hvdc 개요2

1980년대부터 모터 드라이브에 널리 사용된 전압원 변환기는 1997년 스웨덴의 Hellsjön-Grägesberg 실험 프로젝트와 함께 HVDC에 등장하기 시작했다. 2011년 말까지 이 기술은 HVDC 시장에서 상당한 비중을 차지하였다.

 

고등급의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 게이트 차단 사이리스터(GTO), 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT)의 개발로 소형 HVDC 시스템이 경제적으로 개발되었다. 제조업체 ABB 그룹은 이 개념을 HVDC Light라고 부르고, Siemens는 HVDC PLUS(Power Link Universal System)라고 하며, Alstom은 이 기술을 기반으로 HVDC MaxSine이라고 부른다. 그들은 HVDC의 사용을 수십 메가와트 정도의 작은 블록과 수십 킬로미터의 짧은 거리만큼 확장했다. 여러 가지 VSC 기술 변형이 있다. 2012년까지 제작된 대부분의 설치에서는 효과적인 초고전압 모터 드라이브인 회로에서 펄스 폭 변조를 사용한다. HVDC PLUS 및 HVDC MaxSine을 포함한 현재 설치는 MMC(모듈식 다중 레벨 변환기)라고 하는 변환기의 변형에 기초한다.

 

다층 변환기는 고조파 필터링 장비를 감소시키거나 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다. 비교를 통해, 일반적인 라인 정류 변환기 스테이션의 AC 고조파 필터는 변환기 스테이션 면적의 거의 절반을 차지한다.

 

시간이 경과함에 따라, 전압 소스 변환기 시스템은 아마도 가장 높은 DC 전력 전송 애플리케이션을 포함하여 설치된 모든 간단한 티리스터 기반 시스템을 대체할 것이다.

장거리 HVDC 전송 체계는 일반적으로 동등한 AC 전송 체계보다 전반적인 투자 비용이 낮고 손실이 낮다. 터미널 역의 HVDC 변환 장비는 비용이 많이 들지만, 장거리에서의 총 DC 전송 라인 비용은 동일한 거리의 AC 라인보다 낮다. HVDC는 세 단계를 지원할 필요가 없고 피부 효과가 없기 때문에 단위 거리 당 도체 수가 AC 라인보다 적다.

 

전압 수준과 건설 세부 사항에 따라, HVDC 전송 손실은 1,000km당 3% 미만으로, 동일한 전압 수준에서 AC 라인보다 3040% 더 낮다.[23] 직류는 활성 전력만 전송하므로 교류보다 손실이 적어 활성 전력과 무효 전력이 모두 전송되기 때문이다.

 

HVDC 전송은 다른 기술적 이익을 위해 선택될 수도 있다. HVDC는 별도의 AC 네트워크 간에 전력을 전송할 수 있다. 별도의 AC 시스템 간의 HVDC 전력 흐름은 과도 조건 동안 두 네트워크 중 하나를 지원하도록 자동으로 제어될 수 있지만, 한 네트워크에서 주요 전력 시스템이 붕괴되어 두 번째 네트워크 붕괴로 이어질 위험이 없다. HVDC는 규제 해제된 환경에서 최소한 하나의 HVDC 링크를 AC 그리드에 내장하여 시스템 관리 가능성을 개선한다. 제어 가능성 기능은 에너지 트레이딩 제어가 필요한 경우에 특히 유용하다.

 

HVDC 전송의 경제적 및 기술적 편익이 결합되면 주 사용자로부터 멀리 떨어진 곳에 위치한 전기 공급원을 연결하는 데 적합한 선택이 될 수 있다.

 

HVDC 전송 기술이 장점을 제공하는 구체적인 애플리케이션:

 

해저 케이블 전송 방식(예: 노르웨이와 네덜란드 사이의 580km Norned 케이블, Sardinia와 본토 사이의 이탈리아의 420km SAPEI 케이블,[25] 호주 본토와 태즈매니아 사이의 290km 및 스웨덴과 독일 사이의 250km 발틱 케이블.

