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직류배전 R&D 성과 국내외 시장서 빛 낸다

기사승인 2020.10.25  14:44:57

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손실 적은 효율적인 전력망 구축 가능
신재생 확대-에너지 비용 절감 이바지
서거차도에 세계최대 직류배전망 구축
해외사업 수주-기술이전 이익 큰 기대

   
도서지역 직류배전 시스템으로는 세계 최대인 직류(DC)에너지자립화섬 서거차도의 전경
 

# 한국전력 연구 방향
한국전력 전력연구원이 미래를 대비하는 배전기술과 신사업 기술을 이끌며 전력계에 활력을 불어 넣고 있다.
3대 전략은 신사업 발굴, 연구성과 사업화 촉진, 내외부 고객 만족에 초점을 맞췄다.
특히 신배전망, 전력 IoT, 배전시스템, 에너지신산업 등의 다양한 분야에서 새로운 기술을 융복합해 미래 배전계통의 핵심 기술을 연구하고 있다.
배전 계획분야에서는 저압직류배전, BTM(Behind the meter), P2G(Power to Gas) 기반 MG(Micro Grid) 솔루션 개발을 통해 미래배전 인프라를 구축, 운영하는  솔루션 확보에 나서고 있다.
배전 운영분야에서는 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 머신러닝을 활용한 설비 투자 효율화와 비용 절감을 목표로 상태 예지 기술을 고도화 중이다.
특히 직류배전 분야는 태양광 발전, 에너지 저장장치와 같은 직류 기반의 전원과 디지털 기기 등 직류 부하의 증가로 신기술 개발의 필요성이 날로 증가하고 있다.
전력연구원은 정보화 사회의 급속한 발전으로 인해 직류를 사용하는 디지털 기기들이 확대에 발맞춘 기술 개발에 힘쓰고 있다고 밝혔다.
직류배전 기술의 고도화를 통해 신재생에너지의 확대 보급에 기여하고 이를 통한 온실가스 저감 및 청정에너지로의 전환 등의 사회적 책임을 다하겠다는 계획이다.

# 기술 개념 및 전망
직류배전이란 직류기반의 배전시스템을 구성하고 이를 통해 직류부하(핸드폰, 노트북 등)에 직접 직류전원을 공급해 효율성을 높이는 기술이다.
이 기술은 배전시스템에서 교류에서 직류로 바꿔 직류부하에 공급하는 전력변환 단계를 줄이는 한편, 분산전원의 직류출력을 직류부하인 디지털 부하와 직접 연계함으로써, 에너지효율을 높인다.
최근 들어 전 세계적으로 다양한 분야에서 연구가 진행 중이다.
대다수 가전제품의 경우, 현재 공급되는 교류전력을 내부에서 직류로 변환해 전력을 소비하고 있다.
태양광, 연료전지, ESS 등의 경우, 생산된 전력이 직류이기 때문에 교류인 계통과 연계시키기 위해서는 전력변환이 필요하다.
전력을 변환하는 과정에서 손실을 수반하게 되고, 이로 인해 전력효율 저하가 발생한다.
최근 확산 중인 전기자동차도 직류부하이기 때문에 같은 문제가 발생한다.
미국 전력기술연구소는 직류부하인 디지털 부하가 2000년에는 전 세계적으로 10%밖에 되지 않으나, 2020년도에는 전체 부하의 50%에 도달할 것이라는 분석을 내놓고 있다.
한편, 국내에서는 이산화탄소 배출 감소 및 화력발전 축소 정책으로 인해 신재생에너지는 더욱 확대될 전망이다.
제8차 전력수급계획에서는 2030년까지 전체 발전량의 20%를 신재생에너지를 통해 생산한다는 계획을 담고 있기도 하다.
# 연구개발 성과
전 세계적으로 직류 시스템 대한 연구가 증가함에 따라 한전은 2009년 ‘스마트 배전시스템 개발’ 연구에 나서 직류 배전시스템의 타당성을 점검하고, 직류 배전시스템 개발을 위한 법적, 제도적 사항을 검토한 바 있다.
또한, 최적 직류배전 토폴러지 결정 및 핵심기술 개발전략 수립을 위해 2010년에 ‘직류배전 표준모델 설계 및 핵심기술 개발전략 수립’ 연구를 수행, 직류배전 적용에 따른 배전계통 영향 평가 및 기술개발 로드맵을 수립했다.
이어 2014년에는 전력회사 관점에서 늘어나는 직류전원 수요에 대응하고 고품질 전력공급과 기후의 영향을 받는 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지와의 효율적 연계가 가능한 낮은 전압에서의 직류배전망 설계와 이를 위해 사용되는 설비들의 설계를 위한 연구를 수행했다.
한전은 연구를 통해 낮은 전압조건에서의 공급전압을 ±750V 직류로 선정하고 비접지 방식의 저압 직류 배전계통을 표준모델로 제안했다.
양방향 조류제어가 가능한 직류 배전선로용 전력변환기를 설계하고 시제품 제작 후 성능시험을 전력연구원 내에 구축된 저압 직류 테스트설비를 통해 진행했다.
저압 직류 테스트설비는 ±750V 직류 배전계통 모의를 위한 ▲선로 모의장치 ▲인공고장장치 ▲모의부하장치 등으로 구성돼 있다.
이후 저부하 장거리 교류 고압선로를 저압 직류 배전선로로 대체함으로써 실계통에 저압 직류배전을 적용하는 연구를 수행했다.
저압 직류배전의 실계통 적용에 앞서 한전의 고창 전력시험 센터에 저압 직류배전 실증시스템을 구축하고 저 부하 장거리 실계통 적용을 위한 저압 직류배전의 안정성 및 신뢰성 검정 시험을 진행했다.
2016년에는 국내 최초로 가공 저압 직류배전 시범선로를 한전 광주전남본부의 실제 배전선로에 구축하고 운영 중이다.
이 선로는 12경간 이상 장거리, 30kW 이하의 배전선로로써 수목접촉 등으로 인한 선로 고장 발생 가능성이 큰 설비였다.
저압 직류배전 선로로의 전환을 통해 고압 배전선로의 수목접촉 등으로 인한 고장을 줄임과 동시에 선로 구축비용 절감의 가능성을 제시했다.
추가로 광주전남본부 예하의 4개 선로에 저압 직류배전 시범선로를 구축해 현재까지 운영 중이다.

