고압직류송전(HVDC) 기술

전력 소비량을 억제하는 에너지 절약의 움직임은 해마다 활발해지고 있습니다. 그것은 당연히 전기의 공급 방법에도 영향을 미칩니다. 직류에 의한 송전은 지금까지 변압기로 변전하기 쉬운 교류에 비해 낡고 열등하다고도 불려 왔습니다.

 

그러나 발전 효율이 교류보다 직류가 좋다는 것과 신재생에너지 발전에 대한 열 및 소비 전력량이 많은 ICT 설비의 증가로 고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current)가 주목 받게 되었습니다. 전력망을 통한 송전을 고압 직류로 하면 효율이 좋습니다. 이번에는 고압직류송전 기술에 대해 소개합니다.

 

고전압 직류(HVDC)란?

고압 직류는 교류와 무엇이 다른가

우선, 직류(DC)란 전류가 흐르는 방향과 전압이 일정한 전류 및 전압 을 말합니다. 구체적으로는 철도, 태양광 발전, 전지, ​​통신 등으로 직류는 사용되고 있습니다.

 

반대로 교류(AC)란 전류가 흐르는 방향이 주기적으로 변화하는 전류 를 말합니다. 구체적으로는 콘센트, 전력 회사에서 공급되는 상용 전원 등을 말합니다.

 

직류, 교류를 변환하는 「직류⇒교류」, 「교류⇒직류」시에 에너지의 손실이 발생합니다. 가령 태양광 발전의 경우 태양의 빛에너지를 태양전지 모듈에서 전기 에너지로 변환하면 곧바로 직류 전류가 생성됩니다. 한전 계통으로 연계하기 위해 인버터에서 교류로 변환해야 하므로 에너지가 많이 손실됩니다. 따라서 직류와 교류의 변환을 줄임으로써 에너지 손실을 방지할 수 있습니다. 그것을 실현하는 것이 고압 직류입니다. 즉 직류⇒직류로 직류전력을 그대로 공급할 수 있는 것이 고압 직류(HVDC) 입니다.

 

고압 직류(HVDC)는 교류의 4단계 전력 변환 단계 (AC/DC, DC/AC, AC/DC, DC/DC)를 2단계 (AC/DC, DC/DC)로 단순화 할 수 있습니다. 그러므로 교류에 의한 급전과 비교하여 고압 직류는 발전 효율이 좋습니다.

 

고압 직류(HVDC) 사용

말 그대로 고압 직류는 비교적 직류 전력의 전압이 큰 곳, 소비전력이 큰 시설이나 설비에서 사용 됩니다. 구체적으로는 방대한 데이터의 데이터 센터, EV자동차, 장거리 해저 케이블 등에서 사용하는 것이 대표적입니다. 왜 그러한 시설이나 설비에서 고압 직류가 사용되는가 하면 고압 직류가 매우 에너지 절약 효과가 높고, 또한 발전 효율이 좋기 때문에 대량으로 전력을 소비하는 데이터 센터 등에서는 친화성이 높기 때문입니다. 언제나 새로운 사회의 첨단 기술로 고압 직류가 사용되기 때문에 매우 주목도가 높은 기술입니다.

 

고전압 직류(HVDC)의 2가지 방식 ~자려식/타여식~

안정된 전력 공급을 실현하기 위해서는 전기를 사용하는 측과 생산하는 쪽뿐 아니라 보내는 쪽에서도 고품질 고효율 고신뢰성이 요구됩니다. 고압직류송전(HVDC: High Voltage Direct Current Transmission)은 대용량 장거리 송전에 적합한 방식으로서 대규모 발전소로부터 대도시에의 송전이나 해저 케이블을 사용한 계통연계를 목적으로 실용화되었습니다. 이 송전 방식은 통상의 고압교류송전에 비해 송전 거리가 길수록 유리합니다. 향후 고압직류송전 기술을 적용하여 해상 풍력발전이나 사막지대의 태양광 및 태양열 발전 등 대규모의 재생가능에너지를 대륙 간에 연계하는 구상도 있습니다.

기존의 교류송전망에 고압직류송전 시스템을 도입하는 경우 교류에서 직류로 또는 직류에서 교류로 변환하기 위해 반도체 스위치를 적용한 수십만 볼트 급의 고전압 대용량의 교직변환기가 필요합니다. 기존의 고압직류송전 시스템에 사용된 교직변환기는 대개 반도체 스위치에 사이리스터를 적용한 타여자 방식 변환기로 조상설비나 저차 고주파 필터 등의 부대설비에 의해 설치면적이 증가하며 동작이 교류전원에 의존합니다.

 

고압 직류에는 자여자식(Self-exited)과 타여자식(Separately Exited) 2종류의 방식이 있다.

 

자여자식 고압 직류

교류·직류간의 변환에 있어 교류 계통 내의 변환기의 용량에 맞는 발전기가 불필요한 것이 자여자식 고압 직류입니다. 접속하는 계통에 어떠한 제약도 없는 것이 주된 특징입니다.

 

타여자식 고압 직류

자여자식 고압 직류에 대해 교류·직류 간의 변환에 있어 교류 계통 내의 변환기의 용량에 맞는 발전기가 필요한 것이 타여자식 고압 직류입니다. 변환 사이에 발전기를 개입시킵니다. 자여자식과 타여자식은 향후 제약이 없는 자여자식이 신재생에너지 설비의 증가에 따라 증가할 것으로 예상됩니다.

 

고전압 직류(HVDC)의 장점

① 높은 발전 효율

고압 직류가 발전 효율이 높다는 것에 관해서는 앞서 언급했습니다. 교류 송전 이상으로 고압 직류가 발전 효율이 좋다고 하는 이론적인 이유는 토마스 에디슨이 주장하는 이론입니다. 그것은 최대 전압이 교류 이상으로 낮아짐으로써 절연 문제와 절연 파괴 문제를 해결할 수 있는 것, 그리고 선로의 리액턴스 용량에 의한 유전체의 손실이 없는 것을 들 수 있습니다.

