Theme Focus 이슈분석 국책연구소 - 대기업손맞잡고직류시대연다 100 년넘은전류전쟁 (War of Currents) 구도변화앞당겨질듯 정부출연연구소와대기업이전기기술분야최대난제기술해결과세계최초상용화를위해손잡는다. 다가올 직류 (DC) 시대 를맞아신재생에너지수송의최대걸림돌을해결해신뢰성높은전력공급을조기실현하는데크게기여할것 으로기대된다. 62 Journal of the Electric World
+ 이슈분석 미래창조과학부국가과학기술연구회 ( 이사장이상천 ) 산하전기전문출연연구기관한국전기연구원 (KERIㆍ원장박경엽 ) 과국내우량중전기기대기업인 LS산전 ( 대표이사회장구자균 ) 은 21일오후한국전기연구원 (KERI) 창원본원에서명성호한국전기연구원부원장, 이학성 LS산전 CTO 등양측임직원이참석한가운데, 직류 (DC) 차단기술 관련기술이전조인식을갖고 DC 차단기및초고압제품의조기상용화를통한신 ( 新 ) 시장선점에나섰다. 직류 (DC) 송전기술은기존의교류 (AC) 송전에비해전력제어가가능하고, 장거리송전의경우손실이적다. 특히, 서로다른전력망을연계할수있어국가간계통연계에활용하거나, 반대로전력망을분할해고장이파급되는것을막을수있어차세대전력전송개념으로각광받고있다. 직류전력망을구성하는데가장큰기술적장애중하나가바로전력망에이상이생겼을때, 특정구간의전력을신속히차단함으로써전체전력망에대한파급확산을막아주는직류차단기술이다. 2012년유럽중전기기업체인 ABB가 HVDC( 고압직류송전 ) 용 DC 차단기기술을발표한후굴지의해외전력기기기업들이경쟁적으로 DC 차단기에대한연구개발을추진하고있지만, 전세계적으로상용화된제품은없는실정이다. 0.002 초내발전소전력조류차단가능한고속직류차단기술직류송전및신재생에너지수송최대난제해결... 신뢰성높은전력공급가능 현재, 전력시장은직류로의변화가급속히진행되고있다. 교류가주도하던전력기기시장의판세가신재생에너지보급확대와전력의효율적활용및전력계통안정성향상을위한분산전원의필요성이커짐에따라직류송전기술의필요성이증대되고있다. KERI는기술이전을통한산업적적용과산업체와의후속공동연구를위해 HVDC 차세대전력망발전에혁신적진전이될고압직류차단기 (DC Circuit-Breaker) 관련기술들 ( 고압직류전류차단장치및방법, 직류전류차단을위한장치및방법 외 ) 을관련유력기업인 LS산전측에기술이전함으로써국내외 DC 차단기시장선점과관련기술의경쟁력확보에한걸음다가셨다. 기술이전료는 4억원이다. KERI가개발한직류차단기술은고장전류가발생했을때, 눈깜빡임보다수십배빠른 1,000분의 2초이내에발전소전력조류을차단할수있다. 또한주통전로 ( 通電路 ) 를기계식스위치만으로구성해정상운전할때전력손실을최소화하도록했다. 우회선로는커패시터 (Capacitor) 로구성하는방식을채택해전력반도체스위치를사용한기존 ABB의방식에비해구조가간단하다. 이로인한차단기의신뢰도향상과더불어비용절감이라는큰경쟁력을갖는다. June 63
Theme Focus 이슈분석 무엇보다직류송전과신재생에너지의전력수송에최대걸림돌이었던직류차단기의문제가해소됨으로써전력산업계의 100년난제를해결함과동시에직류계통으로연계가용이한신재생에너지의활용성을한층제고할수있게됐다. KERI 명성호부원장은 이번기술이전으로직류차단기라는중전기기의새로운시장창출을통한국내중전산업의활성화와함께직류송전분야에서전세계전력기기산업시장의기술선도와신기술경쟁을통한국가기술브랜드제고에도기여할수있게됐다. 고강조했다. LS산전이학성 CTO는 KERI를통한기술이전과향후추가개발을통해직류차단기가상용화되면그리드화된직류송전계통의실현에필수적전력기기로활용됨으로써차세대전력망으로기대되는하이브리드전력망의구현을앞당길수있게될것으로기대된다 고말했다. 한편, 이번기술이전을계기로 KERI와 LS산전은초고압직류송전망시장활성화에대비한기반기술확보를위한산-연공동연구센터를운영하고후속공동연구를추진하게된다. 직류시대 라는변화의물결에선도적으로대응하고, 산업계가요구하는기반기술확보를위한산 연협동매칭연구센터로서 KERI-LS산전공동연구센터가그역할을하게될예정이다. 특히, KERI가보유한배전급 DC 차단기술과 LS산전이보유한배전급복합형한류 ( 限流 ) 기술을활용해 80kV 8kA의초고압 DC차단기 개발및배전급 DC차단기관련기술의실용화를완성한다는계획이다. 