1. HVDC 기술이란?

초고압직류시스템(HVDC ; High Voltage Direct Current)은 발전소에서 발전된 교류형태의 전력을 직류형태의 전력으로 변환하는 정류시스템(Rectifier ; AC->DC)으로 변환하여 직류송전선로로 송전하고, 수전단에서는 직류전력을 교류로 변환하는 변환시스템(Inverter ; DC->AC)으로 재변환하여 전력을 공급하는 방식이다. 에너지는 동일하면서 교류·직류전력의 형태를 변환하기 위해서는 변환설비에 다양한 전력전자 소자를 사용해야 하는데 소자종류 및시스템 구성방식에 따라서 HVDC 송전 기술방식이 분류되고 이러한 방식에 따라 상이한 계통특성이 나타난다.
HVDC 송전 기술방식은 발전소에서 생산된 전기를 수용가까지 보내는 방식으로 지금까지 130여 년 동안 대세를 이루었던 AC송전방식과 비교하여 안전하고 경제적이면서 환경 친화적인 방식으로 발전됐다. HVDC는 AC방식의 전력을 DC방식으로 변환하고 이를 장거리 HVDC 송전선로방식으로 수송 후 수전단에서 다시 AC방식으로 변환하여 수용가에 전력을 공급하는 기술 분야이다. 기술범위를 살펴보면 계통계획 및 시스템기술, 전력변환기술(AC를 DC로 변환하거나 수요단에서 DC를 AC로 재 변환), DC방식으로 최대한 손실이 적으면서 환경 친화적으로 안전하게 전력을 수송하는 HVDC 송전설비와 관련한 제반기술 그리고 이러한 송전 및 변환 제반설비를 감시, 통제 및 제어하면서 전력계통을 운영 및 시험하는 기술로 구분할 수 있다.

가. 송전기술
HVDC의 송전기술은 크게 계통계획 및 시스템기술, 관련기기, 설비기술 및 계통운영과 시험기술 등으로 분류 할 수 있다. 이중 계통계획과 운영기술은 AC계통과 일반적으로 연계되어 있는 관계로 기존의 AC계통기술과 공통적으로 검토할 필요가 있어 설비중심으로 송전기술의 변천사를 분류하고, 송전선로 중심으로 분석해 보았다.

나. 해저 HVDC 케이블
송전케이블의 경우 가공송전에 비해 정전용량이 크기 때문에 지중이나 해저 등에 사용되는 경우 대부분 HVDC 케이블이 적용된다. 최근 해상풍력과 바다를 사이에 둔 인접국가 간의 전력연계 등 해저케이블개발이 활성화되고 있다. 전압형 변환설비를 적용하는 경우 320kV급, 전류형 HVDC 경우에는 600kV급까지 케이블 사용이 추진되고 있다. 이러한 HVDC 해저케이블의 기술개발에서 가장 중요한것이 DC케이블에 나타나는 공간전하(Space Charge)를 제조상이나 운영 중 축적되지 않게 하는 억제기술과 제거기술의 발전이다.

 

 

다. CSC(전류형) HVDC 변환기술
전통적인 직류 변환기술로 CSC(Current Source Converter) HVDC 또는 LCC(Line Commutated Converter) HVDC라는 이름으로 많이 알려져 있다. 전류형 직류변환 송전기술은 사이리스터 (Thyristor)의 점호각에 의해서 이루어진다. 컨버터 교류전류의 위상은 항상 전압 기준으로 뒤쳐져 있기 때문에 지상전류를 흡수하기 위해 무효전력이 반드시 필요하다. 보통 사이리스터를 사용하는 LCC-HVDC는 직류 송전용량의 약 50~55%에 해당하는 지상 무효전력을 AC 계통에서 공급받아야 한다. 이러한 무효전력 소비는 HVDC의 송전용량이 커짐에 따라 더 많은 문제를 유발할 수 있다. 따라서 LCC-HVDC 연결단에는 연계 교류계통의 특성에 따라 동기조상기나 SVC, STATCOM과 같은 FACTS 기기의 추가 설치가 요구된다. 강한 연계 교류계통(SCR, Short Circuit Ratio가 높은 계통)일 경우 AC 필터의 커패시터나 리액터의 무효전력으로보상이 되기도 한다.

