<에너지산업 기획>

전력수급 안전·효율 확보
HVDC 송전기술 자립화
LS산전, 제주 변환소 실증단지 설치
전력산업 신성장동력 ‘스마트그리드’

최근 직류전압 송전 기술 측면에서 LS산전의 기술 국산화가 주목을 받고 있다. LS산전은 지난 2009년부터 한국전력공사·LS전선·대한전선과 공동으로 국산화 기술개발을 위한 합동연구에 착수해, HVDC 실증단지인 제주 금악변환소에 성공적으로 설치 완료했다. 지난해에는 제주 HVDC 실증단지에 Pilot 시스템에 대한 실증 운전도 성공적으로 마쳤다.

슈퍼그리드 구성의 HVDC 시장형성

HVDC(초고압직류송전, High Voltage Direct Current)는 해저케이블 송전뿐만 아니라 대용량 장거리 송전, 주파수가 상이한 교류 계통 간 연계, 도시 밀집지역의 단락용량 경감을 위한 연계 등 활용분야가 넓은 차세대 전력전송기술이다.
현재 약 30조원 규모인 세계 HVDC 시장은 ABB社가 50%를, 지멘스社가 30%를, 알스톰社사가 15% 등 3대 글로벌 기업이 지난 50년간 독점적 지위를 누려왔다.
여기에 HVDC 관련 시장이 2020년 730억 달러(77조 원), 2030년에는 1,430억 달러(152조 원) 규모로 성장할 것으로 예상되는 등 급성장할 전망이다.
현재 중국, 인도, 브라질 등 국토가 넓은 나라에서는 대용량 장거리 송전이 중점적으로 추진되고 있다. 특히 미국에서는 노후 HVDC의 교체 및 업그레이드 수요와 함께 신재생 연계용 대용량·장거리 송전 프로젝트가 있으며, 계통연계용 프로젝트도 추진되고 있다.
우리나라를 포함한 동북아 시장에서는 슈퍼그리드(Supergrid)를 위한 한·러, 한·일, 한·중 간 송전망 연계가 활발하게 논의되고 있는데, 이는 HVDC 기술이 획기적으로 발전함에 따라 국가 간 대용량 장거리 기술도 안정적으로 구현할 수 있기 때문이다.

HVDC 핵심부품 기기 국산화 완료

3대 글로벌 기업이 현재 세계 HVDC 시장을 주도하고 있는 가운데, 우리나라는 프랑스의 알스톰社의 기술을 도입해 지난 1997년 진도-제주간 300MW급 제 1 HVDC 구축에 이어 ‘14년에는 양방향 송전의 400MW급 제 2 HVDC를 구축했다.
국내 자체 기술만으로 HVDC 시스템을 설계·건설한 경험은 거의 없는 상태에서 지난 2009년 한국전력공사와 LS산전(변환기술 개발), LS전선(해저케이블 개발), 대한전선(케이블 개발)이 공동으로 국산화 기술개발을 위한 합동연구를 착수했다. 이어 ‘13년에는 한국전력과 알스톰이 기술협력을 위한 조인트벤처 KAPES를 설립하고, 핵심기술 이전 사업자로 LS산전을 선정하였다. KAPES는 ’14년 3,180억 원 규모의 충남 북당진~평택 고덕간 HVDC 구축사업을 ‘18년 완공을 목표로 진행 중이다.
한편, 전기연구원이 최근 개발한 직류차단 관련 기술이 LS산전에 이전한 이후로, 전기연구원은 현재 배전급 전압의 직류차단기 개발에 성공했으며 다음 단계로 송전급 전압의 직류차단기 관련 기술을 개발하고 있다.
LS산전은 이에 앞선 ‘11년 총 1,100억 원을 투자해 부품 입고부터 성능검사, 조립, 시험, 시운전까지 가능한 HVDC 전용공장을 부산 진해 경제자유구역 화전산업단지에 부지에 건설해 핵심설비 국산화의 기반을 다졌다. 이어 같은 해 ±80kV HVDC 변환용 변압기를 성공적으로 개발 완료하고 최종 시험을 거쳐 최근 한국전력공사와 협동연구로 진행하고 있는 HVDC 실증단지인 제주 금악변환소에 성공적으로 설치 완료했다. 이후 사이리스터 밸브, C&P 시스템 플랫폼을 국산화하여 핵심부품 개발을 완료했다.

