전력용 반도체 기술의 발달과 더불어 기존 전류형 설비의 단점이 보완되고 있으며, 전력전자 기술과 전력계통 운용 기술의 발전에 힘입어 보다 안정적인 직류송전이 가능해지고 있다.
기술자들의 노력으로 보다 안정적인 직류송전 운용이 요구되지만, 그에 앞서 직류송전방식에 대한 무조건적인 배척은 지양되어야 할 것이다.
▲직류송전의 역사
1882년 뉴욕의 펄 가(Pearl Street)에 에디슨이 전기회사를 세워 110V의 전기를 생산, 공급한 이래 직류가 사용되어 왔다. 이후 1880년대와 1890년대를 거치면서 변압기, 다상 회로, 그리고 유도 전동기가 개발되어 기존 직류 사용시 존재했던 단점들을 보완하면서 교류가 전기에너지의 대표 형식으로 인정되었다.
이런 상황에서도 직류 송전 방식은 교류 송전을 보완해주는 형식으로 존재해왔다. 프랑스의 공학자 Rene Thury에 의해 개발된 HVDC(High-Voltage Direct Current) 시스템이 그러한 예가 된다. 이 시스템은 현대의 시스템과 유사하며, 송전단은 수 개의 직렬 연결된 직류 발전기로 구성하고 수전단은 직류 전동기들로 구성하였다.
1880년부터 1911년까지 유럽에서는 수력의 사용을 위해 19개 이상의 Thury 시스템이 사용되었다. 1906년에 설치된 프랑스 알프스에 설치된 Moutiers에서 Lyons까지의 180km 시스템도 그 중 하나이며, 4.3MW, 57.6kV, 75A를 정격으로 한 이 시스템의 전체 효율은 70.5% 정도의 만족한 수준이었다.
이 Thury 시스템은 직렬로 다수의 정류자가 연결되었음에도 불구하고 신뢰성 있게 동작하였으나, 직류 기기가 가지는 제한에 의해 대규모 전력의 송전에는 적합하지 않다는 단점이 있었다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 ‘발전기-전동기 세트’보다 더 나은 컨버터를 사용한 시스템의 개발이 이어졌다.
신뢰성 있고 경제적인 밸브(mercury-arc valve)의 개발로 1954년 ASEA에 의해 스웨덴 본토와 Gotland 섬까지의 20MW, 200A, 100kV 정격을 가진 최초의 상용 HVDC 시스템이 건설되었다. 그 후 각 국은 앞다투어 mercury-arc valve를 채용한 직류 송전 시스템을 건설하게 된다.
이후 반도체 기술의 발달과 함께 1967년 Gotland 링크의 mercury-arc valve를 고전압 싸이리스터(high-voltage thyristor)로 교체하여 상용 운전에 성공했다. 기존 밸브에 직렬로 싸이리스터를 연결하여 송전 전압을 100kV에서 150kV로 증가시킨 Gotland 시스템은 1970년 상용 운전을 시작하여 직류 송전 역사에서 중요한 사건이 되었다. 싸이리스터 밸브는 변환소(converter station)를 단순화하는 것을 가능케 하여 직류 송전 건설에 계속 사용되고 있다.
현재 최대 규모의 직류 송전 시스템 건설은 6300MW 정격의 브라질의 Itaipu 링크이며, Sao Paulo 지역의 부하를 공급하고 있다.
▲직류송전의 6가지 장점
세계 각국에서 직류 송전 방식을 채택하는 이유는 수 십 가지가 있지만, 직류 방식이 교류 방식 보다 나은 점을 꼽으라면 일반적으로 다음의 6가지를 들 수 있다.
첫째, 환경 문제가 대두되고 있는 오늘날 직류 송전 방식은 송전 선로가 차지하는 면적이 교류 방식에 비해 작다는 이점이 있다.
둘째, 조류를 마음대로 조절할 수 없는 교류 방식에 비해 직류 방식이 가지는 조류 제어 능력도 큰 장점으로 꼽힌다.
셋째, 직류 송전 방식은 같은 송전 용량에 대해 교류 송전 방식 보다 선로 비용이 작게 들어간다. 비록 직류 방식이 변환소 설비에 더 높은 비용이 들어간다고 하더라도, 어느 정도의 거리(가공 선로의 경우 600-800km, 해저나 지중 케이블의 경우 50km) 이상에서는 직류 방식이 비용면에서 교류 방식보다 유리해진다.
넷째, 해저를 통한 교류 송전의 경우 장거리 송전시 케이블의 큰 정전용량으로 인한 무효 전력에 의해 최대 송전 용량이 제한되지만, 직류 송전의 경우 이러한 제한이 없어 장거리 해저 송전시에는 유일한 대안이 된다.
현재 해저를 통한 직류 송전 선로의 최장 거리는 250km의 스웨덴과 독일 사이의 Baltic 링크이고 500km를 넘는 해저 직류 선로들이 아시아와 유럽에서 건설되고 있다.
다섯째, 최적화된 직류 송전 시스템은 같은 송전 용량에서 교류 방식에 비해 손실이 작다.
