DC차단기 개발동향

HVDC DC차단기 개발동향

뉴스일자 : 2016년05월25일 14시32분

1.개황 1893년 시카고 만국박람회가 교류 전기를 채용하면서 에디슨과 테슬라의‘전류 전쟁(war of currents)’은 테슬라의 승리로 끝났다 . 그 후 100년이 넘는 기간 동안 교류를 사용해온 인류는 산업과 사회를 발전시켜왔다 . 그러나 최근 신재생에너지 의 손실을 줄이면서 장거리 송전에 유리하다는 장점 때문에 직류송전이 다시 이 슈화 되고 있다 . 대부분의 계통과 기기가 교류를 이용하고 있지만, 컴퓨터, LED, 태양전지 및 전기자동차 등 현재 주목을 받고 있는 대부분의 기기들은 직류로 구 동된다 . 더 나아가 최근에는 직류에서도 고압, 저압으로 변환시키는 기술들이 개 발되고 있다 . 2000년대 들어 풍력, 태양광 발전 등과 같은 신재생에너지 촉진과 함께 장거리 전 력송전의 저손실, 주파수가 다른 계통간의 연결, 해저 환경에서 전력송전 등의 장 점으로 고압 직류송전이 대두되고 있다 . 신재생전원의 증가, 국가 간 전력연계에 유용하게 활용될 HVDC는 2010년 이후 수요가 급팽창하고 있으며 2020년에는 용량이 560GW로 늘어날 전망이다 . HVDC의 기술발전은 converter station의 발전이라 할 수 있다. 전류형 HVDC 시스템은 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반 도체 소자인 사이리스터를 이용하는 것이다 . 400MW의 용량일 경우, 10MW의 사 이리스터 밸브를 40개 쌓아 전압을 맞추면 되는 구조로서 손실률이 1%에 불과해 매우 경제적인 시스템이다 . 다만, 이 시스템의 경우 사이리스터 밸브를 정류하기 위 한 발전기나 동기조상기와 같은 회전기 기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전 력 보상을 위한 capacitor bank가 인버터 측이나 rectifier 측에 존재해야 하는 단점 이 있다 . 특히 이 시스템은 고조파를 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조 파 필터장착이 필수적으로 요청된다 . 전류형 HVDC 시스템의 단점을 보완하기 위한 것이 IGBT 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템인데, 전류형 시스템과 비교했을 때 고속 스위칭에 의해 점차 고조파가 큰 폭으로 감소해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 소형화 될 수 있으며, 무효전력 공급이 필요하지 않고, 유효전력과 무효전력 제어가 독립 적으로 가능하다는 장점이 있다. 특히 module화되고 규격화된 설계로 짧은 기간에 전력 전송이 가능하며, 전압과 전력의 제어가 용이하 다는 점이 특징이다 . 하지만 고속 스위칭을 해야 하기 때문 에, 전압형 HVDC 시스템의 경우 손실률이 5∼10% 가까 이 된다 . 이에 따라 대용량일 경우 경제성이 떨어지며, 수 명도 전류형 HVDC에 비해 떨어진다는 분석이다 . 따라서 150MW이상에서는 전류형 HVDC가, 그리고 150MW이 하 또는 계통안정화가 절대적으로 필요한 경우에는 전압 형 HVDC가 경쟁력을 갖고 있는 것으로 예측되고 있다 . 2012년 기준, 전류형과 전압형 HVDC 비중은 8대2 정도 에서 2020년에는 6대 4로 변화될 것이라는 전망이 지배적 이다(참고문헌 1, 2). 