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HVDC 기술 동향 및 전망
현재 약 160개, 150GW 이상 용량 프로젝트 건설 운영 중
2018년 10월 29일 (월) 12:24:56 한국전력신문 webmaster@epnews.co.kr

유럽중심 해저케이블국가간 HVDC 계통연계 투자집중예상
국내…한전·LS산전·LS전선·대한전선 국산화 기술개발 착수

◆HVDC 개요

직류송전 시스템(High Voltage Direct Current Transmission System)은 일반적으로 발전소에서 생산되는 교류전력을 싸이리스터, IGBT 등의 반도체 소자를 이용하여 직류로 변환시켜서 송전(가공, 지중, 해저)한 후 수전 점에서 교류로 재 변환하여 전력을 공급하는 방식으로 장거리 대용량 및 해저케이블 송전, 국가 간 전력 및 신재생 계통 연계 등 세계적으로 폭 넓게 사용되는 시스템이다. 교류 송전과 비교해 보면 기술적으로 다양한 직류 송전의 장점을 확인 할 수 있다.

 우선 ▲비동기 계통 전력연계: 서로 다른 전력계통을 교류로 직접 연계할 경우 기본적으로 두 계통의 주파수와 위상이 같아야 가능하며 한쪽 전력계통의 전압이나 주파수의 변동 등이 연계된 타 전력계통에 직접적으로 영향을 끼치게 된다. 그러나 직류계통으로 연계할 경우 AC 전력계통의 주파수나 위상각에 독립적으로 운전되므로 비동기 AC 계통 간에 어떤 운용상의 제약이 없이 두 계통간의 전력전송이 가능 ▲고장전류 제한: 대용량의 교류 계통으로 발전소와 부하중심지가 연결되면, 고장전류의 크기가 수전단 측에서 증가하며 큰 고장전류는 큰 용량의 차단기 및 기타 설비를 요구하게 된다. 국내 부하 밀집지역인 수도권의 경우에도 고장전류 문제로 인해 계통을 분리하여 운전하고 있어 계통운영에 제약사항이 발생하고 있다. 직류송전의 경우 반도체 소자 특성과 빠른 제어로 인해 연계 계통의 고장전류를 분리시킬 수 있어 복잡한 계통을 보다 효율적으로 운영 가능 ▲전력제어 가능: 교류 송전의 경우 전력은 송전선로에 흐르는 전력의 양을 임의로 조정 할 수 없지만 직류 송전의 경우 필요한 전력량을 자유롭게 조정이 가능하여 송전 효율을 높일 수 있으며 주파수 및 댐핑 제어 등 계통 특성에 맞추어 자유롭게 전력의 흐름을 조정 할 수 있는 장점 ▲대규모 신재생 계통연계: 탄소배출권 시행에 의해 풍력, 태양광 등 신재생에너지 시장이 전 세계적으로 각광받고 있는데 신재생에너지 특성상 기후변화 등에 의해 일정 출력 및 전압을 유지하기 어려운 단점이 있다. 이러한 특성으로 인해 대규모의 신재생에너지가 교류계통에 직접 연계 될 경우 계통안정도의 저하를 가져 올 수 있지만 직류송전을 이용할 경우 출력 및 전압을 일정하게 유지 및 제어 할 수 있어 안정적인 신재생에너지 전송이 가능해 진다. 또한 주로 해상에 설치되는 풍력발전의 경우 해저케이블을 통해 육지계통에 연계되는데 교류케이블의 경우 케이블의 충전전류로 인해 보낼 수 있는 거리가 제한(일반적으로 40km)되는 반면 직류케이블의 경유 거리에 제한 없이 송전할 수 있는 장점이 있어 직류송전방식을 채택하고 있다.

◆HVDC 시장 현황 및 전망

  HVDC는 1954년 첫 상업운전 이후 현재 약 160개, 150GW 이상 용량의 프로젝트가 건설되어 운영 중이다. 초기에는 유럽지역이 주를 이루었으며, 이후 북미와 아시아 지역으로 시장이 확장되었고 장거리 송전 이외 고장전류 제한, 육지-도서지역간의 전력공급, 해협의 횡단, 대규모 신재생 계통연계 등의 용도로 건설되고 있으며 국가간 계통 연계를 위한 사업 또한 활발하게 추진되고 있다.

