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효성, 국내 최초 전압형 HVDC 실증 완료 및 상용 프로젝트 진행
전압형 HVDC IGBT기반 컨버터 구성 전류형 단점 완벽 극복
2018년 10월 31일 (수) 11:22:50 한국전력신문 webmaster@epnews.co.kr

세계 3번째, 국내 최초 모듈형 멀티레벨 컨버터 기술 개발 상용화
2021년께 남북 송전망 HVDC 사업 등 약1만MW 시장 진출 구상

효성 중공업연구소(이하 중공업연구소)의 전신은 1978년 5월 효성중공업 영등포 공장 내 기술연구소로 중전기기 및 산업기기 분야의 연구개발을 수행했다. 이후 1998년 그룹 내 4사 통합에 발맞춰 중공업연구소라는 이름으로 새롭게 태어났으며 기존 분야의 연구개발뿐 아니라 에너지 시스템, 전력전자 및 자동 시스템 분야의 기술 확보를 위해 노력해왔다. 2010년에 기존 사업의 강화와 신사업 조기 사업화를 통한 경영 기여도 증대 및 연구생산성 향상을 위해 연구개발조직을 개편하였다. 현재 중공업 연구소는 안양연구소와 창원연구소 이원 체제로 운영되고 있으며, 안양연구소(경기도 안양시 동안구 소재)에서는 STATCOM, HVDC, ESS, PSS 등의 제품 개발 및 관련 기반기술 연구를 수행하고 창원연구소(경상남도 창원시 성산구 소재)에서는 생산현장에 근접하여 Asset Management System과 제품의 신뢰성 확보 기술 및 이와 관련된 기반기술 연구를 수행하고 있다. 2007년에는 창원연구소 내에 대지 500평 규모의 신뢰성 평가센터를 건립하여 시험 데이터베이스 축적, 품질 확보 및 제품의 신뢰성 확보를 통해 선진화된 제품개발 프로세스를 구축했다. 이후 2012년에는 안양공장 내 기술서비스센터를 리모델링하고 차세대 전력기술 실험센터를 건립하여 실험실 인프라를 확충했다. 차세대 전력기술 실험센터는 PCS, ESS, STATCOM, HVDC 등 신사업을 위한 개발공간과 중전기 사업 및 재료분석을 위한 실험실로 구성되어 있으며, 제품 연구개발뿐만 아니라 신규 개발품의 신뢰성 확보를 위한 전반적인 시험 및 기초기술 연구도 진행 중이다. 효성 중공업연구소의 주요 연혁은 △1978년 효성중공업 기술연구소 설립 △1985년 안양 종합연구동 준공 △1998년 ㈜효성으로 합병 △2007년 창원 신뢰성평가센터 준공 △2012년 안양 차세대 전력기술 실험센터 준공이다.

◆모듈형 멀티레벨 컨버터 방식 STATCOM 개발 및 해외 프로젝트 수주 성공

㈜효성(이하 효성)은 FACTS를 자체 기술로 개발하는 목표를 세우고 중공업연구소 내에 FACTS 연구팀을 구성하여 1990년대 중반부터 지속적인 연구 개발을 진행해왔다.
연구 초기 국내 기술이 전무한 상태에서도 1997년 1MVA STATCOM을 시험 개발하였고 2003년에는 Siemens로부터 80MVA UPFC를 도입하여 강진에 설치하면서 관련 기술을 축적하였다.
그 이후 한전 전력연구원과 ‘대용량 전력수송 기술개발’ 과제를 공동 수행하면서 2007년 국내 최초로 22.9kV 10MVA STATCOM을 개발하는데 성공하였으며, 또한 2009년에는 국내 최초로 송전급 100MVA STATCOM을 개발하여 미금 345kV 변전소에 설치?운전하는데 성공하였다. 2015년에는 추가로 100MVA STATCOM을 신성남 345kV 변전소에 설치하여 운전 중이다.