국내에서는 전류형 HVDC 시스템이 제주∼해남 간에 설 치되어 있으며, 최근 한전에서 추진하는 제주∼진도 간에 도 적용될 예정이다 . 전압형 HVDC시스템의 대표적인 적 용사례로서 현재 예비타당성을 마치고 시작단계에 있는 산업통상자원부의 ‘산업엔진 프로젝트 ’가 있다 . 이 프로젝 트는 전압형 HVDC시스템을 한 단계 더 발전시킨 것으로 그림 1과 같이 Multi-Terminal 직류 송배전 시스템을 개발 하는 것이다 . 이 시스템은 다수의 전압형 HVDC를 이용하 여 대규모 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지의 전기를 기 존 AC계통에 연결하거나 다른 DC계통에 연결하는 전력 망을 구현하는 Super Grid의 핵심기술이다(참고문헌 3). Multi-Terminal에 의한 HVDC Super Grid의 완성과 향후 신재생 에너지원과의 통합은 HVDC용 차단기의 개발로 가능해질 전망이다 . 현재까지 사용되고 있는 대부분의 장 거리 직류송전의 경우는 대용량 발전원으로부터 전력 수 요처까지 단일 link에 의한 point-to-point 방식으로 송전 하고 있어 해당 전력 변환장치 자체로 송전 선로 상의 지락 과 같은 단락사고를 보호할 수 있었다 . 이에 따라 별도의 송전설비 보호를 위한 사고전류 차단용 직류 차단기에 대 한 필요성이 대두되지 않았다 . 하지만 최근에는 신재생 에 너지의 자원 활용을 위한 직류 전원계통이 다수의 link를 통해 네트워크 형태로 구성되는 직류 송전계통 grid화의 필 요성이 높아지게 되었고, 이러한 grid화된 직류전원 계통 에서는 선로 상의 사고지점을 계통으로부터 신속히 분리 할 수 있는 기능이 계통의 운에 있어 선결과제화 되었다 . HVDC 차단기는 계통상 임의의 한 지점에서 사고가 발생 될 경우, 사고전류를 차단함으로써 계통을 보호하는 필수 적인 전력기기이다 . 하지만 HVDC용 차단기의 개발은 아 직 초기단계에 있고, 국내뿐만 아니라 ABB와 같은 세계적 Major기업과의 치열한 각축전이 벌어지고 있는 상황이다 (참고문헌 4). 2.현황 HVDC시스템에서 DC차단기의 개발이 가장 뒤처진 이유 는 그림 2와 같이 사고전류를 차단하는 기술이 교류에 비해 어렵다는 점이다 . 즉 , 교류전류 차단은 교류전원의 특성으 로 에너지가 가장 적은 전류점이 자연적으로 발생되는 시 점에서 차단기가 동작함으로써 사고전류의 차단이 용이하 지만, 직류인 경우 전류점이 발생하지 않아 사고전류 차단 이 어렵다 . 따라서 DC전류를 차단하기 위해서는 인위적으 로 전류점을 만들어 주거나 전력용 반도체 스위치로 통전 전류를 제한하여 차단하는 방법이 사용된다 . DC차단기의 차단방식은 Topology에 따라 구분되며, 과 같이 전류원 HVDC시스템에 사용되는 Mechanical DC차단기, 전압원 HVDC에 적용하기 위한 반도체 DC차 단기와 hybrid DC 차단기로 분류될 수 있다 . 그림 3(b)와 같은 Mechanical DC차단기는 차단기 접점 간 에 발생되는 아크전압(Uarc)의 부저항 특성과 Lp, Cp로 구 성된 L-C 공진특성으로 형성되는 진동전류 i가 주 전류보 다 커지게 되는 시점(t3)에서 전류점이 발생되는 현상을 이용하여 DC차단기에 흐르는 전류를 차단하는 방식이다 . 이 방식은 차단성능이 사용되는 기계식 차단기의 접점 간 에 발생되는 아크의 특성에 의존하기 때문에 차단시간을 일정하게 유지하기 어렵고, 차단시간 또한 길어지는 특성 이 있어 신속한 사고전류 차단이 요구되는 VSC 방식에는 적합하지 않다 . 