2000년 이후에는 아시아 시장이 급속성장을 하면서 전체 HVDC 프로젝트의 40% 이상을 차지하고 있으며 이 중 중국시장이 급성장 하여 전 세계 약 25%를 차지하고 있다. 향후 중국과 인도를 중심으로 한 아시아 시장이 전 세계 시장의 49.5%를 차지하며, HVDC 송전 시장을 주도할 것으로 전망된다.

현재 HVDC 시장은  고전압 대용량의 변환설비가 개발되는 추세이며 전류형은 ±800kV, 7,200MW급까지(±1,000kV, 10,000MW 프로젝트 건설중) 전압형 HVDC의 경우 ±500kV, 1,000MW급까지 건설되어 운영 중에 있다. 향후 2020년까지 현재 운전용량의 약 3배(460GW) 정도의 용량 증가가 예상되며 저탄소 녹색 성장을 위한 대규모의 전력망을 구축하는 국가 간 연계사업 및 해상풍력 등 신재생 계통연계를 위한 HVDC 수요 급증이 전망된다.

현재 HVDC의 제작 및 건설은 ABB, SIEMENS, GE 등이 시장을 주도하고 있으며, 일본의 Toshiba, Hitachi, 중국의 XD, CEPRI 등은 해외진출을 시도 중에 있다.

◆HVDC 기술개발 추세

 HVDC 기술을 이용한 아프리카, 아시아, 유럽 등 전 세계적으로 이러한 이웃 국가 간 계통연계로 전력 융통(Electric Power Swapping)을 통한 전력계통 신뢰성과 경제성 추구의 슈퍼그리드 기술이 최근 세계적 흐름을 주도하고 있다. 2050년까지 전 세계적인 슈퍼그리드 구축 예정이며 특히 유럽 중심의 해저케이블 국가 간 HVDC 계통연계에 대한 투자가 집중될 것으로 전망되며 국가별 신재생에너지를 최대한 활용하고 신뢰도 향상과 세계적인 통합 전력 네트워크 구축을 위해 HVDC 신기술 연구 및 투자가 점차 활성화되고 있다. 특히 유럽의 Desertec 프로젝트는 2050년까지 사하라 사막의 태양열발전, 지중해 및 북해 연안의 대규모 풍력, 수력 발전으로 생산한 전력을 연계하여 유럽에서 소비하는 전력의 100%를 충당한다는 계획으로 진행 중에 있다.

이러한 국가간 계통 및 대규모 신재생에너지 연계를 위해 HVDC 다단자망(MTDC, 3개 이상의 HVDC 컨버터 연계 기술)과 전압형 HVDC 관련 기술 개발이 활발히 추진되고 있으며 그리드 구성을 위한 DC 차단기 개발이 병행되어 진행되고 있다. DC 차단기의 경우 ABB, GE 등의 업체에서 활발히 개발이 진행 중이며 중국의 Zhoushan MTDC(DC 5개소 연계)에 실제 적용되어 운영 중에 있다.

◆전류형 HVDC와 전압형 HVDC 비교

 HVDC의 종류는 일반적으로 밸브에 사용되는 반도체 소자에 따라 Thyristor 기반의 전류형(Line Commutated Converter)과 IGBT 기반의 전압형(Voltage Source Converter) HVDC로 나눌 수 있다. 1972년 캐나다의 Eel River 프로젝트(±80kV, 350MW)를 시작으로 싸이리스터 기반의 전류형 HVDC가 직류송전 시스템에 본격적으로 사용되었으며, 1990년 중반 이후부터 소규모 계통 및 신재생에너지 연계에 적합한 전압형 HVDC가 빠르게 확산되고 있는 추세에 있다.
전류형과 전압형 HVDC는 기술적 특성에 차이가 있어 연계되는 계통특성 및 목적에 따라 선택되어지는데 일반적으로 대용량 장거리 전송에는 전류형 HVDC가 주로 사용되며 신재생에너지 및 약한 계통(Weak Grid) 전송에는 전압형 HVDC가 적용되고 있다.

