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전원개발주식회사_산페이 마사토시(三甁雅俊)서론 직류송전은 1954년 전 세계에서 최초로 스웨덴 본토와 고트랜드 섬 사이에서 실계통 운전이 시작되었고, 일본에서는 사쿠마(佐久間) FC(Frequency Converter station : 주파수 변환소)가 1965년에 맨 처음으로 운전을 시작하였다. 이 설비는 교직 변환하는 부분에 수은정류기를 채용한 것이었다.일본 내에서 이 수은정류기를 개발하여 독자의 기술로 직류송전하자고 하는 의견이 대두되어 사쿠마에 실 필드 시험설비 설치 계획이 세워졌다. 그와 비슷한 시기에 고전압 대전력 분야에도 이용 가능한 2.5kV, 400A의 사이리스터가 개발되어 사쿠마 사이리스터 연구소에서 그 연구가 시작되었다. 거기에서 개발된 기술은 그 후 유절연유냉(油絶緣油冷) 사이리스터 밸브로 신(新) 시나노(信濃) 1호 FC에, 기중절연공냉(氣中絶緣空冷) 사이리스터 밸브는 기타모토(北本) 직류연계설비의 제1극에 적용시켰다. 같은 무렵, 다른 나라에서도 직류송전설비에 사이리스터 밸브가 이용되었다.그 후 파워일렉트로닉스는 눈부신 발전을 이루게 되어, 광(光) 트리거 사이리스터, GTO(Gate Turn Off) 사이리스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이 개발되었다. 광 트리거 사이리스터는 그 후 직류송전설비, 신 시가노 2호 FC, 기타모토 제2극, 미나미후쿠(南 ) 광(光) BTB(Back To Back:등 맞대기), 히가시 시미즈(東淸水) FC, 기이(紀伊)수도 직류연계설비(紀伊水道:기이수도)에 응용되었다. GTO는 자려변환기의 직류다단자 송전에 적용시키는 것을 목표로 연구 개발을 진행시켜 신 시가노에서의 실증시험까지 완료했다.국외, 유럽과 특히 아시아에서 직류송전과 자려변환기의 적용이 많이 시행되고 있다.이 장에서는 직류송전이 국내외에서 파워일렉트로닉스 기술로 어떻게 적용되는지 그 적용 현장과 일본에서의 계통안정화장치 적용 실태에 대해 이야기한다. 직류송전의 적용 현장1. 일본의 변천일본의 직류송전설비는 앞에서 말했듯 6곳에서 운영 중에 있다. 사쿠마 FC는 수증정류기로 운전을 처음 시작하였지만, 계속 고장이 나거나 공급되는 부품이 생산 정지되는 문제 등으로 인해 1993년 6월에 사이리스터 밸브로 갱신하였다.사쿠마 FC에서 변환기의 갱신을 결정했을 때, 수은정류기를 넣어두었던 건물을 이용하게 되어 사이리스터 밸브를 소형화하는 것이 큰 문제가 되었다. 따라서 수은 사이리스터 밸브를 개발하여 1암(arm) 분량만으로 사쿠마 FC에서 실증시험을 하였다. 같은 무렵, 싸이리스타 자체도 전기 트리거 방식으로 대체, 고전압 대전력 분야에서도 이용 가능한 광 트리거 방식이 개발되었고, 사쿠마 FC에서 실험중인 수냉(水冷) 사이리스터 밸브의 1모듈을 광 트리거 사이리스터로 대체하여 실증시험을 실시했다. 그 후 신 시나노에서 시작된 신설 직류송전설비에는 수냉 광 트리거 사이리스터 밸브가 적용되고 있다.2. 일본 직류송전설비의 현황 일본의 6개 직류송전설비 내 특징적 설비의 현상에 대해 설명한다.