 소요로 지속적인 연구개발이 가능한 글로벌 메이저 업체만 기술을 보유하고 있다.
전기적 특성(공간전하, 체적저항) 최적 재료 Recipe 설계·초고압 품질 업그레이드가 필요하며 압출·가공(컴파운드 장기 압출) XLPE 최적 Recipe 설계, 나노입자 선정, 표면개질, 분산기술 어브레이드, 재료·공정 청정도 포함 생산시스템 업그레이드 등 재료기술 내재화도 필요하다.
LS전선은 나노 XLPE 컴파운드 개발 탐색 과제를 통해 재료 방향을 선정하고 나노복합 소재 및 XLPE 복합재료개발 과제를 통해 250㎸ 개발에 적용했다. LS전선이 보유한 공간전하 측정기술은 해외 소수 글로벌 메이커 주도로 국제 규격화가 진행중이다.
해저시공기술의 경우 수심·지형조사·지층조사·매설장애물 조사 등 해양조사 기술과 케이블 조장·저질상태·매설 깊이 등을 고려한 포설·매설 기술 및 장비선정 기술, 위해요소와 저질·설치환경에 따른 보호자재 성능검증, 보호공법 선정기술 및 보호공사 등 보호공법 선정 및 공사 등이 필요하다.
LS전선은 공장 접속함 및 해조 접속함 설계 및 해석기술을 보유 중으로 장조장화를 위한 공장 접속함 설계 및 해석기술과 해저 접속함은 포설 및 운전시 기계적 성능을 보유하고 있다.



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