HVDC와 HVAC, 장거리 송전 판단은 거리보다 케이블 구간이 먼저입니다

결론부터 씁니다. HVDC와 HVAC의 선택을 “몇 km부터 HVDC가 싸다”는 손익분기 거리로만 보면, 판단이 가장 먼저 뒤집히는 자리를 놓칩니다. 가공선 구간에서는 거리 논리가 통하지만, 해저·지중 케이블 구간이 있으면 교류 충전전류가 거리보다 먼저 한계를 만듭니다. 그리고 HVDC로 가기로 했다면 다음 분기는 연계점 교류 계통의 강도가 정합니다. 계통이 약하거나 무전원 계통에 연결해야 하면 전압형(VSC), 계통이 강하고 가공선 장거리 대용량이면 전류형(LCC)이 유리한 자리입니다.

안전 인터락 먼저 — 변환소 접근과 극 기동 조건

HVDC 변환소는 교류 측, 직류 측, 밸브, 필터 뱅크가 각각 에너지를 저장하는 설비입니다. 인터락은 “모든 에너지원이 격리·접지된 뒤에만 사람이 들어간다”를 기계식 키 순서로 강제하는 것이 출발점입니다.

1. EMO와 변환기 긴급 정지는 교류 측 차단기 트립 회로와 밸브 게이트 차단에 하드와이어로 직결합니다. 상위 제어와 PLC는 상태를 감시만 합니다.
2. 밸브홀 출입은 “교류 차단기 개방 → 밸브 블록 → 직류 측 전압 소멸 확인 → 직류 극·중성선 접지개폐기 투입 → 출입문 키 해제” 순서를 키 인터락으로 강제합니다.
3. 교류 필터·커패시터 뱅크는 개방 후 방전 시간을 거쳐 접지한 뒤 접근합니다.
4. 직류 접지개폐기는 직류 전압이 남아 있는 상태에서 투입되지 않도록 전압 검출 조건을 겁니다.
5. 밸브 냉각계(유량·전도도) 이상은 운전 허가 조건에서 빠지면 안 됩니다.
6. 상대 변환소와의 통신 두절 시 극 동작을 사전 정의된 상태로 수렴시킵니다. 마지막 지령 유지로 두지 않습니다.

케이블 구간의 충전전류 계산

교류 케이블은 도체와 차폐 사이가 커패시터입니다. 정상 상태에서도 선로 길이에 비례하는 충전전류가 흐르고, 이 전류는 유효전력을 나르지 않으면서 도체의 열 용량을 차지합니다.

• 가정: 345 kV, 60 Hz, 케이블 정전용량 0.2 µF/km(케이블 사양별로 다름).
• 상전압 = 345 / √3 ≈ 199.2 kV, ω = 2π × 60 ≈ 377 rad/s.
• km당 충전전류 = 199.2 kV × 377 × 0.2 µF ≈ 15.0 A/km.
• km당 충전 무효전력 = V² × ωC = (345 kV)² × 377 × 0.2 µF ≈ 9.0 Mvar/km.
• 한쪽 끝에서만 공급할 때 50 km면 약 750 A, 100 km면 약 1,500 A.

도체 허용전류를 1,000 A로 가정하면, 한쪽 끝 공급 기준 약 67 km에서 충전전류만으로 허용전류를 다 씁니다. 양 끝단에 분로 리액터를 두면 이 거리를 늘릴 수 있지만, 해저 구간 중간에는 보상 설비를 둘 수 없습니다. 직류는 정상 상태에서 충전전류가 없으므로 이 한계가 없습니다. 가공선은 정전용량이 케이블보다 훨씬 작아 같은 문제가 수백 km 단위로 밀려납니다. 이 때문에 흔히 인용되는 손익분기 거리도 가공선은 수백 km, 케이블은 수십 km 단위로 다르게 제시되며, 실제 값은 프로젝트별 비용 조건에 따라 달라지는 확인 필요 항목입니다.

LCC와 VSC — 연계점이 정하는 두 번째 분기

LCC는 사이리스터 변환기라 교류 계통 전압을 이용해 전류를 전환(커뮤테이션)합니다. 따라서 연계점 교류 계통이 충분히 강해야 하고, 변환 과정에서 무효전력을 소비하므로 교류 필터와 커패시터 뱅크가 큰 면적을 차지합니다. 대신 직류 선로 고장 시 점호각 제어로 고장 전류를 억제하고 재기동할 수 있어, 낙뢰가 잦은 가공선 장거리 구간에서 운용 이점이 있습니다.

VSC는 자기 소호 소자로 스스로 전압을 만들기 때문에 약한 계통이나 무전원 계통(해상풍력, 도서)에도 연결할 수 있고, 무효전력을 독립적으로 제어합니다. 반면 하프브리지 MMC 구성은 직류 측 단락 시 역병렬 다이오드를 통해 고장 전류가 교류 측에서 계속 공급되므로, 변환기만으로 고장 전류를 끊지 못하고 교류 차단기 트립이 필요합니다. 가공선 구간이 긴 VSC라면 이 점이 가용률에 직결되며, 풀브리지 셀이나 직류 차단기 같은 대책의 채택 여부가 설계 변수가 됩니다.

