저압 DC 배전기술현황및전망 1. 개황 박건우 ( 주 ) 케이디파워융합연구소책임연구원 1880년 12월 에디슨전기조명회사 를설립한에디슨은 1982년미국뉴욕시의 Pearl Street 에발전소를건설하고같은해 9월 4일맨하탄 59가구에 110V 직류 (DC) 전기를공급하는전기배전시스템의스위치를손수올렸다. 하지만테슬라가정립한교류 (AC) 의장점 ( 장거리송전용이성등 ) 이부각되면서전세계적으로발전, 송전, 배전시스템은교류방식을채택하게된다. 하지만직류는디지털부하, 저탄소녹색성장을위한그리드시장의신재생에너지원과분산전원시스템을만나다시금세상의빛을보기시작했다. 전자회로등직류의특성이필요한기기내부에는교류를정류하여만든직류가광범위하게사용되고있는데전력계통을 DC로바꾸어배전하게된다면디지털부하에전력변환의과정 2014 September + 61
Special And + Special Issues _ 5 [ 표 1] 직류배전과교류배전의특성비교 항목 직류 ( 에디슨, GE) 교류 ( 테슬라, Westinghouse) 전압변환 DC/DC 전력변환장치필요 변압기를이용하여용이 송전방식 2상송전 회전기를통한 3상송전 보호기기 아크소호에불리 아크소호에유리 절연비용 교류보다저렴 직류보다 1.4배 계통연계성 전압크기만동기화필요 위상, 주파수, 크기, 회전방향동기화필요 전력품질 1단계전력변환으로인한 EMC 감소 2단계전력변환에따른 EMC 증가 분산전원연계 분산전원시스템과계통연계용이 계통연계복잡 예비전원 축전지를직접연결설치용이 UPS를통한상시비상전원준비 LED, 형광등조명 1단계전력변환또는불필요 2단계전력변환필요 전자기파영향 유도장해없음 근접기기에유도장해 전동기비용 교류보다고가 제작이용이하고가격저렴 이줄어전력효율을높일수있게된다. 직류는리액턴스성분이없어무효전력으로인한손실이없고, 주파수가 0 이므로표피효과가없다. 전압이일정해서교류와동일전압대비절연을낮출수있다는경제적이점도있다. 2. 현황신재생에너지원의직류전원과직류부하인디지털부하가등장하고또증가하면서교류시스템내에서전원설비와부하사이에는직류 / 교류, 교류 / 직류의불필요한전력변환단계가발생하게되었다. 만약직류전원설비에서바로직류부하로전력변환이필요없이배전한다면어떤이점이생길까. 직류배전의논의는태양광발전설비의확대와전자회로가필요한직류부하들의증가로목마른전력의갈증을해소하기위해본격적으로이루어지기시작했다. 기술이발전되면서 ESS( 에너지저장장치 ) 를통한전기에너지의저장, IDC(Internet Data Center) 등고품질 고신뢰성전력이필요한빌딩의등장, 마이크로그리드등독립전원망의공급과효과적 인계통연계를필요로하게되면서교류시스템대신직류시스템이이를해결할수있게되었다. 또한, 전력분야기술이발전되면서직류시스템이스포트라이트를받자굳이교류시스템을고집할이유가없다는주장이커지게된것이다. 교류는시간에따라정현적으로크기가변하는특성이있는데, 이는진폭, 위상각이모두같아야동일전원으로판단할수있기때문에동기화를위한문제가발생하게된다. 반면, 직류전원의경우일정한크기와방향을갖는전원으로그크기만같으면같은전원이라할수있다. 따라서직류는위상각을고려하지않아도되고, 교류에서위상각이조금이라도다를경우상호간에복잡한전기현상이발생하여문제점이생기는것과달리간소함과안정도가높은특성이있는것이다. 직류배전은전력변환의최소화를통하여에너지효율성을증가시킬수있다. 직류발전및사용량이증가할경우전력변환단계의감소로손실을줄일수있는데, 이는무정전공급이중요한현장에서전력변환으로인한손실을줄여 10~15% 의효율성을향상할수있음을의미한다. 신재생에너지원의연계를통해서도약 2~10% 의에너지효율성이제고된다. 62 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