◆국내 유일/세계 3번째 모듈형 멀티레벨 컨버터 방식 STATCOM 개발 및 상용 운전

효성은 이러한 연구 경험을 바탕으로 2012년부터 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC, Modular Multilevel Converter) 방식의 STATCOM을 개발하기 시작하였으며, 다양한 자체 시험을 통해서 기능을 검증하고 국제인증기관(DNV-GL)의 인증 시험을 거쳐 제품의 신뢰성을 확보하였다. 그 결과 2015년에 인도 전력청 100MVA MMC STATCOM 프로젝트(NP Kunta 100MVA STATCOM)를 수주하였으며 2017년에 커미셔닝을 완료하여 현재 상용 운전 중이다.
그 동안 효성의 신제품은 한전의 납품 실적을 기반으로 해외시장에 진출 해왔지만 모듈형 멀티레벨 컨버터 STATCOM의 경우 해외에서 먼저 기술력을 인정받아 해외시장 납품 실적을 먼저 확보하게 되었다. 또한 NP Kunta 100MVA STATCOM을 수주한 후 얼마 안되어 파나마 전력청의 2개 사이트(ETESA STATCOM)를 수주하여 해외시장에서 입지를 다져나갔다.
2016년에는 한국전력의 STATCOM 프로젝트 입찰에 참여하여 2개 사이트(신청주, 신영주)의 수주에 성공하였고 2017년에는 2개 사이트(동해, 신부평)의 수주에 성공하였다. 이어서 같은 해에 인도전력청의 3개 사이트(SR-STATCOM)의 수주에 성공하였다. 현재 새로운 프로젝트에 도전하기 위해 효성의 STATCOM 사업부는 꾸준히 정진하고 있으며 앞으로도 우수한 실적이 기대된다.

◆전류형 HVDC보다 공간절약과 우수한 제어성능을 갖는 전압형 HVDC

HVDC는 ‘High-Voltage Direct Current’의 약자로 고압직류송전을 의미한다. 고압직류송전은 발전소에서 생산된 교류전력을 고압직류로 변환해 필요한 곳까지 송전한 뒤에 다시 교류로 바꾸어 수요자에게 공급하는 방식이다. 직류송전방식은 송전효율이 좋고 안정도가 뛰어나며 다른 주파수 교류계통간의 연결이 가능한 장점이 있다. 특히 장거리 송전시에 교류송전방식 대비 송전효율 및 안정도가 향상된다. 국내에서는 해남-제주, 진도-제주 지역에 HVDC가 설치되어 운영되고 있다.
HVDC는 교류전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터를 구성하는 반도체 스위치의 종류에 따라 전류형(LCC, Line Commutated Converter) HVDC 또는 전압형(VSC, Voltage Source Converter) HVDC로 구분된다. 전류형 HVDC는 Thyristor 기반의 컨버터로 구성되며 대용량 구성이 용이하고 송전효율이 높은 장점이 있지만 무효전력보상을 위한 보상기기, 고조파 제거를 위한 필터, 고가의 DC 케이블이 필요하고 양방향 전력제어가 어렵고 넓은 설치 면적을 요구하는 단점이 있다.
반면에 전압형 HVDC는 IGBT 기반의 컨버터로 구성되며 전류형 HVDC의 단점을 모두 극복할 수 있는 장점이 있다. 물론 상대적으로 최대 구성 가능 용량과 효율 특성이 낮지만 최근 컨버터 기술 및 반도체 스위치 기술 발달로 그 격차는 점점 좁아지고 있다. 특히 전압형 HVDC의 최신 기술인 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC, Modular Multilevel Converter) 기술은 Siemens에서 최초로 상용화하였으며 효성은 Siemens, GE에 이어 세계에서 3번째, 국내에서는 최초로 모듈형 멀티레벨 컨버터 기술을 개발하고 상용화하였다.

