직류송전

직류송전 시스템의 핵심은 교류와 직류 사이의 변환이다. 전력 변환은 주로 전력 변환소에서 이루어지며, 송전단에서는 교류를 직류로 변환하고, 수전단에서는 직류를 다시 교류로 변환한다. 이 과정은 과거에는 수은 정류기와 같은 장치를 사용했으나, 현대에는 전력 전자 공학의 발전으로 반도체 소자를 이용한 정류기와 인버터가 주로 사용된다.

직류송전의 변환 방식은 크게 전류 정류형과 전압 소스형으로 구분된다. 전류 정류형은 사이리스터와 같은 전류 제어형 소자를 사용하는 방식으로, 대용량 초고압 송전에 적합하다. 반면, 전압 소스형은 IGBT와 같은 전압 제어형 소자를 사용하는 방식으로, 전력망의 안정성 제어와 재생 에너지 연계에 유리한 특징을 가진다. 이 변환 과정에서 발생하는 고조파와 무효 전력은 필터와 컴펜세이터를 통해 보상 및 제거된다.

전력 변환 기술의 발전은 직류송전의 경제성과 신뢰성을 크게 향상시켰다. 특히, 모듈형 다중 레벨 변환기와 같은 새로운 변환기 토폴로지의 등장으로 변환 효율이 높아지고, 시스템 구성이 더욱 유연해졌다. 이는 복잡한 계통 제어가 필요한 마이크로그리드나 분산형 전원의 연계에도 직류송전 기술을 적용할 수 있는 기반을 마련했다.

직류송전의 송전 방식은 전압을 유지하는 방법에 따라 크게 전류 정류형과 전압 소스형으로 나뉜다. 초기 직류송전 시스템은 전류 정류형이 주류를 이루었다. 이 방식은 수은 정류기와 같은 전력 변환 장치를 사용하여 교류를 직류로 변환하고, 송전선로의 저항을 통해 일정한 전류를 흘려 전력을 전송한다. 그러나 이 방식은 전류를 정확히 제어하기 어렵고, 단락 사고 시 대전류가 흐를 위험이 있으며, 전압 변동에 취약한 단점이 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 발전된 방식이 전압 소스형 직류송전이다. 이 방식은 인버터와 컨버터를 결합한 전압 소스 변환기를 사용하여 일정한 전압을 유지하며 전력을 송전한다. IGBT와 같은 고성능 반도체 스위칭 소자의 등장으로 본격적으로 실용화되었으며, 전력의 방향과 크기를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 이로 인해 전압 소스형은 현대 초고압 직류송전 시스템의 표준 방식으로 자리 잡았다.

송전선로의 구성에 따라서는 극성에 따라 단극 방식, 쌍극 방식, 극성 반전 방식 등으로도 구분된다. 단극 방식은 한 개의 도체를 사용하여 송전하고, 귀로는 대지나 바닷물을 이용한다. 쌍극 방식은 양극과 음극 두 개의 도체를 사용하며, 대부분의 육상 송전선로에서 채택된다. 극성 반전 방식은 전압의 극성을 바꾸어 전력 흐름의 방향을 제어하는 방식으로, 전력망 간의 연계 운영에 유용하게 활용된다.

직류송전 시스템에서 절연과 보호는 시스템의 안정성과 신뢰성을 확보하는 핵심 요소이다. 직류는 교류와 달리 전압 극성이 일정하게 유지되기 때문에 절연체에 가해지는 전기적 스트레스가 다르며, 이로 인해 발생할 수 있는 고유한 문제들을 해결하기 위한 특별한 설계와 기술이 요구된다.

절연 측면에서 직류송전은 코로나 방전과 절연 파괴에 대한 고려가 중요하다. 직류 전압 하에서는 절연체 내부의 전하 분포가 시간에 따라 변화하여 공간 전하가 축적될 수 있다. 이 축적된 전하는 절연체 내부에 불균일한 전계를 형성하여 국부적인 과전압을 유발하고, 결국 절연 성능을 저하시킬 수 있다. 특히 해저 케이블과 같은 지중 케이블에서는 이러한 현상이 더 두드러지게 나타날 수 있어, 절연 재료 선정과 설계 시 세심한 주의가 필요하다. 또한 변환소 내의 변환기와 같은 주요 장비는 매우 높은 직류 전압과 함께 교류 성분이 혼재된 전압을 견뎌내야 하므로 복합적인 절연 설계가 적용된다.

