특별기획 - 슈퍼그리드 구현을 위한 핵심 기술
슈퍼그리드의 핵심기술은 고압직류전송(HVDC), DC 그리드 운영 및 보호 기술, 에너지 저장장치 기술 등이다.
우리의 HVDC 기술개발은 기초기술연구를 시작한 1995년까지 거슬러 올라간다.
주로 국책연구기관이 진행해왔으나 최근에는 민간의 참여도 활발해지고 있다.
2002년 효성과 현대중공업이 전력연구원에서 수주해 각각 HVDC 시뮬레이터 개발과 HVDC 카드분석을 2005년 완료한 것이 대표적이다.
2010년 이후에는 민간기금에서 HVDC 개발이 이루어져 한전과 LS 산전이 60MW급 시범협동연구를 진행했다.
고압 직류 송전(HVDC)
대전력 융통을 위하여 구축하는 대륙 규모의 광역 전력망인 슈퍼그리드는 국가 간 전력 교환을 가능하게 하는 고압 직류 송전(High Voltage Dircect Current, HVDC)과 같은 핵심 기술이 필요하다.
HVDC란 교류의 전력을 고압 직류로 변환하여 송전하는 기술로 교류 송전에 비하여 장거리 송전 및 해저 케이블 송전에서 효율이 좋고, 비동기 계통 연계 및 전력의 제어에서 장점을 가진다.
HVDC 기술은 크게 전류형(Line-commuted Converter)과 전압형(Voltage-sourced Converter)으로 구분할 수 있는데, 최근까지는 전압 레벨이 높고 손실이 적은 전류형 HVDC 기술을 주로 사용하고 있다.
현재 운영되고 있는 전류형 HVDC의 최고 전압은 ±800 kV 이며 전력은 7,200 MW까지 송전이 가능01하며, 최고 ±1,000 kV, 최대 10,000 MW 까지 송전이 가능한 HVDC가 연구02되고 있다.
전류형 HVDC는 스위칭 소자로 싸이리스터 장치를 사용하기 때문에 전압형 HVDC에 비하여 손실이 적고, 용량이 크다는 장점을 가진다.
하지만 전류형 HVDC는 연계 전력 계통의 영향을 많이 받고 무효전력을 많이 필요로 하며 고조파 왜곡을 만들어 내므로 이를 보상할 수 있는 무효전력 공급 장치 및 고조파 필터가 필요하다.
최근의 전력 반도체 소자의 발전과 기존의 단점을 극복할 수 있는 토폴로지의 개발(Modular Multilevel Converter, MMC)로 전압형 HVDC 기술이 대두되고 있다.
전압형 HVDC는 전력 계통에 크게 영향을 받지 않으며, 무효전력의 제어가 용이하고, 전원이 완전히 꺼진 전력 계통을 복구할 수 있는 블랙 스타트 기능이 있다. 하지만 스위칭에 사용되는 전력 소자의 한계 때문에 용량이 작은 단점이 있다.
최초의 전압형 HVDC 기술인 2레벨 및 3레벨 컨버터 기술은 최고 ±150 kV의 DC 전압과 최대 330 MW 송전이 가능했다.
현재 운영되고 있는 전압형 HVDC 중 가장 높은 직류 전압은 Nanibia의 CAPRIVI 프로젝트의 350kV(300MW)이며 가장 큰 전력 용량은 2012년 영국 본토와 아일랜드를 연결한 East-West Interconnector 프로젝트의 500 MW(±200 kV)이다.
전압형 HVDC는 전류형 HVDC에 비하여 정격 직류 전압 및 용량은 낮지만, 전력의 방향을 바꾸기가 용이하기 때문에 두 개 이상의 지점을 연결하는 멀티터미널 시스템을 설계하기 쉬우며, DC 그리드를 구성하는데 용이하다.
현재 전압형 HVDC 기술의 한 케이블 당 용량은 적층 절연방식의 경우 500kV, 800MW이며 압출 절연 방식의 경우 320kV, 500MW이지만03, 반도체 및 케이블 기술의 발전을 통해 용량이 증가할 것으로 예상된다.
MMC(Modular Multi-level Converter) 기술
전압형 HVDC는 기존 전류형 HVDC에 비해 높은 손실을 가지고 있었으며, 이를 줄이기 위한 방향으로 연구가 진행되었다. 지멘스(Siemens)에 의해 개발된 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC)는 반도체 소자의 높은 스위칭 주파수를 필요로 하지 않으므로 스위칭 손실을 획기적으로 감소시켰다.
< 그림 1 >에서 볼 수 있듯이 MMC는 여러 개의 서브 모듈로 이루어져있으며, 기존의 2레벨 컨버터와 비교하여 이상적인 정현파에 가까운 파형 생성이 가능하여 교류 전압의 고조파가 줄어들어 고조파 필터가 필요 없다.
또한 다이오드 클램프, 커패시터 클램프 방식 등의 다른 종류의 전압형 HVDC 기술보다 높은 효율04을 가진다.
DC 그리드 운영 및 보호 기술
DC 그리드란 전력 전송이 직류로 이루어지는 전력망 또는 전력 네트워크를 의미한다.
이 중 고전압 DC 그리드인 HVDC 그리드의 대표 사례로 미국의 Atlantic Wind Connection 프로젝트가 있으며, 이 프로젝트는 해상 풍력을 포함하여 6개 이상의 전력 변환소를 하나의 DC 그리드로 연결한다.
