Hot Tech - 고조파 저감과 전력손실 예방을 위한 하이브리드 변압기 기술
박훈양 대표 / (주)에너테크 / ceo@enerkeeper.com
HOT TECH에서는 혁신기업의 기술력과 성과, 성공 노하우, 업계 동향과 전망을 살펴봅니다.
하이브리드 변압기란
하이브리드 변압기(Hybrid Distribution Transformer)는 변압기능과 고조파 감쇄 기능을 갖는 배전용 고효율 변압기를 의미한다.
변압기와 고조파필터 기술의 융합 제품으로 한국전력산하 발전5개사와 3년여에 걸친 협력 연구개발로 국내 최초로 개발에 성공하였으며 몰드 변압기, 유입 변압기, 건식 변압기 형태로 제작되고 있다.
특히 고조파가 발생하는 설비부하에 하이브리드 변압기를 도입할 경우 기존방식(고효율 변압기+고조파필터)에 비해 투자비용 절감과 설치 공간에 대한 부담을 크게 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라 고조파로 인한 여러 가지 피해를 예방함은 물론 전력손실을 억제하여 에너지 절약에도 기여할 수 있다.
하이브리드 변압기의 핵심기술은 DZW(Double Zig-Zag Winding) 공법으로 그림 2 에 나타난 바와 같이 각 상(3상)에서 자기 상과 다른 상의 권선이 상호 교차하는 형태를 취하되 각 상에서의 자속이 정상과 역상이 되도록 설계되어 진다.
이처럼 Double Zig-TECHZag Winding 공법을 이용하여 서로 다른 상에서 발생하는 고조파 전류를 상호 상쇄시키고 불평형 전류는 억제하게 된다.
개발 배경
전력용 반도체의 비약적인 발달로 산업용 설비에서부터 업무용 OA기기, 가정용 전기기기에 이르기까지 그 전원부분에는 반도체가 사용되고 있으며 이로 인해 전력계통에는 필연적으로 고조파와 불평형이 발생하게 된다.
특히 최근에는 PC, LED, 서버, 인버터, 정류기, E/V 설비의 증가로 고조파 발생이 점차 증가하고 있으며, 이러한 고조파(THD)는 전력계통에서 전력손실과 전기사고를 유발시키고 전력품질과 설비의 효율성을 저하시킴으로써 여러 가지 피해를 초래하고 있다.
따라서 전기설비의 효율적 운용과 전력손실 최소화를 위해서는 고조파 감소 대책이 매우 시급한 실정이며, 한전에서도 ‘고조파 피해예방과 국가적인 전력손실 최소화’를 위하여 「배전계통 고조파 관리기준」을 수립하여 대책마련에 앞장서고 있다.
지금까지는 고조파 피해 예방을 위한 설비로서 능동형 고조파필터, 수동형 고조파필터, L-C 필터, K-Factor 변압기, 리액터, 위상변이 TR 등을 설치하고 있으나 이러한 장치들은 경제적, 효율적 측면에서 몇 가지 한계점을 안고 있다.
(1) 능동형 고조파필터(Active Hamonic Filter)
능동형 고조파필터의 원리는 비선형 부하에서 발생하는 고조파를 검출하여 능동필터의 신호 처리부(Signal Processor)에서 고속으로 분석한 후 IGBT 등의 소자를 통한 고속 스위칭으로 반대 파형의 전류를 보내는 것으로, 부하에서 발생하는 고조파분으로 벡터적으로 상쇄하여 전원 측의 전류를 정현파로 유지하는 것이다.
능동필터는 통상 25차 이내의 전 고조파를 제거할 수 있어 다양한 고조파가 복합적으로 발생하는 장소에 적합한 방식이지만, 수동필터에 비해 가격이 너무 고가인 문제로 부하 변동이 급격히 변화하는 경우나 불특정 다수의 부하를 한 개소에서 제어하는 경우에만 한정적으로 사용되고 있다.
(2) 수동형 고조파필터(Passive Hamonic Filter, L-C Filter)
수동형 고조파필터는 고조파 전류를 바이패스(By-pass) 하기 위해 콘덴서(Condenser)와 리액터를 직렬로 조합시켜 특정 차수에 대하여 저 임피던스를 만들어 주는 것으로 저차형 고조파 저감을 위한 Band-Pass Filter와 고차형의 High-Pass Filter 등으로 구분된다.
가격이 능동필터에 비해 저렴하지만 영상분 고조파에 국한된 필터 효과로 한계성과 과부하시 파손의 위험성, 수동필터에 의한 공진 발생 가능성이 있으므로 부하의 종류에 따라 필터 설계를 달리하여야 한다.
