hvdc 개요 1

케이블 내의 활선 도체는 상대적으로 얇은 절연층(유전성)과 금속 피복으로 둘러싸여 있기 때문에 긴 해저/지하 고압 케이블은 오버헤드 전송 라인에 비해 높은 전기 캐패시턴스를 가진다. 기하학은 긴 동축 콘덴서의 기하학이다. 총 캐패시턴스는 케이블 길이에 따라 증가한다. 이 정전용량은 부하와 병렬 회로 안에 있다. 케이블 전송에 교류가 사용되는 경우, 이 케이블 캐패시턴스를 충전하기 위해 추가 전류가 케이블로 흘러야 한다. 이러한 추가 전류 흐름은 케이블 도체에서 열의 방출을 통해 에너지 손실을 증가시켜 온도를 상승시킨다. 케이블 절연의 유전 손실의 결과로 추가적인 에너지 손실도 발생한다.

 

단, 직류를 사용하는 경우 케이블 캐패시턴스는 케이블이 처음 통전되거나 전압 레벨이 변경될 때만 충전되며, 추가 전류는 필요하지 않다. 충분히 긴 AC 케이블의 경우 충전 전류만 공급하려면 도체의 전체 전류 운반 능력이 필요할 것이다. 이 케이블 캐패시턴스 문제는 AC 전원 케이블의 길이와 전력 전달 능력을 제한한다.[29] DC 전원 케이블은 온도 상승과 옴의 법칙에 의해서만 제한된다. 일부 누설 전류는 유전 절연체를 통해 흐르지만, 이것은 케이블의 정격 전류에 비해 작다.

 

 전력의 첫 번째 장거리 전송은 1882년 Miesbach-Munich 전력 전송에서 직접 전류를 사용하여 입증되었지만 1.5 kW만 전송되었다.[12] 초기 고압 DC 전송 방법은 스위스 엔지니어 르네 투리[13]에 의해 개발되었으며, 1889년 이탈리아에서 Acquedotto De Ferrari-Galliera 회사에 의해 실행되었다. 이 시스템은 직렬로 연결된 모터-제너레이터 세트를 사용하여 전압을 증가시켰다. 각 세트는 전기 접지로부터 절연되었고 프라임 모터에서 절연된 샤프트에 의해 구동되었다. 변속기 라인은 각 기계마다 최대 5,000볼트까지 전류로 작동되었으며, 어떤 기계들은 각 정류기의 전압을 줄이기 위해 이중 정류기를 가지고 있다. 이 시스템은 120km 거리에서 14kV DC에서 630kW를 전송했다.[14][15] 무티어-라이온 시스템은 지하 케이블 10km를 포함해 200km 거리에 8,600kW의 수력발전소를 전송했다. 이 시스템은 양 극과 음 극 사이의 총 전압 150 kV를 위해 이중 정류기와 직렬 연결 발전기 8개를 사용했으며, c.1906부터 1936년까지 작동했다. 1913년까지 15개의 스리 시스템이 운영되었다.[16] 최대 100 kV DC로 작동하는 기타 Thury 시스템은 1930년대까지 작동했지만, 회전식 기계는 높은 유지관리를 필요로 하며 높은 에너지 손실을 초래했다. 20세기 상반기 동안 상업적인 성공을 거두지 못한 다양한 전자기계 장치가 시험되었다.[17]

 

높은 전송 전압에서 낮은 사용 전압으로 직류 전환을 시도하는 한 가지 기술은 직렬 연결 배터리를 충전한 다음 병렬로 연결하여 분배 부하를 처리하는 것이었다.[18] 20세기 경에 상용 설비가 두 개 이상 시도되었으나 배터리 용량 제한, 직렬 연결과 병렬 연결 간 전환의 어려움, 배터리 충전/배출 주기의 고유의 에너지 비효율성 때문에 이 기술은 일반적으로 유용하지 않았다.

 

HVDC는 동기화되지 않은 AC 전송 시스템 간의 전력 전송을 허용한다. HVDC 링크를 통한 전력 흐름은 선원과 부하 사이의 위상각과 독립적으로 제어할 수 있기 때문에, 전력의 빠른 변화로 인한 장애로부터 네트워크를 안정화시킬 수 있다. HVDC는 또한 50 Hz와 60 Hz와 같은 다른 주파수에서 실행되는 그리드 시스템 간의 전력 전송을 허용한다. 이것은 양립할 수 없는 네트워크들 사이의 전력 교환을 허용함으로써 각 그리드의 안정성과 경제를 개선시킨다.

 

 

 

고전압, 직류(HVDC) 전기 송전 시스템(전원 초고속 또는 전기 초고속도로라고도 함)[1][2][3][4]은 보다 일반적인 교류(AC) 시스템과 대조적으로 전력의 대량 송신을 위해 직류를 사용한다.[5] 장거리 전송의 경우, HVDC 시스템은 비용이 저렴하고 전기 손실이 적을 수 있다. 해저 전원 케이블의 경우 HVDC는 각 사이클의 케이블 캐패시턴스를 충전하고 방전시키는 데 필요한 중전류를 방지한다. 짧은 거리의 경우 직류 링크의 다른 이점 때문에 AC 시스템에 비해 DC 변환 장비의 더 높은 비용이 여전히 정당화될 수 있다. HVDC는 100 kV와 1,500 kV 사이의 전압을 사용한다.

