[논문]전압형 Back-to-Back HVDC를 이용한 수도권 전력 계통의 탄소세를 적용한 혼잡 비용 절감 방안 연구

권도훈; 이동우; 문승일

문제 정의

과거에는 전류형 HVDC가 많이 사용되었으나 전력전자 기술이 발달함에 따라 IGBT나 GTO 등의 강제 전류형(forced commutated) 전압형 컨버터가 만들어짐에 따라 전압형 HVDC의 사용이 증가하고 있다[2]. 따라서 본 논문에서도 전압형 HVDC에 대해 연구를 진행하였다. 전압형 HVDC는 유효 전력과 무효 전력을 독립적으로 제어할 수 있고 스위칭 주파수가 높아서 신속한 제어가 가능하며 소규모의 고조파 필터 용량을 요구한다.
본 논문에서는 BTB HVDC를 통해 비수도권으로부터 수도권으로의 융통전력의 증가분을 계산하였고 이를 토대로 탄소세를 고려한 혼잡 비용 저감 효과에 대해 분석한다
국내 전력 계통 중 수도권 전력 계통은 타 지역에 비해서 계통이 취약하기 때문에 이를 해결하기 위한 다양한 방안이 연구되고 있다. 본 논문에서는 수도권 전력 계통 문제점을 해결하기 위한 방안으로 전압형 BTB HVDC의 계통 투입에 관한 연구를 수행하였다. PSS/E 모의 결과를 통해 수도권에 전압형 BTB HVDC가 설치되었을 때 수도권 융통전력이 증가하는 것을 확인하였고 증가한 융통전력으로 인해 수도권의 발전기는 꺼지고 비수도권의 발전기들이 더 동작함으로써 발전 비용 절감 효과가 있음을 확인하였다.

제안 방법

TOE는 국제에너지기구(IEA)에서 만든 단위로 석유 환산톤을 의미한다. TOE를 구하기 위해 한전에서 제공한 발전기별 탄소 상수와 탄소배출계수를 이용하였다. 이 때 TOE는 다음과 같이 구할 수 있다.
수도권내의 루프 전력망에 전압형 BTB HVDC의 설치는 고장전류 등 다양한 요인을 고려하여 선정되어야 한다. 그러나 본 논문에서는 여러 모선에 전압형 BTB HVDC를 설치하여 시뮬레이션을 해본 결과, 수도권 내의 저전압이 가장 심할 것으로 예상되는 동서울 모선과 서서울 모선에 전압형 BTB HVDC를 설치하여 융통전력에 미치는 영향을 분석하였다.
같은 방법으로 전압형 BTB HVDC가 설치된 후 발전기별 운영비용은 먼저, 융통전력 증가분을 고려하여 수도권 발전량은 융통전력 증가분만큼 빼주고 비수도권 발전량은 융통전력 증가분만큼 더한다. 그리고 다시각 이산화탄소 배출량을 구하여 탄소세를 곱한 후 각 발전기별 발전 비용에 더하여 경제 급전을 통해 발전기별 발전 비용을 계산한다.
다음으로 발전기별 이산화탄소 배출량을 계산하기 위해 발전기별 TOE를 구한다. TOE는 국제에너지기구(IEA)에서 만든 단위로 석유 환산톤을 의미한다.
전압형 BTB HVDC 설치 후 수도권으로의 융통전력 증가로 인한 효과를 분석하기 위해서 2008년 12월에 발표된 제4차 전력수급기본계획의 자료를 참고하였다[4]. 동서울과 서서울에 500MW급 전압형 BTB HVDC를 설치하였을 때 2015년, 2016년, 2017년 융통전력 증가분을 계산하여 비교하였다. 수도권 융통전력을 구하기 위해서는 계통에 가장 심각한 영향을 미치는 상정사고를 선택해야 하는데 아산 T/L의 병행 2회 선에 사고가 발생되는 경우, 계통에 가장 불안정을 초래한다.
수도권 융통전력을 구하기 위해서는 계통에 가장 심각한 영향을 미치는 상정사고를 선택해야 하는데 아산 T/L의 병행 2회 선에 사고가 발생되는 경우, 계통에 가장 불안정을 초래한다. 또한 융통 전력은 2007년에서 2009년까지의 부하별 대표시간을 산정하여 그 평균값으로 부하별 융통전력의 총합으로 구한다. 다음 <그림 2>는 계통의 융통전력을 계산하기 위한 알고리즘을 보여준다.

