HVDC(High Voltage Direct Current, 고압직류)

[관운]

HVDC(High Voltage Direct Current, 고압직류)

- 전압형 HVDC 개발 완료시 2020년까지 1조 원 이상 수입대체 효과

- 글로벌 선진 기업들도 2010년에야 상용화한 기술로, 국내업체로는 처음

- 대용량 ∙ 장거리 송전에 유리, 해상풍력 등 사업확대 기반 될 듯

- 20MW급 전압형 HVDC 개발 국책과제 수행자 선정

효성이 글로벌 선진 중전기기 업체들이 2010년에야 상용화에 성공한 최신 기술인 전압형 HVDC 기술을 국산화한다. 전압형 HVDC 기술은 차세대 전력망 사업의 핵심기술로 꼽힙니다.

국산화 효과는 2020년까지 1조원 규모로 예상되며, 세계 HVDC 시장 규모도 총 70조까지 늘어날 것으로 전망된다.

효성은 12일 지식경제부의 ‘해상풍력 연계용 20MW급 전압형 HVDC 연계 기술개발’ 국책과제 개발자로 선정돼 HVDC 기술개발을 본격화한다고 밝혔다. 효성은 오는 2016년 말까지 HVDC 기술개발을 완료할 계획입니다.

HVDC(High Voltage Direct Current)란 초고압 직류송전시스템으로 발전소에서 발전되는 고압의 '교류전력(AC)'을 전력 변환기를 이용해 효율이 높은 '직류전력(DC)'으로 바꿔서 송전하는 차세대 전력망의 핵심기술이다. 직류로 송전하게 되면 교류로 송할 때보다 전력손실이 적어 대용량∙장거리 송전에 유리한데요,

특히 전압형 HVDC의 경우 전류형 HVDC에 비해 실시간 양방향 송전, 정전시 자가(自家) 기동, 설치면적 축소 등이 가능하여 해상풍력 등 신재생에너지 보급 확대에 꼭 필요합니다. 이 같은 장점 때문에 전압형 HVDC는 차세대 전력망 사업을 주도할 기술로 꼽히고 있습니다.

효성은 전압형 HVDC 기술과 유사한 스태콤(STATCOM, 송배전시 손실되는 전압을 보충하고 전력운송의 안정성을 높이는 설비)을 자체 기술로 개발했으며, 국내 풍력사업의 선두주자로 5MW급 해상풍력발전시스템 개발을 앞두고 있어 향후 HVDC 기술과 연계가 가능하다는 점 때문에 국내 최초로 전압형 HVDC 기술 개발 수행자로 선정되었습니다.

우리 나라의 경우 서남해안 및 제주도 지역에 대규모 해상 풍력발전 단지 건설이 추진되고 있으나, 국내 중전업체들이 아직까지 관련 기술을 보유하고 있지 못해 전량 수입에 의존하고 있습니다.

효성이 개발에 성공하면 수입에 의존하고 있는 HVDC 기술 국산화가 가능해져 2020년까지 1조 원 이상의 수입대체 효과가 기대된다. 이와 함께 효성은 현재 국책과제로 개발 중인 5MW급 해상풍력발전 시스템과 연계할 경우 토털 솔루션 제공도 가능할 것으로 기대됩니다.

백흥건 부사장(전력PU장)은 “전압형 HVDC는 최근 상용화가 시작돼 글로벌 선진업체들도 기술 개발을 진행중인 분야”라며 “전압형 HVDC 기술 국산화를 통해 우리나라가 미래 전력망 핵심기술사업분야에서 글로벌 전력 시장에서의 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것”이라고 밝혔습니다.

스마트란 접두어가 앞에 붙는 것들의 공통점은 양방향, 자동화, 융복합입니다. 한가지뿐만 아니라 여러 가지와 연계되며 일방적으로 받던 것에서, 양방향으로 주고받게 되고 개별적이면서도 결합이 가능해지거나 다른 제품, 서비스등과 연계가 되는 것이지요.