또전력변환장치제거를통해수변전설비의경량화및소형화를이끌어낼수있다. 이러한직류배전의장점으로사업화시전기발전및소비는직류와교류가혼용되어운용될것으로예상하고있다. 직류는선로의절연계급이낮아교류보다경제적이고, 송전에교류보다최소 1상이적어선로구성비용의절감도가능하다. 또교번하는성분 ( 주파수 ) 이없어리액턴스성분이없어무효전력도발생하지않고, 표피효과도발생하지않는다. 단순히비교하면직류송전이교류송전보다송전용량상승, 송전손실저감, 환경적적은영향, 투자비감소등에있어이점이있는것이다. 이러한직류의특성을이용해대용량의장거리송전, 도시밀집지역에서의교류계통간연계단락용량의저감을위해활용되면서 HVDC ( 초고압직류송전 ) 란이름으로활발히적용되고있다. 또한, 전력계통의고장전류저감등계통효율화를위해직류송전시스템으로 HVDC의필요성이점차높아지고있다. 국내에도 그린에너지전략로드맵 2011 의스마트그리드분야에전략품목으로 DC 시스템이포함되어있으며, 핵심기술로서 DC 배전망설계및운영기술, DC 배전기기제작기술, 실증기술, 법규및표준시험을정의하고있다. 전력계통의효율성, 안전성확보를위한기술필요성이대두되면서부터 HVDC 기술도입을진행하고있는데 HVDC는비동기계통, 장거리전력전송, 인위적인조류제어가가능하다. 국가간전력연계를통한전력공급안정성및경제성확보와신재생에너지확대를위한국가간, 지역간계통연계등그활용도가높으며다양한아이디어로신시장이형성되고있다. 직류시스템은이러한송전급뿐아니라배전급에서도적용이되는데 MVDC, LVDC 등으로도새롭게조명받고있다. 앞서설명한내용과같이직류부하에전원을공급하기위해교류수전에따른부하단에서의변환손실 (AC/DC) 을줄여계통의효율을 높이는것이다. 이러한 LVDC계통은옥내수용가에적용되거나공장, 선박, 마이크로그리드단지등독립망구성을통해전력수급이용이한곳에적용이될전망이다. 한전에서는배전급기본개념으로전압은 DC 1,500V(mono-polar, 단극성 ) 또는 DC ± 750(bi-polar, 양극성 ), 공급용량은 50~300kW급으로설정하고있으며, 앞으로 2015년까지저압장거리직류배전필요성및경제성을분석하고, 최적 LVDC 표준전압및공급방식을도출하는한편, 분산전원을고려한 DC망토폴로지를개발한다는계획이다. 또 2016년부터 2020년까지를 저압 DC 배전실증및상용화단계 로설정하고 DC 배전보호및접지기술개발, DC 배전기기개발및표준화, 저압 DC 배전망설계 구축 실증 상용화등에매진할것으로보인다. 현재 DC 배전으로진행중인사업들은 DC 핵심부품들에대해서는기업이주도하여개발을진행하고, 핵심기술별산 학 연이컨소시엄형태로사업을진행하고있으며, 학 연에서개발된핵심기술은국내전문기업에기술이전을통해전략품목에대한국내전문업체를육성하는것을목표로하고있다. 직류송배전시스템은향후국내대표먹거리로대두되는해양플랜트및대용량해상풍력과연계가가능하여, 기존의전력인프라개선이외에직류송배전시스템의신사업영역확보가가능할것으로사료된다. 하지만시장에서 DC 배전은아직뜨거운감자와같다. 현재까지직류는 IDC 직류배전을통한효율성제고, DC 배전 Building, DC 배전계통연계에따른외란및보호협조등의주제로연구및상용화과정이진행중에있다. 첫째, DC 배전전압표준등명확한규정이아직제정되어있지않아전기설비사양에대한규격조차명확하지않다. 이때문에제품개발후에도타당성에대한인증을받기가상당히어렵다. 이러한문제의해소를위해직류표준이필요하다. 직류배전사 2014 September + 63