직류송전및직류차단기술의국내외개발현황 전기연구원은현재고압직류송전 (HVDC) 분야를중점개발하고있다. 장기적인관점에서미래유망전략기술을선정해중점적으로지원하는톱다운 (Top-down) 연구사업중하나가바로전력기기연구센터이우영책임연구원팀이진행하고있는 HVDC용직류차단기개발 과제다. HVDC( 직류송전 High Voltage Direct Current) 는일반적으로사용하는교류 (AC; Alternating Current) 가아닌, 고압의직류 (DC; Direct Current) 를이용해전기에너지를전송하는기술이다. 교류와다르게전력제어가가능하고, 장거리송전의경우손실이적다. 서로다른전력망을연계할수있어국가간계통연계에활용하거나, 반대로전력망을분할해고장이파급되는것을막을수있는차세대전력전송개념으로각광받고있다. 최근에는기존교류송전망을대체, 보완하는기능외에대규모신재생발전단지를조성해계통에연계하는데도 HVDC 기술을적용한프로젝트가늘어나고있다. 현재전력망은교류 (AC) 가주축을이루고일부에서직류 (DC) 망이이용되고있다. 향후차세대전력망은교류와직류가혼합된하이브리드형태로발전할것으로예측된다. 중첩된직류전력망은나라와대륙을연계하고전력부하균형을조정하며, 기존교류송전망을보강하게된다. 직류전력망은그리드신뢰성및기존교류네트워크의용량또한향상시킨다. 64 Journal of the Electric World
+ 이슈분석 직류전력망을구성하는데가장큰기술적장애중하나가바로직류차단기다. 지난 2012년 ABB가최초로직류차단기기술을제시하여 100여년간의전기계의숙원을해결한것으로높이평가된바있으나, 아직상용화되지못해선진중전기기메이커들이경쟁적으로 DC 차단기개발에나서고있다. KERI 연구팀은현재배전급전압의직류차단기 ( 정격전압 33kV, 정격전류 1kA, 차단전류 8kA, 차단시간 <2ms) 관련기술을개발하는데성공하고, 다음단계로송전급전압의직류차단기 ( 전격전압 80kV 정격전류 2kA 차단전류 8kA, 차단시간 <2ms) 관련기술을개발중이다. KERI 연구팀이개발에성공한직류차단기는기존에공개된직류차단기에비해한층개선된형태다. 우선고장전류발생시눈깜빡임보다수십배빠른 1,000분의 2초이내에발전소전력조류를차단할수있다. 또한주통전로 ( 通電路 ) 를기계식스위치만으로구성해정상운전할때전력손실을최소화하도록했다. 우회선로를커패시터 (Capacitor) 로구성하는방식을채택해전력반도체스위치를사용한 ABB 방식에비해구조가간단하다. 이로인한차단기의신뢰도향상과더불어비용절감이라는큰경쟁력을갖췄다. KERI 연구진이직류송전과신재생에너지의전력수송에최대걸림돌이었던직류차단기의문제를해결하게됨으로써직류계통으로연계가용이한신재생에너지의활용성을한층제고할수있게됐다. 개발된직류차단기는향후추가개발을통해그리드화된직류송전계통의실현에필수적전력기기로활용돼차세대전력망으로기대되는하이브리드전력망의구현을앞당길수있게될것으로기대된다. HVDC용직류차단기는이미형성된시장에진입하는기술이아니라머지않아형성될것으로기대되는미래지향적기술이다. 아직까지는세계시장과중전기기관련기술을선도하는일부선진업체들에한정적으로기술개발이추진되고있다. 비록단기간내이윤창출을기대하기는어렵지만현재 HVDC 네트워크의발전추세로볼때향후거대한시장으로발전할수있는무한한가능성을내포하고있는분야로기술선점을위한발빠른노력이요구돼왔다. 연구팀은정부주도성장엔진프로젝트추진을위한준비단계에있어중전기업체와의연계를통한기술개발사업으로확장가능성이많고관련세계선도업체에대한경쟁력확보로 DC 차단기술을통한중전기분야성장촉진에기여할수있을것으로기대하고있다. 또한제주및서해안등의국내직류계통적용에활용될수있을것으로도전망하고있다. 교류 (AC) vs 직류 (DC) 의백년전쟁 전기가도입된이래우리가쓰는방식은 1초에 60번씩전기의 (+) 와 (-) 극성이바뀌는교류다. 100여년전에디슨과테슬라의전기표준에관한논쟁에서에디슨이패배한뒤니콜라의교류송전이한세기넘게세계적인추세로굳어져왔다. June 65
