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차세대 전력망의 핵심, hvdc를 알아보자!

전류 전쟁(War of Currents)은 1880년대 후반에 미국의 니콜라 테슬라가 주장한 AC송배전 방식(교류 송배전)과 토머스 에디슨이 주장한 DC송배전 방식(직류 송배전)을 두고 벌인 경쟁을 이르는 말이다.

[그림1. 토마스 에디슨과 니콜라 테슬라] / 출처 : 전력경제신문

직류와 교류의 차이를 살펴보자. 직류에 비해 교류는 코일에 전류를 방해하는 흐름이 추가로 생긴다. 따라서 실제로 일을 하지 않는 ‘무효 전력’이 있다. 흐르는 강을 수직으로 건너려면 강을 거스르는 추가 힘을 줘야 하는 것처럼 교류는 직류보다 무효 전력에 해당하는 에너지를 더 보내주어야 한다.

[그림2. 직류와 교류 비교] / 출처 : Google.com

언뜻 보기에는 당연히 직류가 교류보다 훨씬 경제적이고 유리해 보인다. 그러나 세상의 흐름은 AC 송전을 따르게 되었다. 그 이유는 당시 변압 기술이 부족했던 직류에 비해, 교류는 유연하게 전압을 바꾸는 변전(변압) 기술이 확보되어 있었기 때문이다.

그 후로 지난 100 년 동안 AC송전은 가정과 기업에 송전을 위한 글로벌 플랫폼이었지만 몇 가지 제한 사항이 있었다. 고전압 AC 전송에는 전송 용량 및 거리 제약이 있고, 서로 다른 주파수의 두 계통 간에는 직접 연결할 수 없다는 것이다. 최근 들어 교류에 밀려 한동안 주목받지 못했던 직류가 다시 부상하고 있다. 신재생에너지원과 전원, 에너지저장장치등의 DC 발전시스템과 DC전원을 소비하는 정보통신 부하의 급증하고 있는 추세와 더불어 송전의 새로운 대안이 되고 있는 HVDC 덕분이다.

HVDC(High Voltage Direct Current transmission system, 초고압직류송전)란 발전소에서 생산되는 고압의 교류 전력을 전력변환기를 이용해 고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후, 원하는 수전(受電) 지역에서 다시 전력변환기를 이용해 교류전력으로 변환하여 공급하는 방식이다. 즉, 이제는 직류도 변압 기술이 발전한 것이다.

[그림3. HVDC시스템 ] / 출처 : naver

HVDC의 특징을 알아보자.

1. HVDC는 장거리 송전이 유리하다. 장거리 송전 시 같은 크기의 전선에서는 직류가 교류보다 2배 이상 송전될 수 있어 교류 송전에 비하여 직류 송전이 경제적으로 유리하다. 또한 AC 케이블 전송에서 커다란 케이블 Capacitance로 인한 무효전력 흐름은 최대 전송 거리를 제한하는 반면 HVDC 케이블의 잠재적 길이에는 기술적 한계가 없다. 이것이 매우 긴케이블 링크의 경우 HVDC가 유일한 실용적인 기술 전송 대안 인 이유이다.

[그래프 1. DC, AC별 거리에 따른 비용그래프] / 출처 : ABB

2. 같은 전력 전송 시 AC송전선에 비하여 DC 송전의 철탑 면적과 수량이 훨씬 덜 요구된다. 직류 전압은 교류 전압의 최댓값에 비해 크기가 약 70%에 불과해 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치돼 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다. 또한 기존 AC철탑을 활용한다면, DC송전을 통해 보다 더 많은 전력을 송전할수 있을 것이다.

[그림 4. 동일 전력 전송 시 필요한 송전탑 비교]

3. HVDC 송전은 동일한 용량의 AC송전보다 손실이 낮다. 교류는 변압기를 이용하며 무효전력까지 전송해야하기 때문에 손실이 큰 반면, HVDC는 항상 일정한 전압과 극성을 갖기 때문에 선로에서의 손실이 적고, 전력변환 손실만 고려해주면 된다.

