안병현
(Byeong-Hyeon An)
1iD
오정식
(Jeong-Sik Oh)
1iD
김태훈
(Tae-Hun Kim)
1iD
박재덕
(Jae-Deok Park)
1iD
소순열
(on-Youl So)
2iD
박태식
(Tae-Sik Park†)
†iD
-
(Ph.D. course, Department of Electrical Engineering, Mokpo National University, Korea)
-
(Professor, Department of Electrical Engineering, Mokpo National University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Economic cross-point distance, High voltage AC, High voltage DC, Low frequency AC
1. 서 론
전 세계적으로 에너지 패러다임이 변화하고 있으며 전력 분야의 경우 탄소 배출을 줄이기 위해 석탄발전의 비중을 축소하는 방향으로 신재생 에너지 전환
정책을 펼치고 있다. 제 10차 전력수급기본계획에 따르면 36년까지 신재생 에너지 비중을 30.6%로 증가시킬 계획이며, 이를 위해 신재생 에너지
발전원 증가에 대한 노력이 계속되고 있다.
하지만, 기존 화석연료 발전을 대체할 재생에너지 발전원은 간헐전원이라는 특징을 가지고 있어 기저 발전원으로 사용하기 힘들며 분산전원의 지리적 요건에
따라 발전원과 부하의 불균형 문제가 발생한다. 따라서, 계획하고 있는 대용량 재생에너지를 기존 계통과 연계하기 위해서는 계통의 유연 자원을 늘리거나
주파수 및 전압 변화에 빠르게 반응하는 제어 방식이 적용되어야 한다. 하지만, 현재 하나의 주파수로 동기화된 계통의 유연성을 보강하기 위해서는 막대한
투자가 필수적이다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 HVAC(High Voltage AC), HVDC(High Voltage DC) 등 대용량 전력
전송기술 기반 계통연계 기술, AC/DC 하이브리드 계통 등 다양한 연구가 진행되고 있다[1-2]. 이 중 유연 자원을 늘리거나 새로운 발전설비를 설치하는 방식이 아닌 계통연계를 통해 전력망의 유연성을 증가시키는 방안이 주목받고 있다. 북유럽
슈퍼그리드의 경우 북해연안의 해상풍력이 주가 되어 재생에너지를 엮는 전력망을 설계하였으며 2050년까지 총 500GW를 유럽 시장에 공급하는 것을
목표로 하고 있다[3].
전통적으로 장거리 대규모 전력송전에 대한 해결책은 전압 레벨을 높여 가공 송전선에서 발생하는 손실을 줄이는 방식이다. 하지만, 거리가 늘어남에 따른
손실은 무시할 수 없으며 전압 강하와 리액턴스, 서셉턴스로 인해 선로에서 발생하는 무효전력 보상이 필수적이다. 이러한 장거리 송전에 대한 문제점을
해결하기 위해 AC를 DC로 바꿔서 송전하는 HVDC가 적용되고 있다. 해당 방식은 DC 송전으로 선로에서 발생하는 손실이 매우 적으며, 같은 전압의
AC와 비교했을 때 전송용량이 더 높다는 장점이 있다. 하지만 AC에서 DC로 변환하기 위해 고가의 반도체 소자가 포함된 전력변환장치가 필요하므로
초기 플랫폼에 대한 투자비용이 많이 든다는 단점이 있다. 위와 같은 단점으로 인해 HVDC 적용을 위한 경제적 임계 거리에 관한 연구가 진행되었다.
연구결과, 플랫폼에 대한 투자비용은 HVDC가 더 높으며 높은 송전용량으로 선로비용이 낮고, HVAC는 플랫폼 비용이 적지만 송전 거리에 따른 선로비용이
높은 특징을 보였다. 해외 연구에 따르면 HVAC와 HVDC의 경제적 임계 거리는 해저 케이블의 경우 80km이며[4, 5] 육상 가공선 시스템의 경우 500~700km로 나타났다[6-8].
FFTS(Fractional Frequency Transmission System)라고도 불리는 LFAC(Low Frequency AC) 시스템은
앞서 언급된 HVAC와 HVDC의 중간자적인 시스템이다. 일반적으로 HVAC의 표준 주파수인 60/50Hz의 1/3의 주파수인 20/16.7Hz로
동작하며 주파수 낮으므로 가공선의 유도성 리액턴스 또는 케이블의 용량성 서셉턴스에 대한 영향이 적어 손실을 줄이고 전송용량을 증가시킬 수 있다는 장점이
있다. 또한, 무효전력 변동에 대한 전압 감도가 감소하므로 전압 안정성이 향상될 수 있다. 이러한 LFAC 시스템은 독일, 오스트리아, 스위스 등의
철도의 거리가 늘어남에 따라 표준 주파수로 인한 와전류 손실을 극복하기 위해 처음 적용되었으며, 시스템 특성을 활용하여 전력계통의 중장거리 송전과
해저 송전에 장점이 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 노르웨이 Aker Solutions에서는 수중 전력전송을 위해 40MVA의 LFAC 시스템을
실증하였으며, 중국에서는 Dechen섬의 풍력발전단지의 전력을 육상으로 연계하기 위해 22년 LFAC 시스템을 구축하였다.