‘제주~진도’ 연계선에 국산 해저케이블

섬이라는 특성을 가진 제주도는 육지에서 전력을 공급받기 위한 방안으로 한전은 ‘송전기술의 꽃’이라 불리는 HVDC를 채택해 운영하고 있다.
제주지역은 관광·컨벤션 관련 서비스 산업이 발전하면서 지속적으로 전력수요가 급증하는 곳으로 정부는 지난 ‘08년 제2의 HVDC 건설을 추진했다. HVDC 증설의 경우 LNG복합화력에 비해 건설비용이 적게 들고 연료비가 비싼 제주 지역에 상대적으로 발전 단가가 낮은 육지계통의 전력을 공급해 경제성을 제고할 수 있는 장점이 부각되었다.
이어 한전은 제주와 진도를 연결하는 HVDC 추가 연계선 건설사업 계획을 확정해 200MW급 2회선을 제주~진도 간 113km(해저구간은 101km) 구간에 걸쳐 설치하여 ‘13년 8월부터 운전을 개시했다.
사용된 초고압 해저케이블은 250kV급으로 HVDC 연계선은 전력계이블 2회선, 귀로케이블 2회선 등으로 구성되는 ‘Double Monopole’ 형식으로 한 구간이 고장 나더라도 운전이 가능해 정전 사태를 방지할 수 있도록 건설됐다.
제주~해남간 연결된 1차 HVDC는 변환설비 및 케이블이 전부 외국기술로 건설되었지만, 제주와 진도를 연결하는 추가 연계선의 경우에는 해저케이블을 LS전선이 개발한 국산자재를 사용했다.
현재 제주 지역은 이러한 HVDC가 전체 전력공급설비용량 96.7만kW 중 30% 수준인 25만kW를 담당하고 있다.

HVDC 메카 ‘제주 HVDC 스마트센터’

제주는 섬이라는 특수 지형적 조건으로 인해 HVDC가 처음 건설됐지만, 지금은 제1, 제2의 HVDC 건설·운영에 이어, 현재는 실증단지까지 본격 가동되었다.
‘제주 HVDC 실증단지’ 사업은 HVDC 관련 기술의 국산화를 통해 급부상하고 있는 글로벌 시장으로 진출하겠다는 포부를 담은 도전이라 할 수 있다.
우리나라는 상대적으로 DC송전 분야의 기술 수준이 취약해 동북아국가 간 HVDC 연계 사업이 추진될 경우, 설계·건설 및 운영 단계에서 우리나라의 입지는 약화될 수밖에 없는 실정이다.
이에 한전에서 국내 기업체와 협동으로 추진한 것이 ‘제주 HVDC 실증단지’ 건설 사업이다. ‘09년 10월 한전은 LS산전, LS전선, 대한전선과 HVDC 국산화 기술개발 협동연구를 위한 양해각서를 체결하고 공동으로 참여해 실증단지를 ’11년 7월 착공해 ‘13년 12월에 준공했다.
제주시 한림읍에 ±80kV 60MW급 금악변환소와 한림변환소의 2개소와 DC송전선로 5.3km의 건설을 완료했다. 현재 국산화 자체개발한 제품으로 장기운전 시험을 마쳤으며, 추가 개발의 실증장소로도 활용될 예정이다.
한전을 포함한 실증단지 참여기업들은 지난 ‘14년 말 그 동안 국산화 한 사이리스터 밸브, HVDC 변환용 변압기 등 핵심기기에 대한 장기 운전을 중점적으로 수행하여 시험을 완료했다. 아울러 향후 HVDC 수요 증가에 대비한 인력양성 방안 마련에도 공동으로 힘을 모으기로 약속해 한전을 포함한 관련 기업들과 연구계, 학계 등의 HVDC 관련 전문 인력 양성에도 적극적인 행보를 가시화할 방침이다.

<용어해설>, HVDC 란?

HVDC, 절연용이·손실감소·건설비 저렴 HVDC(초고압직류송전, High Voltage Direct Current)이란 발전소에서 생산되는 고압의 교류전력을 전력 변환기를 이용해 고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후 원하는 수전(受電) 지역에서 다시 교류전력으로 재 변환시켜 전력을 공급하는 방식이다. 직류전압은 기기의 절연이 용이하고, 낮은 전압으로 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다. 동일한 전력을 보내는 경우 직류방식이 송전 손실이 적어 송전 효율이 좋다. 전선의 사용량과 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적으로 송전이 가능하다. 특히 교류 대비 2배 이상의 전류를 흘려보낼 수 있다. 건설비용이 저렴한 것도 큰 장점이다. 송전거리에 대한 제약이 없고, 특히 450km가 넘는 육지 전력전송이나 40km가 넘는 해저를 통한 전력전송에 있어 직류송전 방식이 건설비가 저렴하다. 중국, 인도, 남미 등지는 발전소와 전기 사용자 사이의 거리가 1,000km 이상이 되기 때문에 HVDC 보급이 급속하게 확장되고 있는 상황이다. 기존 고전압 교류전력(HVAC) 전송방식에 비해 전자파 발생이 적어 잡음과 오작동을 줄일 수 있고, 민원도 줄일 수 있다. 또한 전력운용의 안전성과 효율성을 확보할 수 있어 국가적 대정전 사태 사전 방지와 전력시장의 수급 안정화를 불러 올 수 있다. ▲ HVDC 송전방식 개념도. <사진=LS산전>

[본 기사는 월간 경제풍월 제197호 (2016년 1월호) 기사입니다]