 

 

라. VSC(전압형) HVDC 변환기술
전압형 HVDC 변환기술은 전류형 직류송전 변환시스템의 무효전력 보상 문제와 전력 흐름 제어 성능 및 품질 등에 있어 본질적인 약점을 해결 할 수 있는 새로운 기술이다.
GTO, IGBT, IGCT 등의 스위칭 On·Off를 자유롭게 제어 할 수 있는 반도체 스위칭 소자가 일반적으로 사용되며, DC 커패시터에 저장된 에너지를 이용해 전압과 전류의 위상각을 제어함으로써 유효전력과 무효전력을 독립적으로 제어한다. 전압형의 우수한 성능에도 불구하고 연계 검토시 언제나 논의가 되는 부분은 경제성과 손실분 때문이며 이는 높은 제어성능을 위한 IGBT 기반 컨버터 설계 및 운영기술의 한계에 기인한다. Gate-Turn-Off가 가능한 GTO 혹은 IGBT 소자 등을 사용하므로 계통 상태에 따라서 무효전력을 흡수 혹은 생산할 수 있기 때문에 계통 과도상태
시의 제어가 훨씬 용이하다. 이러한 제어 편이성으로 인해 전압형 HVDC는 전기품질 문제가 발생할 수 있는 신재생에너지 전원의 계통연계 등에 활발히 적용되고 있다. 반면 전압형 HVDC는 현재 최대 2GW정도로써 용량에 한계가 있다. 이에 따라 대규모 계통 적용이 곤란하고 가격이 비싸기 때문에 손실이 상대적으로 크다는 단점이 있다. 하지만 향후 기술발전에 따라서 대용량 국가 간 연계망 등에 적용 할 수 있을 것으로 기대된다.

마. HVDC 차단기기술
교류계통 차단기의 경우 에너지가 어느 순간 ‘0’점을 지나가기 때문에 차단기의 접점 개로 시 발생되는 아크를 소호하기 쉬우나 직류계통 차단기의 경우에는 일정한 에너지를 유지하고 있으므로 아크 차단에 매우 어려움이 있다. 특히 아크를 차단하기 위한 중요변수로 접점개리 속도와 아크 구동력이 있으며 이 또한 교류계통에 비해 정격전류에서 아크 구동력을 높이기에는 어려움이 따른다. 회로를 차단할 수 있는 충분한 아크 전압을 발생시키지 않으면 사고전류에 대한 보호가 매우 어려워져 2차 사고로 연결될 가능성이 매우 높아질 수 있다. 차단기는 정격전류 영역에서 안정적으로 개폐가 가능해야하고 과전류영역에서는 전선의 열적특성보다 앞서 차단기가 동작함으로써 계통을 보호해야 한다. 직류 전력망을 구성하는데 가장 큰 기술적 장애 중에 하나가 바로 전력망에 이상이 생겼을 때 특정구간의 전력을 신속히 차단해 전체 전력망의 파급을 막아주는 직류차단 기술이다. 이러한 직류차단기의 특징 및 요구기술은 교류차단기와 달리 저항성 부하에서도 차단 시 아크가 발생하고 유도성 부하 차단 시 유도성 에너지가 차단기 접점에 존재한다. 또한 선로의 용량성 성분이 큰 경우 투입 시 큰 돌입 전류가 발생하는 등의 특징을 갖고 있다. 이러한 특징들에 대해서는 선로의 유도나 용량성에 관계없이 무아크 차단기 개발 분야가 부각되고 있는 추세이다.