LFAC는 주파수를 바꾸기 위한 주파수 변환장치가 포함되며 HVAC에서 사용되는 선로와 보호 시스템을 그대로 적용할 수 있어 경제적 임계 거리를 비교했을
때 HVAC와 HVDC의 중간거리에서 경제성을 가질 수 있다. 특히, 장점이 있는 해상풍력 연계 시스템에서는 전력변환설비가 한쪽에만 설치되기 때문에
비교적 낮은 플랫폼 비용을 가지며 HVAC와 비교했을 때 손실이 적고 전송용량이 크므로 송전비용이 낮다. Olsen[9], Hytten[10]는 다양한 거리 범위에서 해상풍력발전단지 연계형 LFAC의 경제성을 분석하였으며 약 100km 이전에서는 HVAC, 100km와 200km 사이에서는
LFAC, 200km 이상에서는 HVDC가 경제성을 가지는 것으로 분석되었다. 또한, Xiang[11]은 연계방식별 비용을 Terminal Cost와 Route Cost로 나누고 각각을 Capital Cost, Power LOsses Cost로 나눠
경제성을 평가하여 비용 효율적인 거리 범위를 분석하였다.
위와 같이 많은 연구를 통해 해상풍력발전단지 연계형 LFAC의 경제적인 임계 거리는 검증되고 있다. 하지만 대부분의 연구에서 해저 케이블에서의 충전
용량 감소를 바탕으로 경제성을 분석하였기 때문에 육상 계통에서의 대규모 전력전송에 대한 경제적 임계 거리에 관한 연구는 미비한 상태이다. 또한, LFAC의
가장 중요한 요소인 주파수 변환장치는 AC에서 DC로 변환하여 다시 AC로 변환하는 BtB(Back to Back) 컨버터 방식에만 치중되어 있다.
본 논문은 대규모 재생에너지 접속을 가정하여 기존 계통의 유연성 확보를 위한 LFAC의 경제적인 임계 거리 선정을 목적으로 하고 있다. 이를 위해
가장 경제적인 주파수 변환장치를 선정하였으며 기존 HVAC 및 HVDC와 LFAC의 송전 거리에 따른 경제성 분석을 수행하여 경제적 임계 거리를 도출하였다.
경제성 분석은 송전방식별 플랫폼 투자비용과 선로 설치, 손실을 고려한 선로비용을 산출하였으며 송전 거리에 따른 비용 변화를 비교/분석하였다.
2. LFAC 시스템
2.1 LFAC 시스템 개요
LFAC 시스템은 기준 주파수보다 낮은 주파수를 사용하는 방법으로 60/50Hz의 1/3인 20/16.7Hz 부근의 주파수를 사용한다. AC 시스템의
유효전력은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $V_{S}$와 $V_{R}$은 각각 송전단과 수전단의 전압 크기이며, $X$는 송전단과 수전단 사이의 리액턴스, $\delta$는 부하각이다.
수식 (1)에 따르면 AC 시스템에서 더 많은 유효 전력을 전송하기 위해서는 전압의 크기를 높이고 임피던스를 낮추거나 부하각을 크게 변화시켜야 한다. 일반적으로
전압의 크기는 계통 설비의 요구사항에 의해 일정하게 유지되고 임피던스는 설치된 선로와 설비들로 인해 결정되므로 AC 시스템에서는 발전기의 위상을 조절함으로써
유효 전력을 제어하게 된다. 하지만, 안정적으로 발전할 수 있는 위상의 범위가 정해져 있으므로 최대 발전전력이 정해지게 된다.
AC 선로의 임피던스는 리액턴스가 지배적이며, 주파수에 따라 비례한다.
여기서, $L$은 선로의 인덕턴스이며, $f$는 주파수이다. 수식 (2)에 따르면 주파수가 감소함에 따라 선로의 임피던스가 감소하게 된다. 이를 바탕으로 LFAC가 더 높은 송전용량을 가짐을 확인할 수 있다.
2.2 주파수 변환설비
주파수 변환설비는 LFAC 시스템의 주요 구성요소이며 주파수를 변환하여 전력을 전송 및 제어하는 역할을 한다. 주파수 변환설비는 입력 전력의 주파수를
변환하여 출력 전력으로 전달할 수 있어야 하므로 고전압, 고전류의 전력을 처리할 수 있어야 하며 에너지 손실을 최소화하여야 한다. 또한, 전력계통에서
발생하는 고조파, 전압변동 등의 문제를 최소화하기 위해 일정 수준의 전력 품질을 유지하여야 한다. 본 논문에서는 주파수 변환설비로 주로 사용되는 BtB
컨버터와 M3C(Modular Multilevel Matrix Converter), 회전형 변압기를 고려하였다.
