HVDC 기술의 혁신: 과거에서 현재, 그리고 미래로의 여정

1. 요약

• 고전압 직류 전송(HVDC) 기술은 현대 전력 시스템에서 필수불가결한 요소로 자리매김하고 있습니다. 역사적으로 에디슨과 테슬라의 전류 전쟁을 지나, HVDC 기술은 신재생 에너지를 효과적으로 송전할 수 있는 중요한 수단으로 주목받고 있으며 그 발전 가능성이 매우 큽니다. 본 리포트는 HVDC 기술의 역사적 배경, 현재 기술 동향, 연구 및 개발 현황을 심층적으로 분석하고 있으며, 향후의 전망도 함께 제시하고 있습니다.

• 특히, HVDC 기술은 신재생 에너지원의 급증에 따라 더욱 강조되고 있습니다. 이는 태양광 및 풍력 등 변동성이 큰 재생에너지를 장거리로 송전하는 데 있어 효율성을 제공하고 있기 때문입니다. HVDC 시스템은 대규모 전력 송전에서 에너지 손실을 최소화하고, 비동기 연결을 통해 다양한 전력망 간의 안정성을 높이는 데 기여합니다.

• 이러한 이점 외에도, HVDC 기술은 장거리 송전 시 전송 손실을 감소시키고, 전력망의 유연성을 증가시킴으로써 교류 송전의 한계를 극복하는 혁신적인 기술로 여겨집니다. 이는 국가 간 전력 거래 강화 및 다양한 전력망 연결을 가능하게 하여, 에너지 자원의 효율적인 활용을 지원하는 데 중요한 요소로 작용하고 있습니다.

• 또한, 한국전기연구원과 같은 국내 연구 기관들은 HVDC 기술의 발전에 중요한 기여를 하고 있으며, 다양한 프로젝트를 통해 실질적인 성과를 창출하고 있습니다. 이 보고서는 HVDC 기술의 현재와 미래에 대한 통찰력을 제공하며, 독자에게 심도 있는 이해를 돕는 것을 목표로 하고 있습니다.

2. HVDC 기술의 역사적 배경

• 2-1. 에디슨과 테슬라의 전류 전쟁

• HVDC(고전압 직류 송전) 기술의 뿌리는 에디슨과 테슬라의 '전류 전쟁'에 뿌리를 두고 있습니다. 19세기 후반, 토마스 에디슨은 직류(DC) 전력 시스템의 강력한 지지자였으며, 그는 직류 발전기와 전기를 상업적으로 공급하는 시스템을 개발했습니다. 1879년, 그는 100kW 용량의 DC 발전기 6대를 뉴욕 금융가에 설치하여 1,200개의 백열전구를 밝히는 데 성공하였습니다. 반면, 니콜라 테슬라는 교류(AC) 시스템의 발전에 활발히 참여하였으며, 조지 웨스팅하우스와 협력하여 교류용 변압기와 유도기의 성능을 개선했습니다. 이로 인해 교류 시스템이 시장에서 지배적인 위치를 차지하게 되었고, 이는 장기적으로 HVDC 기술의 발전에 기여하였습니다.

• 1865년부터 시작된 두 사람의 경쟁은 전력 시스템의 선택에 큰 영향을 미쳤습니다. 많은 지역에서 교류 시스템이 채택됨에 따라, HVDC 기술은 한동안 overshadow되었으나, 고전압 직류 송전의 장점인 낮은 전력 손실과 비동기연계의 유용성 때문에 1954년 스웨덴 고틀랜드 섬에 최초의 HVDC 송전 프로젝트가 성사됨으로써 다시 주목받게 되었습니다.

• 2-2. HVDC 기술의 출현과 초기 발전

• 스웨덴 고틀랜드 섬에서 시작된 HVDC 송전은 이후 세계 각지로 확대되었습니다. 1960년대에는 최초의 상용 HVDC 설비가 설치되어, 이를 통하여 대규모 전력 송전이 가능해졌습니다. 특히, 해저 케이블을 통한 전력이 송전 가능해지면서 HVDC 기술은 장거리 송전의 유력한 대안으로 자리 매김했습니다. 많은 나라들이 HVDC 시스템을 개발하여 서로 연결하게 됨으로써, 다양한 전력망의 안정성을 기하급수적으로 증대되었습니다.

• 초기 HVDC 시스템은 전류형(HVDC) 기반으로 구성되어 있었으나, 전력을 효과적으로 송전하기 위해 여러 차단기 기술과 함께 발전해 왔습니다. 전류형 HVDC 시스템은 일반적으로 사이리스터와 같은 반도체 소자를 사용하여 전력을 제어하였지만, 이로 인해 고조파 문제와 같은 몇 가지 기술적 문제가 필요하게 되었습니다. 이에 따라, 전압형(HVDC) 시스템 기술이 개발되어 보다 나은 성능과 높은 유연성을 제공하게 되었습니다.