Special And + Special Issues _ 5 업이세계적으로도아직초기단계에있는만큼관련기술주도및시장선점이기대되는부분이있으나표준기준전압, 플러그, 콘센트등의표준이전혀없어상용화가이루어지지않고있는실정으로이에대한표준화가시급한상황이다. 표준화를이슈로국내에서는산 학 연전문위원으로구성된 직류배전표준화위원회 를통해옥내배전표준화항목에대한구체화및로드맵을구축하여표준선정을통한직류배전관련분야의육성과산업활성화를위해노력하고있다. 표준을위해 IEC에서도직류시스템표준화를추진중에있으나속도가붙지않고있는상황으로추진을위해범국가적인뒷받침이필요한상황이다. 국제적으로 DC 배전에영향력을가진위원회는 IEC SMB SG4 이다. 이위원회는스웨덴 NC가서울에서열린 SMB( 표준화관리이사회 ) 134차회의에서에너지효율과관련해 1,500Vdc 이하저압직류 (LVDC) 배전시스템에대해전략그룹 (SG) 을만들자 고제안한것이지지를받아 2009년 9월에벨기에 Wim De Kesel( 현재 TC32 간사 ) 을의장으로선출하여구성되었다. 둘째, DC 부하로사용할수있는제품이많지않다는점이다. 현재 DC 배전효율검증을위해기존 AC 부하의컨버터부분만교체하여 DC 배전시험용으로활용하고있다. 다양한 DC 부하의개발이필요하나시장수요가없고 DC 배전기반이마련되어있지않아활성화에어려움이있다. 이는전력산업시스템특성상직류송배전시스템이국가적주도와관심이필요함을시사한다. DC 배전상용화개발을기업주도의기술개발로진행하는것도중요하나직류송배전시스템의경우다양한기술이융합되어있어시장의형성이한기업이주도하는경우다양한기술개발이저해되고기업위주의편익을줄수있는문제점이있다. 셋째, 직류기술에문제가되는아크소호문제이다. 일반적으로사용하는스위치를 off 하면발생하 [ 그림 1] 직류배전시스템 [ 그림 2] 교류배전시스템 64 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
는서지전압으로인해아크가발생할수있다. 직류에서의영전류는지나는지점이없기때문에한번발생한아크는소멸시간이매우길다. 이때국부적인높은열이발생하는데이는아크용접과도같은원리로전극의파손뿐아니라화재가발생할위험이있다. 도통시에도순간적인돌입전류의크기가교류에비해상당히크다. 돌입전류방지대책은부하기기에서이루어져야하는데아직직류제품 (DC-LED, DC-PC, TV 등 ) 에돌입전류제한에대한규정이없기때문에이또한문제가된다. 이에국내실증시기존교류스위치를사용할수없었고, 동일한전기배선을가지는기계식직류스위치를제작하여진행해야했다. 직류아크를소호하는효율적인방안과억제를위한추가적인기술대안, 그리고전류제한에대한제도적대책마련이시급한것으로보인다. 국내에서는 DC 배전의연구로전력변환의최소화를통한에너지효율성의증가를목표로 DC 배전을활용하고있으며, 2008년 KT 남수원 IDC에직류배전을적용하여 13.2% 의효율향상을실증한바있다. 이어전자부품연구원에서는 DC Home 구축타당성검토를수행한결과, 현재옥내의 600V 전선으로 400Vdc 공급이가능하며 DC 공급시 41% 의용량증대효과가있어태양광발전및전기자동차가연계될경우 5~6% 에너지효율상승이가능한것으로확인하였다. 