본고에서는 탄소중립과 에너지 전환과정에서 재생에너지, 분산전원, 전기차 충전 인프라 및 다양한 전력변환시스템등의 확대에 따라 전력계통 수용성 및 불안정성 문제의 해소에 많은 기여를 할 수 있는 DC 기술, 특히 MV급 배전 DC 전력기기 기술 중심으로 편익과 해결해 나아가야 할 과제를 소개한다.
2050 탄소중립 시나리오에 따르면, 2050년 연간발전 수요는 2018년 대비 2배 이상 증가되며, 전체 발전량의 70% 이상을 재생에너지가 담당하게 될 것으로 전망된다. 2022년 5월 윤석열 정부의원자력발전 육성 정책에 의해 2050년 발전원 믹스는 변동이 있으나, 재생에너지 중심으로 전환되는 기조에는 변화가 없다. 2021년 말 기준 국내 재생에너지 발전량 비중은 6.5%에 불과하지만,전력망 인프라의 부족으로 인해 재생에너지전원의 접속지연, 제주도와 육지의 풍력 및 태양광발전의 출력제한 등 계통 수용성 문제들이 점차적으로 확대되고 있다. 더구나 사회적 수용성 악화로 인해 2017년부터 2020년 8월까지 재생에너지발전의 송전망 접속완료율은 16.3%에 불과하며 배전망 접속완료율은 30.7%로서 이러한 접속 지연은 지속될 전망이다. 또한 전기차 급속충전장치, 데이터센터 등 새로운 부하의 계통접속수요가 증가로 인해 전력계통 인프라 부족 문제는 가중될 것으로 전망된다.
이와 같이 확대되는 재생에너지와 분산형 전원으로 인한 계통 접속대기 물량의 증가와 배전계통 불안정성을 해소하고, 고밀도 도시의 확산으로 전력수요의 집중 및 증가현상 심화에 효과적으로 대응하기 위해 기존의 교류기반 배전망을 보완하고 대체하기 위한 MVDC(특고압 직류) 배전망 기술의 도입이 요구되고 있다. MVDC 배전기술은 도시 등 부하밀집지역 인근 변전소에서 전력소비자들까지 연결하는 특고압 배전망 곳곳에 적용이 가능하며, 능동적인 전압 제어 및 선로전류제어 기능, 유연한 배전망 구성, 낮은 선로 손실 등의 장점을 이용해 배전용량 증대, 배전손실 저감, 정전 및 고장 시간 최소화, 배전선로 이용률 향상 등 다양한 목적으로 활용될 수 있다.
MVDC 전압범위와 관련해 국제적으로 공인된 기준은 없으나, 일반적으로 1.5kV에서 100kV 사이의 전압으로 간주된다. 저전압을 주로 활용하는 수용가에서는 LVDC(Low Voltage Direct Current,저압 직류) 기술을 활용해 데이터센터, 산업용 빌딩, 소규모 마이크로그리드에 적용하고 있다. LVDC 기술은 직류 전원 또는 부하 비중이 큰 수용가 인근 저압 배전망 또는 내부 수전망을 직류로변환해 저압계통의 수배전효율과 유연성을 높이는 용도로 주로 활용된다.
송전 분야에서는 가장 널리 알려진 HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류)송전 기술은 교류대비 송전손실이 적고 선로조류의 제어가 용이해 다양한 목적으로 활용될 수 있으나 주로장거리의 대용량 초고압 송전의 효율성을 높이거나 서로 다른 송전망들 간 전력을 융통하는 용도로 사용되고 있다[8]. 국내 전력인프라 보강 및 신규 건설에 주민 수용성 문제 등으로 인해 건설되기 어려운 실정이라 10차 전력수급 계획에서는 서해안 HVDC 멀티터미널 구축을 통해 반도체 클러스터, 3기 신도시 등 대규모 전력수요에 대응하는 노력을 하고 있다.
