다주파수 저주파 교류 전송 시스템의 최적 설계와 운영

** 본 논문은 저주파 고전압 교류(LF‑HVac) 전송 방식을 기존 50/60 Hz 교류와 고전압 직류(HVDC)와 결합한 다주파수 전력 시스템에서 손실 최소화를 목표로 하는 설계·운영 최적화 방법을 제시한다. 연구 배경으로는 대규모 해상 풍력·초고압 전송 수요가 증가함에 따라 기존 HVDC가 직류 차단기 미성숙 등 멀티포인트 연결에 한계를 보이고, LF‑HVac이 AC 보호 체계와 다중 터미널 연결성을 유지하면서 전압·주파수 조절을 통해 전송 효율을 높일 수 있다는 점을 들었다. **1. 시스템 구조와 BTB 변환기** LF‑HVac 그리드와 기존 50/60 Hz 교류 그리드는 백투백(BTB) 변환기로 연결된다. 각 BTB 변환기는 VSC1(고주파 AC 측)과 VSC2(LF‑HVac 측)으로 구성되며, 공통 DC 링크 전압을 유지한다. VSC1은 PQ 또는 PV 모드로 실·무효 전력을 제어하고, VSC2는 DC 전압 제어와 QVDC(무효 전력) 혹은 V VDC(전압) 모드 중 하나를 선택한다. 슬랙 버스에 연결된 변환기의 경우, 실전력은 라인·변환기 손실을 보상하도록 자동 조정된다. **2. 손실 특성 분석** 200 km 전송선 사례를 통해 HVDC와 LF‑HVac(주파수 10 Hz) 전송 손실을 비교하였다. 전압을 260 kV와 345 kV로 설정하고, 실전력 전송량을 0–400 MW 범위에서 변화시켰을 때, LF‑HVac의 전송 손실은 전압·전송량에 따라 HVDC와 동등하거나 더 낮은 값을 보였다. 특히, 전압이 높을수록(345 kV) 라인 전류가 감소해 손실이 크게 줄어들었다. 주파수 변화에 따른 손실 및 수신 전압을 추가 분석했으며, 리액티브 전력 스케줄(0, 30, 60 Mvar)에 따라 최적 주파수가 달라지는 현상을 발견했다. 예를 들어, Q = 0 Mvar일 때 최적 주파수는 0.1 Hz(분석 최소값)였으며, Q = 60 Mvar일 경우 25 Hz가 최적이었다. 이는 라인 정전용량·리액턴스와 변환기 무효 전력 공급이 주파수에 따라 전류를 최소화하는 지점이 달라지기 때문이다. **3. 최적화 모델** 두 단계의 다목표 최적화 문제를 수립하였다. - **계획 단계**: 장기 부하 예측(최소·피크 부하)만을 사용해 LF‑HVac 그리드의 정격 전압 \(V_l\)을 결정한다. 목표는 전송 손실 최소와 전압 등급 비용 사이의 균형을 맞추는 것이며, 초기 주파수와 변환기·발전기·셔트 캐패시터 디스패치를 추정한다. - **운영 단계**: 실시간 부하 데이터를 입력으로 하여 최적 주파수 \(F_l\)와 BTB 변환기·발전기·셔트 캐패시터의 파워 디스패치를 동시에 결정한다. 제약 조건에는 전압·전류·전력 한계, 변환기 손실 모델, 그리고 LF‑HVac 라인의 전압·주파수 의존 파라미터(저항·리액턴스) 변화를 정확히 반영한다. 핵심 기술은 라인 파라미터가 전압·주파수에 따라 비선형적으로 변함을 고려한 **파라미터 스케일링 매트릭스**와 이를 기존 AC 전력 흐름 방정식에 통합한 것이다. 이를 통해 대규모 시스템에서도 계산 효율성을 유지하면서 비선형 제약을 정확히 만족시킬 수 있다. **4. 시뮬레이션 및 결과** 제안된 모델을 24시간 시뮬레이션에 적용하였다. 기존 고정 전압·주파수 운영에 비해 총 시스템 손실을 약 15 % 이상 감소시켰으며, 전압 편차를 0.02 pu 이하로 억제하였다. 또한, 변환기 손실과 라인 손실 간의 상호작용을 고려한 최적화가 변환기 손실을 최소화하면서 전송 효율을 극대화함을 확인했다. **5. 의의와 향후 과제** 본 연구는 LF‑HVac이 HVDC와 차별화된 장점을 제공하지만, 최적 전압·주파수·리액티브 파워 조정 없이는 기대 이점을 충분히 활용하기 어렵다는 중요한 교훈을 제시한다. 제안된 두 단계 최적화 프레임워크는 초대형 해상 풍력·다중 터미널 전송망 설계에 적용 가능하며, 변환기 기술이 발전함에 따라 시스템 유연성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 변환기 고장·보호 전략, 재생에너지 변동성, 그리고 다중 지역 협조 최적화를 포함한 확장된 모델링이 필요하다. **