(1) 신 시나노(新信濃) FC신 시나노 1호 FC는 사이리스터와 아날로그 제어보호장치의 열화에 의해 운전이 안정하게 지속되지 못할 수도 있기 때문에, 최신 공기절연수냉(空氣絶緣水冷) 광 트리거 사이리스터 밸브로의 갱신이 예정되어 있으며 2009년 6월에는 교환공사가 완료된다.교환되는 주요 기기는 사이리스터 밸브, 변환용 변압기, 평활 리액터 등이고 필터설비는 돌려쓰고 용량은 바꾸지 않는다.기이수도가 운전을 시작한 후, 일본에서는 직류송전설비를 새로 설치하지 않아서 소자(素子)부터 계속 사이리스터 밸브를 생산하던 중전(重電) 제조업체 중에는 생산라인을 폐지한 곳도 있다. 이번에 갱신한 신 시나노 1호 FC에서 사용된 소자는 독일 Infineon 사의 소자를 사용한 것이다. (2) 기타모토(北本)기타모토의 제1극은 1979년에 150MW로 운전을 시작하여 다음해인 1980년에 300MW로 증설되었다. 당시의 제어계는 아날로그로 구성된 데다 부품의 공급이 정지되고 기술자가 고령화되어 고성능을 유지할 수 없었기 때문에, 제어계를 중심으로 교환하기로 결정하였으며 2008년 4월에 교환공사가 종료될 예정이다.양단의 제어장치는 4월부터 J-power 치가사키(茅ケ崎) 연구소로 들여와 시뮬레이터에 의한 연계시험을 실시한 후, 현지에서의 시험을 줄여 정지 기간이 단축될 수 있도록 노력하였다.(3) 히가시 시미즈 FC (東淸水)히가시 시미즈 FC는 사쿠마, 신 시가노에서 연결, 50/60Hz 연계점으로서 공사를 진행시켰지만, 60Hz 측 275kV 교류송전선의 연계가 늦어졌기 때문에 2006년에 154kV 송전선에 연계하여 운전을 시작했다. 그 때문에 60Hz 측은 변환용 변압기의 계통측에 154/275kV 변압기를 설치하여 대응하고 있다. 154kV 계통에서의 단락용량은 정격전압 300MW에서의 안정운전에는 충분하지 않아서 100MW에서 부분적으로 운전을 시작하게 되었다. 또 변환소를 계통으로 병입할 때에는 전압변동이 문제가 되므로 차단기는 투입저항을 부착하고 있다.3. 전력자유화와 직류송전시설일본에서도 전력자유화가 확대되어 2005년 4월 이후 6,000V로 수전하고, 50kW 이상의 수요가는 전기 사업자를 자유롭게 선택하여 전력을 구입할 수 있게 되었다.전력이 자유화되면 직류송전설비를 사이를 둔 전력의 거래도 할 수 있게 된다. 그러나 원래 직류송전설비는 긴급 시 백업으로서의 기능이 강하기 때문에 대전력에서의 연계를 고려하여 설계되므로 갖가지 불편함이 발생하였다.교직 변환된 전류는 직류분에 맥류가 올라탄 파형이 되어 직류운전전류가 저하되면 사이리스터 밸브가 맥류에 의해 운전전류의 흐름이 끊어진다. 이 전류단속은 사이리스터 소자의 고장 확률을 높이기 때문에 직류전류가 어느 일정 이하가 되지 않도록 최저운전전력 이상이 되도록 해야 한다. 기타모토의 경우는 정격전력의 10%를 최저운전 전력으로 하지만, 긴급신호에 의해 흐르고 있는 조류의 방향을 반전하는 경우도 있어 10%의 2배인 120MW가 순간적으로 변동하게 되기도 한다. 사고 처음에는 원조가 있어 그래도 괜찮지만, 회복하여 사전 조류에 돌아올 때에는 계통이 안전해지는데 큰 걸림돌이 된다. 따라서 기타모토에서는 1, 2극이 역방향으로 전력을 보내는 전력 역송전의 기능이 갖추어져 있다. 기타모토는 ±60MW를 전력융통에 사용하지 않지만, 융통전력설정이 0MW일 때만 이 전력 역송전 기능을 사용하여 AFC(Automatic Frequency Control) 운전을 하고 있다. 