전력망의 문제점
분산전원과 재생에너지의 지속적 확대를 위해서는 발전원뿐만 아니라 전력망과 연계하기 위한 계통 인프라의 보강도 함께 고려돼야 한다. 재생에너지 확대는 전체 계통의 안정성에 영향을 미치고, 수용가 인근의 분산형 에너지 확산은 포화된 배전망의 증설 이슈와 연계되므로 계통의 안정성과 효율성을 확보할 수 있는 인프라의 구축이 필요한 실정이며 고밀도 도시 및 콤팩트 시티의 확산으로 전력수요의 집중 및 증가 현상이 심화되면서 도심의 배전망 인프라의 운영·관리가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 분산전원과 전기차 급속충전소와 같은 도심 내 전력 공급과 수요의 집중과 증가 현상은 이를 수용하기 위한 배전망의 확대와 연결되지만, 도심 내 배전선로의 확대는 환경적, 비용적, 지리적 측면에서 많은 갈등을 야기하고 있는 실정이다.
DC 필요성 및 편익
도심 배전설비 증설 시 일부 구간을 MVDC로 사용할 경우 기존설비의 용량을 높이거나 배전선로의 이용률을 높이는 등 용량증설 효과로 불필요한 투자를 회피할 수 있으므로 관련 기술개발이 필요하다. 분산전원 확대는 전력계통에 역조류 등 안정성 이슈가 발생하지만 MVDC 기술은 배전망 단위에서 능동적 다방향 제어가 가능하므로 분산전원의 불확실성과 간헐성에 효과적으로 대응할 수 있다. 도심의 고전압 DC 전원과 부하의 증가 시 MVDC 기술을 통한 배전선로 구축으로 AC 대비 비용과 변환손실 측면에서 효율성을 확보할 수 있다. 또한 거주지 인근에 구축되는 배전설비에 대한 주민 수용성 측면에서 MVDC 기술의 적용은 설비의 크기가 축소되고 인체에 유해한 전자기장이 발생하지 않으므로 AC 대비 경쟁력을 확보할 수 있다.
분산전원의 확대 정책 추진으로 사회적 이슈가 되고 있는 계통 접속대기 물량 증가의 해소를 위해서는 기존 설비의 용량 활용성을 최대화해 계통 접속을 신속하게 대응할 수 있는 MVDC 기술개발 및 적용 필요하다. 갑작스러운 재난재해로 전력계통 사고 발생 시, MVDC 기술을 통한 배전망 제어로 사고의 확산을 차단하고 분산전원과 연계한 독립운전으로 사고 발생의 피해를 최소화하는 효과적인 재난 대응 체계 구축이 가능하다.
DC 핵심 기기
DC 컨버터스테이션
DC 전력망 또는 Hybrid AC-DC 배전망을 구성하기 위해서는 기존의 AC 계통과 DC 계통을 연결하는 전력변환장치가 필요하며 이를 MVAC-MVDC 컨버터스테이션으로 정의한다. MVAC-MVDC 컨버터스테이션은 AC를 DC로 즉, 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있으며 반대로 직류 전력을 교류 전력으로 변환가능하다. 전압형 컨버터스테이션의 장점은 Multi terminal로 구성 가능하며 이를 통해 연계 계통의 전압 안정도를 향상할 수있고, 비상시 인근 계통으로 빠른 전력 공급이 가능한다. 또한 AC-DC 간 전력 공급 제어가 쉬워서 필요 용도에 따라 Grid 구성을 자유롭게 할 수 있다는 장점도 있다. 기존의 AC 계통과 신재생에너지원들로 구성된 DC 계통을 연계하는 Hybrid AC-DC Grid 시스템을 통해 연계계통의 전압 안정도 향상과 AC-DC 계통 간 전력 공급제어를 유연하게 할 수 있다.
