(HVDC특집) 전류형 HVDC 시스템 송전효율 최상

[온니걸]

주파수 상이 계통간 연계 가능…장점 많아
전류형-전압형 시스템으로 크게 구분 가능
DC전용 유침지절연-XLPE 케이블 등 사용

송전손실율 적어 지구온난화 방지에도 일조
동북아 계통연계시 경제적 효과만 ‘수억 불’
기술개발·장비 국산화…독자기술 확보 필요

초고압 직류 송전(HVDC, High Voltage Direct Current)에 대한 관심이 전 세계적으로 급증하고 있다. 직류(DC) 송전과 교류(AC) 송전을 놓고 딱 잘라 뭐가 좋다고 말을 할 수는 없지만, 직류송전의 경우 대용량 장거리 송전이 가능할 뿐만 아니라, 전력 손실도 교류송전에 비해 좋다는 평가다. 아울러 서로 다른 주파수를 사용하는 경우에도 송전이 가능해 국가간 송전에 있어 최적 대안으로 떠오르고 있다.
국내의 경우 제주~해남 연계선에 이어 빠르면 올해 말 제주~진도간 연계선이 HVDC 방식으로 건설이 개시된다. 국내의 경우 세계적으로 봤을 때 사업이 활발한 편은 아니지만, 향후 남북간 전력계통의 연결, 그리고 더 나아가 동북아 국가간 계통 연계를 생각하면 사업성이 우수하다는 지적이다. HVDC 기술이란 무엇인지, 그리고 향후 이 기술이 적용될 다양한 사업에는 어떠한 것들이 있는지 자세히 짚어봤다.

◆ 기술의 개요

초고압 직류송전(HVDC)이란 발전소에서 생산되는 AC 전력을 DC로 전환시켜서 송전한 후 수전점에서 AC로 재변환시켜 전력을 공급하는 방식을 말한다. 이러한 송전방식은 기존 DC 송전기술의 장점인 전압 승압을 통한 효율적이며 경제적인 전력전송을 가능하게 하고 AC 송전의 단점을 극복할 수 있다.

HVDC 기술은 고전압 DC 전송기술을 이용해 해저케이블 송전, 대용량 장거리 송전, 주파수가 상이한 교류 계통간 연계, 도시 밀집지역의 단락용량 경감을 위한 연계 등 활용분야가 넓은 차세대 전력전송기술이다.

◆ 시스템의 장점은

DC 송전방식은 AC방식에 비해 선로의 절연계급이 낮아 지지애자의 개수, 전선의 소요량을 줄일 수 있으며, 또한 철탑의 높이를 낮게 할 수 있어 우수한 경제성을 얻을 수 있다.

특히 리액턴스에 제한받지 받지 않고 전선의 허용한도까지 송전이 가능하다. AC 송전의 경우 열, 전압, 안정도 등에 크게 영향을 받기 때문에 230kV의 경우 400MW, 345kV는 1100MW 등 큰 폭으로 용량이 작아지는데, DC 송전의 경우 같은 전압에 대해 용량은 AC실효치의 2배가 되며, 열과 전압의 안정도에 대한 제약조건은 교류에 비해 거의 없고 또한 전력조류를 제어할 수 있다는 장점이 있다.

아울러 DC 송전은 대지를 하나의 도체로 이용할 수 있어 귀로로 송전 가능한 경우는 귀로도체의 생략이 가능, 최소 2선 이상이 소요되는 AC 전송에 비해 경제적이다.

무엇보다 주파수 및 전압이 서로 다른 송·수전 계통이 DC 계통으로 돼 연계가 가능하되 각 계통이 전기적, 기술적 제약 없이 각각 독립적인 운전이 가능한 점도 장점으로 꼽힌다.

이외에도 DC 송전은 상대계통에 유효전력은 공급하지만 무효전력은 전달하지 않으므로 교류계통 사고시 인접 계통으로부터 유입전류가 증대하지 않아 계통분할의 효과가 있어 계통운영을 원활하게 수행할 수 있다.

장거리 전력전송에 있어서는 AC 송전에 비해 가격이 저렴하며, 전력케이블은 직류시스템에 사용하면 유전체손 및 표피효과가 없으므로 그만큼 단면적의 유효이용이 가능해지며 AC에 비해 유도장해가 적으므로 통신선이나 라디오, 텔레비전 등의 이용에도 문제가 없다.

한전의 자료에 따르면 HVDC 송전과 HVAC 송전을 놓고 봤을 때 450km 이내는 AC 송전이, 450km를 초과하는 경우에는 DC 송전이 유리한 것으로 나타나고 있다.