• 2-3. 산업에서의 교류 기술 사용의 일반화

• HVDC 기술이 발전하면서도 교류(AC) 전송 기술은 여전히 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 이는 교류 기술이 상대적으로 안정적이고, 인프라가 잘 구축되어 있어 폭넓은 적용이 가능하기 때문입니다. 그러나 HVDC 기술은 교류 송전의 한계를 극복할 수 있는 혁신적 기술로 각광받고 있습니다. 특히, 신재생에너지의 증가와 이를 송전할 수 있는 효율적인 방법으로 HVDC 기술의 중요성이 점점 커지고 있습니다.

• 산업 내의 전력 시스템은 교류와 직류가 공존하는 형태로 발전하고 있으며, HVDC 시스템은 교류 시스템의 보완제로 자리잡고 있습니다. 이로 인해 대규모 재생 에너지 프로젝트나 해저 전력 송전 프로젝트에서 HVDC는 필수적으로 채택될 수밖에 없는 기술로 자리매김하고 있습니다. 교류 기반 전력망의 구조가 성숙해 가는 과정 속에서도 HVDC는 특히 비동기 계통에서의 송전 및 대용량 송전에서 매우 유리해지는 특성을 지니고 있습니다.

3. 현재의 HVDC 기술 동향 및 발전 필요성

• 3-1. 신재생 에너지의 발전과 직류 송전의 필요성

• 최근 전 세계적으로 신재생 에너지원이 급속도로 확대되고 있으며, 특히 태양광 및 풍력 발전이 주요 전력 생산 수단으로 자리잡고 있습니다. 이러한 신재생 에너지원은 변동성이 큰 특성을 가지고 있어 수요와 공급의 불균형을 초래할 수 있습니다. 이로 인해 신재생 에너지를 효과적으로 송전하기 위한 장치로서 HVDC(고전압 직류 전송) 기술의 필요성이 더욱 강조되고 있습니다. HVDC는 한 장소에서 생산된 전기를 먼 거리까지 효과적으로 전송할 수 있는 방법으로, 이러한 송전 방식은 전력 손실을 최소화할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 또한 직류 전송은 교류 송전보다 높은 전력을 전송할 수 있는 장점을 가지고 있어, 대규모 신재생 발전소와 송전 네트워크 간의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

• 3-2. 장거리 송전에서의 HVDC의 장점

• HVDC 기술은 특히 장거리 송전에서 무손실 송전이 가능하다는 점에서 큰 장점을 가지고 있습니다. 교류 전송에 비해 직류 전송 시 전압 강하가 적으며, 전송 거리의 증가에 따른 에너지 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 더욱이, HVDC 시스템은 다양한 전력망 간의 연결을 더욱 용이하게 함으로써, 국가 간 전력 거래가 가능하도록 하는 이점을 제공합니다. 한 예로, 해저에서의 전력 전송, 즉 해저 HVDC 케이블을 이용한 송전 방식이 점차 보편화되고 있습니다. 이는 고립된 섬 국가나 거리가 먼 지역에 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 해결책으로 특히 중요합니다.

• 3-3. 할당된 전력 및 효율성 고려

• HVDC 시스템을 설계하고 운영하는 데 있어 할당된 전력의 효율성은 매우 중요한 요소입니다. 효율적인 전력 분배와 관리가 이루어져야 전력망의 안정성을 확보할 수 있습니다. 최근 HVDC 시스템의 기술 발전에 따라 다양한 변환기와 차단기 기술이 개발되고 있으며, 전압형 및 전류형 HVDC 시스템이 각기 다른 장점을 지니고 있습니다. 특히, 전압형 HVDC 시스템의 경우 무효전력 보상 및 전력 제어가 용이하여 현대적인 전력망의 요구사항에 부응할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다. 이러한 효율성을 높이기 위해서는 지속적인 연구개발과 더불어, 현실 적용이 가능한 혁신적인 기술의 통합이 필수적입니다.

4. HVDC 연구 및 개발 현황

• 4-1. 국내 HVDC 연구 기관의 역할

• 국내 고전압 직류 전송(HVDC) 기술 발전의 가장 미국그 가까운 도약은 한국전기연구원에서 시작되었으며, 이곳은 HVDC 관련 연구에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 연구원은 전력 기술 관련 다양한 연구와 개발을 진행하여, 국내에서 HVDC 기술을 주도하고 있는 기관입니다. 이를 통해 신재생에너지를 효율적으로 송전할 수 있는 기술 개발에 집중하고 있으며, 실제 사례로 제주-해남 간 전원 송전 프로젝트와 같은 HVDC 시스템 구축이 있습니다. 이 프로젝트는 신재생에너지의 활용을 극대화하며, 국내 최초의 HVDC 인프라를 성공적으로 구축한 사례로 평가받고 있습니다.

