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ⓒ픽사베이

 

현재 그린 뉴딜의 물결 속에서 탄소 중립과 온실가스 감축 목표를 차질 없이 이행하기 위해 신재생에너지의 필요성이 증가하고 있습니다. 하지만 신재생에너지의 급격한 확대로 인해 에너지 배전 및 전력 계통이 불안정해져 문제가 발생하고 있다고 하죠. 신재생에너지를 안정적으로 공급하고 유연하게 사용하기 위해서는 적절한 송배전 시스템이 갖추어져야 합니다. 최근 이에 대한 해결책으로 MVDC 기술이 주목받고 있다고 하는데요. 그럼 MVDC가 무엇인지 함께 알아볼까요?

 

MVDC가 무엇일까?

MVDC란 Medium-Voltage Direct Current의 약자로 1.5~100kV 사이의 전기를 직류로 송전하는 시스템을 말합니다. HVDC와 LVDC의 용어는 많이 들어봤지만 MVDC는 생소하게 느껴지는 분들이 많으리라 생각됩니다. 쉽게 말해 MVDC는 기존 송전계통에 적용되는 HVDC(초고압 직류)와 수용가에서 사용되는 LVDC(저압 직류) 사이의 전압 레벨을 갖는 직류 선로를 활용하는 시스템입니다. 여태껏 전력 공급에 있어서 교류가 시장을 장악해왔는데요. 직류가 다시 한번 주목받고 있는 이유는 무엇일까요?

 

전압 크기별 직류 시스템 구분표 ⓒ김보경 제작

 

교류(AC) 아닌 직류(DC)에 주목하는 이유는?

교류와 직류 ⓒ김보경 제작

 

직류는 시간에 따라 크기와 흐르는 방향이 변하지 않는 전류이고 교류는 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류를 의미합니다. 따라서 직류는 교류에 비해 안정적이고 손실이 적어 송전 효율이 높습니다. 우리나라에서 수용가로 공급되는 전기는 교류의 형태를 이용하고 있습니다. 하지만 태양광, 연료전지와 같은 신재생 전원은 직류로 출력되기 때문에 교류로 변환하는 과정을 거쳐야 합니다. 이 과정에서 전력 손실이 발생하게 되죠.

 

특히 부하 설비도 점점 직류로 바뀌고 있는 추세입니다. 가전기기는 교류 전원을 사용하지만 기기 내부에서 직류로 변환하여 사용하므로 대다수의 부하가 직류인 것을 알 수 있는데요. 교류 전원으로 공급받은 전력을 내부에서 직류로 변환하는 과정을 통해 전력 손실이 또 발생함을 알 수 있습니다.

 

신재생 전원과 직류 부하의 사용이 증가하고 있기에 배전시스템을 교류에서 직류로 변경하여 전력변환 단계를 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 특히나 최근 신재생에너지 수용 한계 이슈 등으로 인해 직류 시스템 중 MVDC의 역할과 기능이 더욱 주목받고 있다고 볼 수 있습니다.

 

MVDC의 필요성 및 기대효과

MVDC를 HVDC와 LVDC와 비교해보면서 그 필요성에 대해 더 자세히 알아보겠습니다. 현재 제주도에서 남는 재생에너지를 육지로 전송하는 것과 같이 장거리 대용량 송전을 할 때는 HVDC를 주로 사용합니다. 하지만 그보다 짧은 거리에서 송전을 할 경우에는 MVDC 또는 LVDC를 이용할 수 있습니다. 특히나 대용량으로 직류 전력을 공급하고 신재생에너지 연계를 확대하기 위해 MVDC에 대한 기술 개발이 필요한 상황입니다. 그리고 MVDC 기술은 신재생 발전에 따른 송전선로, 배전선로 건설을 줄일 수 있으며 기기 부품의 간소화* 등으로 신재생 발전의 약점인 전기품질 문제의 보완도 기대할 수 있습니다.

 

* 기기 부품의 간소화

전력을 송배전 할 때 상황에 맞게 직류와 교류 사이의 적절한 변환이 필요합니다. 이를 도와주는 것이 바로 인버터와 컨버터입니다. 인버터는 전압이나 주파수 조절을 통해 직류 성분에서 교류 성분으로 변환을 도와주고 컨버터는 교류를 직류 성분으로 변환시키는데 이용됩니다. 하지만 직류 배전을 이용하면 직류 설비에 직류 전원을 직접 공급하는 방식이기 때문에 컨버터와 인버터가 필요 없어집니다. 따라서 기기 부품의 간소화가 이루어졌다고 말할 수 있습니다.

