한국 전력 계통의 가장 큰 문제점은 수도권의 부하 집중으로서, 서울과 경기도를 비롯한 수도권의 부하량은 전체 전력 소비량의 약 40%를 차지하는 반면 이들 지역의 발전량은 전체 전력 발전량의 약 16%에 불과하다. 이러한 수도권의 전력 수급에서의 불균형은 수도권이 아닌 다른 지역에서의 전력 전송을 필요로 한다. 이러한 장거리 전력 전송은 유효 전력에서의 손실 증대, 국지적인 무효 전력 불균형으로 인한 송전 용량 제한, 고장 용량의 증대 등을 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해 고려할 수 있는 가장 간단한 방법은 수도권 내의 발전소 신설 또는 대용량 송전 선로의 추가 설치이다. 그러나 수도권은 과도한 인적 물적 자원의 밀집으로 인하여 대규모 발전소 및 송변전 설비의 건설을 위한 토지 조달 등에 어려움이 있고 또한 인구 밀집 지역에서는 공해와 같은 환경적 문제와 혐오 시설 기피 등의 사회적 문제로 인하여 현실적으로 발전소 또는 송 변전 설비의 건설은 불가능한 실정이다. 따라서 대규모 설비의 건설에 의한 문제 해결 보다는 기존 설비의 활용도를 증대시키는 방향으로의 접근법이 요구된다. 본 연구에서는 기존 송전 선로의 활용도 증대를 고려한 HVDC의 적용 방안을 개발하고자 하며, 이를 위한 시뮬레이션 모델의 개발 및 해석을 다루고 있다.
한국 전력 계통의 가장 큰 문제점은 수도권의 부하 집중으로서, 서울과 경기도를 비롯한 수도권의 부하량은 전체 전력 소비량의 약 40%를 차지하는 반면 이들 지역의 발전량은 전체 전력 발전량의 약 16%에 불과하다. 이러한 수도권의 전력 수급에서의 불균형은 수도권이 아닌 다른 지역에서의 전력 전송을 필요로 한다. 이러한 장거리 전력 전송은 유효 전력에서의 손실 증대, 국지적인 무효 전력 불균형으로 인한 송전 용량 제한, 고장 용량의 증대 등을 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해 고려할 수 있는 가장 간단한 방법은 수도권 내의 발전소 신설 또는 대용량 송전 선로의 추가 설치이다. 그러나 수도권은 과도한 인적 물적 자원의 밀집으로 인하여 대규모 발전소 및 송변전 설비의 건설을 위한 토지 조달 등에 어려움이 있고 또한 인구 밀집 지역에서는 공해와 같은 환경적 문제와 혐오 시설 기피 등의 사회적 문제로 인하여 현실적으로 발전소 또는 송 변전 설비의 건설은 불가능한 실정이다. 따라서 대규모 설비의 건설에 의한 문제 해결 보다는 기존 설비의 활용도를 증대시키는 방향으로의 접근법이 요구된다. 본 연구에서는 기존 송전 선로의 활용도 증대를 고려한 HVDC의 적용 방안을 개발하고자 하며, 이를 위한 시뮬레이션 모델의 개발 및 해석을 다루고 있다.
One of the most serious problems in KEPCO power system is the load centralization in the capital area. The load capacity in the capital area is almost 40% of the total load. However, the generation capacity in this area is just 16% of the total generation. The inequality, between the power demand an...
One of the most serious problems in KEPCO power system is the load centralization in the capital area. The load capacity in the capital area is almost 40% of the total load. However, the generation capacity in this area is just 16% of the total generation. The inequality, between the power demand and supply, in this area needs the power transmission from other regions. The simplest method to solve the problem is the installation of power plants or the addition of high-capacity transmission line in the metropolitan area. However, because of the concentration of human and material resources, there is a difficulty in the installation of the generation and transformer facility. As a result, instead of the installation of large scale facilities, the approach to maximize the application of existing facilities is required. In this research, we will develop a scheme with an HVDC installation for enhancing power transfer capability by utilizing the existing transmission lines.
One of the most serious problems in KEPCO power system is the load centralization in the capital area. The load capacity in the capital area is almost 40% of the total load. However, the generation capacity in this area is just 16% of the total generation. The inequality, between the power demand and supply, in this area needs the power transmission from other regions. The simplest method to solve the problem is the installation of power plants or the addition of high-capacity transmission line in the metropolitan area. However, because of the concentration of human and material resources, there is a difficulty in the installation of the generation and transformer facility. As a result, instead of the installation of large scale facilities, the approach to maximize the application of existing facilities is required. In this research, we will develop a scheme with an HVDC installation for enhancing power transfer capability by utilizing the existing transmission lines.