주요 이슈로는 MVDC에 적용되는 AC/DC 컨버터 시스템은 단기에 이동설치가 가능하도록 컨테이너에 설치하는 이동형과 신규 건설되는 변전소에 설치하는 고정형으로 구분해 개발이 필요하다. MVDC 계통에서 수용가가 단일 Incoming단으로 구성 시, 고효율 변환을 위해서는 배전용 표준 MVAC 컨버터 1종, LVAC 컨버터 1종이 별도로 필요하고 서브모듈 구성에 따라 AC 전압을 용이하게 변경할 수 있는 토폴로지 형태의 개발이 필요하다. 멀티전원 공급 컨버터는 MVDC 전압을 수용가가 사용 가능한 형태로 변환하는 동시에, 배전망의 안정성 유지 및 전기안전을 위해 절연형 구조로 개발돼야 하며, 에너지저장장치 및 재생에너지 연계를 위해 양방향 전력제어 기능을 갖춰야 하고 확장성과 유지 보수를 위해서 MVDC 입력 측은 단일 고압 컨버터 모듈보다는 일부가 고장나도 운용 가능한 다수의 저압 컨버터 모듈을 직렬 연결하는 방식이 유리하다. 이 방식으로 다수의 절연된 LVDC 출력을 확보할 수 있으며, 이들의 연결방식에 따라 적절한저압 또는 멀티레벨 토폴로지를 추가 결합하여 LVAC, MVAC의 다양한 전압 출력이 가능하다.
DC 차단기 및 보호기기
AC/DC 하이브리드 배전망 운용을 위해 기존 AC 계통과 달리 DC 특성을 반영한 계통 운영방식 도입이 요구된다. 앞서 DC 컨버터스테이션을 통해 멀티터미널로 DC망을 구성할 경우 반드시필요한 기술이 DC 차단 기술이다. AC 계통 전류 파형은 시간에 따라 일정 주파수를 갖는 정현 파형으로서 고장 발생 시 고장 전류를 차단할 수 있는 전류 영점이 존재하지만 DC 계통 전류 파형은 시간에 따라 일정한 전류가 흐르며 고장 발생 시 고장 전류가 급속하게 증가할 뿐 전류 영점은 존재하지 않는다. 이에 강제로 전류 영점을 만들어야 하며 고장 에너지의 급속한 확대 방지를 위해 수 ms 수준의 차단 시간이 요구된다.
DC Grid를 구성하게 될 경우, AC 계통과 마찬가지로 보호 대책이 필요하다. 기존의 전류형 DC 시스템은 Point-to-Point 방식으로서 전력계통의 경로가 1-way로 구성되므로 고장이 발생할 경우, 변환기 자체 차단 또는 AC 차단기에서 고장 전류 차단이 가능하지만 Multi Terminal MVDC 시스템의 경우, 계통 내 고장 발생 구간만 제거하도록 하여 전체 시스템의 건전성 확보가 필요하다. 따라서 AC 시스템과 마찬가지로 계통을 보호하기 위해 Bus를 기준으로 Tree 구조 또는 Loop 구조로 분기되는 DC 선로마다 차단기 적용이 필요하다. Grid 형태의 DC 계통은 전류 영점이 없고, 유사한 정격전압 및 전류를 가지는 AC 계통에 비해 막대한 고장 에너지를 가지고, 그로 인한 사고파급이 크기 때문에 수 ms 이내의 Cut-off 시간을 가져야 한다.
고압 직류 차단은 다양한 방식이 있으며, 학계에서 발표된 바를 일반화해 정리하면 크게 표 1과 같이 역전압 방식(기계식 차단), 공진형, 역전류 주입형, 복합형 차단 등으로 구분할 수 있으나이에 파생되는 다양한 방식들이 존재한다.