스마트그리드 역시 마찬가지입니다. 기존의 공급자중심의 일방형, 폐쇄성 전력계통(Grid)에 IT정보통신이 더해져 수요자중심의 양방향, 개방성 전력계통으로 진화된 것입니다

우리가 스마트그리드에서 중요하게 알아봐야 할 것은 왜 스마트그리드를 해야하며 스마트그리드가 가져다 줄 변화와 변화를 준비하는 기업을 찾는 것입니다.

오늘은 먼저 첫 시간으로 전기와 그리드(전력망)에 대하여 간략히 알아보겠습니다. 전기라는 것은 아주 미세한 입자인데 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 합니다. 이런 입자를 전자(Electron) 라고 합니다. 전기의 크기는 전압과 전류로 표현이 되는데 전압은 볼트(V), 전류는 암페어(A)라는 단위로 표시합니다. 수도관에 비유하자면 전자는 물이고, 전압은 관의 압력, 전류는 물의 흐름입니다.

전기는 크게 직류(Direct Current)와 교류(Alternating Curent)의 두 가지로 분류됩니다.. 다들 사용하시는 휴대폰 충전기나 노트북의 충전기를 한번 보십시오. 충전기의 겉면을 보시면 직류전원장치 또는 AC ADAPTER라고 되어 있답니다. 두제품 모두 흔히 우리가 말하는 아답터라는 것이 꼭 필요한데

아답터(컨버터)는 쉽게 말하면 교류전기를 직류전기로 바꿔주는 장치입니다.

처음부터 가정에 직류전기를 공급하면 아답터(컨버터)라는 불필요한 기계를 사용하지 않아도 될 텐데요. 왜 전기를 사용하는 가전기기 안이나 밖에 꼭 컨버터(아답터)를 넣어 사용을 하게 됐을까요?

자.... 다시 한번 생각해보면 우리는 참 합리적이지 못한 전기를 사용하고 있다는 뜻입니다. 즉, 현재 젼력시스템은 집으로 공급되는 교류전기를 컨버터(아덥터)라는 기기를 이용해 직류전기로 바꿔서 이용을 하는 것이지요.

그렇다면 그냥 처음부터 직류를 사용하지 않고 ‘왜 이런 미련한 전기공급체계를 이용하고 있는 것인가?’에 대해 생각을 해보는 것이 스마트그리드를 이해하는 시작이지 않을까 합니다.

먼저 교류와 직류의 차이점을 정리 해보겠습니다.

교류(Alternating Curent)	직류(Direct Current)
전압의 크기와 전류의 방향이 주기적으로 변함	전압의 크기와 전류의 방향이 일정
운동에너지를 전기로 직접 바꾸는 경우 교류가 편리며 대용량화가 가능	화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 경우는 직류만 가능(건전지, 축전지, 연료전지)
저장이 용이하지 않음. 저장하려면 운동에너지 형태로 바꾸어 저장하여야 하므로 손실이 크다.	축전지에 저장하였다가 사용가능(정전보상)
전기를 먼 거리로 전송하는데 직류보다 우세 변압이 용이	기술의 발달로 인해 취약점인 전송이 해결되어 많은 나라들이 교류방식에서 직류전송방식으로 전환 중
전압이 일정치 않으므로 전력의 질이 떨어진다	전압이 일정하므로 전력의 질이 우수하다

전기를 처음 발명한 것은 다 알고 계시다시피 발명왕 에디슨입니다. 헌데 에디슨과 함께 연구를 진행했던 테슬라라는 과학자가 있었다고 합니다.

에디슨이 발명한 전기는 처음에 직류로 공급이 되었는데 전기의 운반(송전)과 판매(배전)에 110V의 낮은 전압의 직류 전류를 썼기 때문에 발전소에서 멀리 떨어진 곳에 제대로 공급을 할 수가 없었다고 합니다. 전압이 낮기 때문에 전선으로 운반(송전) 도중 손실이 많았기 때문입니다. (이해를 돕기 위해 수도관과 물의 압력을 생각해 보시면 됩니다.)