회전형 변압기는 회전형 전력변환장치로서 회전기기이기 때문에 스위칭으로 인한 고조파 함유율이 적고 비교적 간단한 DC 모터제어를 통해 주파수변환, 양방향
전력 조류 제어가 가능하다. 또한, 병렬로 손쉽게 용량 증대가 가능하며 투자비용이 적다는 장점이 있다. 하지만, 구조 특성상 인덕턴스로 인한 무효전력
보상을 위해 보상장치가 필요하다는 단점이 있다. BtB 컨버터는 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 설비로서 HVDC 시스템에 적용되고 있다. 전압형을
가정했을 때 무효전력 보상이 가능하며 속응성이 높으며 AC-DC-AC 변환을 통해 원하는 주파수로의 가변이 쉽다는 장점이 있다. 하지만 고가의 반도체
소자와 DC 차단 방식이 필요하므로 초기 투자비용이 크다는 단점과 스위칭으로 인한 고조파 발생에 대한 문제가 있다. M3C의 경우 MMC(Modular
Multilevel Converter)와 유사한 형태이지만 Arm의 구조에서 차이가 있는 설비이다. 기본적으로 AC-AC 변환을 수행하며 BtB MMC와
비교했을 때 Arm의 개수가 적어 반도체 소자를 줄일 수 있어 경제적이며 고조파 함유율을 줄일 수 있다는 장점이 있다. Fig. 1은 각 주파수 변환장치의 구조를 나타낸다.
Fig. 1. Structure of frequency conversion equipment (a) BtB Converter (b) M3C (c)
VFT
3. 투자비용 및 선로비용 산출
송전시스템의 경제성을 분석하기 위해서는 계통을 구성하는 설비들과 인건비, 토지 비용, O&M 비용 등 실제 세부적인 요소들을 고려해야 한다. 하지만
세부적인 요소들은 변동성이 많으며 HVDC와 LFAC와 같은 경우 실증 프로젝트들의 세부 비용이 오픈되어 있지 않다. 따라서, 광범위한 경제성 분석을
위해서는 비용에 지배적이지 않은 요소들은 무시해야 하며 오픈된 데이터를 바탕으로 합리적인 금액을 도출해야 한다. 본 논문에서는 해외 프로젝트에서 알려진
비용을 바탕으로 연구를 수행하였다.
또한, 송전시스템에 대한 경제성은 거리에 영향을 받지 않는 플랫폼 비용과 거리에 종속적인 선로비용을 분리하여 산출하는 것이 일반적이다. 이를 위해
송전계통의 주요 구성요소인 전력변환 플랫폼(Step-up/Step -down) 변전소, AC-DC 컨버터 스테이션, 주파수 변환장치 등)의 비용을
산출하였으며 송전 거리에 따른 선로와 철탑의 설치비용, 손실을 고려하여 선로비용을 도출하였다.
3.1 송전계통 구성요소 투자비용
3.1.1 전력용 변압기
변압기는 전압을 승압 또는 강압할 수 있는 설비로서, 장거리 송전을 위해 전압을 높이는 용도로 설치되어야 한다. 변압기의 정격 전압 및 용량에 따라
철심과 권선에 따른 비용이 크게 작용하게 된다. 또한, 주파수의 변화는 전력용 변압기의 디자인에 크게 영향을 미칠 수 있다. 변압기의 기자력은 다음과
같이 나타낼 수 있다.
여기서, $f$는 정격 주파수, $N$은 권선 수, $B_{m}$은 최대 자속 밀도, $A_{core}$는 코어의 면적이다. 주파수가 감소한다고 가정했을
때, 기전력을 유지하기 위해서는 권선 수, 최대 자속 밀도, 코어의 면적이 증가해야 한다. 따라서, 저주파 변압기는 더 크고(많은 권선 수), 더
넓어(코어 면적 증가)져야 한다. 이러한 권선 수와 코어 면적의 변화는 변압기에 사용되는 구리 및 철의 증가를 의미하며 변압기의 금액에 영향을 미친다.
표준 주파수에서 사용하도록 설계된 변압기 비용은 용량에 따라 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다[12].
여기서, $C_{tr50}$은 50Hz 변압기 비용(k€)이며 ,$S_{tr}$은 변압기의 정격 전력(MVA)이다. 앞서 언급하였듯이 저주파수 변압기는
표준 주파수의 변압기보다 크기와 무게가 증가하며 이에 따른 변압기 비용의 증가가 예상된다. 변압기의 정상 동작을 위해 최대 자속 밀도가 일정하게 유지된다고
가정하면 1차 근사법을 통해 주파수 변화에 따른 코어, 권선의 부피와 전체 면적의 변화를 다음과 같이 정의할 수 있다[13].
여기서, $V_{core}$는 코어의 부피, $V_{winding}$은 권선의 부피, $A_{enc}$는 전체 면적, $f_{r}$은 비표준 주파수
비율(표준 주파수/공칭주파수)이다. 따라서, 공칭주파수에 따라 변압기에 들어가는 원재료의 양이 달라지는 것을 알 수 있으며 Table 1에 제시된 변압기 비용의 백분율을 고려하면 주파수에 따른 변압기 비용은 다음과 같이 계산할 수 있다.