중간 '탭'이 없는 엔드 투 엔드 장거리 대용량 송전기는 보통 원격 발전소를 메인 그리드에 연결하기 위한 것이다(예: 캐나다의 Nelson River DC 전송 시스템).

추가 와이어가 어렵거나 설치 비용이 많이 드는 상황에서 기존 전력 그리드의 용량 증가.

비동기화된 AC 네트워크 간의 전력 전송 및 안정화, 극단적인 예는 다른 주파수에서 AC를 사용하는 국가 간 전력 전송 능력이다. 그러한 전송은 어느 한 방향으로든 일어날 수 있기 때문에, 그것은 비상사태와 고장에서 두 네트워크가 서로 의지할 수 있게 하여 두 네트워크의 안정성을 증가시킨다.

결함 수준을 높이지 않고 주로 AC 전원 그리드를 안정화하십시오(전류 단락 전류).

바람과 같은 재생 가능한 자원을 주 송전망으로 통합. 육지풍 통합 프로젝트를 위한 HVDC 오버헤드 라인과 연안 사업을 위한 HVDC 케이블은 기술적 및 경제적 이유로 북미와 유럽에서 제안되었다. 다중 전압 소스 변환기가 있는 DC 그리드는 연안 풍력 에너지를 풀링하여 멀리 육지에 위치한 부하 센터에 전송하기 위한 기술적 솔루션 중 하나이다.[28]

 

AC 전송 어플리케이션에서 긴 지하 또는 해저 케이블의 용량성 영향은 훨씬 더 작은 범위라도 AC 오버헤드 라인에도 적용된다. 그럼에도 불구하고, 긴 AC 오버헤드 전송 라인의 경우, 라인 캐패시턴스를 충전하기 위해 흐르는 전류는 유의할 수 있으며, 이것은 원격 끝에서 로드에 유용한 전류를 전달하는 라인의 능력을 감소시킨다. AC 라인의 유용한 전류 전달 능력을 감소시키는 또 다른 요인은 도체의 단면적 영역에 걸쳐 불균일한 전류 분포를 야기하는 피부 효과다. 직류 전류로 작동하는 송신선 도체는 이러한 제약 조건 중 하나를 겪지 않는다. 따라서 동일한 도체 손실(또는 가열 효과)의 경우, 주어진 도체는 HVDC로 작동할 때 AC보다 더 많은 전류를 부하로 전달할 수 있다.

 

마지막으로, HVDC로 작동하는 오버헤드 라인 절연의 환경 조건과 성능에 따라, 주어진 전송 라인은 HVDC 전압이 설계 및 절연되는 피크 AC 전압과 거의 동일한 일정한 HVDC 전압으로 작동할 수 있다. AC 시스템에서 공급되는 전력은 AC 전압의 평균 제곱근(RMS)으로 정의되지만, RMS는 피크 전압의 약 71%에 불과하다. 따라서, HVDC 라인이 AC 등가 라인의 피크 전압과 동일한 HVDC 전압으로 연속적으로 작동할 수 있는 경우, 특정 전류(HVDC 전류가 AC 라인의 RMS 전류와 동일할 경우)에 대해 HVDC로 작동할 때의 전력 전송 능력은 작동 시 용량보다 약 40% 더 높다.ng AC 포함.

HVDC는 동기화되지 않은 AC 배전 시스템 간의 전력 전송을 허용하기 때문에, 더 넓은 전력 전송 그리드의 한 부분에서 다른 부분으로 계단식 고장이 전파되는 것을 방지하여 시스템 안정성을 높이는 데 도움이 될 수 있다. AC 네트워크의 일부가 동기화되지 않고 분리되게 하는 부하 변화는 DC 링크에 유사하게 영향을 미치지 않으며 DC 링크를 통한 전력 흐름은 AC 네트워크를 안정화시키는 경향이 있다. DC 링크를 통한 전력 흐름의 크기와 방향은 직접 제어될 수 있으며, DC 링크의 한쪽 끝에서 AC 네트워크를 지원하기 위해 필요에 따라 변경할 수 있다. 이로 인해 많은 전력 시스템 사업자들은 안정성 이점만을 위해 HVDC 기술의 광범위한 사용을 고려하게 되었다.