대상 데이터

전압형 BTB HVDC 설치 후 수도권으로의 융통전력 증가로 인한 효과를 분석하기 위해서 2008년 12월에 발표된 제4차 전력수급기본계획의 자료를 참고하였다[4]. 동서울과 서서울에 500MW급 전압형 BTB HVDC를 설치하였을 때 2015년, 2016년, 2017년 융통전력 증가분을 계산하여 비교하였다.

성능/효과

본 논문에서는 수도권 전력 계통 문제점을 해결하기 위한 방안으로 전압형 BTB HVDC의 계통 투입에 관한 연구를 수행하였다. PSS/E 모의 결과를 통해 수도권에 전압형 BTB HVDC가 설치되었을 때 수도권 융통전력이 증가하는 것을 확인하였고 증가한 융통전력으로 인해 수도권의 발전기는 꺼지고 비수도권의 발전기들이 더 동작함으로써 발전 비용 절감 효과가 있음을 확인하였다. 그리고 각 발전기별 발전비용을 계산하는 과정에서 프랑스에서 시행중인 탄소세를 적용하여 탄소세를 적용한 발전 비용 절감 효과를 확인하였다.
각 년도별로 전압형 BTB HVDC가 설치되기 전과 후를 비교하였을때 동서울은 약 280.4MW, 서서울은 약 560MW 정도의 융통전력 증가가 있음을 볼 수 있다. 융통전력이 증가했다는 것은 그 만큼 비수도권에서 수도권으로 보내는 전력이 증가했음을 의미한다.
PSS/E 모의 결과를 통해 수도권에 전압형 BTB HVDC가 설치되었을 때 수도권 융통전력이 증가하는 것을 확인하였고 증가한 융통전력으로 인해 수도권의 발전기는 꺼지고 비수도권의 발전기들이 더 동작함으로써 발전 비용 절감 효과가 있음을 확인하였다. 그리고 각 발전기별 발전비용을 계산하는 과정에서 프랑스에서 시행중인 탄소세를 적용하여 탄소세를 적용한 발전 비용 절감 효과를 확인하였다. 실제 계통에서는 설치 위치에 따라 효과가 크게 차이가 나므로 실제로 수도권 전력망에 설치할 경우에는 설치 위치 선정에 대한 연구가 수행되어야 하며 이러한 위치 선정을 위해서는 고장 전류 저감 등의 여러 사항에 대한 고려가 필요하다.
이는 전압형 BTB HVDC의 제어 전략에 따라 무효전력을 흡수하여 융통전력이 오히려 감소한 것으로 생각된다. 또한 두 가지 경우 모두 최대부하일 때 융통전력이 가장 큰 것을 확인할 수 있는데 이를 통해서 최대부하일 때 전압형 BTB HVDC의 효과가 가장 잘 나타나는 것으로 생각할 수 있다.
위의 표에서 알 수 있듯이 동서울과 서서울에 각각 전압형 BTB HVDC를 설치하면 대부분의 부하수준에서, 전압형 BTB HVDC가 무효 전력을 보상하면서 융통전력이 증가함을 알 수 있다. 그러나 특이하게 동서울의 2016년의 경우에는 부하수준이 80%일 때와 60%일 때 오히려 융통전력이 감소하고 있다.
전압형 BTB HVDC가 동서울과 서서울에 설치되었을 때 각각 평균 5.8억원, 55.8억원의 발전 비용이 절감되는 것을 확인할 수 있다. 동서울에 전압형 BTB HVDC를 설치한 경우보다 서서울에 설치한 경우에 발전 비용이 훨씬 더 절감되는 것을 확인할 수 있는데 이는 전압형 BTB HVDC설치로 인한 융통전력 증가분이 동서울에 설치했을 때 보다 서서 울에 설치했을 때 훨씬 더 크기 때문이다.

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