 

고압 대용량의 정류기 (전류를 한 방향으로만 흘리는(정류) 작용)의 제작이 가능하게 되어 교류를 트랜스 변환함으로써 고압으로 변환하여 직류 송전하는 것이 가능하게 되었기 때문에 발전 효율이 교류 이상으로 높습니다. 즉 고압 직류가 발전 효율이 좋은 것으로 여겨지는 이유는 고압 직류용 정류기가 개발된 것입니다. 고압 직류용 정류기가 개발되기 전까지는 전압을 자유롭게 변환할 수 있어 장거리 송전에 유리한 교류가 전세계적으로 사용되었으니 지금까지 교류만 계통 전력망을 만들어 온 것입니다.

 

구체적으로 발전 효율이 얼마나 좋은지에 대해서는 고압 직류의 사용 목적, 용도, 제품에 따라 달라질 것입니다. 데이터 센터에 사용되는 경우라면 DC380V로 각 장치에 송전을 실시해 소비 전력을 교류 대비로 15% 절감 할 수 있다는 분석도 있습니다.

 

② 높은 신뢰성

전력 공급에 있어서 전원으로부터 전기가 안정적으로 송전되는가 하는 것은 사람들의 생활에 밀접한 관계를 가지고 있으므로 매우 중요합니다. 고압 직류는 송전에 있어서 높은 신뢰성을 담보할 수 있습니다. 고압 직류의 장점 중 하나인 높은 신뢰성은 종종 데이터 센터와 같은 대규모 데이터 저장에서 언급되는 경우가 많습니다. 데이터 센터에는 거의 UPS 전원이 설치되어 있습니다만 데이터 센터에 내장된 UPS에서는 내부에서 직류/교류/직류 변환 이 이루어지고 있습니다. 즉, 변환시에 에너지 손실이 일어나고, 변환을 실시하는 과정에서 고장 등의 트러블도 발생합니다. 데이터 센터의 UPS에서 이것이 과제가 되었습니다. 비상용 전원도 고장나기도 하니 문제가 작지 않습니다. 이것에 대해 종전의 교류 송전 UPS는 신뢰성 면에서 낮았습니다. 그러나 고압 직류에 의해 교류 전환을 하지 않아도 되면 고장 가능성을 줄일 수 있습니다. 따라서 고압 직류는 신뢰성이 높은 것으로 알려져 있습니다.

 

③ 장거리 송전 가능

고압 직류는 장거리에서의 송전이 우수하고, 전력 손실을 최소화하는 것이 가능합니다. 한 연구에서는 1000km당 3%의 전력 손실 밖에 발생하지 않을 정도로 전력 손실이 적다고 합니다. 이 장점에 부합하는 것이 바로 장거리 송전을 위한 해저 케이블입니다. 고압 직류 해저 케이블에 의한 송전은 이미 이탈리아-몬테네그로 사이에서도 사용되고 있는 기술입니다. 우리나라에서도 이미 제주도 HVDC 케이블이 해저에 설치되어 있습니다. 고압 직류가 전 세계적으로 상용화되면 전세계를 고압 직류로 연결할 수 있는 가능성도 있습니다. 그렇게 되면 국가간 전력 거래도 현실적으로 가능한 시대가 올 수 있습니다.

고전압 직류의 단점

기술적으로는 새로운 부류인 고압 직류이지만 그 때문에 단점이나 과제도 분명히 있습니다.

 

단점: 비용

해상 풍력은 특성상 첨단 기술 분야인 관계로 개발 비용과 도입 비용 등 다양한 비용이 소요됩니다. 상품화하는 정도는 아니지만 첨단 기술이 상용화 되는 가격대가 되기 위해서는 기술 혁신을 거치기까지 오랜 세월이 필요합니다. 특히 비용이 많이 드는 것은 해저 케이블의 부설입니다. 프랑스와 스페인의 고압 직류 해저 케이블 설치의 사례에서는 2,000MW 고압 직류 라인의 제안 당시 피레네 산맥 터널 공사 비용을 포함해 약 1조원의 건설 비용 이 소요된다고 하는 추산이 있었습니다. 그러므로 방대한 자금이 고압 직류에 필요합니다.

 

특히 아시아 태평양에서 고압 직류의 바닥 케이블을 부설하려고 하면 환경 문제나 지진과 해저 화산과 같은 지정학적 위험을 포함한 비용도 계산에 넣을 필요도 있습니다. 

 

또한 고압 직류는 보조 부품이 많아지기 쉽고 기술의 표준화가 어렵다는 과제도 있습니다. 해저 케이블의 비용이 높다는 점은 이미 알려져 있지만 일본 사례 중에서 홋카이도 직류 간선(홋카이도→혼슈, 600 MW, 긍장 167km)과 같은 사례에서는 케이블 비용을 회수할 수 있다고 하니 단점의 극복 가능성도 있습니다.

 

요약

이상과 같이 최근 신재생 에너지 설비의 증가, 데이터 센터의 사회 인프라화에 편승하여 주목받고 있는 고압 직류에 대해서 소개했습니다. 이론적으로는 에디슨의 시대부터 있었던 것이고 오랫동안 테슬라 이론이 지지 받아 온 관계로 최근까지 그다지 주목받지 못했습니다. 그러나 고압 직류를 가능하게 하는 정류기의 개발 등에 의해 앞으로 점점 기대되는 분야이기도 합니다. 고압 직류의 도입 및 운용 사례에 대해서 향후 다시 소개하겠습니다.