(3) K-Factor 변압기 설치
고조파로 인한 변압기의 내량을 키우기 위해 변압기 설계시 K-Factor 상수를 반영시켜 만든 변압기로서 제조 Cost 상승과 외형증대 및 설치공간이 증가함으로써 효율성과 경제성이 떨어진다.
더욱이 K-Factor 변압기의 경우 고조파 제거 기능이 없으므로 전력계통에는 여전히 고조파가 잔존하게 되며, 다른 전기설비에 악영향을 초래하게 되므로 근본적 해결책이 될 수 없다.
* K-Factor 13 = 100 % 비선형 부하
* K-Factor 7 = 선형과 비선형이 혼합된 부하
(4) 리액터 설치
인버터의 전원 측에 AC 리액터를 설치하거나 DC측에 DC 리액터를 설치하면 콘덴서에 의한 전류의 피크 값을 완화시켜 고조파를 개선하는 효과가 있다.
그러나 리액터 용량이 클수록 고조파 개선 효과가 크지만(5% 이상시 큰 차이 없음) 전압 강하를 고려하여 적정 용량을 산정해야 하는 어려움이 있다.
(5) 위상변이 TR 설치
상 변환 장치에서 각 변압기의 결선방식이 달라 A 변압기와 B 변압기의 위상이 차이 날 때, 피더(Feeder)에 위상변위 TR을 설치하여 고조파를 상쇄시키는 방식이다.
기술의 필요성
고조파 피해예방 대책으로서 효율성과 경제성 측면에서 하이브리드 변압기는 새로운 대안으로 떠오르고 있다.
기존에는 고조파 저감을 위해 변압기와는 별도로 고조파필터를 설치하거나 K-Factor 변압기를 설치하여 왔으나 효율성과 경제성에서 한계가 있었다.
즉, 능동필터의 경우 효율성은 우수하나 비싼 가격 때문에 대중화가 어려웠고, 수동필터나 K-Factor 변압기의 경우 능동필터 대비 가격부담은 낮아졌으나 효율성이 떨어져 기술적 한계를 극복하기 어려웠다.
하이브리드 변압기는 변압기능과 고조파 감쇄 기능을 동시에 갖고 있는 고효율 변압기로서 기존 변압기를 대체하여 설치하기 때문에 설치 공간 절약과 투자비용 절감은 물론 고조파를 감소시켜 전력손실을 줄임으로써 에너지절약 효과에도 기여할 수 있다.
신기술 적용사례
하이브리드 변압기는 한전KDN, 한국수력원자력, 동서발전, LH공사, 가스공사 등 공공기관과 POSCO, 삼성, 두산중공업, 교육기관, 병원, 전산센터 등 다양한 설비에 납품되어 있다.
(1) 당진 복합화력
· 설치 현장: 당진 복합화력발전소
· 제품 사양: 3상 1,000kVA 건식 변압기
· 설비 종류: 해수전해설비(정류기 부하)
· 도입 목적 : 설비보호 및 전력 품질 개선
(2) 한국수자원공사
· 설치 현장: 한국수자원공사 아산 정수장
· 제품 사양: 3상 1,000kVA 몰드 변압기
· 설비 종류: 주변압기(인버터 제어)
· 도입 목적: 원가절감 및 온실가스 감축 목표달성을 위한 시범도입
맺음말
고조파 전류가 변압기 권선에 흐르게 되면 권선에 와전류가 흘러 권선의 등가저항이 커지므로 변압기 권선온도 상승, 철손과 동손 증가, 변압기 출력 감소 등 피해를 유발하게 된다.
따라서 고조파 발생이 많은 부하에서는 전력용 변압기를 선정할 때 다음과 같은 방법을 고려해야 한다.
① 고조파 감쇄 기능의 하이브리드 고효율 변압기 선정
② k-Factor 변압기 선정
③ 변압기 용량을 필요한 용량보다 증대시킨 특수변압기 선정
하이브리드 변압기의 경우 고조파 억제가 가능하지만, K-Factor 변압기나 단순히 용량을 증대시킨 특수변압기의 경우 결코 고조파 억제 기능이 없으므로 고조파를 억제하기 위해서는 변압기 이외에 고조파필터 등 별도의 설비가 필요하다.
사용자 측면에서 고조파로 인한 피해예방과 전력손실을 최소화하기 위해서는 적극적인 고조파 감소 대책이 필요하며, 이를 통해 설비의 효율 향상과 에너지절약 효과에 기여하게 될 것이다.
(주)에너테크는 에너지절약 제품을 R&D·제조·판매하는 벤처기업으로서 글로벌 시장으로 도약하고 있다.
2003년 설립 이래 절전시스템 및 하이브리드 변압기를 개발하여 국내 및 해외 20여개 국가에 수출하고 있으며, ESS(에너지저장장치), 연료전지 등 신제품 개발도 추진하고 있다.