2. 국내외 연구 및 기술동향

가. 국내
국내 HVDC 연구는 국가적 종합 로드맵 구축의 부재 속에서 스마트그리드 위주의 연구 개발활동과 주변경쟁국들의 HVDC 국산화 그리고 이해관계에 얽힌 국내 사기업의 지난친 경쟁 속에서 종합적인 연구개발의 왜곡현상이 발생했다. HVDC 연구 분야는 크게 송전분야, 변환분야로 대별될 수 있으며 일반적으로 변환분야는 기기개발에 주력하는 관계로 중전기 제조업체가 주도하고 송전분야는 시스템산업인 관계로 전력회사가 주도한다. 변환분야는 국산화개발보다는 해외선진기술 도입 쪽으로 방향이 정해졌다. 한전은 세계 3대 변환기 제작업체인 Alstom과 합작으로 KAPES를 설립했고 국내최대 변환기 제작업체인 LS산전이 KAPES로부터 기술을 전수 받는 계약을 체결해 전류형 변환기술 도입이 추진되어 오고 있다. 한전전력연구원은 전력회사 소속의 연구기관이기 때문에 해외의 경우처럼 송전분야 연구를 주도하고 있으며 변환분야 연구는 유지보수의 운영분야 연구를 지속해오고 있다. 전기연구원은 5년여 전에 HVDC 연구 분야의 중요성을 실감하고 HVDC 연구본부를 신설했다. HVDC 변환연구를 추진하기 위해 많은 노력을 기울였지만 국산화 개발보다는 해외기술도입으로 방향이 결정되면서 변환기분야에 제대로 된 연구를 추진하지 못하고 HVDC 차단기분야 연구 등에만 집중하고 있는 상황이다. 전기연구원 변환연구팀은 변환용 반도체소자 국산화연구와 HVDC 기본소자 국산화연구 등 기초연구에 많은 실적
을 축적해 나가고 있다.
한전전력연구원의 송전분야 연구는 지난해 국제대전력망 회의에서 세계적인 관심을 끌면서 세계 송전계의 이목이 집중되고 있다. 전력연구원의 HVDC 변환 분야 연구는 제주 해저케이블 2개 선로를 Alstom 변환설비 도입을 통해 설치하면서 해저케이블의 사고복구와 변환 분야 운영기술 연구 등 많은 연구결과를 축적시켰다. 3면이 바다인 한반도 지형상 제주도와의 연계는 물론 세계시장에서 국가 간이나 대륙 간의 전력연계에 중요한 경제적 송전수단으로 부각되고 있는 해저케이블 연구 분야는 국내기업인 LS전선이 국산화에 성공하면서 생산공장을 구축했으며 ±180kV MI 케이블(2006년)과 ±250kV MI 케이블 개발(2008년)에 성공했다. 또한 2011년 국내 최초로 ±80kV 전류형 XLPE 케이블을 개발했으며 2012년 실증시험선로 적용을 위한 준공시험을 완료하고 제주 HVDC 실증단지에서 실제운전을 성공적으로 마쳤다. 또한 2008 ∼ 2011년 전류형 HVDC XLPE 컴파운드를 개발과 2013년 ±250kV HVDC XLPE 케이블 기술개발을 완료하고 케이블 시스템 평가 기술을 확보했다. 국내 최초로 ±250kV MI 케이블을 개발해 2012년 상용화(±250kV 진도-제주 케이블)에 성공하였으며 국내 최초로 285kV MI 케이블도 개발해 2014년 상용화(285kV Den Konti-Skan 프로젝트)에 성공했다. 아울러 2014년 세계에서 두 번째로 ±500kV MI-PPLP 케이블 개발에 성공하고 2015년 ±500kV급 북당진-고덕 건설 사업에 적용시켰다.

나. 중국

중국은 세계에서 HVDC 초고압 설비 구축은 물론 R/D 투자가 가장 활발해 세계를 주도할 수 있는 국가로 발전해 나가고 있다. 세계에서 가장 높은 송전전압인 1,100kV 초고압 HVDC의 세계최초 상용운전을 눈앞에 두고 있다. 중국 서쪽의 발전원으로부터 동쪽 상하이의 부하중심지로 장거리 송전을 하기 위해 500kV, 800kV 그리고 1,100kV HVDC의 장거리 송전선로를 많은 실증시험과 연구를 통해 국산화하여 구축해 나가고 있다. 중국은 HVDC 국산화를 위해 20여 년 전부터 정부 주도하에 산하기관인 China EPRI가 연구를 주도하면서 전력사, 제작업체, 연구계 및 학
계 등과 중장기 로드맵을 마련했다. 그 결과 세계시장을 겨냥한 신제품 연구개발은 물론 시제품의 실증시험도 가능하게 됐으며 현장에서의 연구개발 또한 활성화하여 중국을 넘어 세계 HVDC 사업에 많은 진출을 하게 됐다.

또 중국은 HVDC 국산화를 위해 20여 년 전부터 연구를 추진하면서 제작업체와 학계가 공동으로 노력한 결과 지난해 800kV HVDC 5개 선로를 운영하면서 주요 변환소에 800kV HVDC 국산 변압기를 제작, 운영해오고 있다.

1) 중국 HVDC 송전선로의 전기환경연구
중국은 세계에서 가장 많은 HVDC 송전선(±500kV, ±800kV)를 보유하고 있다. 또한 세계최고 HVDC 송전선로 설계를 위해 북경 외곽에 ±1,100kV용 시험선로를 구축하고 칭화대 전기공학부와 CEPRI가 공동연구를 추진해 나가고 있다. 세계적으로 환경 친화적 설계에 주안점을 두는 추세에 따라 중국도 송전선로 전기환경 R/D에 많은 투자와 연구를 해오면서 HVDC 송전선하의 ion의 흐름과 대전전계강도 등의 계산과 측정을 통해 HVDC 송전선로 지상고와 도체수 그리고 최적 상배치 방법 등의 세부적인 기준 정립 연구를 수행해오고 있다.
세계최고 HVDC 전압인 ±1,100kV에 사용될 변환기 시제품도 개발을 완료해 2012년에 시험을 통과 후 준둥-충칭±1,100kV /5,000A UHVDC Project에 적용하고 있다.

