HVDC 계통 연계 시 계통 안정성 문제와 해결 방법

목차

1. HVDC 시스템과 계통 안정성의 상관관계

2. 계통 안정성의 기본 개념

3. HVDC 계통 연계 시 발생하는 주요 안정성 문제

4. HVDC 방식에 따른 안정성 차이 - LCC vs VSC

5. 안정성 확보를 위한 기술적 해결 방안

6. 실시간 제어와 시뮬레이션 기반 대응

7. 국내 적용 사례 및 개선 방향

 

1. HVDC 시스템과 계통 안정성의 상관관계

HVDC(High Voltage Direct Current)는 초고압 직류 송전 기술로, 장거리 송전·해상풍력 연계·도심 지중 송전 등에서 기존 교류(HVAC) 방식보다 월등한 효율과 유연성을 제공합니다.

그러나 HVDC는 기존 AC 전력망과 구조적·동작적 특성이 다르기 때문에, 연계 시 여러 가지 계통 안정성 문제가 발생할 수 있습니다.

 

HVDC 계통 연계

특히 동기화, 무효전력 제어, 고장 발생 시 보호협조 체계 등에서 기존 AC 계통과 충돌 가능성이 존재하며, 이러한 문제는 단순 운용상의 불편을 넘어서 전력망 전체의 신뢰성에 영향을 미치는 중대한 이슈로 간주됩니다.

2. 계통 안정성의 기본 개념

전력 계통의 안정성이란 전력망이 외부 충격(고장, 부하변동, 발전기 트립 등)에 직면했을 때
시스템이 원래 상태로 복귀하거나 안정적으로 새 상태에 도달하는 능력을 의미합니다.

주요 안정성 항목은 다음과 같습니다:

• 주파수 안정성: 발전과 부하의 불일치에 따른 주파수 변화 억제
• 전압 안정성: 무효전력 부족 시 발생하는 전압 붕괴 방지
• 동기 안정성: 발전기 간 위상·속도 일치 유지
• 계통 복원력(Resilience): 고장 후 시스템 복구 능력

HVDC는 이 중에서도 전압 안정성과 동기 안정성 측면에서 교류망에 영향을 줄 수 있어, 철저한 계통 연계 설계와 보호·제어 체계 마련이 요구됩니다.

 

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3. HVDC 계통 연계 시 발생하는 주요 안정성 문제

HVDC 시스템이 AC 계통과 연계될 때 발생하는 대표적인 안정성 문제는 다음과 같습니다:

(1) 무효전력 부족

• LCC 방식은 무효전력을 소비하므로 AC 계통의 전압 유지 능력 저하
• 대규모 HVDC 변환소가 갑작스럽게 정지 시 주변 AC 계통 전압 붕괴 가능

(2) 동기 발전기 간 동기성 손실

• HVDC는 전력을 일정하게 송전하므로, AC 계통 내 발전기 간 위상 조절 불가
• 주파수 제어에 기여하지 못하며, 주파수 안정성 보조 수단 부족

(3) 고장 발생 시 보호협조 미흡

• 교류망 고장이 DC로 전파되거나 그 반대 상황 발생
• AC 보호계전기와 DC 보호계전기 간 통신/동작 시간 차이로 인한 오동작

(4) 파워 플로우(Power Flow) 불안정성

• HVDC가 일정 전력만 전송하므로, AC 계통에서 부하 변화 시 부하 재배분 어려움
• 이는 전체 전력망의 Power Flow 조절 능력을 약화시킴

 

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4. HVDC 방식에 따른 안정성 차이 – LCC vs VSC

HVDC 기술 방식에 따라 계통 안정성에 미치는 영향이 크게 다릅니다.