 

 

 

전선의 저항에서 손실되는 에너지를 줄이기 위해 전기 동력 전달에 고전압이 사용된다. 일정한 양의 전력에 대해 전압을 2배로 하면 절반의 전류로 동일한 전력을 공급한다. 와이어에서 열이 발생하면 전력 손실이 전류의 제곱에 정비례하므로 전압을 2배로 하면 라인 손실이 4배 감소한다. 또한 도체 크기를 늘리면 송전기의 전력 손실도 줄일 수 있지만 대형 도체는 더 무겁고 더 비싸다.

 

조명이나 모터에는 고전압을 쉽게 사용할 수 없으므로 최종 사용 장비에 대해서는 전송 수준 전압을 줄여야 한다. 변압기는 교류(AC) 변속기 회로의 전압 레벨을 변경하는 데 사용된다. 변압기가 전압 변화를 실용적으로 만들고 교류 발전기가 DC를 사용하는 발전기보다 더 효율적이었기 때문에, AC는 1891년 유럽에 분포의 도입과 1892년 전류전쟁의 결론 이후 지배적이 되었다. 이는 토마스 에디 DC 시스템과 미국의 많은 전선에서 경쟁하고 있다.George Westinghouse의 AC 시스템과 아들.[10]

 

AC와 DC의 전력 변환은 수은아크 밸브와 같은 전력 전자 장치 개발로 가능했고, 1970년대부터 사이리스터로서 반도체 소자, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT), MOS 제어 티리스터(MCT), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 개발하였다.

 

1914년[19]에 처음으로 제안된 그리드 제어 수은-아크 밸브는 1920년에서 1940년까지의 기간 동안 전력 전송에 이용 가능해졌다. 1932년부터 제너럴 일렉트릭은 수은-증기 밸브와 12 kV DC 트랜스미션 라인을 시험했으며, 이것은 또한 40 Hz의 발전으로 60 Hz의 부하를 서비스하는 역할을 했다. 1941년 60MW ±200kV의 매립 케이블 링크는 수은아크밸브(Elbe-Project)를 이용해 베를린시를 위해 설계되었으나 1945년 독일 정부의 붕괴로 인해 이 사업은 결코 완료되지 않았다.[20] 이 사업의 명실상부한 명분은 전시 동안 매몰된 전선이 폭격 목표물로서 덜 눈에 띄게 되는 것이었다. 이 장비는 구소련으로 옮겨져 모스크바-카시라 HVDC로 운용되었다.[21] 모스크바-카시라 시스템과 스웨덴 본토와 고틀란드 섬 사이의 ASEA에 있는 Uno Lamm 그룹에 의한 1954년 연결은 HVDC 전송의 현대 시대의 시작을 알렸다.[12]

 

수성 아크 밸브는 전류를 0으로 강제하여 밸브를 잠그는 외부 회로를 필요로 한다. HVDC 애플리케이션에서 AC 전원 시스템 자체는 변환기의 다른 밸브에 전류를 정류하는 방법을 제공한다. 이에 따라 수은아크밸브로 구축된 컨버터는 라인 커미셔닝 컨버터(LCC)로 알려져 있다. LCC는 그들이 연결되어 있는 AC 시스템에서 회전 동기식 기계를 필요로 하므로, 전력 전송을 수동적인 부하로 할 수 없다.

 

수성 아크 밸브는 1972년부터 1977년까지 단계적으로 가동된 마지막 수은 아크 HVDC 시스템(캐나다 매니토바의 넬슨 리버 비폴 1 시스템)에서 일반적이었다.[22] 그 이후로 모든 수은 아크 시스템이 중단되거나 고체 상태 장치를 사용하기 위해 변환되었다. 수은아크 밸브를 마지막으로 사용한 HVDC 시스템은 뉴질랜드의 북부와 남섬 사이의 HVDC 연결로, 두 극 중 하나에 사용됐다. 수은 아크 밸브는 교체용 티리스터 변환기의 시운전에 앞서 2012년 8월 1일에 해체되었다.

 

1977년 이후 새로운 HVDC 시스템은 대부분의 경우 티리스터 밸브와 같은 솔리드 스테이트 장치만 사용해 왔다. 수은 아크 밸브와 같이, 사이리스터는 HVDC 어플리케이션의 외부 AC 회로에 연결하여 그것들을 켜고 끌 필요가 있다. 티리스터 밸브를 사용하는 HVDC는 라인 정류 변환기(LCC) HVDC로도 알려져 있다.

 

HVDC용 티리스터 밸브 개발은 1960년대 말에 시작되었다. 티리스터 밸브에 기초한 최초의 HVDC 계획은 제너럴 일렉트릭에 의해 건설되어 1972년에 가동되기 시작한 캐나다의 Eel River 계획이었다.

 

라인 커미셔닝 컨버터는 HVDC 시스템 사용에 몇 가지 제한이 있다. 이는 AC 회로가 브리리스터 전류를 차단하도록 요구하며, 단기간 '후진' 전압이 필요하여 차단(정지 시간)이 발생하기 때문에 발생한다. 이러한 한계를 해결하기 위한 시도는 소수의 HVDC 시스템에서 사용된 콘덴서 커미셔닝 변환기(CCC)이다. CCC는 변환기 변압기의 1차측 또는 2차측 AC 라인 연결부에 직렬 캐패시터를 삽입한다는 점에서 기존 HVDC 시스템과 다르다. 직렬 캐패시터는 컨버터의 정류 인덕턴스를 부분적으로 오프셋하고 고장 전류를 줄이는 데 도움이 된다. 또한 변환기/인버터에 더 작은 소멸 각도를 사용할 수 있으므로 무효 전력 지원이 필요하지 않다.

 

그러나 CCC는 소멸(정지) 시간의 필요성을 완전히 없애주는 전압원 변환기(VSC)의 등장으로 인해 틈새 애플리케이션으로 남아 있었다.