BC-EC를 병용한 HVDC 시스템의 경제성 분석에 관한 연구 = A Study on the BC-EC Hybrid Economic Analysis of HVDC System

국문 초록 (Abstract)

우리나라의 전력 현황을 보면, 수도권 인구 집중화로 인해 수도권의 부하 전류가 급증하고 있으며, 이로 인하여 사고 시 파급효과가 크고 기존 기계적 차단기만으로는 고장전류 파급을 제한하는데 한계가 있는 실정이다. 이에 수도권 고장전류를 제한하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 일환으로 HVDC 시스템을 이용하여 수도권 환상망을 분리하려는 연구가 진행되고 있는 실정이다. 최근 전력전자 및 통신기술의 비약적인 발달을 기반으로 다양한 HVDC 시스템이 개발되고 있으며, 특히 동북아시아 지역을 하나의 전력망으로 연결하자는 논의가 활발해지면서 초고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current Transmission System)에 대한 관심이 국내에서도 높아졌다. 또한 태양광, ESS, 연료전지와 같이 터빈을 돌리지 않고 고정된 극성으로 직류전력을 생산, 활용하는 자원의 증가와 더불어 데이터센터, 전기차 충전소와 같은 직류전력만을 소모하는 수요자원이 등장하면서 직류전력시스템이 빠르게 확산되고 있다. 특히 기존/신규 발전단지에서의 전력 인입선로의 확보와 수도권 환산망의 안정성에 대한 문제는 국가연구개발 사업으로 추진하고자 하며 그에 따른 경제성 분석 또한 필요한 현실이다.
경제성분석은 비용편익분석법(CBA: Cost Benefit Analysis)과 비용효과분석법(CEA: Cost Effectiveness Analysis)의 2가지 방법을 주로 사용한다. 비용편익분석법은 비용대비 편익의 비율을 보고 비율이 높은 경우 수익성이 높고 경제적 효과도 높다고 판단하는 방식이다. 비용효과분석법은 직접적 경제적 편익의 추정이 불가능하거나 무의미하다고 판단되는 일부 순수 R&D 기술개발의 경우에는 경제적 편익 추정을 대신하여 직접적인 파급효과의 추정을 할 수 있는 방법이다. 기존에는 시스템 개발 및 설치 사업의 경우 사업의 목적은 기존/신규 발전단지 전력 인입선로 확보 및 수도권 환산망 신뢰성 제고라는 효과를 제시하였다. 그리고 수도권 안정화의 편익에 대한 시장 가격, 생산가격등의 자료 확보가 어려워편익을 산정하지 못한 경우, 적용하는 시스템의 부가가치만을 편익으로 분석하는 한계가 있었다. 이런 경우, 시스템 사업의 수혜자가 특정 개발자가 아닌 전체 국민과 국가라는 점과 부가가치 창출 편익의 수혜자는 시스템 개발 및 생산자라는 점에 대한 상반되는 문제가 대두되고 있다. 또한 전압형 HVDC 시스템을 목적달성의 유일한 대안으로 사전에 인정하고 비용편익분석을 진행하므로 전압형 HVDC 시스템이 기존/신규 발전단지 전력 인입선로 확보 및 수도권 환산망 신뢰성 제고를 위한 유일한 대안인지에 대한 지적도 존재한다.
따라서 본 논문에서는 비용편익분석법과 비용효과분석법의 병용방법(Benefit Cost - Effectiveness Cost)을 사용했으며, 비용효과분석을 통해 이러한 특정대안인 시스템 선정에 대한 타당성을 확보해주고, 비용효과가 높은 시스템의 개발과 설치를 통해 피해비용 저감의 효과들을 화폐화가 가능하도록 비용편익분석을 실시하여, 두 가지 방법의 단점을 보완하고 시스템 개발 및 적용 사업의 경제성을 강화 할 수 있었다.
