VSC HVDC 전송선 전압 보안 분석

초록

재생에너지 확대와 기존 발전소 퇴출로 전력계통의 유효·무효 전력 흐름이 크게 변하고 있다. 본 연구는 500 kV 교류 전송선을 VSC‑HVDC 전송선으로 교체했을 때 시스템 전압 보안에 미치는 영향을 평가한다. 반응 부하 여유(RLM) 방법을 기반으로 Dominion Energy의 계획 모델에 적용했으며, P‑V 제어와 P‑PF 제어 두 가지 HVDC 제어 방식을 비교한다. k‑means 군집화를 통해 네트워크를 세 개의 대표 구역으로 나누고, 각 구역별 결과를 분석한다. 결과는 P‑V 제어가 전압 보안을 크게 향상시키는 반면, P‑PF 제어는 오히려 전압 안정성을 악화시킴을 보여준다.

상세 분석

본 논문은 전력계통의 전압 보안을 정량적으로 평가하기 위해 전통적인 무효 부하 여유(Reactive Load Margin, RLM) 지표를 활용하였다. RLM은 각 버스에서 허용 가능한 무효 부하 증가량을 계산함으로써 전압 붕괴 위험을 사전에 파악할 수 있는 방법이며, HVDC 전송선이 도입된 경우에도 적용 가능하도록 모델을 확장하였다. 연구에서는 Dominion Energy가 운영 중인 대규모 계획 모델을 사용했으며, 기존 500 kV 교류 전송선을 VSC‑HVDC 전송선으로 대체하는 시나리오를 설정하였다. VSC‑HVDC는 전압 및 전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있지만, 제어 전략에 따라 계통 전압 특성이 크게 달라진다. 두 가지 제어 방식을 비교했는데, 첫 번째는 전압 제어(P‑V) 방식으로 전압을 목표값에 고정하고 유효 전력을 조절한다. 두 번째는 유효 전력과 역률(P‑PF) 제어 방식으로 전력 흐름을 목표값에 맞추면서 역률을 일정하게 유지한다. k‑means 군집화를 적용해 전체 네트워크를 세 개의 대표 구역(도시 중심 구역, 변전소 주변 구역, 외곽 산업 구역)으로 나누고, 각 구역별 RLM 변화를 분석하였다. P‑V 제어 구역에서는 전압 상승 효과가 두드러져 RLM이 평균 35 % 이상 증가했으며, 전압 한계에 근접한 버스들의 전압 복구 속도도 현저히 빨라졌다. 반면 P‑PF 제어 구역에서는 전압 강하가 심화되어 RLM이 평균 12 % 감소하고, 일부 버스에서는 전압 붕괴 위험이 급격히 상승하였다. 이러한 차이는 HVDC 컨버터가 전압을 직접 지원하는 P‑V 제어가 무효 전력 공급을 보강하는 역할을 수행하는 반면, P‑PF 제어는 전력 흐름을 고정하려다 오히려 무효 전력 부족을 초래하기 때문이다. 또한, 전압 보안 향상 효과는 HVDC 라인의 용량, 전압 레벨, 그리고 기존 AC 라인과의 상호 작용에 따라 민감하게 변한다는 점도 확인되었다. 연구 결과는 HVDC 도입 시 제어 전략 선택이 전압 보안에 미치는 영향을 정량적으로 보여주며, 향후 대규모 재생에너지 통합을 위한 전력계통 설계에 중요한 시사점을 제공한다.