Table 1. Percentages of the overall cost for material in the manufacture of a transformer[14]
Transformer material
|
Cost(%)
|
Magnetic Steel
|
32.5±5.5
|
Windings
|
22±6
|
Insulation
|
14.1±5.5
|
Carbon Steel
|
16.4±8.5
|
Fabricated Parts
|
15±9
|
식 (5)와 식 (6)를 바탕으로 60Hz 변압기와 20Hz 변압기의 금액은 다음과 같이 산정할 수 있다. 여기서, $C_{tr60}$, $C_{tr20}$은 각각 60Hz,
20Hz일 때의 변압기 비용(M₩)을 나타낸다. Fig. 2는 용량에 따른 전력용 변압기 비용의 변화이다.
Fig. 2. Power transformer cost by transmission capacity
3.1.2 AC 차단기
고장 전류를 차단하여 설비를 보호하는 것이 목적인 AC 차단기는 설치된 설비의 인입구 및 인출구에 설치되어야 한다. MISO Transmission
Cost Estimation Guide 2023에 따르면 송전용 AC 차단기 유닛의 설치를 위한 비용은 Table 2와 같이 나타나 있으며, 이를 그래프로 표현하면 Fig. 3과 같다.
Table 2. AC Circuit Breaker cost(M₩)
Voltage
(kV)
|
115
|
138
|
161
|
230
|
345
|
500
|
765
|
Material
|
76
|
80
|
84
|
144
|
478
|
630
|
1,836
|
Installation
|
12
|
13
|
14
|
15
|
23
|
30
|
92
|
Jumpers, conduit, etc
|
14
|
15
|
18
|
23
|
30
|
38
|
110
|
Foundation
|
9
|
11
|
13
|
16
|
18
|
39
|
79
|
Total
|
111
|
119
|
129
|
198
|
549
|
738
|
2,117
|
이를 바탕으로 정격 전압에 따른 AC 차단기의 투자비용을 구하면 다음과 같다.
여기서, $C_{AC CB}$는 AC 차단기의 투자비용(M₩)이며 $V$는 차단기의 정격 전압(kV)이다.
Fig. 3. AC circuit breaker cost by rated voltage
3.1.3 DC 차단기
DC 계통의 경우 교류와 달리 전류가 1주기 동안 Zero에 이르는 구간이 없어 차단기의 개폐 시 매우 큰 서지가 발생한다. 따라서, DC 차단기와
AC 회로 차단기는 구분되어야 한다. 현재 DC 차단기는 크게 Mechanical DC 차단기, Solid state DC 차단기, Hybrid DC
차단기로 구분된다. Mechanical DC 차단기는 전통적인 AC 기계식 스위치를 사용하는 방식으로 고장 전류 차단 성능이 좋으나 응답시간이 길다는
단점이 있다. Solid State DC 차단기는 전력 전사 스위칭 소자를 직렬로 사용하여 고전류 차단을 수행하며 고장을 빠르게 차단할 수 있지만
정격 전압이 낮고 전력 손실이 높으며 비싸다는 단점이 있다. Hybrid DC 차단기는 Mechanical DC 차단기와 Solid State DC
차단기의 장점을 결합한 모델로서 전력 손실이 낮고 차단 속도가 빠르며 차단 용량이 높다. 본 연구에서는 고장 전류 차단과 낮은 전력 손실로 최근 적용이
되는 Hybrid DC 차단기를 고려하였다. [15]에 따르면 정격 전압별 Hybrid DC 회로 차단기 비용은 Table 3과 같다.
Table 3. Hybrid DC Circuit Breaker cost(M₩)
Voltage (kV)
|
6
|
12
|
20
|
150
|
Cost
|
11
|
37
|
64
|
73,634
|
하지만 전압이 높아질수록 비용이 급격하게 증가하는 차단기 특성상 150kV까지의 비용 정보로는 HVDC 전압 레벨의 차단기 비용을 추정하기는 어렵다.
또한, Hybrid DC 회로 차단기의 구성이나 형태에 따라서 포함되는 전력전자 소자, 캐패시터 등 구성요소의 수나 비용이 변화하기 때문에 비용을
특정할 수 없다. 본 연구에서는 이러한 이유로 전압에 따른 AC 차단기 비용을 바탕으로 DC 차단기 비용을 선정하였다. Progress on Meshed
HVDC Transmission Networks에서 2020년 발행한 자료에 따르면 AC 회로 차단기와 DC 회로 차단기 비용은 Table 4와 같다.