• 4-2. 전력 연구원 및 기업부설연구소의 기여

• 전력 연구원은 HVDC 기술 발전에 기여하는 중요한 기관입니다. 특히, 기업부설 연구소와의 협력을 통해 전압형 HVDC 시스템의 국산화 연구를 진행하고 있으며, 이는 향후 한국의 전력 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 예상됩니다. 이러한 연구소들은 수많은 연구원과 엔지니어들로 구성되어 있으며, 각자의 분야에서 HVDC 시스템의 효율성과 안정성을 높이기 위한 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 전압형 HVDC 시스템에서의 모듈화 및 표준화 설계 전략이 회의와 세미나를 통해 공유되고 있으며, 이는 기술적 진전을 도모하는 데 큰 도움이 되고 있습니다.

• 4-3. HVDC DC차단기 및 핵심 설비 개발 동향

• HVDC 시스템의 핵심 기술 중 하나인 DC차단기의 개발은 현재 국내에서 활발히 이루어지고 있습니다. DC차단기는 HVDC 시스템이 안정적으로 운영될 수 있도록 하는 필수 장치로, 사고 발생 시 신속하게 전류를 차단하여 시스템을 보호하는 역할을 합니다. 최근 발전된 하이브리드 DC차단기는 빠른 차단 성능과 저손실 비율로 주목받고 있으며, ABB와 같은 글로벌 기업들이 시장 선도 위치를 차지하고 있는 가운데, 한국전기연구원도 독자적으로 DC차단기 개발에 돌입하여 관련 기술의 국산화에 큰 진전을 보이고 있습니다. 이와 함께, DC차단기 개발에 있어 기존의 기계식 차단기 및 반도체 차단기 기술을 융합하여 신뢰성과 효율성을 더욱 높이고 있습니다.

5. 향후 전망: HVDC 기술의 미래

• 5-1. HVDC의 글로벌 시장에서의 경쟁력

• HVDC(고전압 직류 전송) 기술은 전세계적으로 급속한 변화를 겪고 있는 재생에너지 산업의 발전과 맞물려 그 중요성이 커지고 있습니다. 특히, 신재생에너지가 대세가 되는 현재, HVDC 기술은 이에 효과적으로 대응할 수 있는 방법으로 주목받고 있습니다. 이 기술은 전통적인 AC(교류) 송전 시스템에 비해 에너지 전송 거리의 제한이 적고, 전력 손실이 적으며, 대량의 전력을 효율적으로 전송할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 이점들은 금융, 환경, 그리고 상업적 측면에서 모두 긍정적인 결과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, HVDC 기술을 통해 교류 시스템에서 발생하는 송전 저항을 줄임으로써 발전소에서 소비자까지의 전력 전송 효율을 최고 80%까지 증가시킬 수 있습니다.

• 또한, 글로벌 시장에서 HVDC 기술은 이미 Siemens, ABB, GE와 같은 대기업들이 주도하고 있으며, 이에 따라 높은 진입 장벽이 존재합니다. 그러나 한국전력공사(한전)는 이러한 시장 지배력을 극복하고 HVDC 기술의 국산화를 통해 글로벌 시장에서의 경쟁력을 더욱 높이고 있습니다. 전선, 변환기, 차단기 등 HVDC 시스템의 모든 핵심 구성 요소에 대한 연구 개발을 통해 한국의 기술력은 다국적 기업들과 어깨를 나란히 할 수 있을 만큼 발전하고 있습니다.

• 5-2. 한전의 연구 방향 및 목표

• 한국전력공사는 HVDC 기술의 발전을 위해 지속적으로 연구 개발을 추진하고 있으며, 특히 전압형 HVDC 시스템의 국산화에 중점을 두고 있습니다. 전압형 HVDC는 재생에너지와의 호환성이 높아 효율적인 전력 관리를 가능하게 하며, 향후 이러한 시스템이 주요 재생에너지 프로젝트에서 사용될 것으로 기대됩니다.

