전력시스템공학 23 장. 전력신기술, HVDC 강원대전기공학과 3 학년 2011 년 2 학기 1
23.1.1 직류송전시스템의개요 23.1 HVDC 의개요 발전소의교류를직류로변환시켜송전후수전점에서교류로재변환시켜전력을공급 리액턴스에의한영향이없음 전력전송량증가 전력전송의방향이나크기를고속으로제어 장거리대전력전송, 주파수변환, 비동기연계에이용 2
23.1.2 직류송전의특징 23.1 HVDC 의개요 1. 경제적요인 1) 낮은투자비 (lower investment cost) A. 가공선을이용한전력전송의경우 (overhead line transmssion) 철탑의크기와소요부지가작기때문에 AC에비해 HVDC가유리함 단, Terminal Station이비싸므로단거리에서는불리함 B. 케이블을이용한전력전송의경우 AC 는 3 개의케이블이필요하지만 HVDC 는 1 개의케이블로가능 대지귀로전류가전력선주변에밀집하지않고널리확산 3
23.1 HVDC 의개요 2) 낮은전송손실 표피효과가없고리액턴스에의한손실이없음 전력변환과정에서손실이발생하므로단거리에서는불리함 4
23.1 HVDC 의개요 2. 기술적요인 1) 비동기연계 (asynchronous connection) 두전력계통을교류로연계하면전압, 주파수변동이다른계통에직접영향 직류로연계시, 전력변환기에의해계통간상호영향을신속히차단 두계통의전압위상을달리할수있어독립적으로운영이가능 2) 낮은단락전류 HVDC 계통측은단락전류에기여하지않음 5
3) 제어성 (controllability) 23.1 HVDC 의개요 HVDC 의용이한유효전력제어를통해 AC 계통의송전용량증대 4) 장거리해저 ( 수중 ) 송전 케이블의정전용량에의한영향이없음 6
23.1 HVDC 의개요 23.1.3 직류송전시스템의구성형태 1. Point-to-Point 방식 두지점사이를가송선이나케이블로연결 단극방식 대지나해수를귀로로사용 육상의가공전송방식에서는이용하지않음 변전소나파이프라인과최소 10 km 이상떨어져야함 양극방식 한극에고장이발생하면다른한극이대지귀로와함께동작 7
23.1 HVDC 의개요 2. Back-to-Back 방식 2개의변환기가동일장소에존재 저전압, 고전류로설계 설치장소와설비의공유로인해 PTP 방식의변환기 2개에비해비용이저렴 3. 다단자 (multi-terminal) 방식 복잡한계통구성이나전압보상을위한 2 개이상의터미널 8
23.2.1 컨버터의동작원리 23.2 HVDC 기본이론 컨버터 : 교류와직류를상호변환하는장치 인버터 : 직류를교류로변환 정류기 : 교류를직류로변환 1. 사이리스터밸브의기본동작원리 3~5 kv 정격전압의사이리스터를직렬연결하여원하는정격전압을만듦 양극의전압이음극보다높고제어게이트에양의전압이인가될때도통 9
23.2 HVDC 기본이론 23.2.2 정류기및인버터의동작원리 1. 컨버터회로 HVDC 컨버터구성으로널리사용되는 3상전파브리지회로 10
23.2 HVDC 기본이론 2. 3 상전파브리지회로해석 회로분석을위한가정 1 교류계통은인덕턴스만연결된이상전압원 2 직류측평활인덕터값이매우커서직류전류는리플없이일정 3 밸브는도통시저항 0, 비도통시무한대저항 11
23.2 HVDC 기본이론 3. 전압원의인덕턴스를무시한해석 1) 점호지연이없는경우 밸브의스위칭순서 12
23.2 HVDC 기본이론 2) 점호지연이있는경우 게이트제어를통해밸브의점호시간을지연시킴 지연시간 ( 점호각 ) 이클수록, 평균전압은감소 13
4. 전류중첩을고려한해석 23.2 HVDC 기본이론 교류측인덕턴스로인해상전류가변하는데일정시간이소요됨 14
23.2 HVDC 기본이론 중첩시간동안은밸브 3 개가도통 평균전압감소 15