Table 4. Comparison AC and DC Circuit Breaker cost (M₩)
|
ACCB
Protection
|
DCCB Primary,
AC Back-up
|
Mechanical DCCB
|
6,726
|
21,668
|
Hybrid DCCB
|
6,726
|
63,750
|
Table 4에서 ACCB Protection은 AC Grid이며 DCCB Primary, AC Back-up의 경우 DC 고장을 DC 회로 차단기가 우선으로
차단하고 AC 회로 차단기가 백업의 형태로 설치된 경우를 말한다. 이를 바탕으로 AC 회로 차단기와 DC 회로 차단기의 비용을 비교하면 DC 회로
차단기가 Mechanical DC 회로 차단기의 경우 약 2.22배, Hybrid DC 회로 차단기일 때는 약 8.5배가 더 비쌈을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 Hybrid DC 회로 차단기를 고려했으므로 AC 회로 차단기 비용의 8.5배로 가정하였다.
3.2 주파수 변환설비
3.2.1 회전형 변압기
회전형 변압기는 권선형 유도 전동기와 같은 구조로 회전자 권선과 고정자 권선에 각각 계통이 연결되어 계통 간 주파수의 차이만큼 회전자를 회전하여 연계를
수행하는 기기이며 회전자 축에 DC 모터를 연결하여 제어를 수행한다. 이러한 회전형 변압기는 산업화하지 못했기 때문에 비용 정보가 공지된 사항이 없다.
따라서, 구조가 유사한 풍력발전기에 사용되는 DFIG(Doubly Fed Induction Generator) 금액으로 등가 산정하였다. 제어에 필요한
DC 모터의 경우 동일 용량의 회전형 변압기의 30% 금액으로 적용하였다. 문헌에 따르면 풍력터빈에 적용되는 DFIG의 투자비용은 515,200$/5MVA으로
나타내고 있다[16]. 회전형 변압기는 모듈화가 쉬우므로 투자비용이 용량에 비례한다고 가정했을 때 회전형 변압기와 제어용 DC 모터의 투자비용은 다음과 같이 산정할 수
있다.
여기서, $C_{VFT}$는 회전형 변압기의 투자비용(M₩)이며 $P$는 정격용량이다. Fig. 4는 전송용량에 따른 회전형 변압기의 투자비용을 나타낸다.
앞에서 언급하였듯이 회전형 변압기의 구조는 유도 전동기와 매우 흡사하여 리액터 성분으로 등가 할 수 있다. 따라서, 전압이 인가되어 전류가 흐르면
무효전력이 발생하게 된다. 이러한 무효전력을 보상하기 위해 커패시터 뱅크가 필요로 하게 되며, 해외 프로젝트의 사례를 바탕으로 무효전력보상장치 투자비용은
수식 (11)과 같이 나타낼 수 있다.
Table 5. Condenser capacity by transformer capacity
변압기 용량(kVA)
|
콘덴서 용량
|
500 이하
|
변압기 용량의 5%
|
500 - 2,000
|
변압기 용량의 4%
|
2,000 이상
|
변압기 용량의 3%
|
여기서, $C_{Var}$는 무효전력보상장치의 투자비용(백만원)이며 $P$는 보상용량(MVar)이다. 무효전력 보상장치의 용량은 전력용 변압기 무효전력
보상을 위한 콘덴서 용량 산정 규정을 바탕으로 가정하였다. Table 5는 전력용 변압기의 커패시터 용량 산정 규정을 나타낸다. 규정에 따라 회전형 변압기 용량의 3%를 가정하였다. 식 (10-11)을 바탕으로 용량에
따른 회전형 변압기 투자비용을 나타내면 Fig. 4와 같다.
Fig. 4. VFT cost by transmission capacity
3.2.2 BtB 컨버터
BtB 컨버터 방식에는 전류형의 LCC 방식과 전압형 VSC 방식이 있다. 본 논문에서의 경제성 평가는 건설부지 최소화, 극성 변화 없는 양방향 전력
제어, 고조파 영향 감소 등의 장점이 있는 VSC 방식을 선정하였다. BtB 컨버터 방식에는 AC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터가 필요하며 전력전자설비
외에도 변압기와 같은 AC 변전 장비가 설치된다.
VSC 컨버터 스테이션은 IGBT 반도체 소자가 적용된 밸브로 구성되며 투자비용에는 크게 밸브, AC 변전 설비, 접지 등을 고려한다. 이 중 밸브
비용에는 토지 및 건물 취득비용, 변압기, 제어 장치, DC 필터 등이 포함되며 스테이션 비용에서 가장 큰 부분을 차지한다. MISO Transmission
Cost Estimation Guide 2023에 따르면 전압에 따른 VSC 컨버터 스테이션 비용은 Table 6과 같다. 이를 바탕으로 VSC 스테이션의 전송용량별 투자비용을 나타내면 Fig. 5와 수식 (12)와 같다.