시스템 보호는 직류송전의 또 다른 중요한 과제이다. 직류는 자연스러운 영점 전류가 존재하지 않아 차단기를 통해 전류를 차단하기가 교류에 비해 훨씬 어렵다. 따라서 직류송전선로에서 고장 전류가 발생하면, 이를 신속하게 검출하고 차단하기 위해 특수한 직류 차단기 기술이 사용된다. 이 차단기들은 일반적으로 전류를 제로 전류로 만들기 위해 강제로 전류 제로점을 생성하는 방식을 채택한다. 또한, 변환기 자체의 제어 시스템을 이용해 고장 전류를 급격히 감소시키는 방식도 보조적으로 활용된다. 송전선로와 변환소의 각 부분에는 서지 차단기와 피뢰기가 설치되어 뇌서지나 개폐 서지로부터 장비를 보호한다.

직류송전의 가장 큰 장점은 장거리 대용량 송전 시 발생하는 손실이 교류송전에 비해 현저히 적다는 점이다. 교류의 경우 진동수에 따른 주파수 성분으로 인해 전선의 인덕턴스와 정전용량에 의한 무효전력 손실이 발생하며, 특히 해저 케이블에서는 이러한 정전용량의 영향이 매우 커진다. 직류는 이러한 무효전력 손실이 없어, 동일한 전압과 전선 조건에서 더 먼 거리로 더 많은 전력을 효율적으로 보낼 수 있다.

또한, 직류송전은 두 개의 전력계통을 비동기로 연계하는 데 유리하다. 교류 전력계통은 각각의 주파수와 위상이 고정되어 있어 직접 연결 시 동기화 문제가 발생할 수 있다. 직류송전은 전력 변환 과정을 통해 양쪽 계통을 전기적으로 분리시키므로, 서로 다른 주파수나 위상을 가진 계통 간에도 안정적으로 전력을 주고받을 수 있다. 이는 광역 전력망 구축이나 국가 간 전력 거래에 필수적인 기능이다.

송전선로의 절연 설계 측면에서도 장점을 가진다. 교류의 경우 주파수에 따른 피크 전압이 실효값보다 높아 절연을 더 두껍게 설계해야 하지만, 직류는 피크 전압과 실효값이 동일하여 상대적으로 얇은 절연으로도 동일한 전압을 견딜 수 있다. 이는 케이블의 제작 비용과 무게를 줄이는 데 기여하며, 특히 해저 케이블과 같은 고가의 시설에서 경제성을 높인다.

마지막으로, 직류송전은 전력계통의 안정성 제어에 유연성을 제공한다. 전력 변환소에서 전력의 흐름 방향과 양을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있어, 계통에 발생할 수 있는 과부하나 사고 시 전력 조류를 신속히 변경하여 계통 전체의 안정성을 유지하는 데 기여한다.

직류송전의 가장 큰 단점은 변환소에서 발생하는 높은 초기 투자 비용과 유지보수 비용이다. 교류는 변압기를 통해 비교적 간단하고 저렴하게 전압을 변환할 수 있지만, 직류송전을 위해서는 송전단에서 교류를 직류로 변환하는 정류장치와, 수전단에서 직류를 다시 교류로 변환하는 역변환장치가 필요하다. 이 변환소는 전력 전자 공학 기술을 기반으로 한 고가의 반도체 소자(예: IGBT, 사이리스터)를 다수 사용하며, 복잡한 제어 시스템과 냉각 설비가 필요하여 건설 비용이 크게 증가한다.

또한, 직류송전 시스템은 교류송전에 비해 고장 탐지 및 차단이 어렵다는 기술적 난제를 안고 있다. 교류는 주기적으로 전류의 방향이 바뀌어 자연스럽게 아크가 소멸되는 제로 크로싱(Zero Crossing) 현상이 있어 차단기로 전류를 차단하기 상대적으로 용이하다. 반면 직류는 전류가 한 방향으로 계속 흐르기 때문에 발생한 아크를 끄는 것이 매우 어려워, 고속으로 동작하는 복잡한 직류 차단기 기술이 필요하다. 이는 시스템의 신뢰성과 안전성을 확보하는 데 추가적인 비용과 기술 개발을 요구한다.

마지막으로, 직류송전은 전압 변환이 어려워 복잡한 배전망에 직접 적용하기에는 한계가 있다. 변전소를 통해 고압에서 중압 또는 저압으로 전압을 단계적으로 낮추어 수요처에 공급하는 기존의 교류 배전 시스템과는 달리, 직류는 변환소를 거쳐 교류로 변환된 후에야 기존의 배전망으로 공급될 수 있다. 따라서 송전 구간의 종단점 외에는 중간에서 전력을 탈선하여 공급하는 것이 기술적으로 복잡하고 비경제적이어서, 순수한 장거리 대용량 송전 또는 전력망 연계에 특화된 기술로 남아 있다.