4. HVDC는 서로 다른 계통 간 안전한 비동기 상호 연결을 가능하게 한다. AC 시스템을 연결하려면 동기화해야 한다. 즉 동일한 전압 및 주파수에서만 동기화된다. 따라서 다른 계통 간 송전이 서로 불가능한데 이를 연결해주는 것이 HVDC이다. HVDC는 비 동기식이므로 수신하는 정격 전압 및 주파수에 적응할 수 있기 때문이다. 예로 일본은 지역별로 발전되는 전기의 전압과 주파수 60hz와 50hz로 달라 교류 송전으로는 연계가 불가능하지만 중간에 HVDC를 설치하여 서로 다른 계통을 연계하고 있다. 이런 장점이 갖는 의미는 사실 막대하다. 바로 2개 이상의 서
로 다른 계통을 지닌 국가간 전력을 상호 공유 하는 슈퍼 그리드(Super Grid)를 형성할 수 있다는 것이다.

[그림 5. 동북아 슈퍼그리드] / 출처 : Google

5. 신재생에너지 발전에 있어 효율을 극대화 할 수 있다. 태양광 발전과 에너지 저장장치(축전지)는 모두 직류를 출력한다. 태양광으로 발전한 전력을 축전지에 저장한 후 사용하는 과정에서 전기 기기는 현재처럼 교류로 변환하지 않고 직류 그대로 이용할 수 있다. 따라서 계통연계형인버터와 같은 직류 - 교류 변환에 따른 전력 손실을 줄일 수 있다.

예로 일본에서 데이터센터를 운영하는 사쿠라 인터넷은 2015년 8월, 홋카이도에 출력 200kW규모의 태양광 발전소를 가동했다. 생산된 전력을 전력 변환과정 없이 HVDC를 통해 데이터센터에서 송전 받아 사용하는 것이다. 이처럼 신재생에너지 발전이 기존의 직류송전시스템과 융합되는 것은 전력 효율성을 고려할 때 사업성이 높다.

장점만 있는 것은 아니다. 대용량 AC/DC 변환기에서 고속 스위칭으로 인한 다량의 고조파가 발생하기 때문에 고조파 필터를 반드시 설치해주어야 한다. 그리고 최적의 DC전압을 선정 해주는 것도 중요하다. 전압이 높으면 전류가 작아지므로 부하에서의 손실이 감소하지만 그만큼 절연 레벨이 높아지므로 투자비가 증가하고, 전압이 낮으면 전류가 커지므로 부하에서의 손실이 증가하지만 그만큼 절연 레벨이 낮아지므로 투자비가 낮아진다. 따라서 그 적정선을 찾아 잘 설계해야한다.

현재 전력망은 교류가 주축을 이루고 있다. 교류 시스템을 당장 직류로 변화시키는 것이 능사는 아니다. 이미 구축된많은 전력 시설을 교체하기 위한 비용과 시간은 당연히 필요하기 때문이다. 그럼에도 여러 가지 특장점을 가진 직류가 대세라는 점은 변함이 없으며, 많은 세계 유수의 연구자와 기업들이 직류 기술 개발에 몰두하고 있다. 직류 기술의 흐름에서 뒤처지지 않고 성공적인 기술개발의 성공적인 결실을 위해서는 국제 표준화에 적극적인 참여와 정부의 개발 의지 그리고 산학 연구 협력이 보다 요구되고 있다.

향후 차세대 전력망은 교류와 직류가 혼합된 하이브리드 형태로 발전되어야 한다. 중첩된 직류 전력망은 나라와 대륙을 연계하고 전력 부하 균형을 조정하며, 그리드 신뢰성 및 기존 교류 네트워크의 용량 또한 향상시켜 기존 교류 송전망을 보강하게 될 것이다.

안재범  woqja0725@naver.com

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