이러한 이유는 육지에 위치한 풍력단지는 대규모로 만들기가 어렵고, 양질의 풍력에너지를 얻을 수 없다. 그리고 커다란 풍력 Tower는 경우에 따라서는 새로운 환경문제를 유발할 수 있기 때문에 건설이 용이하고 바람의 흐름이 급속하게 변하는 육지와 바다 사이의 근해에 풍력단지(Offshore Wind Power)를 건설하는 것이 요즘 풍력단지의 흐름이라 하겠다.
바람에너지를 전기에너지를 변환할 때 에너지 변환비율은 일반적으로 30% 정도인 것으로 알려져 있다. 풍력시스템은 화석연료와 달리 에너지 효율을 높이는 방법이 대단히 어렵기 때문에 자연적인 조건에 가장 적합한 발전기를 선정하는 것이 대단히 중요하다.
㉮ 기존의 교류전력 전송방법으로 해상풍력단지를 연결하는 방법
HVAC전송방식은 Offshore Substation, XLPE Cable 그리고 Onshore Substation으로 구성돼 있으며, 풍력시스템에 발생할 수 있는 전압안정도 문제에 따라 SVC가 추가된 것이다. 기본적으로 HVAC가 적용될 수 있는 거리는 수십 km 이내이다.
㉯ HVDC(전류형 HVDC)를 이용한 해상풍력
그림 1은 HVDC를 이용한 해상풍력시스템을 나태내고 있다.
그림 1에서 보여주는 바와 같이 Classic HVDC를 이용한 해상풍력시스템은 STATCOM과 HVDC 그리고 MI케이블로 구성돼 있다. 이러한 형태의 전력전송방식은 장거리 그리고 대용량인 경우에 적합하다.
㉰ 전압형 HVDC를 이용한 해상풍력
전압형 HVDC를 이용한 해상풍력 방식은 수전단 측에 Black-Start가 가능하고 유효전력과 무효전력의 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 단, 전력손실이 높고 대용량으로 만들기가 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다. 이러한 전압형 HVDC시스템은 극성반전이 거의 없기 때문에 XLPE Cable을 이용해 계통을 연계한다.
전압형 HVDC는 무효전력의 흡수와 발생이 가능하고, 유효전력의 방향을 임의로 바꿀 수 있는 장점이 있으며, 설치 면적도 Classic HVDC의 65% 수준으로 작다. 그리고 전압원이기 때문에 전압원 HVDC의 커패시터는 수전단 측의 전력을 평활하는 전압필터 그리고 순간적인 전력의 차단에서 전력을 공급하는 Power Source의 역할을 한다.
전압형 HVDC가 설치돼 있는 계통의 가장 큰 특징 중의 하나는 2개의 계통이 서로 Islanding돼 있기 때문에 서로 간섭을 하지 않는다. 이 같은 사실 때문에 송전단에서 계통사고가 발생한 후에 발전기가 가속해도 이러한 발전기의 가속에너지가 전압형 컨버터를 통해 수전단 측의 전기에너지로 변환할 수 있다.
이에 풍력단지를 AC전력망으로 연계할 것인지 아니면, HVDC로 연계할 것인지는 거리와 용량에 따라 다른데. 그림 2는 거리와 용량에 따른 풍력연계방식을 보여주고 있다.
또한 HVDC를 이용한 풍력단지 전력연계는 다음과 같은 선택권을 준다.
● 풍력발전기의 종류를 다양화 할 수 있다
HVDC단에 연계된 AC계통의 전력품질은 HVDC의 성능에 달려있고, HVDC시스템은 일종에 풍력발전단과 AC계통사이에 전기적인 완충기(Electrical Buffer)역할을 하기 때문에 풍력발전단의 발전기를 선택하는 문제는 AC발전기(동기기 혹은 유도기) 또는 DC발전기와 같이 다양해질 수 있다.
● 풍력 발전단의 주파수와 전압의 선택문제가 자유롭다
HVDC는 주파수와 전압이 상이한 계통을 연계하기 때문에 풍력발전단의 주파수와 전압선택문제는 AC계통에 비해 대단히 자유롭다.
● 풍력 발전단의 전력품질문제는 수전단의 AC계통보다 덜 완고하다
전력품질문제는 전력계통에서 주파수와 전압 그리고 고조파문제를 말한다. 이러한 전력품질은 법적으로 규정된 값 이상으로 유지시켜야 하기 때문에 많은 투자비가 소요된다. 그러나 HVDC는 상이한 계통을 연결해 주는 시스템이기 때문에 전력 전송 단에서 전력품질 문제가 수전단에 영향을 미치지 않는다. 이로 인해 시스템 설계에 대단히 유리하다. (엄밀히 말하면 HVDC도 상이한 2개의 계통사이의 상호작용은 작으나마 존재한다.)
KEPCO-전력연구원 송배전연구소 공학박사 김 찬 기
한국전력신문
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