그림 3(c)의 경우 순수 반도체만으로 DC차 단을 구성했기 때문에 가격이 비싸고, 열 손실이 많으며, 전류가 커질 경우 차단시스템의 크기가 증가해야 하는 단 점이 있다 . 최근 각광을 받고 있는 VSC 기반 HVDC에 적합한 정상 통 전상태의 전력손실(on-state loss)을 줄이고 차단시간을 짧게 하기 위해 제안된 대표적인 방식이 그림 3의 (d)에 표 시된 ABB의 Hybrid형 DC차단기이다 . ABB는 2012년 11월에, 세계 최초로 전기계의 100년 숙원을 풀었다는 주장 과 함께 HVDC 차단기의 개발을 공식발표하다 . 개발된 DC차단기 구조에 대한 기본적인 아이디어는 전력용 반도 체 스위치가 적용되었다 . 신속한 전류차단은 수행하되 차 단 후의 회복전압은 기계식 스위치가 담당하도록 하는 방 식으로 전류차단 성능과 내전압 회복성능을 분리하여 수 행하는 것이다 . 즉, 사고 발생 후 일정시점에서 전력반도체 로 구성된 보조 DC차단기(Auxiliary DC Breaker)의 차단 작용으로 주 DC차단기(Main DC Breaker)로 차단전류가 전환(Commutation)되면 이와 직렬로 연결된 기계식 Fast Disconnector는 접점 간에 아크가 발생되지 않는 상태에 서 off 상태로 동작된다 . 주 DC차단기에 의해 사고전류 차 단 후 DC차단기에 인가되는 회복전압은 대부분이 Fast Disconnector가 담당한다 . 또한 보조 DC차단기에는 거의 회복전압이 인가되지 않는 특징을 갖는다(참고문헌 5). SIEMENS와 공동연구를 다수 수행한 독일의 R. Marquardt 교수는 최근 thyristor를 이용한 DC차단기에 대한 연구 결 과에 대해 논문제출 및 특허출원 중에 있고, SIEMENS도 DC차단기에 대한 연구를 진행 중인 것으로 파악되고 있 다 . 최근에는 ABB에 비해 경제적이고 손실이 작은 DC차 단 topology가 특허로 나타나고 있다 . 그림 3(c)에 표시된 SIEMENS DC차단기의 특징은 정상운전 상태에서 커패시 터(Cc)에 충전된 에너지로 역전류를 만들어 줌으로써 해 당 기계식 스위치에 전류점을 생성시켜 전류를 차단하 는 방식이다 . 즉 DC 선로 상에 사고가 발생하면 선로전압 으로 충전된 커패시터 CC가 사이리스터 tC의 turn-on으로Cc-Lc 공진회로를 통해 방전되고, 진동전류(Small-loop current) 반파 후 커패시터가 역방향으로 극성이 반전되면 그림 상의 large-loop를 따라 사고전류와 반대되는 방향으 로 전류가 흐르게 됨으로써 SW2에 전류점이 발생되고 이 시점에 SW2의 아크가 소호된다 . 이 방식은 정상 통전회 로가 기계적 접점으로만 구성되어 전력 손실이 적고 IGBT 대신 thyristor를 기반으로 차단기가 구성됨으로써 신뢰성 과 비용 측면에서 유리하다(참고문헌 6). 또 다른 topology로는 ABB type과 유사한 구성에서 Main DC breaker 대신 커패시터 뱅크를 사용하는 방식으로 turn-off snubber를 이용하는 topology 방식이다. ABB topology에서 Main DC breaker로 전환(commutation)되 던 차단전류를 커패시터를 통해 흐르게 함으로써 복잡 한 전력반도체 스위치 시스템을 대체할 수 있어 DC차단 기의 복잡성과 경비저감 측면에서 유리한 특성을 가진다. 그림 4는 이 구성을 나타낸 것으로 한국전기연구원에서 실 제 적용한 차단기의 외형도 함께 나타내었다 . 