VSC 극 기동 허가 (ST 의사코드)

(* I/O MAP - VSC 변환소 1극 *)
(* %I4.0  DI_EMO_CHAIN_OK      : EMO 하드와이어 체인 정상 - 상태 감시 전용 *)
(* %I4.1  DI_VALVE_HALL_LOCKED : 밸브홀 출입문 키 인터락 잠김 *)
(* %I4.2  DI_DC_ES_OPEN        : 직류 극 접지개폐기 개방 *)
(* %I4.3  DI_COOL_OK           : 밸브 냉각 유량·전도도 정상 *)
(* %I4.4  DI_AC_CB_CLOSED      : 교류 측 차단기 52a *)
(* %I4.5  DI_PREINS_R_BYPASSED : 초기 충전 저항 바이패스 완료 *)
(* %I4.6  DI_REMOTE_READY      : 상대 변환소 준비 - 통신 수신 *)
(* %IW300 AI_UDC_KV            : 직류 극 전압 kV *)
(* %Q4.0  DO_PREINS_BYPASS_CMD : 초기 충전 저항 바이패스 지령 *)
(* %Q4.1  DO_DEBLOCK_PERMIT    : 변환기 디블록 허가 *)
(* 변환소 간 통신 : IEC61850_GOOSE 준비·트립 신호 *)

(* 1. 교류 차단기 투입 - 초기 충전 저항을 거쳐 셀 커패시터 충전 *)
(*    직류 전압이 목표의 일정 비율에 도달하면 저항 바이패스 *)
IF DI_AC_CB_CLOSED AND (AI_UDC_KV >= R_UDC_PREINS_TH) THEN
    DO_PREINS_BYPASS_CMD := TRUE;      (* R_UDC_PREINS_TH 는 제조사 값 *)
END_IF;

(* 2. 디블록 허가 - 안전·냉각·충전·상대측 준비가 모두 성립 *)
B_DEBLOCK_OK := DI_EMO_CHAIN_OK AND DI_VALVE_HALL_LOCKED AND DI_DC_ES_OPEN
                AND DI_COOL_OK AND DI_PREINS_R_BYPASSED AND DI_REMOTE_READY;

(* 3. 상대측 준비 신호 두절 - 지연 후 허가 해제, 마지막 상태 유지 금지 *)
TON_LINK(IN := NOT DI_REMOTE_READY, PT := T#500MS);   (* 예시값 *)
IF TON_LINK.Q THEN B_DEBLOCK_OK := FALSE; END_IF;

DO_DEBLOCK_PERMIT := B_DEBLOCK_OK;

초기 충전 저항 바이패스 기준 전압과 통신 두절 지연 500 ms는 설명용이며, 실제 값은 변환기 제조사 설계에 따릅니다. 통신 두절 시 극을 즉시 블록할지, 출력을 정해진 궤적으로 줄인 뒤 블록할지는 계통 운영자와의 협의 사항입니다.

HVAC·LCC·VSC 비교

표를 위에서 아래로 읽으면 판단 순서가 됩니다. 첫 줄에서 케이블 구간이 충전전류 한계를 넘으면 HVAC는 탈락하고, 둘째 줄에서 연계점 강도가 LCC와 VSC를 가르며, 넷째 줄에서 가공선 구간 비중이 VSC의 셀 구성과 직류 차단 대책을 정합니다. 거리와 비용은 이 세 줄을 통과한 후보들 사이에서 비교합니다.

경계 조건 — 거리 논리가 다시 살아나는 자리

케이블 구간이 짧고 대부분이 가공선이며, 중간 변전소에서 부하를 분기해야 하는 경로라면 HVAC가 유리합니다. 교류는 변압기 하나로 중간 분기가 되지만, 직류는 분기마다 변환소가 필요합니다. 송전 경로가 점대점이 아니라 여러 지점에 전력을 나눠 주는 구조라면 손익분기 거리보다 분기 수가 먼저 판단을 정합니다.

또한 연계점 양쪽이 같은 동기 계통 안에 있는 경우, HVDC는 두 지점 사이 조류를 제어할 수 있다는 이점이 있지만 교류 병렬 선로와의 조류 분담 제어가 새 운영 과제가 됩니다. 이 운영 조건은 계통 해석으로 확인할 항목입니다.

단일 판단 기준은 이것입니다. 케이블 구간의 충전전류가 도체 허용전류의 상당 부분을 차지하거나 연계점이 무전원·약계통이면 HVDC, 가공선 위주에 중간 분기가 필요하면 HVAC를 택합니다.