Table 6. VSC station cost(M₩)
Voltage
(kV)
|
±250
|
±400
|
±500
|
±600
|
±640
|
Power
Transfer(MW)
|
500
|
1500
|
2000
|
2400
|
3000
|
Valve hall
|
107,190
|
342,495
|
461,700
|
565,650
|
688,500
|
A/C
Substation
|
15,930
|
23,355
|
34,020
|
34,020
|
45,360
|
Ground
electrode
|
4,050
|
5,400
|
5,535
|
5,805
|
6,075
|
Ground
electrode line
|
5,940
|
14,850
|
17,820
|
22,275
|
24,165
|
Total
|
133,110
|
386,100
|
519,075
|
627,750
|
764,100
|
일반적으로 HVDC 시스템 전압의 경우 ±250kV DC는 230kV AC, ±400kV DC는 345kV AC, ±500/±600kV DC는 500kV
AC, ±640kV DC는 765kV AC로부터 결정된다.
여기서, $C_{VSC}$는 VSC 컨버터 스테이션의 투자비용(M₩)이며 $P$는 정격용량이다.
Fig. 5. VSC station cost by transmission capacity
3.2.3 M3C
M3C 스테이션은 BtB 컨버터와 마찬가지로 IGBT 반도체 전력 소자가 적용된 스위칭 밸브를 사용하고 있으며 구성은 밸브, 변압기, 필터, 리액터
등을 포함하고 있다. 앞서 언급되었듯이 M3C 방식은 각 상에 3개의 MMC Arm이 존재하므로 기존 MMC BtB 컨버터(6개)와 비교했을 때 1.5배의
투자비용이 필요하다. 또한, 풀브리지는 하프브리지에 비해 전력변환설비가 20% 더 비싸다. 따라서, M3C의 Valve hall 비용은 기존 BtB
컨버터 방식보다 1.8배 높은 투자비용을 가진다고 가정할 수 있다. 전력전자 소자 기반 전력변환 스테이션 투자비용은 Valve 비용이 약 90% 이상을
차지하므로 그 외 비용은 BtB 컨버터 방식과 같다고 가정하였다. Fig. 6과 수식 (13)은 M3C 스테이션의 투자비용을 나타낸다.
Fig. 6. M3C station cost by transmission capacity
3.2.4 주파수변환 플랫폼 투자비용
회전형 변압기를 이용한 주파수변환 플랫폼은 회전형 변압기 1기와 저주파수 변압기 1기, 기기별 AC 회로 차단기 2기가 포함되며 전압 레벨은 345kV로
가정하였다. BtB 컨버터를 이용한 주파수변환 플랫폼은 AC/DC 컨버터 스테이션 1기와 DC/AC 컨버터 스테이션 1기, 설비 보호를 위한 AC
차단기 및 DC 차단기가 포함되며 전압 레벨은 AC 345kV 연계를 위해 500kV로 가정하였다. 또한, M3C를 이용한 주파수변환 플랫폼은 AC-AC
변환을 하므로 M3C 스테이션 1기와 설비 보호를 위한 AC 차단기가 포함된다.
위의 사항들을 바탕으로 각 주파수 변환설비별 플랫폼 투자비용을 산출하면 Fig. 7과 같다.
주파수변환 플랫폼의 투자비용 결과를 살펴보면 VSC 스테이션이 2기가 필요한 BtB 컨버터 방식의 투자비용이 가장 높은 것으로 나타났다. M3C 방식은
스테이션 Valve 비용이 많이 들지만, AC-AC 변환으로 스테이션이 1기 필요하므로 BtB 컨버터 방식보다 경제적임을 확인할 수 있다. 회전형
변압기 방식은 고가의 전력전자 소자가 포함되지 않기 때문에 주파수변환 방식 중 가장 경제적으로 나타났다.
Fig. 7. Comparison of frequency conversion platform cost
3.3 선로비용
3.3.1 가공 송전선
국내의 345kV 송전은 대부분 철탑을 이용하고 있으며 인장강도가 우수한 재질의 송전선을 요구하기 때문에 345kV 가공 송전선으로서는 ACSR과
HCC의 이용이 주를 이루고 있으며, 가격이 저렴한 ACSR이 가장 많이 사용되고 있다. HCC는 ACSR보다 높은 허용 전류용량을 가진다는 장점이
있으나 재질과 공정상 비용이 많이 들어 대용량 송전이 필요한 구간, 용량 증설이 불가피한 구간에 사용되고 있다. Table 7은 ACSR의 파라미터와 km당 비용을 나타낸다. 이를 바탕으로 전송용량별 회선 수를 다음과 같이 산출할 수 있다.
여기서, $N_{OHL}$은 가공 송전선의 회선 수이며 $S$는 피상전력, $P_{OHL}$은 가공 송전선의 정격용량이다.
Table 7. ACSR parameter(HVAC, LFAC)
|
HVAC, LFAC
|
HVDC
|
Size(kcmil)
|
2 x 795
|
2 x 1590
|
Resistance(ohm/km)
|
0.035
|
0.019
|
Reactance(ohm/km)
|
0.394
|
0.382
|
Ampacity(A)
|
1820
|
2680
|
Cost(M₩/km)
|
791
|
568
|
3.3.2 전력전송 한계
AC 시스템의 전력전송용량은 가공 송전선의 직렬 유도 리액턴스와 열에 영향을 받으며 이를 열적 한계와 안정성 한계로 표현할 수 있다[17, 18].