이 topology 에서도 전류차단과 내전압 회복성능은 Solid-state switch 와 Fast switch가 각각 분담하기 때문에 두 구성품 간의 동 작시점 연계는 DC차단기 동작에 중요한 역할을 수행한 다 . 또한 Fast switch 극간에 내전압 특성 확보를 위해 Fast switch 극간이 일정 거리를 확보하고 있는 상태에서 Solidstate switch의 전류 차단이 이루어져야 하기 때문에 Fast switch 극간에는 아크가 발생되는 상태에서 전류가 차단 되는 것이 ABB topology와는 차별화된 점이다 . ALSTOM은 2013년 3월 DC차단기 개발의 중간단계에서 witness test를 성공적으로 수행했다는 공식 발표를 했지 만 차단시간을 2.5ms 이내에 성공했다는 내용 외에 구체적인 사양에 대한 언급은 없었다 . 다만 목표 용량은 170㎸ 7 .5㎄임을 명시하고 Alstom Grid는 프랑스의 전력회사 인 RTE와 함께 신재생에너지 집적을 위한 TWENTIES 계 획에 적용하기 위해 직류차단기를 개발 중에 있다 . 그림 5는 DC차단기의 종류에 따른 손실과 차단시간을 비 교한 것이다 . 전류형 HVDC 시스템에 적용하기 위해서는 고장전류를 차단하는 차단기의 차단시간이 매우 빨라야 하며, 현재까지 전 세계적으로 5ms이하는 무난하게 기술 개발한 것으로 보고되고 있다 . 그림 5와 같이 DC차단기의 최종목표는 차단시간 2ms이하이다 3.전망 이미 언급한 것처럼 Super Grid의 구축과 신재생에너지 의 효율적인 활용은 HVDC용 DC차단기의 개발로 완성 될 전망이다 . 또한 HVDC용 차단기의 개발은 HVDC 투 자 여건을 10년 이내에 변모시킬 것으로 예상된다 . 비록 HVDC용 차단기의 상업화에는 다소 시일이 걸리겠지만, 전력망의 발전과 전력분야를 선도할 이 기술의 가능성은 전기의 역사에 한 획을 긋게 될 것이다 . 이러한 이유에서 MIT Technology Review는 2013년도 50개의 혁신기술 중 하나로 HVDC용 차단기 개발을 선정하다 . 향후 도 전과제는 실 계통에서의 송전급 HVDC 그리드에 적용할 수 있는 초고압 DC차단기를 개발하는 것이다 .  또한 Multi-terminal HVDC 전력망의 규모와 송전량의 증대는 DC차단기의 기술개발이 해당 여건에 적합하게 이루어 질 수 있는지 여부가 결정할 전망이다 . 현재까지 는 세계에서 ABB가 선두주자로 320㎸ DC차단기의 성능 을 연구실 환경에서 검증하고 field test를 수행하고 있는 상태이다 . 국내에서는 한국전기연구원이 2012년 1월부터 HVDC용 차단기 개발을 시작하여 DC차단기의 독자적인 토폴로 지와 관련 설계기술은 이미 확보한 상태이다 . 지난 2015 년 DC차단기 개발에 대한 기술이전을 LS산전과 협약하 고, 현재 초고압 DC차단기 기술을 공동으로 개발 중에 있다 . 세부적으로는 2014년에 33㎸ , 1㎄, 차단전류 8㎄, 차 단시간 2㎳이하의 DC차단기를 개발하고 현재는 정격 전압 80㎸의 DC차단기를 개발 중에 있으며, 향후 250㎸ 급의 DC차단기 기술개발을 목표로 하고 있다 . 지금까지 저손실의 빠른 차단시간을 가지는 DC차단 topology에 대한 지적재산권 경쟁이 국제적으로 치열하 게 이루어지고 있어, 이에 따른 높은 경쟁력의 선제적인 확보여부가 향후 HVDC 시스템분야의 관련 시장을 선도 할 전망이다 . 이 뉴스클리핑은 http://keaj.kr에서 발췌된 내용입니다