23.2 HVDC 기본이론 5. 정류기동작 3상전파브리지정류기의등가회로 직류내부전압은점호각 α에대한함수 등가전류저항 R cr : 중첩때문에생기는전압강하를표현 16
23.2 HVDC 기본이론 6. 인버터동작 17
23.2.3 다중브리지컨버터 23.2 HVDC 기본이론 높은직류전압을얻기위해다수브리지를직렬로연결 다수브리지는교류측과모두병렬연결 12-펄스브리지 2개씩쌍을이루어직렬로연결되므로브리지의총개수는짝수개 18
23.3.1 제어의기본원리 1. HVDC 제어의기본수단 23.3 HVDC 시스템제어 사이리스터밸브의점호각제어 빠른응답특성으로인해, 초기의빠른동작을위해사용 컨버터변압기의탭제어 느린응답특성으로인해, 점호각을평상시값으로되돌리기위해사용 직류전압의극을거꾸로변환하면, 유효전력의방향을역으로바꿀수있음 19
23.4.1 해외프로젝트현황 23.4 HVDC 기술동향 2006 년 1 월기준으로 101 개의 HVDC 운전중 20
23.4.2 변환설비기술동향 23.4 HVDC 기술동향 1. 전류형변환기 (current source converter) HVDC 시스템에가장일반적으로사용 회전기기, 커패시터뱅크, 고조파필터가필요 2. 전압형변환기 (voltage source converter) 아직까지는저용량에서만사용 스위칭손실이크고소자의용량이작음 21
23.5.1 초전도체의발견 23.5 초전도 가스액화기술이개발된이후극저온연구시작 23.5.2 제로저항 (zero resistance) 도체의전기저항은온도감소에비례하여감소 전류를방해하는원자의열진동은도체가냉각될수록감소 초전도상태 : 0[K] 이상에서전기저항이제로로되는현상 23.5.3 임계자계와온도와의관계 임계자계이상의자기장을가하면초전도현상이사라짐 22
23.5 초전도 23.5.4 완전반자성 (Meissner effect) 외부에서자계가인가되면도체내부에역방향의유도전류가흘러도체내부의자계를소멸시킴 23
23.5.6 초전도케이블 23.5 초전도 기존케이블에비해송전용량이큼 OF 게이블과의비교 절연유대신, 냉매를강제순환 열을외부로발산하는역할대신, 외부의열침입을차단하고내부냉각 23.5.7 초전도케이블의구조및종류 24
1) Rigid 형 23.5 초전도 도체와단열관이모두단단한형태 좁은점유공간, 과다한접속 2) Semi Flexible 형 단열관은단단하고도체는유연한형태 단열관을먼저설치하고케이블코어는나중에포설 코어의접속수감소 3) Flexible 형 일괄제작으로높은신뢰성 3 상에단열관이각각따로필요하므로소요공간증가 열침입이다소큼 25
23.5.10 초전도전류제한기 고장전류증가를해결하기위한방안 23.5 초전도 전류제한기 사고가발생시고장전류를줄이는역할 이상적인전류제한기의조건 26
트리거 23.5 초전도 각층의전류방향이반대가되도록감긴 2 층코일의형태 상전도체로변환되었을때저항값이크도록길이를길게함 자계가상쇄되어인덕턴스는매우작음 정상상태에서는모든부하전류가트리거를통과 사고가발생하면전류방향을리미터쪽으로돌리는역할 리미터 고장전류가흐르면, 초전도상태에서상전도상태로전환 ( 퀜치 ) 하여임피던스가대폭증가 높은임피던스로고장전류를감소시키는역할 리미터로고장전류가흐르는동안트리거는냉각되면서빠른회복 27
23.5.9 초전도변압기 초전도전류제한형변압기 23.5 초전도 초전도변압기 + 초전도전류제한기 변압기측사고시주권선에서퀜치가발생하면보조권선을통해고장전류를흘려주권선보호 28
23.6 Smart Grid 23.6.1 스마트그리드 (Smart Grid) 출현배경및기능 주요기능 29
23.6.3 국내외추진현황 1. 각국별추진목적 23.6 Smart Grid 30
23.6 Smart Grid 3. 우리나라의추진현황 제주실증단지프로젝트 전력 IT 기술개발성과물통합실증 스마트그리드시범구축 31