여기서, $P_{thl}$과 $P_{stl}$은 각각 가공 송전선의 열적 한계와 안정성 한계이며 $X_{OHL}$은 단위 길이당 직렬 리액턴스, $L_{OHL}$은
단위 길이당 인덕턴스, $l$은 가공 송전선의 길이이다. 일반적으로 열적 제한은 단거리 선로에 적용되며 안정성 제한은 장거리 선로에 적용한다.
3.3.3 송전손실
가공 송전선에서의 손실은 전류가 흐르면서 선 내부의 저항을 가열하여 생기는 열손실이 대부분이다. 이러한 손실은 선로에 흐르는 전류의 제곱, 저항,
길이에 비례하며, 이를 표현하면 다음과 같다.
여기서, $P_{loss}$는 전력손실량, $R_{OHL}$은 송전선의 단위 길이당 저항이다.
또한, 저항은 주파수에 영향을 받는다. 주파수가 감소하면 표피 깊이가 증가하여 가공선의 저항이 감소한다. 하지만 연구결과에 따르면, 0~60Hz까지
주파수를 증가시켰을 때 저항은 약 0.2% 증가, 인덕턴스는 약 0.1%가 증가하며 정상 상태에서는 주파수에 따른 표피효과 변화가 미비하여 무시할
수 있다[19]. 손실을 금액화하기 위해 전력판매비용과 송전설비의 운전 기간을 고려하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서, $C_{loss}$는 손실 비용, $T_{tr}$은 송전설비의 운전 기간(20년), $\sigma_{tr}$은 재생에너지의 이용률(0.4),
$C_{p}$는 전력판매비용(138원/kWh)이다.
4. 송전방식별 경제적 임계 거리 분석
경제적인 임계 거리 도출을 위한 경제성 분석은 500 MVA, 1000MVA, 1500MVA의 재생에너지 발전단지가 신설된다고 가정하여 수행되었으며,
이를 바탕으로 송전방식별 거리에 따른 비용 변화를 비교하였다.
4.1 HVAC 방식
HVAC 방식에 포함되는 설비는 승압 및 강압용 60Hz 전력용 변압기 2기와 가공 송전선, 차단기이다. 교류 가공 송전선의 비용은 거리에 따른 전력전송용량에
따라 달라진다. Fig. 8은 1000MVA 용량을 가정했을 때 송전 거리별 HVAC 투자비용을 나타낸다.
앞서 언급하였듯이 플랫폼을 구축하는데 필요한 비용은 낮지만, 송전 거리가 멀어질수록 가공 송전선 설치비용이 매우 증가하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8. Cost of HVAC 1000MVA
4.2 HVDC 방식
HVDC 방식에 포함되는 설비는 AC 변전 장비를 포함한 컨버터 스테이션 2기와 가공 송전선, 차단기 등이 있다. Fig. 9는 1000MVA 용량을 가정했을 때 송전 거리별 HVDC 투자비용을 나타낸다. 고가의 반도체 소자가 포함된 컨버터 스테이션으로 인해 초기 플랫폼
투자비용이 높은 것을 확인할 수 있다.
Fig. 9. Cost of HVDC 1000MVA
4.3 LFAC 방식
LFAC 방식에 포함되는 설비는 주파수 변환장치를 포함하는 주파수변환 스테이션 2기와 저주파 변압기, 가공 송전선, 차단기 등이 있다. 본 논문에서는
주파수변환 설비 중 가장 저렴했던 회전형 변압기 방식을 적용하였다. Fig. 10은 1000MVA 용량을 가정했을 때 송전 거리별 LFAC 투자비용을 나타낸다. 주파수변환 스테이션으로 인해 HVAC 보다 높은 초기 플랫폼 투자비용을
나타내지만, 가공 송전선 비용에서 HVAC 보다 이점이 있는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 10. Cost of LFAC 1000MVA
4.4 경제적 임계 거리 도출
Fig. 11은 500MVA의 발전단지를 가정했을 때 송전방식별 총금액을 나타낸다. Fig. 11의 (b)를 보면 600km까지는 HVAC 방식이 가장 경제적이었으나 610km에서 회선 수가 증가하여 LFAC가 가장 경제적인 것으로 나타났다.
또한, 500MVA의 경우 전력 손실이 비교적 낮게 나타나 1500km까지 고려하더라도 LFAC가 가장 경제적으로 나타났다.
Fig. 11. 500MVA cost comparison among HVAC, HVDC and LFAC (a) Full distance (b) Detailed
view for cross-over points
Fig. 12. 1000MVA cost comparison among HVAC, HVDC and LFAC (a) Full distance (b) Detailed
view for cross-over points
Fig. 12는 1000MVA의 발전단지를 가정했을 때 송전방식별 총금액이다. 마찬가지로 Fig. 12의 (b)를 보면 600km까지는 HVAC 방식이 가장 경제적이었으며, 620km부터는 LFAC 방식이 경제적인 것으로 나타났다. 또한, 송전 거리가
증가함에 따라 전력 손실이 증가하여 920km부터는 HVDC 방식이 경제적으로 나타났다. 따라서, 1000 MVA에서 LFAC의 경제적 임계 거리는
620km – 920km이다. Fig. 13은 1500MVA의 발전단지를 가정했을 때 송전 방식별 총금액이다.