Theme Focus 이슈분석 1880년대후반, 미국에서는니콜라테슬라 (Nikola Tesla) 와토머스에디슨 (Thomas Alva Edison) 사이에교류 (AC; Alternating Current) 와직류 (DC; Direct Current) 중어떤것을표준전기시스템으로채용할지에대한치열한주도권싸움, 이른바전류전쟁 (War of Currents) 이벌어졌다. 에디슨은 120V의직류방식으로전기를생산해전압을높이기가어려운반면테슬라의교류방식은직류방식에비해전압을높이기가쉬웠다. 1893년시카고만국박람회장을밝힐 25만개의전구를감당할기술로결국교류전기가첫승리를거둔이후, 1896년나이아가라발전소에서생산된전기를 42km 떨어진도시버팔로로수송하는경쟁에서도다시교류의승리로귀결되면서이후 100여년간교류의전성시대가활짝열리게된다. 120여년후, 교류에밀려한동안주목받지못했던직류가다시부상하게된다. 신재생에너지원과분산전원, 전기에너지저장장치등의 DC 전원 ( 電源 ) 의증가, 그리고정보화사회의급속한발전에따라직류전원을소비하는정보통신관련 DC 부하의증가가또다른하나다. 교류는변압기라는설비를이용해손쉽게전압을바꾸어먼거리로보낼수있지만전력전송손실이크고지하매설에따른거리제한이라는단점이있다. 반면항상일정한전압과극성을가지는직류송전은전력손실이적고, 지하또는해저매설에따른거리의제한이없다. 또사고가났을경우손쉽게전력망을분리해운영할수있어피해를최소화할수있다. 그러나직류는전압을바꾸기위한특수한반도체로구성되는전력변환설비가필요해송전설비비용이고가라는단점이있다. 하지만, 최근눈부시게발달하고있는반도체와정보통신및전력기술은에디슨이주장했던직류송전을 100여년만에기술적으로, 또한경제적으로다시가능케하고있다. 66 Journal of the Electric World
+ 이슈분석 교류 (AC) vs 직류 (DC) 의백년전쟁 우리가사용하는전기는 1초에 60번극성 ( 極性 ) 이바뀌는교류다. 교류는 100여년전에디슨이발명한직류보다변압기로손쉽게변환되기때문에오랫동안사용돼왔다. 그러나교류는전력을안정화시키는데복잡하고, 전력전송손실이크고지하매설에따른거리제한의단점이있다. 일상생활에서이용되는컴퓨터및일반가전에서부터산업용인버터와향후대량보급될전기자동차에이르기까지모두직류를이용할때, 더효율적이고안정화시키기쉽다. 요즈음화두가되고있는태양광, 풍력, 연료전지등다양한신재생에너지원에도직류가더적합하고효율적이다. 따라서현재의전력시스템을교류중심에서직류중심으로바꾸고자하는노력이송전, 배전, 그리고각건물과가정내부시스템에까지확대되고있다. 이러한노력들은현재와미래사회에많은변화와새로운발전모델을제시할것으로예상된다. 그러면지금까지사용하던교류가직류로바뀌면무엇이달라질까? 첫째, 전기이용의편리성이증가할것이다. 전기차, LED 조명, 일상생활의가전제품들을불필요한변환과정을거치지않고전력망으로부터직류를직접이용해사용하는날이멀지않은미래에현실화될것이다. 둘째, 전기를전송하는과정에서발생하는손실이줄어들고현재의전력망에서유발될수있는대규모순환정전의위험성을줄여줄것이다. 발전소에서생산된전력은각가정과건물, 그리고공장단위까지직류로전달될것이며, 전기먹는하마 로알려진인터넷서비스용데이터센터 (IDC) 의전력체계는직류에맞게고쳐지면서효율이한층높아질것이다. 또한스마트그리드의확산과함께직류를사용하는건물단지와도서지역도생겨날것이다. 직류를가정과건물에공급하기위한전기부품과전력기기시장도새롭게창출될것으로예상된다. 셋째, 송전탑갈등과같은사회적문제가줄어들것으로기대된다. 직류는교류에비해고조파와전자파로인한문제가적기때문에유해성없는질좋은전기공급을위한해답을제시한다. 직류를발전소부터가정과건물까지가져오기위한방법에서새로운기술시장도형성될것으로보인다. 물론, 교류시스템을당장직류로변화시키는것만이만능은아니다. 이미구축된많은전력간접시설을교체하기위한비용과시간이필요하다. 그러나여러가지특장점을가진직류가대세라는점은변함이없으며, 많은세계유수의연구자와기업들이직류전송기술개발에몰두하고있다. 직류기술의흐름에서뒤처지지않고성공적인기술개발의결실을위해서는국제표준화에적극적인참여와정부의개발의지그리고산학연연구협력이보다활성화되어야할것이다. 현재정부도창조경제산업엔진프로젝트로직류송전기술을적극추진하고있다. 직류송전은초고압케이블, 반도체및고도의통신기술외에많은부품들이집약된기술로서원거리송전, 국가간전력연계및대규모신재생에너지의활용에필수적이다. 교류를대신해서전세계적으로보급되기시작하는직류송전기술은전력산업의새로운시장을열고국가성장먹거리로거듭날것으로보인다. June 67