하지만 전력자유화 이후, 이 ±60MW에서도 전력융통으로 개방하고 싶다는 요구가 생겨, ±60MW에서 융통전력이 설정되어 있어도 바로 AFC 운전을 할 수 있도록 개조하기로 했으며, 앞서 말한 제어계의 갱신과 함께 시행될 예정이다.한편, 사쿠마 FC를 비롯한 FC는 원래 연계목적이 50Hz와 60Hz의 대전력 계통간 연계이기 때문에 설정폭을 얇게 해서는 안 되며 기본적으로 설정폭은 20MW이다. 하지만 전력자유화가 시행되자 설정을 유연하게 시행할 수 있도록 해달라는 요구가 나왔다. 이에 따라 주로 자유화 전원의 융통을 담당하는 신 시가노 FC의 전력 설정기를 1MW로 개조하게 되었다. 신 시가노 2호 FC는 2006년도에 이미 개조가 끝났으며 1호 FC는 교환 후 다시 실시될 예정이다. 그리고 히가시 시미즈 FC는 처음 설비할 때부터 이렇게 설계하였다.4. 자려식변환기On/Off 제어 디바이스의 발달과 함께 일본에서는 계통연계가 강화되는 시점에서부터 자려식 직류송전의 검토가 이루어져 SI(Static Induction) 사이리스터와 GTO가 그 후보로 결정되었다. 실증시험까지 이루어져 신 시가노 변전소에서는 53MVA의 자려식변환기 3대를 설치하였고, BTB 구성인 자려식 3단자 직류송전의 실증실험을 실시하였다. 주부(中部)전력의 275kV 계통에 한 대, 도쿄(東京)전력의 500/275kV 변압기의 3차 회로(66kV)에 2대가 설치되었다. GTO의 정격은 6,000V-6,000A로 9펄스 PWM방식 변환기로 구성되었다. 특히 스파이크 전압방지용 회로(스너버snubber)의 손실을 줄이는 방법을 검토하여, PWM로 증가하는 손실을 회생 회로를 이용하여 스너버 손실을 줄여 9펄스에서 5%까지 손실을 억제할 수 있었다. 하지만 그 이후 일본에서는 자려식 직류송전이 실계통에서 적용되는 일은 없었다. 5. 국외의 직류송전설비국외의 직류송전설비를 소개할 때, 흔히 설비 일람표를 첨부하지만 현재는 건설 중인 것을 포함하면 모두 100여 곳이 넘기 때문에 여기서는 생략한다. IEEE용으로 Teshmont 사가 모은 자료가 Http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Projects/HVDCProjectsListingDec2006.pdf에 게재되어 있기 때문에 이것을 참조하길 바란다. 여기에는 세계의 큰 흐름으로 수명이 짧은 수은정류기에서 사이리스터로 교환이 이루어지고 있는 것, 지금까지는 일본에서만 광 트리거 사이리스터를 이용한 변환기를 사용했지만, 최근에 SIEMENS가 신규 프로젝트에 적용시켰다는 것, 유럽과 아시아에서 직류송전을 적용시키는 사례가 많아지고 있고 특히 인도와 중국에서 그 증가가 월등하다는 것, 자려식변환기가 점차 적용되기 시작하는 것 등이 설명되어 있다. 아래에서 자세한 설명을 덧붙인다.(1) 유럽의 예유럽에서는 일본보다 전력자유화가 조금 늦긴 했지만, 국제간 연계설비의 건설이 적극적으로 이루어지고 있다. 자유화에 의한 연계선의 혼잡을 해소하기 위해 TEN-E(Trans-European Energy Network)라는 계획이 진행되고 있고, 각 국의 국제연계용량을 2005년 단계로 자국의 발전용량의 10%로 하는 것도 목표로 하고 있다. 따라서 우선 투자 프로젝트를 설정하고 있다. 