Fig. 13. 1500MVA cost comparison among HVAC, HVDC and LFAC (a) Full distance (b) Detailed
view for cross-over points
Fig. 13의 (b)를 살펴보면 앞서와 마찬가지로 600km까지는 HVAC 방식이 가장 경제적이었으며 620km – 1200km 영역에서는 LFAC가 가장 경제적인
것으로 확인되었다. 경제적 임계 거리의 결과를 살펴보면, 거리에 따른 선로비용이 지배적으로 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 현재 조건에서는 600km
이하에서 HVAC가 가장 경제적이었으나 HVDC에서 용량을 고려하여 면적이 더 낮은 규격의 ACSR을 적용하거나 프로젝트 기간 및 이용률을 늘려 선로
손실을 증가시키면 HVDC 및 LFAC의 임계 거리가 더 짧아질 수 있음을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 대규모 전력전송 시스템에서 LFAC 방식의 경제적 임계 거리를 찾기 위해 경제성 분석을 수행하였다. 경제성 분석은 각 송전방식의 플랫폼
구성요소별 투자 금액과 선로비용을 산출하여 합산하는 방식으로 진행하였다.
500MVA, 1000MVA, 1500MVA의 재생에너지 연계를 가정하여 플랫폼 설치비용 및 선로비용의 경제성 분석을 진행한 결과, 600km 이내에서는
HVAC가 가장 경제적인 송전방식으로 확인되었으며 LFAC 방식은 HVDC보다 짧은 중간거리에서 경제적 임계 거리를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 국내의 지리적 특징을 고려하면 HVAC 방식이 600km 이전에서 가장 경제적이므로 대용량 재생에너지 연계방식은 HVAC가 적합하다고 판단할
수 있다. 하지만, 앞서 언급하였듯이 하나의 주파수로 동기화된 HVAC는 간헐적 특성을 가진 재생에너지 연계를 위해서 계통의 유연성을 보강하여야 한다.
HVDC와 LFAC는 비동기 계통연계 방식으로 국내 계통의 유연성을 보완할 수 있으며 전력제어가 비교적 용이하다는 점에서 이점을 가진다.
또한, 높은 이용률, 낮은 환경 영향, 대규모 단지 구성 등의 장점으로 확장되어가는 해상 풍력발전을 위해서는 해저 케이블이 필수적이다. 이러한 해저
전력전송에서 60Hz 주파수는 높은 충전전류를 발생시켜 전송용량을 제한하는 문제점을 가진다. 해외의 경우 충전전류 문제를 해소하기 위해 HVDC와
LFAC 방식을 사용하여 육상 계통과 연계를 진행하고 있다.
본 논문에서는 위와 같은 HVDC 및 LFAC의 이점을 고려하지 않고 육상 계통에서의 플랫폼 설치비용과 선로비용만을 적용하였다. 따라서, 추후 연구를
확장하여 국내에 계획되어 있는 대규모 해상풍력 발전단지 연계를 고려한 해저 케이블과 가공 송전선이 혼합된 시스템의 경제적 임계 거리를 도출하고 계통
유연성에 대한 이득을 금액화하여 Cost-Benefit 분석을 수행할 예정이다.
Acknowledgement
본 연구는 한국전력공사의 2022년 착수 사외공모 기초연구 사업에 의해 지원되었음. (과제번호:R22XO02-20)
또한, 이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.NRF-2022 R1A2C1013445)
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Biography
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is currently
Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea
since 2021. His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion
device design.
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is currently
Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea
since 2018. His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion
device design.
He received B.S. in Electrical Engineering from the Mokpo National University of
Korea, in 2017. He Has M.S. degree in Electrical Engineering from the Mokpo National
University of Korea, in 2020. He is currently a Ph.D. course in Electrical Engineering
from the Mokpo National University of Korea.
He received B.S. in 2019 and M.S. in 2021 at Mokpo National University. He is currently
a Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea.
His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion device
design.
Born on October 8, 1970, he graduated from Chonnam National University with a degree
in Electrical Engineering in 1996. He obtained his Master's degree in Electrical Engineering
from Chonnam National University in 1998 and earned his Ph.D. in Engineering from
Hokkaido University in Japan in 2003. Since 2005, he has been serving as a professor
in the Department of Electrical and Control Engineering at Mokpo National University.
He received the Ph.D. degree from Korea University, in 2000, in electrical engineering.
He was with Samsung Advanced Institute of Technology as a Senior Research Engineer
in 2000. From 2005 to 2013, he was an Administrative Official at Korea Intellec-tual
Property Office, Daejeon, Korea. In 2011, he was a Research Fellow at the University
of Michigan-Dearborn. In 2013, He joined the Department of Electrical and Control
Engineering,