본 논문에서는 기존 경제성 분석의 편익 선정절차의 타당성을 확보하지 못해 선정하지 못한 편익들을 산정하기 위한 경제성 분석의 방법론으로 처음으로 전력시스템 개발 및 적용에 비용효과분석법을 적용할 것을 제안했다. 특히 기존/신규발전 단지 전력 인입선로 확보 및 수도권 환산망 신뢰성 제고를 위한 문제 해결을 위한 여러 대안 중 최근 국제적으로 활발히 연구개발 및 설치되고 있는 전력전송 신기술시스템인 HVDC 시스템의 경제적 타당성 분석을 수행하여 적절한HVDC 시스템의 구성방식을 제안하기 위해 전류형과 전압형 시스템의 비용비교를 분석하였다. 비용효과분석법에서 확보된 EC의 비율을 높이기 위해 전압형 HVDC의 비용편익분석을 추가로 진행하여 기존 전력시스템 개발 및 설치의 경
제성 확보에 대한 비용편익-비용효과(BC-EC)의 병용방법론을 제시하였다.
또한, 다양한 분석 접근법의 편익산정의 필요성을 제시함으로써 장기적이고 국가 정책적인 전력사업의 타당성 확보의 어려움을 최소화하였다. 전력 시스템분야의 국가 연구개발 사업의 최초 비용효과분석 적용을 통해 전력시스템 개발 사업의 경제성 분석의 새로운 기준을 마련하였고, 이는 국가 연구개발 사업 예비타당성 조사 수행 세부지침(20.1)에 분석방법론으로 반영되었다. 또한, 추가적으로 제안한 BC-EC 병용을 통해 시스템개발 설치 사업의 경제적 타당성을 더욱더 높일 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, the load current is rapidly increasing in Korea due to population concentration in the metropolitan area. As a result, accidents have large ripple effects, and existing mechanical circuit breakers alone are insufficient for suppressing fault current propagation. Therefore, various studies are in progress to limit the fault current in the capital area. The investigations include the use of high-voltage direct current
(HVDC) to separate closed-loop systems in the capital area.
Recently, various HVDC systems have been developed based on the rapid development of power electronics and communications technology, and discussions on connecting Northeast Asia to a single power grid have
increased domestic interest in HVDC transmission systems. Recent developments can also be attributed to the rapid spread of direct-current (DC) power systems with growing resources that produce and utilize DC power with a fixed polarity without turning a turbine. Such resources include photovoltaics, energy storage systems (ESSs), and fuel cells. In addition, the emergence of demand resources that only consume DC power, such as data centers and electric-vehicle charging stations, has also influenced the recent developments.
Securing power transmission routes for new and existing power plants and improving the reliability of closed-loop systems in the capital area continue to be issues. Various technological alternatives to resolve these
issues should be proposed and resolved as a national issue, and economic evaluation of those alternatives is necessary to promote national research and development (R&D) projects. Economic evaluation commonly applies one of these two methods: cost–benefit analysis (CBA) and cost–effectiveness analysis (CEA). A CBA is based on the ratio of cost to benefit, where a high ratio indicates high profitability and a large economic effect. In contrast, CEA is applied to estimate the direct effect rather than the economic benefits for some pure R&D for which it is impossible or meaningless to estimate direct economic benefits.
In this study, for the existing system development and installation projects, securing the service line routes and improved closed-loop system reliability in the capital area was proposed as the objectives. Previously, the value-added analysis method was applied to the economic evaluation of the power system. However, there was no valid analytical approach to use in cases where data was unclear and extensive.
