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HVDC 기술 워크숍…전문가들 열띤 발표와 토론 |
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경영관리본부 |
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2014-04-17 17:11:17 |
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5,143회 |
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- 동북아 슈퍼그리드 소개 : 박갑호 한전 부장
“국가간 에너지협의체 구축 후 단계적 추진해야”
현재 동북아 슈퍼그리드에 해당되는 각국은 저마다 판이한 전력 여건을 보이고 있다. 먼저 우리나라는 러시아·북한·일본 등과의 협력을 위한 정부간 정책 전환카드로 활용을 검토하고 있으며, 전력수급 해결 및 국가 차원의 전력분야 신성장동력으로서 동북아 슈퍼그리드가 해결책이 될 것으로 보고 있다. 이에 반해 북한은 심각한 전력난 해결을 위해 전력계통 연계에 대해서는 찬성 입장이나 북핵 해결이 최우선과제로 부각돼 있는 상황이며, 향후 동북아 정치상황 변화에 대응하는 국면 전환 카드로 활용할 가능성이 제기되고 있다.
러시아는 극동러시아의 인구 감소로 향후 지배력이 상실될 것을 우려하고 있으며, 한-중-일 연계를 통한 가스 자원 및 전력 수출로 지역경제 활성화와 극동 지배력 유지를 동시에 추진한다는 계획을 세우고 있다. 또 중국은 급격한 경제성장에 따른 에너지 수요의 폭발적 증가로 자국 내 수퍼그리드(삼협댐-북경-상해) 구축을 우선 추진 중이며, 향후 해외 시장으로 눈을 돌릴 것으로 전망된다. 이밖에 일본은 현재 동북아 국가들과의 정치적 긴장관계가 심화돼 동북아 협력에 진전을 보이기 힘든 상황으로, 후쿠시마 원전 사태 이후 전력 부족이 심화돼 자국 내 전력정책에 변화를 모색하고 있다.
우리나라와 러시아는 연계 타당성 조사 MOU와 전문가 컨퍼런스 등을 통해 선로거리 1000km에 달하는 계통연계에 대한 필요성에 공감하고 있으나, 사업 추진 이전에 북한과의 3자 협의가 불가피한 상황이다. 또 한-일 연계는 양국간 첨예한 정치적 긴장무드에 따라 정부 차원의 논의는 이뤄지지 않고 있으며, 조환익 한전 사장과 소프트뱅크 손정의 사장의 면담, 일본 창성회의와의 실무회의 등 민간 차원의 협의를 거쳐 정부사업으로 확대시켜 나가는 구상이 힘을 얻고 있다. 이에 반해 한-중 연계는 경기남부 또는 충남북부와 칭따오 지역을 잇는 선로거리 350km의 계통 연계 사업이 주목받고 있으며, 이를 위해 중국의 국가전망공사, 산서성 등과 실무자간 협력을 진행 중이며 올해 중 공동연구에 들어갈 것으로 전망된다.
현 시점에서 동북아 슈퍼그리드는 세계 여타 지역의 슈퍼그리드에 비해 사업의 장기성과 확실성을 확신하기 힘드므로, 해당 각국의 경제적·정치적 상황을 고려해 단계적으로 진행돼야 한다. 이에 따라 민간 차원의 협력이 매우 중요하며, 국가별 정부와 전력회사, 각 분야 전문가들이 참여하는 에너지협의체의 발족이 선행돼야 할 것으로 보인다.
- 전압형 HVDC 개요 : 강대욱 전기연구원 선임
“HVDC용 멀티레벨 컨버터·차단기 등 개발 中”
HVDC는 고압교류송전 방식에 비해 초기 투자비는 크지만 40km 이상의 해저 지중케이블이 소요되는 경우와 500km 이상의 장거리 송전에서 높은 경제성을 지니고 있으며, 교류손실 감소로 인한 송전효율 향상, 계통분할 효과에 의한 사고 파급 예방 및 단락전류 억제 효과에 의한 계통신뢰도 향상 등의 장점을 갖고 있다. 또 전압과 전류가 일정하므로 이론적으로 전자기파 유도가 발생되지 않으므로, EMI 문제가 있는 대도시 용량 증설 용도로 적합하다.