• 한전은 또한, 독립적인 HVDC 기술 개발을 통해 국제 경쟁에서 유리한 위치를 점할 수 있도록 다양한 협력 체계를 구축하고 있습니다. 현재 진행 중인 KAPES(Korea-ABB Partnership) 프로젝트와 같은 국제 합작 프로젝트는 한전이 세계적인 HVDC 시장에서 경쟁력을 높이는 중요한 기반이 될 것입니다. 이와 같은 연구 목표는 단순한 기술 국산화를 넘어, 한국이 HVDC 기술 분야에서도 글로벌 리더로 자리매김하기 위한 전략적 노력이라고 할 수 있습니다.

• 5-3. 지속 가능한 에너지 시스템으로의 기여

• HVDC 기술은 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 많은 전문가들이 예상하기로, 전 세계적으로 신재생에너지 비율이 증가함에 따라 HVDC 기술은 전력망 최적화를 통해 재생 가능한 에너지를 효율적으로 통합할 수 있는 유일한 해결책이 될 것으로 전망하고 있습니다.

• 특히, 해상 풍력 발전과 같은 대규모 재생 에너지 프로젝트에서 HVDC 기술은 필수적입니다. 이 기술을 활용하면, 해상에서 발생하는 전력을 육상의 고전압 송전망에 안정적으로 전송할 수 있습니다. 따라서, HVDC 기술은 환경적으로 지속 가능한 전력 시스템을 구성할 뿐만 아니라, 경제적 측면에서도 경쟁력을 높이는 하나의 방법으로 작용하게 될 것입니다. 궁극적으로, HVDC 기술의 발전은 지구 환경 보호와 함께, 미래 세대에게 청정한 에너지를 제공하는 데 큰 기여를 할 것입니다.

결론

• 고전압 직류 전송(HVDC) 기술은 앞으로의 에너지 송전과 전력망 구축에 있어 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 특히, 신재생 에너지의 효율적인 송전 방식으로서 HVDC의 중요성이 점점 더 커지고 있으며, 이는 에너지 정책과 산업 전반에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

• 현재 HVDC 기술은 기술 발전을 통해 성능이 개선되고 있으며, 글로벌 시장에서의 경쟁력 또한 높아지고 있습니다. 한국전력공사의 주요 연구 및 개발 노력은 이러한 기술 국산화와 동시의 글로벌 기업들과의 경쟁에서 중요한 기초가 될 것입니다.

• 전략적으로, 전압형 HVDC 시스템의 수요가 증가함에 따라 지속적인 연구 개발이 요구되고 있으며, 이는 재생 가능한 에너지 시스템의 통합을 촉진할 것입니다. 결과적으로, HVDC 기술의 발전은 지속 가능한 에너지 공급 체계를 구성하며, 미래 세대에게 청정한 에너지를 제공하는 데 기여하게 될 것입니다.

• 따라서, HVDC 기술은 단순한 송전 기술을 넘어서, 앞으로의 에너지 시스템에서 핵심적인 역할을 수행하며, 에너지 산업의 지속 가능한 발전과 환경 보호에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

용어집

• HVDC [기술]: 고전압 직류 전송(High Voltage Direct Current) 기술로, 전력을 장거리로 송전할 수 있는 효율적인 방법.

• 교류 (AC) [전력 시스템]: 전류의 방향과 크기가 주기적으로 변화하는 전력 송전 방식으로, 전력 공급에 널리 사용됨.

• 직류 (DC) [전력 시스템]: 전류의 방향이 일정한 전력 송전 방식으로, 특정 용도에서 유리함.

• 변환기 [장비]: 전력을 AC와 DC 간에 변환하는 장치로, HVDC 시스템에 필수적.

• 무효전력 보상 [전력 관리]: 전력망에서 전력의 효율성을 높이기 위해 필수적인 개념으로, 전력 손실을 줄이는 데 도움을 줌.

• 차단기 [장비]: HVDC 시스템에서 전류를 제어하거나 끊어 시스템을 보호하는 장치.

• 신재생 에너지 [에너지 자원]: 자연에서 지속적으로 제공되는 에너지로, 태양광 및 풍력 등의 형태가 있음.

• 해저 HVDC 케이블 [전송 수단]: 바다의 바닥 토관을 통해 전력을 송전하기 위해 사용되는 HVDC 전송 시스템.

• 전압형 HVDC [HVDC 시스템]: 전압을 일정하게 유지하면서 전력을 송전하는 고전압 직류 전송 방식.

• 전류형 HVDC [HVDC 시스템]: 직류 전력이 강한 특정 조건에서 필요한 전력 송전 방식으로, 주로 사이리스터를 사용.

출처 문서

• KIEE - The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineershttp://journal.auric.kr/kiee/XmlViewer/f420446
• HVDC DC차단기 개발동향http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=877
• "국산 HVDC로 1~2년이면 지멘스 추월"http://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=221864