삼성물산을중심으로 Active House (Green Tommorrow) 모델에직류배전을적용한프로젝트를수행하였고, 최근 K-MEG 사업의일환으로서울대학교 K동을 DC 배전실증사이트로구축하여에너지효율검증을수행중이다. 이는신재생에너지에직류배전시스템을적용하여전력변환을감소, 에너지효율이약 10% 절감됨을검증하기위한것으로현재성공적으로수행되고있다. 이서울대 K 동은교수연구실과강의실로사용되는건물로 AC/ DC 양방향정류기를활용한 DC 전력과신재생에너지 (Roof-Top PV & BIPV) 시스템에서발전되는 DC 전력을통해안정적인 380V DC 전력을건물내 PC, 모니터, TV 및 LED조명시스템에부하로공급하고있으며공조설비, 엘리베이터등현재의 DC 기술로구동이어려운설비에대한불편함을해소하기위해 AC 전력도동시에공급하는하이브리드방식으로설계되었다. 국제적으로도에너지문제및신재생에너지보급확대로인해전력시스템의안정성및효과적인제어방법으로 DC 배전에대한관심이증대되고있으며효율적인송전시스템으로 HVDC 시스템을적극적으로도입하고있다. 미국 EPRI에서는향후디지털부하의급증에대비하여마이크로그리드의구성방식으로교류와직류계통을동시에선정하였고, 이미다양한전압의직류공급이가능한지능형변압기시제품을제작하였다. 전력변환최소화를통한에너지효율성증가연구를목표로로렌스버클리연구소 (LBNL) 에서는 IDC 380V DC 배전시스템을통해 10~15% 수준의효율향상을확인하였다. 직류빌딩표준선점을목표로 Emerge Alliance 에서 2009년 10월에상업용건물에대한플랫폼으로 24V DC표준을발표하였고, SUN NTT 등에서는 DC에대한표준전압으로 300~550V를제안하고있으며, 미국 CPES에서는 300V와 48V DC전원으로구성된 Test-Bed 를구축하여효율을검증하고있다. 미국 Nextekpower는 Hi-efficiency DC Lighting, Air Handidng, Server Farms & datacenters, Emergency prepared Community centers 등 4가지솔루션으로 DC 배전서비스에대한상용화를진행하고있다. 최근 DC 배전분야는 HVDC 도입및활용분야기술개발에집중하고있으며, 차세대전력용반도체개발을중심으로미래기술대응차원의연구개발이이루어지고있다. 대부분의연구개발은 EPRI와 ARPA-E 연구개발자금을통해진행되고있다. DC 배전은다양한용도와거리, 용량의프로젝트가활발하게추진되고있는데해저케이블을이용 2014 September + 65
Special And + Special Issues _ 5 하거나지중선을이용한국가간연계사례도많고해상풍력을 HVDC로연계하는프로젝트도추진중에있으며, 최근에는대규모태양광발전단지를 HVDC로연계하려는새로운아이디어도시도되고있다. 신재생에너지의적극도입과국가간전력거래활성화를위하여 EU정부차원에서기술개발및적용을추진중이다. DC 배전망과관련된연구는핀란드에서가장활발하게진행되고있다. 핀란드 Lappeenranta 대학에서교류방식과다양한직류배전방식의특성과효과를비교평가한결과, 전압품질향상과송전용량증대, 선로손실저감이가능하고, 특고압분기선로를대체함으로써건설비용저감도가능한것으로평가하였다. 핀란드국립연구소인 VTT에서는 Distribution Network 2030 에서향후배전망구축에서 LVDC 도입의필요성을제시하였다. 이탈리아 CESI에서는 2006년에 DC 배전계통의연구를시작하여, 고장으로인한외란이발생할때와정상상태에서의특성을분석하였으며, 이후 400V의 LVDC 마이크로그리드를제안하고 DC망의제어전략과최적화방법을연구하고있다. 