이와 같은 전압형 HVDC 기술은 최초 개발 이래 기술적 문제와 경제성을 고려한 여러 종류의 제품이 개발되고 있다. 지멘스는 2009년 ‘IGBT를 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터(Ⅰ)(IGBT, Half Bridge Sub Module-type, N-레벨 컨버터, 전압형)’를 최초로 적용, 상용화했다. 이 방식은 멀티레벨 전압 준위를 갖도록 전압파형을 생성하며, 정현파와 유사한 전압파형으로 고조파 필터 크기를 대폭 감소시켰다. 알스톰은 현재 ‘IGBT를 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터(Ⅱ)(IGBT, Full Bridge Sub Module-type, N-레벨 컨버터, 전압형)를 개발 중이다. 이 방식은 (Ⅰ)방식과 동일한 특징에 더해 계통사고에 대해 안정적으로 전력변환장치를 유지시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.
이밖에 가장 최근인 2010년 개발된 ‘IGBT를 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터(Ⅲ)(IGBT, Clamp Double Sub Module-type, N-레벨 컨버터, 전압형)’가 있으며, 이는 가장 우수한 방식으로 평가받고 있다.
한편 전기연구원은 100MW HVDC용 멀티레벨 컨버터 및 시뮬레이터와 250kV/8kA HVDC용 차단기, 15kV/300A급 SiC 스위칭 소자 등의 개발을 추진하고 있다.
- XLPE&MI 케이블 기술 분석 : 전승익 LS전선 이사
“해상풍력단지 증가, 해저케이블도 동반 성장”
HVDC 해저케이블 시스템은 초고압 해저 장거리 구간 송전에 사용된다. 장거리 도서 육지간 또는 도서간 전력 연계에 유용하며, 해상풍력단지 대형화 및 육지-해상풍력단지 장거리화에 따른 대용량 풍력에너지 전송에도 유리하다. 최근 해상풍력단지 프로젝트 증가에 따라 320kV 이하 선로에는 VSC XLPE 케이블을 적용하는 사례가 늘고 있으며, 400kV급 이상의 대용량 선로에는 MI케이블을 주로 적용하고 있다.
XLPE 케이블은 도체 허용 최고 온도가 전압형의 경우 섭씨 70도에 달하며, 친환경성으로 절연유 누유 가능성이 없으며 시공이 간편하다는 장점이 있으나, MI케이블 대비 공장접속 개소가 증가하며 절연 성능 검증 기간이 짧다는 단점을 함께 지닌다. XLPE케이블은 전압형의 경우 해상풍력연계 프로젝트에 주로 적용하며, 유럽에서는 전압형, 일본은 전류형을 주로 사용한다.
MI케이블은 장조장 케이블 생산이 가능하므로 공장접속 개소를 최소화할 수 있다는 장점이 있으나 도체 허용 최고 온도가 XLPE 케이블에 비해 낮다는 단점이 있다. MI케이블은 400~500kV급, 1회선당 1GW 이상의 대용량 송전에 주로 적용한다.
국내 DC 케이블 개발 및 적용 현황을 살펴보면 제주-진도 105km 구간에 HVDC 250kV MI 케이블 설치, 제주 HVDC 실증단지에 80kV XLPE 케이블 시스템 설치를 완료했으며(이상 2012년), 지난해 Nano-composite 컴파운드 개발, 250kV급 케이블의 직류 및 전압형 테스트를 완료한 바 있다.