In such cases, conflicting problems have emerged because the beneficiaries of the projects are not specific developers but are people and the nation, and because the beneficiaries of the added benefit are the system developers and manufacturers. Furthermore, There was also a subjective analysis of the CBA assuming that the VSC HVDC system was the only option to achieve the goal. Consequently, the VSC HVDC system has been portrayed as the only option to procure transmission line routes from new and existing power plants and boost the reliability of closed-loop systems in the capital area. To overcome these shortcomings, the combined BC–EC method ensures the feasibility of the selected specialized alternative systems by CEA and enables the monetization of these highly cost-effective systems. This is done by conducting CBA to strengthen the weaknesses of the two existing analysis methods and improve the feasibility of the proposed system development and installation projects. It was proposed to apply the application of CEA to power system development and installation and to apply a feasibility analysis method that quantifies the benefits omitted
during the benefits selection process using existing feasibility analysis methodologies. The costs of the current source converter and voltage source converter systems are compared. The aim is a suitable organization of HVDC systems by performing an economic feasibility analysis of new HVDC systems as one of many alternatives that have been researched, developed, and installed globally in recent years. The purpose is to resolve issues in procuring power supply line routes from new and existing power plants and to boost the reliability of closed-loop systems in the capital area.
To increase the proportion of EC obtained in the CEA method, an additional CBA of the VSC HVDC system was performed. To analyze the economics of existing power system development and installation, a combined method of BC-EC was proposed. As a result, the need to calculate benefits in various directions was minimized, minimizing the difficulty of securing the feasibility of long-term and national policy
power projects.
As a result of this study a new standard of economic feasibility analysis in the electric power systems development industry was prepared by applying CEA for the first time to national R&D projects in the electric
power system sector. This was reflected as an analytical methodology in the detailed guidelines (20.1) for conducting the preliminary feasibility study of the national R&D project. In addition, through the proposed the
BC-EC Hybrid Economic Analysis, the economic feasibility of the system development installation project could be further increased.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 가. 연구의 배경 및 목적 1
• 나. 논문의 구성 5
• 2. 전력시스템 경제성 분석의 이론적 고찰 6
• 가. 경제성분석 방법 6
• 1) 경제성분석 편익 선정의 절차 6
• 2) 경제성 분석방법 15
• 3) 분석 방법 선택 17
• 4) 분석절차 18
• 나. VSC-HVDC 시스템 21
• 1) HVDC 시스템의 개요 21
• 2) HVDC 시스템 동향 28
• 3) HVDC 시스템 국내도입 필요성 35
• 4) VSC-HVDC 시스템의 구성 및 특징 43
• 가) 계통운용에서 HVAC 시스템과 HVDC 시스템의 차이 47
• 나) 계통운용에서 VSC HVDC의 유용한 기능 49
• 다. VSC-HVDC 시스템 적용 사례 연구 55
• 1) Offshore Projects, Germany 55
• 2) INELFE Project, France-Spain 58
• 3) Trans Bay Cable Project, USA 58
• 3. 분석결과 61
• 가. 비용효과분석 61
• 1) 비용효과 분석방법 65
• 2) 기술적 대안 검토 66
• 3) 비용 산정 72
• 4) 효과 분석 77
• 가) 컨버터스테이션 구축비용 77
• 나) 무효전력 보상 및 AC 필터 구축비용 80
• 다) 추가용지비용 81
• 라) 운영 및 유지보수비용 82
• 5) 전체 편익 산정 83
• 나. 비용편익분석 85
• 1) 비용편익 분석방법 85
• 2) 비용 산정 86
• 3) 편익 분석 87
• 가) 순환정전 회피비용 88
• 나) 소비자 지불비용 절감 89
• 다) 수입대체 효과 90
• 라) 부가가치 창출 편익 95
• 4) 전체 편익 산정 106
• 다. 비용효과-비용편익 병용 107
• 1) 비용효과분석 결과 107
• 2) 비용편익분석 결과 110
• 3) BC-EC 병용분석 113
• 4. 결론 116
• 참고문헌 120
• Abstract 127
• 부록 1. HVDC 시스템 유지보수비 131
• 부록 2. 편익분석 133
• 부록 3. 분석시나리오 150
• 부록 4. 국가 연구개발 사업 예비타당성 조사 수행 세부지침(20.1) 153

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