 

배전 계통의 신재생발전원 수용성 확대

국내 태양광 발전 설비의 급속한 보급 확대로 인해 아무리 좋은 입지 조건에도 불구하고 수용 한계에 다다른 배전 선로나 변전소가 나타나고 접속 대기가 발생하고 있습니다. 쉽게 말해 발전된 전력이 원활히 유통되지 않고 있다는 것입니다. 하지만 MVDC를 이용할 경우 선로를 어떻게 구상하느냐에 따라 직류 선로 전송 가능 용량을 2배까지 증가시킬 수 있습니다.

 

부하 밀집 지역 전기차 충전 인프라 확대 수용

최근 보급이 확대되고 있는 전기차의 충전 인프라 확대를 위하여 도심지 배전 계통에 MVDC를 활용할 수 있습니다. 전기차 충전 서비스는 전기차 수요가 높은 인구 밀집 지역인 도심지를 위주로 확대될 것으로 예상되는데요. 전기차 급속 충전 설비는 고용량 전력을 요구하기 때문에 부하 밀집 지역에서의 배전 설비용량에 대한 확충이 필요합니다. MVDC를 이용할 경우 역률*에 대한 고려가 필요하지 않다는 점을 감안하면, 실질적으로 83% 이상의 배전용량 확대를 기대할 수 있을 것으로 예상됩니다.

 

*역률 : 피상전력(전체전력)과 유효전력(쓸모있는 전력)의 비율을 의미합니다. 예를 들어 역률이 90%라는 것은 받은 총 전력 중 90%의 전력만을 사용할 수 있다고 이해할 수 있습니다.

 

한국전력, 직류 배전 개발에서부터 MVDC 연구에 이르기까지!

한국전력은 꽤 오래전부터 직류 배전 개발에 앞장서 왔습니다. 2009년 ‘스마트 배전시스템 개발’연구에서 직류 배전 시스템의 타당성 검토를 시작으로 2014년에는 전력사 관점에서 수용가의 고품질 전력공급과 신재생 에너지원의 효율적 연계가 가능한 저압 직류 배전망 설계했습니다. 이후 한전은 2016년에 국내 최초로 ‘가공 저압 직류 배전 시범 선로’를 한국전력공사 광주전남본부의 실제 배전 선로에 구축하여 현재까지 운영 중입니다.

 

DC섬과 DC Home ⓒ한국전력연구원 스마트 배전연구소 홈페이지

 

2015년부터 한전은 직류 배전망의 확대와 직류 마이크로 그리드 사업화를 위한 ‘저압 직류 배전망 독립 섬 실증 연구’에 착수했고 2018년 진도군에 ‘DC 섬’ 구축을 완료했습니다. 기존 교류 배전 선로 대신 직류 배전 선로를 이용하여 신재생 전원을 직류로 배전 선로와 연계하여 가정에 직류전원을 공급하는 방식이 가능하도록 했죠. 또한 ‘DC Home’을 조성하여 전력 생산부터 전송, 소비까지 모두 직류 기반으로 이루어지는 직류망을 구축하였습니다. 이로써 신재생 에너지원의 계통연계 손실을 줄이고 수용가에 대한 직류 전력공급 검증을 이뤄내는 성과를 얻을 수 있었습니다.

 

이렇게 한국전력은 직류 배전 연구로 지속적인 발전을 이뤄왔습니다. 이제 신재생에너지의 품질을 높이기 위해 MVDC 배전에 대한 연구를 활발히 진행하고 있는데요. MVDC 사업은 2020년에 정부 과제로 2700억 원의 예타를 통과한 후, 올해 9월부터 한국전력과 한국전력 연구원을 중심으로 기기 및 서비스 개발 등이 추진될 것으로 예상됩니다. MVDC를 추진할 조직의 출현을 앞두고 있는 만큼 MVDC 사업이 효과적으로 진행될 수 있기를 기대합니다.

 

이번 기사에서는 MVDC 기술과 한국전력의 직류 배전 개발의 발전사에 대해 알아보았습니다. 그동안 신재생에너지의 확대는 빠르게 이루어졌지만, 송전과 배전의 과정이 안정적으로 이루어지지 못한다는 문제점이 있었습니다. MVDC는 신재생 발전의 약점인 전기 품질 문제의 보완을 이뤄낼 수 있는 중요한 기술 중 하나입니다. 현재 정부의 지원으로 한국전력은 MVDC 기술을 계속해서 발전시켜 나가고 있습니다. 앞으로도 한국전력공사가 MVDC 기술에 대한 입지를 다져 새로운 전력산업 생태계를 주도해 나가기를 응원합니다!

 

 

 


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