독일, 스웨덴, 프랑스는미국, 일본과는달리자국내의수요는적으나 SIEMENS, ABB, AREVA, ALSTOM 과같은전력기기분야의우수제작업체를통해전세계시장을점유하고있는형태로특히스웨덴 ABB의경우세계최초로직류송전에대한연구개발에착수한바있고, SIEMENS 와 AREVA도직류송전의제작, 건설, 운용, 엔지니어링에많은경험을갖고있다. 전류형 HVDC는이미성숙단계로기술개발을완료하였으며, 현재전압형 HVDC의대용량화기술개발및상용화를추진중이다. 일본에서는전력주파수가상이한관동 (50Hz)-관서 (60Hz) 간의계통연계및홋카이도, 시코쿠등주요지역간전력전송을위하여 HVDC 기술개발을추진하고있다. NEDO의지원으로 NTT에서는센다이프로젝트를통한마이크로그 리드실증사업에서신재생원의직류연계를실증하였으며, 직류 IDC 사업이후현재는스마트커뮤니티를위한 DC 실증사업을추진중에있다. 중국에서는매년스웨덴의전체발전량과맞먹는용량의발전소가건설되고있다. 중국은이러한수요를감당할수있는에너지원으로수력발전을사용하고, 생산된에너지를송전하는방식으로직류송전방식을채택하여사용하고있다. 중국내대부분의수력에너지원은서쪽지역에위치하고있으나대부분의수용가는반대편인동쪽및남쪽지역에위치하고있다. 따라서수력발전소로부터수용가까지약 1,500km 에서 2,000km 의거리를송전해야한다. 이러한장거리대용량의전력송전을위해중국은최근 800kV급의 HVDC 시스템을활발하게건설하고있다. 대표적인예로 2011년상업운전을개시한 Xiangjiaba~Shanghai 간 ±800kV 6,400MW HVDC 시스템이있으며, 송전거리는약 2,071km 에달한다. 정부의전폭적인지원에힘입어향후 2020년까지매년 ±800kV 5,000MW 이상의초대형시스템을계속하여건설할예정이며, 전압형 HVDC의경우도 pilot 단계에서부터 GW급으로추진되고있다. 우리나라정부에서는 2차국가에너지기본계획에서 2035년까지에너지수요의 13%, 전력수요의 15% 를절감하겠다는정책목표를수립하였다. 지속가능발전등의정책목표를달성하기위해발전소건설을최소화하고적극적수요관리목표를설정하고있다. 발전소건설의최소화와전력수요절감이라는목표를이루기위해서는신재생에너지원의발전설비의활용과함께송배전계통내에서의손실을절감하는방법을이루어야하는데이때적합한기술로 DC 배전을생각할수있다. 또한직류부하인디지털부하가 2020년도에는전체부하의 50% 에이를것이라는전망을미국 EPRI에서내놓은만큼앞으로수용가옥내배전시스템을디지털부하와직접연계할수 66 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
있는직류배전시스템으로구성할수있다면고품질, 고신뢰성의전력공급과전력손실의절감을이끌어낼수있을것이다. 3. 전망전력사업은지난 100여년간교류 ( 공급자 ) 위주로발전되어왔다. 기술의발전과디지털부하의증가와함께전기발전량및소비량이증가하면서부터전력 산업은직류부하를사용하는소비자중심의시장으로변화하고있다. 19세기직류배전시스템이구축되는시장에교류전기가잠식하기시작하며시작된에디슨과테슬라의전류전쟁은사실상교류의승리로끝이난듯했다. 하지만 21세기에접어들어직류가다시힘을모으기시작했다. 직류가교류시장에스며들기시작하면서전력분야의에너지효율화를이끌어낼것임을확신하기에전세계에너지시장을위해에디슨과테슬라의 2차전류전쟁이발발하길기대해본다. 2014 September + 67