국내는 한국전기연구원과 LS일렉트릭에서 공동연구를 통해 80kV급 직류 차단 기술개발을 진행했고 효성중공업은 역전류주입 방식의 Prototype HVDC 차단기를 개발했으며, 4.4kVpeak 차단성능을 확보했다. 인텍전기전자는 반도체 복합형 차단기를 개발했으나, LV급(1500V)으로 MV급 차단기 개발 및 상용화 기술 개발이 필요한 실정이다. 이러한 국내 기술은 공통적으로 규격 및후속 실증과제가 없어 이와 관련된 상용화 기술 개발이 필요하고 이를 위해선 관련 멀티터미널 DC 실증과제가 필요하나 투입비용이 크고 개발기간이 상당히 소요될 것으로 예상되므로, 배전급 규모의 차단 기술 개발 및 테스트 베드 시험 운영을 통해 실계통에 적합한 상용화 수준의 직류 차단 기술 개발이 절실히 필요하다.
DC 전력기기 진단
계통전압을 AC-DC, DC-DC, DC-AC 형태로 변환하는 전력변환장치, 직류 개폐기, 직류 단로기, 보호계전기와 같은 DC 시스템의 각 기기들은 모두 DC 계통 전압, 전류를 측정하는 측정시스템이 필수적이다. 국내에서도 36kV 이상의 최고 회로전압을 갖는 계기용 변류기(CT, Current Transformer), 계기용 변압기(PT, Potential Transformer) 및 변압 변류기(MOF, Metering outfit) 등이 개발돼 AC 배전망에 적용되고 있다. 그러나 기존 AC 배전망에 사용되는 CT, PT 및 MOF는 변압기의 원리를 이용해 전압 및 전류를 계측하기 때문에 DC 전압 및 전류 측정이 필요한 MVDC 시스템에는 적용이 불가능하다. 따라서 DC 망의 전력제어 및 보호 등을 위해서는 홀 효과(Hall effect) 또는 패러데이 효과를 적용한 광센서 형태의 첨단센서가 필수적이며, 고전압을 고려해 광 출력 등 센서와 기기 절연도 고려해야 하며 이러한 첨단센서는 해외 일부 선진회사들만 확보한 기술로 MVDC 기술 개발 및 시장에 진입하기 위해 반드시 필요한 기술이다. 이와 함께 정부주도의 투자와 개발을 통해 글로벌 시장에 진입할 수 있는 여건도 마련돼야 한다.
기본적으로 DC 배전망의 전압, 전류를 측정해 MVDC 배전망의 핵심 기기인 MVDC-MV/LVAC, MVDC/LVDC 등 컨버터스테이션의 전류, 전압, 전력을 제어하기 위한 센서로 사용하며 MVDC 배전망을 구성하는 기기 중 DC 계량기, 보호 계전 등과 같이 DC 배전망에 전압, 전류의 실 측정값을 필요로 하는 설비에 DC 전압/전류 정보를 전달하는 센서로 사용한다.
진단용 스마트 센서의 경우 DC 컨버터스테이션 냉각장치의 핵심 기기인 전동기 및 펌프 진단을 위한 전류 및 진동, MVDC 차단기 및 계폐기 진단을 위한 DC 부분방전 및 누설전류, MVDC 피뢰기 진단을 위한 누설전류를 측정 및 분석해 MVDC 시스템 및 배전망을 보호하는 핵심 기기의 이상 상태를 판별하는 센서로 사용하기도 한다. 또한 AI 알고리즘이 탑재된 센서를 개발해 작업자가 현상에서도 MVDC 보호 핵심 기기의 상태 확인이 가능하도록 하고, MVDC 스테이션 통합 운영센터에 계측 신호 및 보호기기 상태 진단 결과를 전송해 서버 내 진단 알고리즘을 온라인으로 업데이트(AI 학습 모델)할 수 있는 기본 역할 수행한다.