에디슨도 전압을 높이면 손실률을 줄일 수 있다는 것을 알았겠지만 당시로서는 직류전압을 자유롭게 변화시킬 수 있는 변환장치를 만드는 기술이 없었던 것이지요.

이러한 문제점을 에디슨과 같이 일하던 테슬라는 교류변압기(trans)를 통하여 발전소에서 송전 할 때는 전압을 크게 하여 송전손실을 줄이고 수용가 근처에서 전압을 낮추어 안전한 낮은 전압을 공급하는 교류송전방식을 도입했습니다. 이 방식이 오늘날까지 표준으로 사용되고 있는 것입니다.

아래그림은 교류송전방식을 나타낸 개념도입니다.

발전소(생산) ->1차, 2차 변전소(송전)->주상변압기(배전)->수용가 발전소에서 생산된 교류전기를 변전소에서 고압으로 압축하여 수용가(가정) 바로 이전인 주상변압기에서 가정용 전기인 110V, 220V로 최종 변압을 하여 받는 형식입니다.

결론적으로 우수한 품질의 직류를 두고 교류를 사용하는 이유는 교류전기가 생산(발전)이나 운반(송전), 판매(배전)에서 전압을 바꾸는 변압이 용이하기 때문입니다.

하지만 최근 반도체 스위칭 소자의 발달로 인해 고압의 교류를 직류로 바꿀 수 있는 변환장치가 개발되면서부터 직류송전방식에 대한 연구가 다시 활발하게 이루어 지고 있습니다.

HVDC(High Voltage Direct Current) 초고압 직류전송

발전소에서 발전되는 고압의 교류전력을 전력변환기를 이용하여 고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후 원하는 수전지역에서 다시 전력 변환기를 이용하여 교류전력으로 재 변환시켜 공급하는 고압직류송전방식

HVDC의 장점에 대해 좀 더 알아보도록 하겠습니다.

1. 직류전압은 교류전압의 최대값에 비해 크기가 약 70%에 불과하여 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치되어 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있습니다.

2. 동일한 전력을 보내는 경우 교류방식에 비해 직류방식이 송전손실이 적기 때문에 송전효율이 좋아집니다. 기존 직류송전 시 전압을 크게 변화시킬 수 없어 송전손실이 증가하였으나 HVDC 시스템의 개발로 인하여 고압의 직류전압을 만들 수 있기 때문입니다.

3. 교류송전은 최소 3가닥의 전선이 사용되지만 직류송전은 최소 1가닥의 전선만으로도 같은 양의 전기를 송전할 수 있으므로 전선의 사용량을 줄일 수 있고, 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적으로 송전할 수 있습니다. 같은 송전선에서 직류가 교류에 비해 2배의 이상의 전류를 흘릴 수 있습니다.

4. 전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이를 연결하여 계통의 안정도를 향상 시킬 수 있고 교류계통 고장 시 인접 연결 계통으로 사고가 확산되는 것을 막을 수 있습니다. 우리나라의 경우도 2005년경 논란이 되었던 대북송전 이슈에서도 극심하게 불안한 북한의 전력계통으로 인해 문제가 발생 시 남한으로 파급 될 수 있다는 문제점이 부각되기도 했습니다. 이러한 문제에서 역시 고압직류송전방식이 최고의 대안이 될 것입니다

5. 송전거리에 대한 제약이 없고, 특히 500Km가 넘는 육지 전력전송이나 40Km가 넘는 해저를 통한 전력전송에 있어서 교류송전에 비해 직류송전 방식이 건설비가 저렴합니다. 최근 중국, 인도 등의 경우에는 발전소와 전기 사용자의 거리가 1,000Km 이상이 되기 때문에 HVDC보급이 급속하게 확장되고 있습니다.

6. 교류송전 방식에 비해 송전선로의 전자파 발생이 줄어

7. 통신선 및 각종 기기에 발생하는 오동작 및 잡음이 감소합니다.

이제 어느 정도 기존 전력망(Grid)에 대해 이해가 되셨으리라 생각됩니다.초고압직류송전(HVDC)은 스마트그리드를 구현하기 위하여 꼭 필요한 기술이라 생각하시면 됩니다.