 

2) 중국 HVDC 전압형 변환시스템 연구
◆ 1997년 초기공정 시험과제 : ±10kV/3MW
◆ 1997년 – 2011년 : 범세계적으로 14개 Project 구축
◆ 2011년 3월 CNOOC 원창 연안 플랫폼 구축 ±10kV/4MW
◆ 2011년 4월 상하이 난후이 풍력발전단지 ±30kV/20MW
◆ 2012년 – 2016년 전세계 11개 Project 완수
또한 이러한 전압형 변환시스템 개발을 위해 Nano섬의 해상풍력단지에 남방전망이 주관하여 제작업체, 연구소, 학계가 참여하는 대규모 가공 HVDC, 해저 HVDC 케이블, Multi Terminal용 차단기 그리고 전압형(VSC) 변환기 등을 설치해 종합 시험하는 시험인프라를 구축, 국산화 개발연구를 추진하고 있다.
이러한 수십 년 간의 국가전망이 주도하는 지속적이고 파격적인 실증연구를 통해 2011년 7월에 18MW/20MVA ±30kV 규격에 8.4km XLPE 해저케이블을 포함한 MMC, VSC-HVDC 시범Project를 완료, 국산화를 달성했다. 이러한 국산화 연구 배경에는 Nanosecond 단위의 초고속 동기 컨트롤과 같은 최첨단 기술 집약을 기반으로 한 변환소 보호시스템 등의 연구도 한몫 하고 있다. 또한 이를 이용하여 동적 실시간 세계최대 모의시스템을 이용한 반복적인 보정계산을 통해 국산화 연구에 밑거름이 되고 있다.

 

3) 중국 HVDC 송전기술 국산화 시험설비
중국은 베이징, 쿤밍(해발 2,000m), 우환, 티벳(해발 4,300m) 등에 대규모 시험설비를 구축하여 송전선로 전기환경, 절연연구, 송전철탑 및 애자, 금구류, 전선 등의 하드웨어/소프트웨어 연구 역할을 분담해 수십 년 간 수행하며 세계 최고의 1,100kV HVDC 기술까지 국산화 개발을 하는데 성과를 내고 있다.

 

다. 브라질
브라질은 아마존 이타이푸 지역의 수력자원을 수도권에 공급하는 HVDC 송전선로를 1984년 상용운전 당시 송전전압 ±300kV로 시작하였고 현재는 ±600kV까지 격상시켰다.
지난 2013년 9월 상용운전을 개시하여 서부지역과 부하 밀집지역인 중남부지역을 연결하는 Madeira HVDC 프로젝트의 송전용량은 600kV, 150MW 선로길이 2,384km, 철탑은 약 4,300기의 대규모 HVDC 송전선로로 건설됐다. 인접 경과지로 HVDC 선로가 추가되었으며 이 송전선로의 길이 또한 2,412km에 육박하며 송전용량은 3,150MW이다. 그리고 보다 높은 경제성 확보를 위해 Belo MonteUHVDC Link 프로젝트를 2020년에 상용운전 하는 것을 목표로 ±800kV로 격상시켰다. 또한 Super Grid 전력 융통국가인 파라과이의 50Hz와 브라질 60Hz의 비동기 계통연계를 위해 BTB 방식 HVDC 기술을 활용하고 있다. 현재 ±600kV HVDC 송전선로로 연계되어 있으며, 향후 Belo Monte ±800kV HVDC 선로와의 연계도 계획하고 있다.
브라질은 2023년까지 HVDC 송전선로를 집중적으로 투자해 이 기술의 다양한 장점들을 활용한 전력계통 건전성을 확보하고 HVDC와 관련된 다양한 프로젝트 경험을 통해 HVDC 송전선로 건설 및 운영기술을 확보한 HVDC 선진기술 국가로 발돋움해 나갈 계획이다. 1984년 세계에서 가장 높은 ±600kV 송전선로를 장기간 운전해오면서 많은 HVDC 운전경험이 축적됐다. 물론 초기에는 유럽업체의 제품을 수입하여 구축했지만 브라질 전력연구소(CEPEL) 주관 하에 국산화를 위한 실증시험설비를 구축해 꾸준한 연구활동을 펼쳐나가고 있다.