MVDC 시스템 및 배전선로의 안정적인 운영을 위해서는 MVDC 보호용 핵심 전력기기 역할이 중요하며, 이에 따른 보호 전력기기의 고장을 사전에 검출하기 위한 신호 측정 및 분석할 수 있는 스마트 센서 개발이 필요하다. 최근 IoT 및 AI 기술의 발전에 따라 진동, 온도 센서 등 기기 진단을 위한 센서들도 스마트화(현재는 데이터 계측 및 전송 기능 위주 개발) 되어가고 있으며, MVDC 보호용 핵심 전력기기 진단의 정확도 향상을 위해 지속적인 데이터 학습을 통한 AI 모델 성능 향상 및 온라인 업데이트가 가능한 스마트 센서 개발(자가 진단, 신호측정, 데이터 전송, AI 알고리즘 구동 모듈 포함)이 필요하다.
DC 컨버터스테이션 엔지니어링 기술
DC 기술이 전력망에 적용되기 위해 전력변환시스템의 부품레벨부터 시스템 단위까지 높은 신뢰성을 가질 수 있어야 한다. 이를 위해 설계부터 검증까지 엔지니어링 기술이 반드시 확보되고 표준화까지 달성해야 한다. 먼저 전력망의 상위 사양이 결정되고 운전할 유무효전력 범위, DC 링크전압, 효율 등 컨버터스테이션 사양이 결정된다. 이를 바탕으로 상세 부품단위 설계부터 시스템 레벨 설계가 완성이 되며 이를 제어할 C&P 플랫폼 설계가 진행되며 모든 시스템이 설계 제작이 완료되면 시험 평가 과정을 거친다. 이 모든 과정이 HILs 환경에서 1차 검증을 거치고FAT, SAT를 통해 신뢰성을 확보한 후 커미셔닝을 수행한다. 일련의 모든 과정을 국산 기술을 바탕으로 설계 제작이 돼 국산화에 의미가 있다.
앞으로 계통에 다양한 형태의 재생에너지와 분산자원이 운용이 될 예정으로 많은 기능의 지능형 전력변환시스템이 전력계통에서 운전이 될 것으로 보인다. 이 경우 속응성이 매우 빠른 전력변환시스템과 기존 동기발전기간 또는 전력변환시스템간의 다양한 상호간섭(interaction) 현상(공진, 고조파, 발전기 축 뒤틀림 등)이 발생해 미래형 전력망에 반드시 해결해야 할 문제점 중의 하나이다.
본고에서는 탄소중립과 에너지 전환과정에서 재생에너지, 분산전원, 전기차 충전 인프라 및 다양한 전력변환시스템 등의 확대에 따라 전력계통 수용성 및 불안정성 문제의 해소에 많은 기여를 할 수 있는 DC 기술, 특히 MVDC 전력기기 기술 중심으로 편익과 해결해 나아가야 할 과제를 살펴보았다.
DC 배전망을 도입함으로써 선로의 전송용량 및 이용률, 연계효율을 높여서 재생에너지 및 분산전원 접속용량을 늘리고 전력망 설비의 신설 및 증설을 회피할 수 있다. 이를 위해 정부는 2030년까지 AC/DC Hybrid 배전망 운전을 시작하는 것을 목표로 MVDC 배전망 도입에 핵심요소기기 및 배전망 기술을 개발하고 파일럿 플랜트를 통해 종합적인 성능 검증을 거친 후 점진적으로도입해 나갈 예정이다.
현재 DC 전력기기 시스템 도입 초기단계에서 높은 투자비용, 부족한 운영 경험과 기술 성숙도 등의 위험요인들이 존재한다. 기술의 안착 및 시장 활성화, DC 핵심전력기기 국산화를 위해 정부의 지속적이고 체계적인 지원과 기술개발 된 시제품들이 적기에 시장에 적용될 수 있도록 MVDC, HVDC 송배전설비 제반 규정 및 기준마련, 핵심 기기 테스트베드 제공, 전력회사의 신기술도입 노력, 다양한 비즈모형 개발 등이 공동으로 추진돼야 한다.
이종필 한국전기연구원 전력변환시스템연구센터장 [email protected]