◆ 시스템의 단점은

HVDC 시스템의 단점은 대용량 AC/DC 변환기에서 다량의 고조파가 발생해 고조파 필터를 반드시 설치해야 한다는 점이다.

아울러 DC에서는 전류0점이 형성되지 않기 때문에 AC보다 우수한 성능의 차단기가 필요하며, 전압강하가 송전전력의 크기와 긍장에 비례해 증가하는 것도 단점으로 꼽힌다.

DC전압을 높이면 부하손실을 작아지나 절연레벨을 높이기 위해서 투자비가 높아지고, DC전압을 낮추면 절연레벨을 작아지나 부하손실이 커지는 단점을 갖고 있어, 절연레벨과 부하손실을 고려해 최적의 DC전압을 선정하는 것이 무엇보다 중요하다는 것이 전문가들의 지적이다.

◆ 시스템의 종류는

HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 크게 구분할 수 있다.

전자인 전류형 HVDC 시스템은 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반도체 소자인 사이리스터를 이용하는 것으로, 제주~해남간에 설치된 시스템이며 이번에 한전에서 추진되는 제주~진도간에도 적용될 예정이다.

이는 400MW의 용량이라면 10MW의 사이리스터 밸브를 40개 쌓아 전압을 맞추면 되는 형식인데, 손실률이 1%에 불과해 매우 경제적인 시스템이다.

단 한전의 자료에 따르면 이 시스템의 경우 어느 정도 완성된 기술이기는 하지만 사리리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 캐패시터 뱅크가 인버터 측이나 렉티파이어 측에 존재해야 하는 단점이 있다고 한다.

특히 이 시스템은 고조파를 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다는 지적이다.

이러한 단점을 보완하기 위한 것이 IGBT 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템으로 전류형 시스템과 비교했을 때 고속 스위칭에 의해 점차 고조파가 큰 폭으로 감소해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 적어질 수 있으며, 무효전력 공급이 필요하지 않음은 물론 휴효전력과 무효전력 제어가 독립적으로 가능하다는 것이 장점이다.

특히 모듈화되고 규격화된 설계로 짧은 기간에 전력전송이 가능하며 콤팩트한 변환소, 환경의 영향을 최소화한 케이블, 전압과 전력의 제어 용이성이 장점이 거론된다.

하지만 고속 스위칭을 해야 하기 때문에 전압형 HVDC 시스템의 경우 손실률이 5~10%가까이 돼 대용량일 경우 경제성이 떨어지며, 수명도 전류형에 비해 뒤떨어진다는 분석이다.

따라서 100MW 또는 150MW 이상의 대용량의 경우엔 전류형이, 소용량 또는 계통안정화가 절대적으로 필요한 경우엔 전압형이 적절하다는 지적인데, 이 역시 절대적으로 아니며 케이스 바이 케이스로 시스템을 선택해야 할 것으로 보인다.

◆ 어떤 설비로 구성되나

전류형 HVDC 시스템을 기준으로 했을 때 과연 어떤 설비들로 시스템이 구성될까.

우선 크게 나누면 변환설비와 전선로, 전극소 등으로 구분될 수 있다.

이중 가장 중요한 AC/DC 변환설비는 변환용 변압기, 변환기, 조상설비, 고조파필터, 직류리액터, 냉각설비 등으로 구성된다. 변압기의 경우 일반 AC용 변압기가 아닌 DC 변환용 변압기가 사용되며, 변환기(사이리스터 밸브)는 순·역변환하는 기능을 담당한다. 조상설비에는 무효전력을 제어할 수 있는 동기조상기, 컨덴처, 분로리액터 등으로 구성되며, 고조파필터는 변환기에서 발생된 고조파를 흡수하는 기능을 담당한다. 직류리액터는 DC평활, 전류실패나 충전전류에 의한 전선로 보호에 필요하다.

전선로의 경우 DC 전용 케이블이 사용된다. 현재 HVDC 케이블은 대부분 유침지 절연 케이블(MI Cable, Mass Impregnated Cable)이 사용되고 있다.

그러나 이 제품의 경우 신뢰성이 매우 높기는 하지만, 제작 공정이 복잡하고 비싸다는 단점이 있다. 이를 대체할 제품으로 개발된 것이 XLPE(Cross Linked Polyethylene) 케이블이다. 이는 제작이 쉽고 가격이 비교적 싸지만, HVDC 시스템의 가장 큰 장점인 장거리 송전을 충족시키지 못하는 단점이 있다. 전선로의 경우 광통신케이블까지 통합 설치된다.

◆ 국내 설치 현황

현재 제주-해남간 HVDC 시스템이 건설돼 운영 중에 있다. 지난 1998년 상업운전을 개시한 본 연계설비는 변환설비 2개소, HVDC 해저케이블 2회선으로 구성돼 있으며, 각 변환설비가 150MW 정격을 갖고 있다.