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문제 정의
그러나 기존의 AC 선로를 사용하여 이 두 지역을 연결할 경우 이 신설 루트로 전송되는 전력의 제어가 불가능하고 또한 송전단에 사고가 발생 하였을 경우 고장 전류가 수전단 쪽으로 불필요하게 전달되어 사고의 파급 효과가 커질 수 있다. 따라서 이 구간에 AC 선로 대신 HVDC를 설치하여 문제를 해결하고자 한다.
따라서 대규모 설비의 건설에 의한 문제 해결 보다는 기존 설비의 활용도를 증대시키는 방향으로의 접근법이 요구된다. 본 연구에서는 기존 송전 선로의 활용도 증대를 고려한 HVDC(High Voltage Direct Current)의 적용 방안을 개발하고자 하며, 이를 위한 시뮬레이션 모델 및 해석을 다루고 있다.
가설 설정
⒞ 상정사고 : 위 표 2~10에 나타나 있는 북상 조류 루트 6개에 대하여 각 루트가 차단된 경우를 가정한다.
제안 방법
표 4는 2008년 한전 계획 계통 데이터에 HVDC를 설치한 후 Area #1 서울T/C의 최대 부하 증가량 분석을 수행한 결과이다. VSAT에서는 HVDC가 모델링 되어 있지 않기 때문에 VSAT에서 수행한 것과 같은 시나리오를 PSS/E에 적용하여 분석하였다.
그러나 1800 중부3 모선은 계통 부하의 유효 전력이 증가함에 따라 전압이 빠르게 떨어지고 무효 전력 여유 또한 매우 작음을 알 수 있다. 따라서 3800 신부평3 모선과 변압기로 연결된 하위 154kV 모선인 3810 신부평1 모선을 송전단으로 하고 1800 중부3 모선의 하위 154kV 모선인 1810 중부1 모선을 수전단으로 하여 HVDC를 설치하였다.
1% 증가)에서 각기 다른 형태의 HVDC가 설치 되었을 때의 분석 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 또한 FACTS 기기들의 영향을 비교하기 위하여 고장 임피던스 계산 시 FACTS와 DC 선로들을 차단(Block or Ignore)한 경우와 어드미턴스로 변환(Convert to Admittance Load)한 두 가지 경우에 대해 모두 계산하여 비교하였다.
과도 안정도 시뮬레이션에 사용된 계통은 HVDC가 설치되지 않은 2008년 한전 계통 데이터와 전압형 HVDC가 설치된 2008년 한전 계획 계통 데이터이다. 상정사고는 중부3 345kV 모선의 하위 154kV 계통에서 1865 순화 모선과 1870 서소문 모선 사이의 154kV 2회선 중 1회선 상정사고를 적용하였다. 시뮬레이션은 0.
수도권에 HVDC를 설치할 가장 적합한 위치를 선정하기 위하여 위 그림 1의 수도권 환선망 345kV 모선 중 154kV 하위 계통의 부하에 전력을 공급하는 역할을 하는 모선 22개에 대하여 PV와 QV 분석을 실시하였다. 아래 표 3은 PQ/QV 분석을 실시한 22개의 345kV 모선을 정리한 것이다.
위 결과로부터 전압형 HVDC의 설치로 인하여 수도권으로의 최대 전력 전송 능력과 단락 용량과 같은 정태 상태에서의 계통 특성이 개선되고 있음을 알 수 있다. 이 단원에서는 수도권의 전압형 HVDC의 설치 이후에 나타나는 동적 안정도 특성(과도 안정도)에 대하여 분석할 것이다.
수도권에 HVDC를 설치할 때 송전단은 전압 변화가 가장 작고 유무효 전력 여유가 가장 많은 모선들 중에 선택되어야 하며 수전단은 전압 변화가 가장 크고 유무효 전력의 여유가 가장 적은 모선들 중에 선택되어야 한다. 이러한 모선을 선정하기 위하여 한전 계획 계통 데이터에 수도권 각 지역에 대한 4개의 전력 전송 시나리오와 6개의 상정사고 시나리오를 모두 적용하여 가장 안정한 모선과 가장 불안정한 모선을 선택하였다.
이를 확인하기 위하여 2008년 한전 계통에 추가적인 선로의 증설 없이 1390 개성 모선을 통하여 북한으로 전력을 공급한다고 가정하고 북한으로 공급되는 전력은 이 모선의 부하로 등가화 하여 북한으로 전송할 수 있는 최대 전력량을 분석하였다.
대상 데이터
과도 안정도 시뮬레이션에 사용된 계통은 HVDC가 설치되지 않은 2008년 한전 계통 데이터와 전압형 HVDC가 설치된 2008년 한전 계획 계통 데이터이다. 상정사고는 중부3 345kV 모선의 하위 154kV 계통에서 1865 순화 모선과 1870 서소문 모선 사이의 154kV 2회선 중 1회선 상정사고를 적용하였다.