# 통합 실증시험장 & 서거차도
2019년 한전은 국내 직류배전망 사업의 선도 및 보급에 앞장서기 위해 직류배전용 개발 기기들의 성능과 운영 기술을 실증할 수 있는 통합 실증시험장을 한전 고창전력시험센터 내 구축했다.
저압 직류배전망 통합 실증 시험장은 정류기, 신재생원, 분산전원, 모의부하, EV, 수배전반, DC수용주택의 직류계통 설비로 구성되며, 시험선로는 총 6km DC ±750V 바이폴 방식으로 스위치 조작을 통해 장거리, 수지상, 링, 메쉬 등 다양한 직류배전 계통에 대해 실증이 가능하다.  
DC 수용주택의 경우, LG전자와 협업하여 개발 중인 DC가전 TV, 냉장고, 세탁기, 에어컨, 공기청정기, 청소기의 장기 신뢰성 시험을 수행했다.
직류 인공고장발생장치와 운영시스템을 통해 직류 고속차단기 실증시험, 직류배전망 전압제어 알고리즘 및 운영 어플리케이션 검증을 진행했다.
특히, 국내최대 규모의 500kW급 양방향 전력변환장치 성능평가 설비는 직류배전용 전력변환장치 뿐만 아니라, 분산전원 연계용 AC/DC, DC/DC, DC/AC 전력변환장치의 안전시험, 성능시험 등에 대한 성능평가가 가능하며 국내 기업 및 기관의 전력변환장치 성능시험 요청에 대응하고 있다.
2015년부터 한전은 직류배전망의 확대를 위한 ‘저압 직류배전망 독립 섬 실증 연구’를 착수했다.
육지와 원거리에 있는 도서 지역은 대부분 디젤발전 기반으로 전력을 공급하고 있다.
하지만 최근 신재생에너지에 의한 발전 비율을 증가시킨 에너지 자립 섬 사업이 국가적으로 추진 중이다.
직류를 생산하는 신재생 전원(태양광 및 풍력) 의 전력망을 직류 시스템으로 구축할 경우, 교류 방식보다 효율적인 시스템 운영이 가능하다.
한전은 직류 배전망의 운영기술을 확보하기 위한 ‘직류 에너지 자립 섬’을 2018년 진도군 서거차도에 구축 완료했다.
6.6kV의 기존 교류 배전선로 대신 1,500V (±750V)의 직류 배전선로를 구축하고 신재생 전원을 직류로 배전선로와 연계하며 가정에도 직류전원을 공급하는 방식으로써 신재생 에너지원의 교류/직류 변환에 의한 손실을 크게 줄였다.
또한, 서거차도에 200kW의 태양광 발전, 100kW의 풍력발전기, 1.5MWh 용량의 에너지저장장치를 구축하고, 전기 카트용 직류 전기 충전기, 직류 가로등 및 직류 가전제품을 지역 내 수용가에 보급해 섬 내 전력기기의 에너지효율을 10% 이상 향상했다.
# 향후 계획
한전은 직류수용가의 전원공급을 위한 기술 개발 및 표준 제정을 수행하는 데 집중하고 있다.
판교에 구축하는 현대중공업 글로벌 R&D 센터내 직류부하에 직류전원을 직접 공급하는 1MW 컨버터 스테이션 개발 및 DC 전원공급 실증도 수행한다.
이 실증이 완료되면 수용가 직류전원을 직접 공급한 상용화 첫 사례가 될 전망이다.
한전은 전자부품연구원과 MOU를 체결하고 직류수용가 표준 모델 개발 사업에 협력해 직류전원 공급 기술의 표준화를 진행 중이다.
또한, 고창 직류배전망 통합 실증시험장을 활용해 MVDC급의 특고압 직류배전망 기술을 개발에도 나선다.
# 기대 효과
세계적으로 직류배전에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.
직류전원을 사용하는 전자기기의 확대는 꾸준히 증가하고 있으며 직류배전망과 전력망을 구성하는 설비의 연구개발 및 수요도 증가할 것으로 예상한다.
직류배전 기술은 손실이 적은 효율적인 전력망 구축이 가능하므로 향후 정부의 신재생 확대 정책과 에너지 비용 절감에 이바지할 수 있을 것이다.
한전의 서거차도 직류배전망 실증시험 및 표준화가 완료되면 해외의 전기가 닿지 않는 오지를 대상으로 신재생에너지를 활용한 직류배전망의 보급이 가능하다.
또한, 영토가 넓고 험준한 지형 때문에 송전선로가 닿지 않아 전력망 구축이 힘든 지역을 대상으로 직류배전망은 교류보다 필요 설비가 적고 효율적인 망 구축이 가능하다.
한전은 직류배전망 연구개발 성과를 바탕으로 국내 섬 지역뿐만 아니라 유럽, 인도, 중국, 아프리카 등의 해외사업 수주 및 기술이전 이익을 거둘 것으로 예상한다.

전력경제 epetimes@epetimes.com

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