그리고 제주~진도간 초고압직류송전(HVDC) 연계 사업도 본격 추진된다. 한전은 최근 제주지역의 전력계통 안정화를 위해 제주~진도간 HVDC 추가 연계선 건설 사업 계획을 확정했다.

이번 사업은 20만kW급 2회선을 제주~진도간 111km(해저 104km, 육지 7km) 구간에 걸쳐 설치하는 것으로 2011년 6월 준공을 목표로 진행된다. 사용되는 초고압 해저케이블은 250kV급이다.

특히 이번 HVDC 연계선은 전력계이블 2회선, 귀로케이블 2회선 등으로 구성되는 Double Monopole 형식으로 한 구간이 고장 나더라도 운전이 가능하도록 건설된다. 아울러 풍력, 파력, 조력 등 제주지역에 신재생에너지발전단지가 조성되고 있는 점을 고려해 제주지역의 전력도 육지로 보낼 수 있는 양방향 전송 방식으로 설계됐다.

기존 제주~해남간 HVDC 시스템은 일방적으로 전력을 보내는 형식이어서 1회선 고장시 전력공급이 불가능함은 물론, 제주지역 잉여전력도 육지로 전송이 불가능했다.

한전 측은 해양구간의 경우 양식장 등이 많아 민원의 소지가 많은 만큼 이를 최소화할 수 있는 구간으로 선택했으며, 기존 제주~해남 연계선과 거리적 차이를 둔 것도 사고시 동시에 단절될 수 있음을 사전에 방지하기 위한 것이라고 밝혔다.

이번 사업과 관련한 입찰은 국제입찰로 진행되며, 제품 납품과 설치를 동시에 해야 하는 설치조건부 입찰로 진행된다.

한전 송변전계획처는 물류경영처에 기자재 구매 문의를 한 상태로, 한전은 내 달 중 입찰안내서를 관련업체에 발주한다는 계획이다. 한전은 입찰서가 접수되면 평가를 통해 우선협상대상자를 선정, 11월 계약협상을 벌인 후 늦어도 올 해 안에 계약을 마무리한다는 방침이다.

◆ 남북간 계통 연결시 최적 대안

지난 2005년 대북송전 논란이 사회적 이슈로 부상한 적이 있다. 당시 어떻게 전력을 지원할 것이냐가 가장 큰 논란거리였는데, 그 대안은 바로 HVDC 방식이었다.

이는 북한의 전력계통의 경우 시스템 주파수가 60Hz로 남한과 같아 AC로 연결하는 방식도 가능했지만, 직접적인 AC 연결이 차후에 가져달 줄 문제점을 사전에 차단하기 위해서는 DC 전송이 최적 대안이라는 것이었다.

교류로 북한에 200만kW를 전송할 때 만약 북한이 이 이상을 사용할 경우 남측에서 아무런 제재를 가할 수가 없게 된다. 만약 전류제한장치를 설치해 일정 사용량 이상이면 차단하게 할 경우 북한 지역이 순식간에 정전에 휩싸이는 경우가 발생하게 돼 이 역시 어렵다는 지적이다. 특히 이 경우 국제적으로 비난을 받을 가능성이 크다.

이 경우 북한지역에 5~6개의 변전소를 건설해 각 변전소마다 제한장치를 설치하면 된다는 주장도 있지만 그 막대한 비용을 감당하기에는 무리수가 따른다.

특히 북한의 전력계통이 극심하게 불안한 상태에서 북한에서 계통상 문제가 발생시 남한으로 직결될 수 있어 이에 대한 대비책이 반드시 필요하다.

따라서 일정 전력(200만kW)만을 공급할 수 있는 변환소를 설치, HVDC 방식으로 평양 또는 일정지역까지 전송하는 방안이 최적안이란 지적이다. 이 상황은 지금도 마찬가지다.

◆ 동북아 계통연계시 효과

전력수요는 세계적으로 증가하고 있다. 이러한 수요에 맞춰 전력을 안정적으로 공급하기 위해서는 저렴한 가격에 의한 1차에너지원의 안정적 확보, 설비예비력 및 운전예비력을 확보할 수 있는 신규발전설비 건설, 적정한 수송과 배전 능력을 확보하기 위한 송·변·배전설비의 건설 등이 적기에 이뤄져야 하며, 이러한 과정에서 수반되는 생태계와 환경의 파괴 및 대기오염물질 배출을 최소화시킬 수 있는 방안을 강구해야 한다.

특히 이 문제는 매우 해결하기 어려운 숙제이다. 그런데 국가간계통연계에 의해 전력을 융통함으로써 상호 호혜적으로 협력하는 것이 이 문제를 풀 수 있는 유력한 수단의 하나로 인식되고 있다.