해저 케이블은 직류송전의 가장 대표적인 응용 분야 중 하나이다. 특히 대륙 간 또는 섬과 육지를 연결하는 장거리 해저 송전로에서 직류 송전 방식이 필수적으로 채택된다. 이는 해저 케이블의 대지 정전용량이 매우 크기 때문인데, 교류를 사용할 경우 이 정전용량으로 인한 충전 전류가 커져 송전 효율이 급격히 떨어지고, 장거리 송전이 사실상 불가능해진다. 반면 직류는 정전용량의 영향을 받지 않아 장거리 해저 송전에 매우 적합하다.

해저 직류송전 시스템은 일반적으로 양쪽 해안에 변환소를 설치하고, 그 사이를 해저 케이블로 연결하는 구조를 가진다. 육상의 교류 계통에서 전력을 공급받아 변환소에서 직류로 변환한 후, 해저 케이블을 통해 송전하고, 반대편 변환소에서 다시 교류로 변환하여 현지 계통에 공급한다. 주요 구성 요소로는 변환소, 해저 케이블, 전극 등이 있다.

해저 케이블 직류송전은 북유럽 국가들 사이의 전력망 연계, 영국과 프랑스를 연결하는 IFA-2000 연계선, 그리고 스웨덴과 독일을 연결하는 발틱 케이블 등 유럽에서 활발히 구축되어 왔다. 최근에는 재생 에너지인 해상 풍력 발전 단지에서 생산된 전력을 육상으로 송전하는 데에도 핵심 기술로 활용되고 있다.

이러한 시스템의 설계와 운영에는 해저 지형 분석, 케이블 보호, 부식 방지, 그리고 해양 생태계 보존 등 다양한 공학적, 환경적 고려사항이 수반된다. 기술의 발전에 따라 케이블의 송전 용량과 신뢰성은 지속적으로 향상되고 있으며, 더 먼 거리와 더 깊은 수심의 해역으로 그 적용 범위가 확대되고 있는 추세이다.

직류송전은 수백 킬로미터 이상의 초장거리 대용량 송전에서 그 진가를 발휘한다. 교류송전의 경우 장거리로 갈수록 선로의 인덕턴스와 정전용량으로 인한 무효전력 손실이 커지고, 전압 안정성 문제가 발생한다. 반면 직류송전은 이러한 무효전력 문제가 없어 전력 손실이 상대적으로 적고, 안정적인 전압 유지가 가능하다. 이는 대륙을 가로지르는 광역 송전망이나, 발전소에서 먼 대도시로 전력을 공급할 때 결정적인 장점으로 작용한다.

초장거리 송전에 직류를 적용할 때는 양측 교류 계통을 변환소에서 직류로 변환하고, 수신 측에서 다시 교류로 역변환하는 과정이 필요하다. 과거에는 수은 정류기를 사용했으나, 현재는 손실이 적고 제어가 용이한 IGBT나 GTO 같은 반도체 소자를 이용한 전압 소스형 변환기 기술이 주류를 이룬다. 이 기술 발전으로 직류송전 시스템의 신뢰성과 경제성이 크게 향상되었다.

주요 사례로는 중국의 서부 내륙 지역에 위치한 대규모 수력 발전이나 태양광 발전 단지에서 동부 연안의 공업 지대까지 전력을 보내는 초고압 직류송전 사업이 대표적이다. 브라질의 아마존 유역 수력 발전소에서 수도권까지의 송전, 그리고 미국 및 캐나다의 광역 연계망에서도 직류송전이 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 프로젝트들은 지역 간 전력 수급 균형을 맞추고 재생 에너지의 원격지 수용을 가능하게 한다.

직류송전은 서로 다른 주파수나 위상을 가진 교류 전력계통을 연결하는 전력망 연계에 효과적으로 사용된다. 교류송전으로는 주파수나 위상이 다른 계통을 직접 연결할 수 없지만, 직류송전은 중간에 변환소를 두어 양측의 교류를 직류로 변환하고 다시 교류로 변환함으로써 이러한 문제를 해결한다. 이는 전력망의 안정성을 높이고, 지역 간 전력 수급 균형을 맞추며, 재생 에너지의 변동성을 상쇄하는 데 기여한다.

전력망 연계를 위한 직류송전 시스템은 주로 전압 소스형 HVDC 기술이 적용된다. 이 기술은 빠른 전력 제어가 가능하여, 한쪽 계통에 고장이 발생했을 때 다른 쪽으로의 고장 전파를 차단하거나, 급격한 부하 변동에 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 계통 간의 전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있어, 전력 시장 운영과 경제적인 전력 거래를 용이하게 한다.

이러한 연계는 국가 간 또는 대륙 간 규모로 구축되기도 한다. 유럽의 유럽 송전계통 운영자 네트워크나 동아시아 지역에서 논의되는 아시아 슈퍼 그리드 구상은 직류송전 기반의 초고압 연계망을 통해 광역적인 에너지 안보와 효율성을 도모하는 대표적인 사례이다.