(1) LCC-HVDC

• 교류망이 안정적이지 않으면 정류 불가 → 강한 AC 계통 필요
• 무효전력 자체 조절 불가 → 전력 보상 장치 필수
• 시동 시 교류망 전압 필요 → 블랙스타트 불가

(2) VSC-HVDC

• 자체 무효전력 제어 가능 → 전압 안정성 우수
• 독립 운전 가능 → 미계통 지역 또는 블랙스타트 적용 가능
• 빠른 전력 방향 전환 → 계통의 유연성 강화

결론적으로, VSC 기반 HVDC 시스템이 계통 안정성 확보 측면에서 LCC보다 우수하다는 평가가 많습니다.

 

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5. 안정성 확보를 위한 기술적 해결 방안

HVDC 계통 연계 시 안정성을 확보하기 위해 다음과 같은 기술적 대응이 필수적입니다:

(1) STATCOM 및 SVC 설치

• 무효전력 보상 장치
• HVDC 정류소 인근 설치 → 전압 안정성 보강

(2) 동기 콘덴서(Synchronous Condenser) 연계

• 발전기 역할을 하되 전력 생산은 없음
• 계통의 회전관성 제공 → 동기 안정성 유지
• LCC 시스템과 연계할 때 주로 사용

(3) 복수 연계 포인트 설계

• HVDC 단일 연계 지점 → 고장 시 전체 송전 중단
• 다지점 연계로 전력 흐름 분산 → 계통 복원력 향상

(4) AC·DC 보호계전기 통합 및 디지털 통신

• IEC 61850 기반 통신 → 보호계전기 간 동기화
• GOOSE, MMS 등 빠른 데이터 교환 프로토콜 도입

(5) HVDC 용량 분산 운용

• 하나의 HVDC 회선에 전력 집중 → 고장 시 피해 큼
• 복수 회선을 통한 N-1 기준 충족 → 안정성 상승

 

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6. 실시간 제어와 시뮬레이션 기반 대응

HVDC 계통 안정성을 확보하기 위해 제어 시스템과 시뮬레이션 기반 운용도 중요합니다.

핵심 요소

• EMS(Energy Management System): HVDC 전력 흐름 실시간 조정
• RTDS(Real-Time Digital Simulator): 사고 시뮬레이션 및 보호 테스트
• SCADA 시스템 고속 통신망 연계: 고장 시 즉시 정보 전달 및 대응
• PMU(위상 측정 장치): 광범위한 계통 데이터 실시간 모니터링

이러한 시스템을 통해 고장 발생 전 조기 경보와, 고장 후 즉시 복구 대응이 가능합니다.

7. 국내 적용 사례 및 개선 방향

(1) 제주~해남 HVDC 연계

• LCC 기반 → 초기 무효전력 제어 문제 발생
• STATCOM 설치 및 한전 SOC 통합 제어로 안정화

(2) 동해안~수도권 HVDC 연계망

• VSC 기반 계획
• 동기 콘덴서, RTDS 테스트센터 구축 병행

(3) 울산 해상풍력 HVDC 연계

• 복수 계통 접속점 검토 중
• 계통 복원력 및 운영 안정성 확보 목적

이러한 국내 사례는 모두 HVDC 연계와 계통 안정성 확보가 동시에 진행되는 복합 설계 프로젝트라는 공통점을 가집니다.

 

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결론

HVDC 시대의 계통 안정성은 전략적 기술 선택의 문제

HVDC는 고효율 송전 방식이지만, 계통 안정성 측면에서는 고난도 기술적 대응이 요구됩니다.
송전 효율만 고려한 설계는 오히려 계통 리스크를 키울 수 있으며, 무효전력 보상, 동기화 유지, 보호계전 통합, 실시간 제어 기술이 안정적 연계의 필수 조건입니다.

특히 VSC-HVDC는 기존 HVAC와 비교해 전압 제어, 블랙스타트, 계통 복원력 측면에서 탁월한 확장성을 제공하며, 향후 대도시 공급망, 해상풍력 연계, 국가 간 전력망에서 핵심 역할을 수행할 것입니다.