현재는 독일의 지멘스나 스웨덴의 ABB사가 오래부터 전세계 HVDC 시장의 대부분을 장악하고 있으며 우리나라는 1998년 AREBA사를 통하여 제주와 해남 사이에 30만 Kw 급 HVDC를 설치하였으며 제주와 진도간 20 만 Kw급 HVDC 시스템을 건설 중에 있습니다.

아직까지 국내자체 기술로는 HVDC 시스템을 설계하여 건설한 경험이 없는 것은 아쉬운 점이지만 세계적으로 점점 전력수요가 증가하고 있으며 기존 전력망 노후로 인한 신규전력(선) 수요가 늘어남에 따라 국내 전기, 전선업체에 대한 관심이 필요하리라 판단됩니다.

오늘은 스마트그리드에 대한 첫번째 시간으로 전력망(Grid)과 고압직류송전(HVDC)에 대해 알아봤습니다. 다음번에는 스마트그리드의 추진현황과 국내기업들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 스마트그리드는 결국은 기존의 그리드(전력망)에 IT전기전자기술을 접목하는 것입니다.

그러기 위해서 그런 양방향 전력수급을 가능케 하는 자동화기기시스템(AMI)과 전기저장장치(ESS)가 중요시 되며 질이 좋은 직류를 먼 거리까지 손실 없이 송전해주는 고압직류전송(HVDC)기술이 중요시 된다고 생각합니다.

HVDC기술로 인해 TV, 컴퓨터, 냉장고, 에어컨, 전기밥솥, 조명 등 제품 내에서 직류를 사용하고 있는 대다수의 디지털전자기기의 내외부에 컨버터(아답터)가 필요 없어지므로 해서 제품생산비용과 에너지 손실률이 감소 될 것입니다.

무엇보다 미래사회에 스마트그리드만큼이나 큰 트랜드인 전기자동차의 보급으로 인한 직류충전 설비 수요가 어느 순간에 크게 확대가 될 것이며 현재도 지어지고 있는 인텔리전트(스마트)빌딩과 스마트홈 내의 에너지저장장치(ESS)에서도 HVDC가 꼭 필요할 수 밖에 없습니다.

(위에서 말씀 드렸다시피 교류는 저장이 안됩니다.)

마지막으로 신재생에너지에 대해 말씀 드리지 않을 수 없습니다. 녹색성장을 위한 신재생에너지원의 보급 확대는 송전과 배전 시스템의 안정성 확보를 필요로 하며 스마트그리드의 필요 이유도 태양광, 풍력 등을 이용한 신재생에너지원의 가변적인 발전출력 문제를 전력망 차원에서 해결해 신재생에너지원의 전력시스템 연계를 원활하게 하는 것입니다. HVDC를 통한 연계는 대규모 신재생에너지원의 유연한 전력시스템연계를 위한 현실적인 대안으로 활용되고 있습니다.

신재생에너지의 확대로 인해 기존의 전기 수요처 근처에서 발전을 하던 대규모 전력시스템은 거리가 멀어지며 여러 곳으로 분산되고 규모가 작아지는 마이크로그리드화 될 수 밖에 없습니다.

이런 이유로 저장이 가능한 직류송전이 필수적으로 요구되며 효율적인 장거리 전력송전이 가능한 HVDC가 최적의 방안이 될 것입니다.

앞서 말씀 드렸다시피 미국 유럽은 물론 가까운 중국 및 일본에 비하여 우리나라는 직류송전분야의 기술이 매우 취약한 상태였으며 이러한 상태에서 신재생에너지 연계사업이나 동북아국가간 HVDC 연계사업 등을 추진하게 되면 설계, 건설 및 운영 단계에서 우리의 입장은 치명적으로 약화될 수밖에 없는 실정입니다.

이에 2009년 11월 한국전력, LS산전, LS전선, 대한전선이 공동으로 HVDC 국산화 기술개발 협동연구를 위한 MOU를 체결하고 HVDC 핵심기술 개발과 사업화에 노력하고 있습니다.