HVDC의 단점은 전환, 전환, 제어, 가용성 및 유지관리에 있다.

 

HVDC는 주로 추가 변환 장비로 인해 교류(AC) 시스템보다 신뢰성이 낮고 가용성이 낮다. 단일 폴 시스템의 가용성은 약 98.5%이며, 결함으로 인해 다운타임의 약 1/3이 계획되지 않았다. 내결함성 쌍극 시스템은 링크 용량의 50%에 고가용성을 제공하지만, 전체 용량의 가용성은 약 97%에서 98%이다.[30]

 

필요한 변환기 스테이션은 비싸고, 과부하 용량이 제한되어 있다. 더 작은 전송 거리에서, 변환기 스테이션에서의 손실은 동일한 거리에 대한 AC 전송선에서의 손실보다 클 수 있다.[31] 회선 공사비 절감 및 회선 손실 감소로 인해 변환기 비용은 상쇄되지 않을 수 있다.

 

HVDC 시스템은 AC 시스템보다 표준화가 덜되고 기술 변화가 더 빠르기 때문에 HVDC 체계를 운영하려면 많은 예비 부품을 보관해야 한다(대개 한 시스템 전용).

 

AC 시스템과 대조적으로, 다중 헤더 시스템의 실현은 기존 체계를 다중 헤더 시스템으로 확장하는 것과 같이 복잡하다(특히 라인 공통 변환기와 함께). 멀티미터 DC 시스템에서 전력 흐름을 제어하려면 모든 단자 사이에 양호한 통신이 필요하다. 전력 흐름은 AC 전송 라인의 고유한 임피던스와 위상각 특성에 의존하는 대신 변환기 제어 시스템에 의해 능동적으로 조절되어야 한다.[32] 다항체계는 드물다. 2012년 현재, 오직 두 개의 하이드로 퀘벡 – 라디슨, 샌디 폰드, 니콜레[33] 사이의 뉴잉글랜드 전송과 코르시카 섬에 전력을 공급하기 위해 1989년에 수정된 사르디니아-메인랜드 이탈리아 링크만이 서비스를 받고 있다.

HVDC 회로 차단기는 전류를 0으로 강제하기 위해 회로 차단기에 일부 메커니즘이 포함되어야 하기 때문에 제작이 어렵다. 그렇지 않으면 아크와 접점 마모가 너무 커서 신뢰할 수 있는 스위칭을 할 수 없을 것이다. ABB는 2012년 11월 세계 최초로 초고속 HVDC 회로차단기 개발을 발표했다.[35][36] 기계 회로차단기는 다른 용도에 수년 동안 사용되었지만 HVDC 그리드에서 사용하기에는 너무 느리다.

 

ABB 차단기는 기계식 2개(고속 1개, 저속 1개)와 반도체 2개(고전압 1개, 저전압 1개)의 스위칭 소자로 구성된다. 일반적으로, 전력은 저속 기계식 스위치, 고속 기계식 스위치 및 저전압 반도체 스위치를 통해 흐른다. 마지막 두 스위치는 고전압 반도체 스위치와 병렬로 작동한다.

 

처음에는 모든 스위치가 닫힌다(ON). 고전압 반도체 스위치는 기계적 스위치와 저전압 반도체 스위치보다 저항이 훨씬 크기 때문에 전류가 낮다. 연결을 끊으려면 먼저 저전압 반도체 스위치를 여십시오. 이것은 고전압 반도체 스위치를 통해 전류를 우회시킨다. 그것의 상대적으로 높은 저항 때문에, 그것은 매우 빠르게 열을 가하기 시작한다. 그런 다음 고속 기계 스위치를 여십시오. 닫힌 고전압 반도체 스위치의 전압 강하만 견딜 수 있는 저전압 반도체 스위치와 달리 최대 전압을 견딜 수 있다. 개방 시 이 스위치를 통과하는 전류가 흐르지 않기 때문에 아크에 의해 손상되지 않는다. 그런 다음 고압 반도체 스위치가 열린다. 이것은 실제로 전력을 차단한다. 하지만, 100%가 아닌 것은 아니다. 최종 저속 기계 스위치는 잔류 전류를 차단한다.