이러한 DC 그리드 운영을 위해서 한 전력 변환소의 정보를 다른 전력 변환소로 전달하는 통신 기술이 필요하며, 전력 계통의 송전 시스템 운영자도 HVDC 그리드 제어 인터페이스를 통하여 각 전력 변환소로부터 관련 정보를 제공받아 HVDC 그리드의 상태를 파악 및 조정하여 최적의 동작점을 결정한다.
만약 DC 그리드가 다른 국가 또는 계통과 연계가 된다면 전력 계통의 송전 운영자들 사이의 협조 운영이 필요하며, 이는 슈퍼그리드 구현을 위한 중요한 기술 요소이다.
DC 그리드 내의 원활한 협조 운영을 위하여 직류 전압 Droop 제어 및 이를 응용한 다양한 제어 기법들이 연구되고 있다.
DC 그리드 보호는 교류 차단기를 사용하는 경우와 직류 차단기를 사용하는 경우로 나눌 수 있다.
교류 차단기를 사용하는 경우, 고장의 영향이 충분히 작아지게 되면 직류 회로를 격리하고 다른 DC 그리드를 재시작하게 되며, 직류 차단기를 사용하는 경우에는 빠른 동적 격리(수 ms 단위)가 가능하기 때문에 다른 DC 그리드 운전을 방해하지 않고 고장 난 부분을 격리한다.
이를 위해서는 빠르게 정보를 교환할 수 있는 능력이 필요하거나 정보 교환 없이 선택적으로 격리할 수 있는 고성능 직류 차단기의 개발이 필요하다.
현재 ABB에서 최대 16kA의 정격 전류와 2 ms의 작동 시간을 가진 하이브리드 직류 차단기가 개발되었으나 이를 상용화하기 위해서는 시간이 조금 더 필요해 보인다.
SiC(Silicon Carbide) 기술
전압형 HVDC가 MMC 기술의 등장으로 스위칭 손실이 획기적으로 줄어들면서 스위칭 손실 뿐 아니라 전도 손실을 줄이고 효율을 더 증가시키기 위해서 트랜지스터에 대한 연구가 필요해졌고, 최근 SiC(Silicon Carbide)를 이용한 기술이 주목받고 있다.
SiC 기술은 현재 사용되고 있는 Si(Silicon) 기술보다 열전도도가 약 3배가 높고, 고온에서도 동작이 가능하며, 스위칭 시간이 짧고, 절연이 좋다.
또한, Si 전력 모듈에 비하여 크기를 약 1/10로 줄일 수 있고, 전류 밀도도 크게 할 수 있어 소형화가 가능하다(< 그림 4 > 참조).
SiC 기술을 스위칭 소자에 사용하면 Si 기술에 비하여 전도 손실이 낮아서 손실을 줄이는 해결책이 될 수 있으며, 또한 전압 용량이 매우 높다.
이 때문에 직렬이나 병렬로 연결할 때 필요한 숫자가 적어지므로 시스템의 크기와 복잡성을 줄일 수 있으며 시스템의 신뢰도가 높다.
다만, 현재 상업적으로 사용이 가능한 SiC 파워 모듈의 정격 전류는 HVDC 컨버터로 사용되기에는 낮으며, 추후 재료 및 공정 과정의 발전을 통하여 정격 전류가 상승한다면 HVDC 효율 향상에 큰 기여를 할 것이다.
에너지 저장장치
에너지 저장장치는 슈퍼그리드에 연결되어 있는 전력 계통의 제약 조건(Grid Code, 주파수, 전력 케이블 등)을 해결하여 전력 계통의 원활한 운영을 돕는 필수 기술이다.
에너지 저장장치는 대규모 신재생 에너지 발전, 대규모 송전/수전단이 연결되어 있는 장거리 DC 그리드의 전력의 흐름을 유연하게 제어 및 운용을 가능하게 한다.
또한 선로 고장 및 계통 탈락 등 예측 불가능한 과도 상태를 대비하기 위해서도 에너지 저장장치의 조력이 필요하다.
슈퍼그리드를 위한 에너지 저장장치 적용을 위해서는 전력 계통과 주변 조건 및 에너지 저장장치의 에너지 밀도와 전력 밀도를 복합적으로 고려해야 한다.
따라서 대용량 에너지 관리가 가능한 양수발전이나 압축공기 에너지 저장장치가 슈퍼그리드 연계에서 유용할 것으로 보인다.
하지만 양수발전 및 압축공기 에너지 저장장치는 설치 지역이 제한적이며 다른 제약 조건도 많아 대용량 납축전지 및 리튬이온 배터리도 슈퍼그리드 구현에 꼭 필요한 기술이다.
01 중국 JINPING - SUNAN (SGCC), 2013년 운영 예정
02 FRIENDS of the SUPERGRID, "Roadmap to the Supergrid Technologies”, 2013
03 FRIENDS of the SUPERGRID, “Roadmap to the Supergrid Technologies”, 2013
04 S. Allebrod, R. Hamerski, and R. Marquardt, "New transformerless, scalable modular multilevel converters for HVDC-transmission", in Proc. Power Electron. Spec. Conf. 2008
05 G. T. Son, H. J. Lee, T. S. Nam, Y. H. Chung, U. H. Lee, S. T. Baek, K. Hur, and J. W. Park, “Design and Control of a Modular Multilevel HVDC Converter with Redundant Power Modules for Non-Interruptible Energy Transfer ,” IEEE Trans. on power delivery. 2012
06 Hafner, Jurgen, and Bjorn Jacobson. "Proactive Hybrid HVDC Breakers-A key innovation for reliable HVDC grids." CIGRE paper 264 (2011).
07 http://www.rohm.com
08 http://www.epri.com