전기연구원이 지난 2002년 추진한 ‘동북아 국가간 계통연계 기술개발 예비타당성 연구’ 조사 결과에 따르면 영국∼프랑스 및 영국∼노르웨이 연계계통과 관련된 각종 자료에 근거한 경제성 분석을 통해 국가간계통연계의 효용성을 파악한 결과 두 경우 모두 계통연계로 인한 경제적 이득이 발생하고 있다.

계통연계로 인해 매년 일정한 규모 이상의 경제적 이익이 발생하며, 일정기간 내에 초기 투자비를 전액 회수할 수 있는 정도로 경제성이 있는 것으로 나타났는데, 영국∼프랑스 연계선로에 대해 몇 가지 가정 하에서 추산한 결과, 상호간의 전력융통에 의해 각각 8.8Euro/MWh의 이익을 보는 것으로 산정됐다. 특히 2000년 10월에서 2001년 9월까지의 전력융통량이 12,162GWh이므로 영국과 프랑스의 이익 합계는 2.14Euro/MWh에 달하는 것으로 나타났다.

당시 보고서에 따르면 러시아 ESI 및 미국 Nautilus Institute가 발표한 자료에서 보면 동북아시아의 국가간계통연계 시나리오에 대해 경제성과 환경측면의 효용성에 대해 고찰한 결과, 동북아시아 지역에서 ‘극동러시아∼북한∼남한’을 연결하는 연계계통이 이뤄질 경우 총 연간 23억 달러의 경제적 이득이 발생할 것으로 예상했다

문제는 이를 연계할 기술인데, 연구원은 동북아시아지역의 국가간계통연계를 고려하는 경우에 러시아와 중국의 계통주파수(50Hz)가 우리의 계통주파수(60Hz)와 다르기 때문에 HVDC 송전방식을 적용해야 한다고 지적했다.

하지만 지금까지 우리나라를 둘러싸고 있는 러시아, 중국 및 일본에 비하여 우리나라는 상대적으로 DC 송전분야의 기술수준이 매우 취약한 상태였으며, 이러한 상태에서 동북아국가간 HVDC연계사업을 추진하게 되면 설계, 건설 및 운영 단계에서 우리의 입장은 치명적으로 약화될 수밖에 없는 실정이다.

이러한 상태가 지속될 경우, 세계적으로 시장이 빠른 속도로 신장되고 있는 HVDC 송전 관련기술을 개발할 수 있는 기회를 상실하게 될 것이 우려됐다.

이에 한전 전력연구원 전력계통연구소에서는 2002년 9월부터 국가간계통연계사업과 관련하여 개발이 필수적인 직류송전선로 환경기술 개발, 직류 가공선로 설비기술에 대한 ‘초고압 가공직류선로 설계기술 및 핵심기술개발’의 종합적인 연구개발을 착수한바 있다.

지금까지의 연구성과는 전기환경 모의시험을 통해 최적도체방식에 대한 연구를 수행했으며, 이를 토대로 실규모 시험선로의 설계를 완료했다.

지난 5월 HVDC 실증시험선로를 준공했으며 이를 이용해 직류 가공송전선로의 계통운용기술, 송전선로 설계기술, 직류송전 기자재 개발을 국산화해 남북통일에 대비한 장거리 전력유통기술과 국가간 대규모 전력유통에 대비해 독자적인 직류송전기술을 확보할 예정이다.

◆ 환경 문제 해결과도 직결

세계기후협약에 따른 온실가스 감축문제는 국가 경제에 큰 영향을 미치는 사안으로서 전체 산업분야 CO2 배출량의 25% 내외를 차지하고 있는 발전분야로서는 대단히 민감한 사안이다.

만약 동북아 계통연계 사업을 시행해 장기전력 수급전망에 따른 우리나라의 화력전원 신규 필요용량의 일정부분을 러시아의 청정에너지 전원으로 대체할 경우 환경문제에서 큰 이득을 볼 수 있음은 명확하다.

즉 계통연계를 가능하게 하는 DC 송전을 통해 손실률을 줄인다는 것은 그만큼의 발전설비를 건설할 필요가 없음을 의미하고, 이는 곧 CO2 배출량을 최소화할 수 있음을 의미한다.

아울러 또 국가간계통연계로 인하여 전체 계통 운영규모가 커지면 계통 신뢰도 향상 효과가 발생하며, 수용가에 공급하는 전기품질에도 긍정적인 영향을 미치게 된다.

HVDC를 활용도를 넓게 보면 환경문제 해결, 전기품질 향상 등에도 영향을 주게 됨은 부인할 수는 없다.