 

라. 유럽연합
유럽연합은 영국과 스칸디나반도 그리고 유럽본토까지 이어지는 HVDC 해저케이블 연계를 통해 세계 전력계를 주도하기 위한 방향전환을 추진하고 있다. 이에 유럽 선진국들은 HVDC 해저케이블 시스템 구축에 박차를 가하여 국가 간, 대륙 간 HVDC 기술을 이용한 슈퍼그리드에 대대적인 투자를 하고 있다. 유럽의 변환기술 분야는 ABB, Siemens, Alstom(2016년 미국 GE에 매각) 등이 주도해 나가고 있다. ABB는 스웨덴 HighVoltage Valley의 오랜 전통을 가진 연구 설비를 이용해 전류형은 물론 전압형 변환기 연구 등을 통해 세계 HVDC 기술의 주도권을 지속적으로 유지 위해 노력하고 있다. 그리고 Siemens와 Alstom은 각각 독일과 영국을 중심으로 HVDC 연구개발 상용화를 추진해 세계 HVDC 시장을 주도해 나가고 있다. 유럽에서 건설되고 있는 HVDC 변환분야 해저케이블 연구개발의 대표적 사례인 NordLink HVDC 프로젝트는 노르웨이와 독일 간 해저케이블을 통해 신재생에너지를 공유하는 계획이다. 송전전압은 ±525kV, 송전용량은 1,400MW 규모로 700km 이상의 해저케이블을 최대수심 450m에 설치할 예정이다. 투자비가 6,000억 원에 달하는 이 프로젝트를 통해 전력수급 상황에 따라 독일에서 생산되고 남은 풍력발전과 태양광발전을 노르웨이로 수출하고, 노르웨이의 수력발전을 독일로 수출하는 것이 가능해져 친환경에너지 분야의발전에 큰 기여를 할 것으로 전망된다.

유럽 선진국들은 이에 앞 다투어 향후 40~50조원에 육박하는 HVDC 해저케이블 시장 선점을 위해 사력을 다하고있다. 유럽에서는 영국-네덜란드, 노르웨이-영국, 아이슬란드-영국, 핀란드-에스토니아, 스웨덴-리투아니아 등의 국가 간, 대륙 간 슈퍼그리드 구성을 위한 다양한 프로젝트들이 진행되고 있다. 이 가운데 EuroLink 프로젝트는 독일, 폴란드, 벨로루시를 거쳐 러시아까지 대륙을 가로지르는 HVDC 가공송전선로로 ±500kV의 송전전압으로 구상되었으며 총 4GW의 전력공급이 가능하게 된다. 이 효과는 독일의 신재생에너지 확산을 위한 정책에도 매우 부합된다.영국에서는 420km에 달하는 HVDC ±600kV 송전선로를 지난 2015년부터 상용운전하고 있다. 송전용량은 2,000MW이며 각 지역을 운용하고 있는 잉글랜드의 NGET와 스코틀랜드의 SPT가 높은 송전 효율 달성, 자연경관 유지, 재산권의 침해로 인한 민원해소 등을 잘 해결해 큰 지지를 얻고 있다. 이 프로젝트로 인해 장기적으로는 설비의 저감지역 간 전력수급 안정화와 발전 자원의 효율적 배분에 따른 매우 긍정적인 효과를 가져 올 것이다.

전압형 XLPE 케이블은 2010년 최초로 Prysmian사 ±200kV, 400MW 전압형 HVDC XLPE 해저케이블이 Transbay(CA, 미국) 프로젝트에 적용된 이후 ±320kV, 1000MW INELFE 프로젝트(스페인-프랑스 계통연계)등 유럽을 중심으로 다수의 프로젝트가 진행 중에 있다. Borealis사 XLPE 원재료를 기반으로 ABB사에서는 2014년 ±525kV 전압형 XLPE 케이블에 성공했다. 전압형 XLPE 케이블 허용온도는 70℃이며, 전류형 XLPE 케이블 허용온도는 90℃이다. MI-PPLP(polypropylene laminated paper) 케이블은 Prysmian사에서 세계 최초로 ±600kV MI-PPLP 케이블 개발에 성공했으며 ±600kV Western HVDC Link(Scotland-England) 프로젝트에 적용되어 지난 2016년 준공됐다. ±600kV는 현재까지 HVDC 케이블 계통에서 가장 높은 전압이다. 국내에서도 2018년 3월 준공을 목표로 ±500kV급 북당진-고덕 프로젝트에 MI-PPLP가 주 절연체로 선정되었으며 이는 세계적으로 보았을 때 MI-PPLP 절연체를 사용하는 두 번째 프로젝트이다. MI-PPLP 케이블의 최대 허용온도는 85℃ 이다.