◆국내 최초 모듈형 멀티레벨 컨버터 방식 20MW급 HVDC 시스템 개발 및 실증 완료

효성은 2012년 산업통상자원부의 ‘해상풍력연계용 20MW급 전압형 HVDC 연계기술 개발’ 과제 참여로 HVDC 개발을 본격적으로 시작하였다. 그리고 대용량 전력변환기 개발 경험을 토대로 다수의 FACTS 프로젝트를 성공적으로 수행하였다.
특히 전압형 전력변환장치의 최신 기술인 MMC(Modular Multilevel Converter) 방식을 적용한 HVDC 시스템은 국내 최초로 2012년도에 개발에 착수했다. MMC HVDC 시스템을 구성하는 컨버터와 제어시스템을 순수 국내기술로 개발 완료하였으며, 부분별 시험 방식을 자체적으로 개발하여 컨버터와 제어시스템의 성능 및 신뢰성을 검증 완료하였다.
특히 컨버터를 구성하는 서브모듈(Sub-module)의 신뢰성을 높이기 위해서 다양한 기능시험 및 보호 동작시험을 모두 완료하여 제품의 신뢰성을 확보하였다. 또한 MMC HVDC 시스템의 제어 및 보호 시스템을 자체 개발하였다. 개발된 제어 시스템의 상위 레벨 통신은 Ethernet 기반의 IEC 61850 프로토콜을 적용하였으며, 하위 단의 통신은 고속 Serial 통신을 이용하여 제품의 성능을 확보하였다.
개발이 완료된 제어 및 보호 시스템은 RTDS(Real Time Digital Simulator) 기반의 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하여 실제 시험조건에서 검증했다. HMI/Application Server, TFR, CCP 제어기, Valve 제어기 및 야드 설비 제어를 위한 Bay Controller 및 Ethernet 기반 IEC 61850 통신 네트워크는 모두 실제 적용되는 시스템을 사용하였다. 효성은 개발 완료된 컨버터와 제어 및 보호 시스템을 최종 검증하기 위한 실증시험단지를 제주도에 설치하여 2017년 시험을 완료하였다.

◆200MW급 HVDC 상용 프로젝트 성공을 통한 해외 시장 진입 계획

현재 효성은 전압형 HVDC 국산화를 위해 주요 부품의 국내 개발을 여러 기업 및 기관과 진행하고 있다. HVDC 국산화는 에너지기술개발사업의 일환으로 “DC±200kV급 전압형 MMC 개발 및 운영/실증”을 위해 ‘17년 11월부터 개발에 착수하여 ‘21년 10월까지 개발 및 시운전을 완료하는 목표로 진행 중이며 주관기업인 효성과 한전, 전기연구원, 전자부품연구원, 삼화콘덴서공업 등의 참여 기업 및 기관으로 구성된 총 개발비 1,243억원의 대형 국가과제이다. 특히 당 과제에서 한국전력은 나주 154kV 변전소 부지 제공 및 변환소 건물 설계, 시공을 수행함으로서 효성의 HVDC 상용 프로젝트 성공에 도움을 주고 있다. 또한 당 과제의 결과물인 200MW급 HVDC시스템은 향후 효성이 해외 시장에 진입하는데 있어서 중요한 실적이 될 수 있을 것이다. 이와 같이 200MW급 HVDC 과제의 성공은 효성과 한국전력 모두에게 매우 중요하다.
효성은 모듈형 컨버터 기반의 STATCOM과 HVDC의 주요 기술력은 확보가 되었으며 제품의 신뢰성을 확보하기 위해 노력하고 있다. 이를 위한 대표적인 활동으로 과제 참여기관에서 자문단을 구성하여 정기회의를 진행하고 있으며, 주관기업에서는 국내/외 전문가 그룹을 구성하고 정식 계약을 체결하여 신뢰성을 확보할 수 있는 자문을 얻고 있다.
이제 효성은 2021년 10월까지 진행되는 이 사업을 성공적으로 완료해 국내에서 계획돼 있는 BTB시장, 수퍼그리드 한중연계, 남북 송전망의 HVDC 사업 등 약 1만MW 시장 진출을 구상하고 있다. 효성은 나아가 급격히 변하는 글로벌 전압형 HVDC 시장에 진출해 송전분야의 신시장을 선도하려고 한다.

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