각 변환소에서의 손실 0.6%를 포함하고도 교류 송전에 비해 직류 손전의 손실이 작다. 현재 다수의 HVDC 시스템이 서로 비동기된 교류 시스템에서 전력 수수를 위해 사용되고 있다.
전력계통의 안정도를 고려하여 두 개 시스템의 동기 운전이 힘들거나 불가능할 경우 두 개의 교류 계통은 비동기되어 운전되며, 이 경우 두 개 시스템사이의 전력 수수는 오직 HVDC 시스템을 통해서만 이루어질 수 있다.
여섯째, 일본이나 남미와 같이 두 교류 시스템의 주파수가 다른 경우에도 직류 송전이 유일한 대안이 된다. HVDC 시스템의 가장 큰 장점 중의 하나는 링크의 유효 전력을 쉽게 제어할 수 있다는 것이다.
네트워크의 요구와 직류 송전 활용 방안에 따라 다르고 주제어 방식이 일정한 전력 공급만을 목적으로 하는 경우도 있지만, 대부분 HVDC 시스템의 다른 제어 기능을 교류 시스템의 성능을 향상시키는데 사용하고 있다. 이러한 자동 제어 방식은 일정 주파수 제어, 교류 시스템의 조류 재배분, 교류 시스템의 전력 스윙에 대한 제동 등을 포함한다.
이와 함께 발전된 반도체 기술을 바탕으로 싸이리스터와 마이크로프로세서 등이 사용됨으로써 직류 송전 시스템의 무한한 가능성을 보여주고 있다. 발전소에서 부하 밀집 지역으로의 대규모 교류 송전선로가 건설될 경우 수전단에서의 단락 전류 크기가 증가하게 되고 이것은 대도시와 같은 부하 지역에서 큰 문제가 되어 차단기와 같은 기기들을 그 용량에 맞게 교체해야 한다. 이 경우 직류 송전 방식은 교류 시스템의 단락 전류를 증가시키지 않기 때문에 훌륭한 대안이 될 수 있다.
위와 같은 이점을 바탕으로 전 세계에서 HVDC 시스템은 60여개의 주요 링크를 가지고 있고 전체 전력의 합은 약 7만MW에 이른다. 각 링크의 규모는 20MW에서 6300MW 정도다.
▲직류송전 무조건 배척 지양돼야
우리나라의 경우 제주지역의 계속적인 부하 증가로 추가적인 전원 설비의 건설이 요구되었고, 주요 관광지라는 특수성에 기인하여 디젤 발전기의 추가 건설 대신 HVDC 시스템의 건설이 결정되었다. 정격 300MW로 100km의 해저 케이블로 건설된 이 시스템은 안정적인 전력 공급을 위해 ±180kV의 bipole 형식으로 구성되었고, 지난 98년부터 상용 운전을 하고 있다.
제주도내에 설치된 제주도의 각종 화력발전설비는 제주도 전력부하가 적어 소규모 발전설비에 의존하고 있다. 2002년 현재 최대 단위기 용량이 75MW이며 사용 연료 또한 중유 혹은 경유로서 고가의 에너지를 사용하고 있다.
직류 송전은 부하추종특성이 신속하고 전력제어 특성이 좋아 제주전력계통 안정에 기여하고 있다. 또한 제주도의 전력을 육지로 공급할 수 있어 소규모이지만 육지계통에 전력을 공급할 수 있는 설비가 될 수 있다.
제주도의 판매 전력량은 1971년부터 2000년까지 연평균 17.3%의 높은 성장을 기록했다. 특히 1976년, 1979년, 1993년의 3개년과 IMF로 인한 1998년, 1999년을 제외하고는 10% 이상의 높은 성장률을 보였다. 연간 최대전력도1971년 7.8MW에서 2000년에는 336.1MW로 연평균 14.4%의 증가를 보이고 있다. 이에 따라 2010년을 전후로 제주 지역 전력 수급 부족이 예상된다.
따라서 새로운 발전 설비나 직류송전설비의 건설이 요구되고 있으며, 이에 대한 활발한 논의가 진행 중이다.
기존 직류송전설비의 활용을 극대화하여 신뢰도를 확보할 수 있다는 장점과 경제적인 이점 등을 고려하여 현재 직류송전설비 건설에 무게가 실리고 있으며, 부하가 집중된 수도권에서 전력 부족 문제가 발생할 경우 부하집중지가 가지고 있는 큰 고장용량 문제를 고려해 볼 때 직류송전이 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.
전력용 반도체 기술의 발달과 더불어 전압형 직류송전 설비가 도입돼 기존 전류형 설비의 단점을 보완하고 있으며, 전력전자 기술과 전력계통 운용 기술의 발전에 힘입어 보다 안정적인 직류송전이 가능해지고 있다.
작년 미국 북동부 대정전으로 뉴욕시가 암흑에 빠졌을 때 롱 아일랜드는 해저를 통한 전압형 직류송전으로 불을 밝힐 수 있었다.
기술자들의 노력으로 보다 안정적인 직류송전 운용이 요구되지만, 그에 앞서 직류송전방식에 대한 무조건적인 배척은 지양되어야 할 것이다.