◆국내 전력계통 특성 및 HVDC 현황

 우리나라의 전력계통은 반도국가 특성 상 다른 나라와 연계되지 않고 독립되어 있으며 서해안지역의 대규모 화력 발전단지와 동해안 지역의 대규모 원자력 발전단지로부터 주요 수요 밀집지인 수도권 지역으로 765kV 및 345kV AC 송전선로를 이용해 전력을 융통하고 있다. 지역별 전력수급여건을 살펴보면 호남지역, 영남지역만 자체적인 수급균형을 이루고 있고, 영동지역 및 중부지역에서 생산된 전력은 수도권으로 대규모로 융통되고 있으며 비수도권에서 수도권으로의 전력융통량은 지속적으로 증가 할 것으로 전망된다.

국내 최초로 전류형 HVDC가 도입된 프로젝트는 제주~해남 간 #1HVDC(±180kV, 300MW, 98년 상업운전)로 100km가 넘는 해저구간을 DC 케이블로 연계하여 육지의 전력을 제주도로 공급하는 목적으로 운영 중이며 같은 목적으로 제주~진도 간 #2HVDC(±250kV, 400MW, 13년 상업운전)가 이어 준공되어 운영 중이다.  제주지역의 안정적 전력공급 및 육지계통의 이중전원확보를 위해 육지-제주간 #3HVDC(±150kV, 200MW)가 계획 중이며 보다 빠른 역송 및 제어가 가능한 전압형 HVDC로 계획되었다.

육지 계통에는 신규 발전단지와 고장시 계통 안정성 확보를 목적으로 북당진-고덕 간 HVDC(±500kV, 3,000MW)와 동해안-수도권 간 HVDC(±500kV, 4,000MW)가 계획되어 건설 중에 있으며 아울러 수도권 지역의 고장전류 및 AC선로 과부하 제한을 위해 양주 BTB HVDC(200MW, 전압형)가 추진 중 이다.
향후 해상풍력 등 신재생에너지 및 한-중-러-일 간 추진되고 있는 동북아 슈퍼그리드 연계를 위해 HVDC가 추가로 계획될 전망이다.

◆국내 HVDC 기술개발 현황

 국내에서는 지난 2009년 한국전력과 LS산전(변환기술), LS전선(해저케이블), 대한전선(케이블)이 공동으로 국산화 기술개발을 위한 합동연구에 착수하였으며 전류형 HVDC 실증단지(±80kV, 60MW)를 구축하였고, 전기연구원과 LS산전은 2013년부터 직류 전력망을 구성하는데 있어 큰 기술적 제약사항인 직류차단기 개발과 관련 기술 확보를 위해 공동연구센터를 운영, 최근 전기연구원이 개발한 직류차단 관련 기술을 LS산전에 이전하였다. 또한 한전에서는 한전-GE간 합작투자를 통한 KAPES 설립(‘12.12)하여 전류형 HVDC 설계기술을 확보 중에 있다. 전압형 HVDC의 경우 효성(주)에서 해상풍력 연계용 ±12kV 20MW급 전압형 HVDC를 국책과제로 개발하였으며, 200MW급 전압형 HVDC가 산학연 협업을 통한 국책연구과제로 추진 중에 있다. 

신재생에너지 증가, 국가 간 전력망 연계사업 등에 따른 전력산업 환경의 급격한 변화로 국내 HVDC 송전의 기술자립의 필요성이 절실한 현실에 놓여있다. 하지만 국내의 직류송전 기술자립은 앞서 노력에도 불구하고 아직 분야별 전문가와 산업인프라가 부족하여 기술개발 및 실용화에 많은 어려움을 겪고 있는 것 이 사실이다. HVDC 기기개발은 물론 기기 설치, 운영, 유지보수 등에 관해서도 R&D 추진에서부터 상용화시까지 종합적으로 기술완성을 높이도록 지속적인 R&D 기획과 투자의 병행이 필요하다. 그렇게 된다면 이미 세계적인 경쟁력을 확보하고 있는 IT와 전력 운영기술을 바탕으로 안정적인 국내 계통운영은 물론 우리의 직류송전 기술로 HVDC 분야의 세계시장을 주도하는 날이 올 것으로 기대한다.

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