- HVDC 국산화 사례 소개 : 정용호 LS산전 이사
“국내 기술, 세계수준 90%까지 끌어올려”
LS산전이 전류형 HVDC의 핵심기기 개발에 착수한 지 4년여가 지났다. 현재 LS산전의 HVDC 핵심기기 국산화율은 200kV, 200MW 기준으로 선진사 대비 약 90% 이상의 수준에 도달했다. 그간의 개발 이력을 먼저 밝히자면, 2011년 제주실증단지 설계, 2012년 단지 구축 및 핵심기기 설계·제작, 2013년 시운전 및 자체개발품 시험 및 설치를 거쳐 지난달 30MW 자체개발품의 실증 운전에 성공했다고 요약할 수 있다.
이 과정을 구체적으로 살펴 보면, LS산전은 DC 80kV, 60MW급 HVDC 파일럿 설계와 설치, 시운전을 통한 기술력 확보를 추진해 2012년 8월 제주 실증단지에 기기를 설치하고 2013년 3월 60MW 시운전을 완료했다. 또 HVDC 시스템 설계 기술과 커미셔닝, 시운전 기술을 확보하는 데도 성공했다.
HVDC 밸브는 2010년 국산화 개발에 착수해 2013년 최대 DC 200kV, 200MW 적용 가능한 기기 제작에 성공했다. 자체 기술로 밸프 모듈 및 타워를 제작했으며, 밸브 게이트 유닛 및 핵심 부품을 국산화했다. 이에 더해 유지 및 보수가 용이한 파워트랙 구조를 설계·제작했다.
쿨링 시스템 구조의 국산화는 2012년 실증단지 설치 운전, 2013년 제어기 국산화 개발 착수, 2014년 제어기 국산화 완료의 순서로 진행됐다. 또 이 시스템에 대해 자체 기술력으로 제어 로직 개발을 완료했다. 이밖에 154kV 36MVA급 HVDC 변환용 변압기의 설계 및 제작을 완료하고 부산공장 시험 후 제주 현장에 설치, 금악변환소와 한림변환소에서 시험을 마쳤다.
이들 자체개발품은 2013년 11월 제주 실증단지에 교체 설치됐고, LS산전은 30MW 모노폴 실증시험을 지난 3월 완료했다.
- 전압형 HVDC 개발 현황 : 정홍주 효성 부장
“20MW급 해상풍력 연계용 기술 개발 박차”
효성은 국책과제를 바탕으로 연구를 진행하고 있다. 과제명은 ‘해상풍력연계용 20MW급 전압형 HVDC 연계 기술 개발’으로, 2012년 11월 1일 이래 2016년 10월 31일까지 연구를 추진하고 있다. 이 연구개발 과제에는 삼화콘덴서, 숭실대, 제주대, 전북대 등이 동참하고 있다. 기술개발의 주요 내용에는 풍력 연계용 전압형 HVDC 제작 기술(컨버터 및 제어기 개발, 시험 및 실증), 전압형 HVDC 계통연계 운용 기술(전압형 HVDC의 해석모델 개발, 풍력 연계용 전압형 HVDC 실증 운용), HVDC를 연계한 대규모 풍력 수용성 확대를 위한 변전소 수용한계 평가 기술(통합 유·무효 전력 제어 모델링 개발, 풍력발전단지의 수용성 향상 방안 도출) 등이 포함된다.
이들 중 풍력연계용 전압형 HVDC 기술에 있어서 필요한 MMC(Modular Mutilevel Converter)에 대해 살펴 보면, MMC는 모듈화된 소용량의 2(3)-레벨 컨버터들이 직렬 연결로 구성된 것으로, 변환손실이 약 1.0%에 불과할 정도로 작고 고조파 필터가 불필요하며 서브모듈들의 직렬 연결로 1GW급 대용량 구성이 용이하다는 장점을 지닌다.
효성은 20MW급 풍력 연계용 HVDC를 통해 풍력발전단지에서 발전되는 전원의 안정된 계통 공급과 무효전력의 최적 보상을 시험할 계획이다. 이를 위해 작년까지 서브모듈 개발을 완료했으며 올해 단상 컨버터의 제작 및 시험을 완료할 예정이다. 이어 내년 중 3상 컨버터의 제작 및 시험을 거쳐 2016년에는 실증단지 설치 및 실증에 들어간다는 방침이다.
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