0초까지 진행하였다. 모니터링 된 계통 변수는 1800 중부3345kV 모선의 하위 154kV 계통에 있는 21821 서울-#4G와 21822 서울-#5G의 발전기의 회전자 위상각이다.
성능/효과
위 결과로부터 전압형 HVDC의 설치로 인하여 수도권으로의 최대 전력 전송 능력과 단락 용량과 같은 정태 상태에서의 계통 특성이 개선되고 있음을 알 수 있다. 이 단원에서는 수도권의 전압형 HVDC의 설치 이후에 나타나는 동적 안정도 특성(과도 안정도)에 대하여 분석할 것이다.
이 그림에서 확인 할 수 있는 것처럼 전압형 HVDC의 설치로 인하여 발전기의 초기 동작점이 HVDC가 설치되지 않은 계통과 다르게 나타나고 있다. 전압형 HVDC를 설치하지 않은 경우와 설치한 경우에 특별한 안정도의 변화는 없지만 사고 제어 후에도 이 초기 조건의 차이가 계속해서 나타나고 있으며 HVDC의 동작이 발전기 회전자 위상각의 변화에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.
표 6과 8에서 확인할 수 있는 것처럼 HVDC가 설치되지 않은 경우와 비교하였을 때 전류형 HVDC는 계통의 고장 용량을 증가시키지 않는 것을 알 수 있으며 전압형 HVDC는 계통의 고장 용량을 증가시키는 역할을 할 수 있음을 알 수 있다. 수도권의 경우 큰 고장 용량으로 문제가 되고 있는 지역이므로 이러한 고장 용량의 증대는 바람직하지 않지만, 대체 방안인 교류 송전선의 건설을 통해서는 더 큰 고장 용량의 증대가 있을 수 있다.
기존의 연구에서는 수도권의 부하 집중으로 인한 무효 전력 문제를 해결하기 위해서는 SVC와 STATCOM과 같은 FACTS 기기만이 고려되고 HVDC는 주로 지중 또는 수중을 통한 장거리 송전에만 고려되고 있다. 하지만 위 3~5 단원의 결과로부터 전압형 HVDC를 이용하여서도 이러한 수도권의 전압 문제를 해결할 수 있고 동적 안정도의 개선 효과 또한 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 하여 더욱 많은 HVDC의 적용 사례에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
후속연구
하지만 위 3~5 단원의 결과로부터 전압형 HVDC를 이용하여서도 이러한 수도권의 전압 문제를 해결할 수 있고 동적 안정도의 개선 효과 또한 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 하여 더욱 많은 HVDC의 적용 사례에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
장거리 전력 전송은 어떤 문제를 일으키게 되는가?
이러한 수도권의 전력 수급에서의 불균형은 수도권이 아닌 다른 지역에서의 전력 전송을 필요로 한다. 이러한 장거리 전력 전송은 유효 전력에서의 손실 증대, 국지적인 무효 전력 불균형으로 인한 송전 용량 제한, 고장 용량의 증대 등을 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해 고려할 수 있는 가장 간단한 방법은 수도권 내의 발전소 신설 또는 대용량 송전 선로의 추가 설치이다.
수도권 북상 조류는 어떤 루트를 통해 북쪽으로 이동하는 전력인가?
이러한 수도권 계통은 아래 그림 1에서 볼 수 있는 것과 같이 345kV 환선망으로 둘러싸여 있으며 수도권 부하들은 이 환선망의 345kV 모선에서 변압기를 통해 강압된 154kV의 하위 계통으로부터 전력을 공급 받고 있다. 이 수도권 환선망은 대부분의 전력을 2개의 765kV 루트와 4개의 345kV 루트를 통해 남부의 타 지역으로부터 공급받는다. 이 6개의 루트를 통해 북쪽으로 이동하는 전력은 수도권 북상 조류라고 불린다.
장거리 전력 전송으로 인한 문제를 해결하기 위해 고려할 수 있는 가장 간단한 방법은 무엇인가?
이러한 장거리 전력 전송은 유효 전력에서의 손실 증대, 국지적인 무효 전력 불균형으로 인한 송전 용량 제한, 고장 용량의 증대 등을 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해 고려할 수 있는 가장 간단한 방법은 수도권 내의 발전소 신설 또는 대용량 송전 선로의 추가 설치이다. 그러나 수도권은 과도한 인적 물적 자원의 밀집으로 인하여 대규모 발전소 및 송변전 설비의 건설을 위한 토지 조달 등에 어려움이 있고 또한 인구 밀집 지역에서는 공해와 같은 환경적 문제와 혐오 시설 기피 등의 사회적 문제로 인하여 현실적으로 발전소 또는 송 변전 설비의 건설은 불가능한 실정이다.
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