이것은 ① 프랑스-벨기에-네덜란드-독일 연계, ② 이탈리아와 국경을 접한 나라간의 연계, ③ 프랑스-포르투갈-스페인 연계, ④ 그리스-발칸제국-UCTE 계통연계, ⑤ UK-대륙, UK-북미연계, ⑥ 아일랜트-UK연계, ⑦ 덴마크-독일-발틱 계통 연계의 7가지이다. (http://ec.europa.eu/ten/energy/studies/index_en.htm 참조) 이런 배경과 바다를 사이에 둔 연계가 많기 때문에 직류에 의한 연계가 활발히 진행되었고, 2000년 이후 유럽에서 운전을 시작한 직류송전설비는 Swepol Link, GRITA(Italy-Greece HVDC), Moyle Interconnector가 있으며 현재 건설 중인 것으로서 EESTLINK, NORNED가 있다.(2) 아시아의 예일본을 제외한 아시아에서는 필리핀의 Leyte-Lu-zon, 타이-말레이시아 간 연계, 오스트레일리아의 Basslink가 있으며, 그 외에 중국과 인도가 있다.중국에서는 싼샤(三峽:삼협)에서 대규모 수력발전의 개발이 진행되어 서전동송(西電東送)의 구호아래 동쪽 지역과 서쪽 지역에 전원(電源)을 보내고 있다. 코스트를 줄이기 위해 3,000MW, ±500kV의 쌍극송전설비로 규격화하고 있으며 앞으로는 ±800kV도 계획하고 있다. ABB의 설비방식은 전기 트리거 방식이고, SIEMENS는 광 트리거 방식이다. 앞에 소개한 사이트의 설비 일람에 의하면 2019년까지 20개 정도의 직류송전설비 건설계획이 있다고 한다. 이것을 배경으로 중국은 급속한 경제발전을 이룰 것이며 다음의 사이트에서 확인할 수 있다.(http://www.conference-power.com/2006/ppt/K-2.pdf 참조)인도의 전력계통은 비동기 연계가 많아서 직류송전의 적용이 활발하게 진행되고 있다. SIEMENS의 East-South HVDC InterconnectorⅡ의 소개 기사를 보아도 알 수 있지만, 다음의 사이트를 참고하기 바란다. (http://www.ptd.siemens.de/artikel0605.pdf)(3)HVDC Light자려식변환기는 유효전력은 물론 무효전력도 제어할 수 있으며 교류계통의 전압제어에도 이용할 수 있다. 또 자유롭게 ON/OFF할 수 있기 때문에 ON/OFF의 횟수를 늘려 그 타이밍을 조정하여 교직변환동작에 따라 발생하는 고주파를 억제할 수 있고, 고주파 필터를 작게 또는 생략할 수 있다. 자려식변환기에는 전류형과 전압형이 있는데, 전압형 쪽이 코스트적으로 더 유리하다. 전압형 변환기는 변환기의 암(arm)에 역병렬로 다이오드가 배치되고, 직류회로에 지락이 발생하면 교류계통에서 지락전류가 계속 흘러나오기 때문에 이 전류를 차단할 필요가 있다.ABB에서는 HVDC Light라는 이름으로 이 자려식변환기를 이용한 직류송전 시스템을 제공하고 있다. ABB에서는 변환기에 IGBT를 사용한다. 1999년에 50MW, 80±kV, 70km의 HVDC Light를 고트랜드 섬에 설치하여 풍력발전 전력수송에 적용시켜 왔다. 그 후 적용수를 늘려 2002년까지 미국 크로스 사운드 케이블 350MW와 오스트레일리아 머레이(Murray) 200MW를 포함한 6곳에 HVDC Light를 채용해 왔다. 2006년 12월에는 핀란드와 에스토니아 사이에 350MW, ±150kV, 케이블 길이 105km인 HVDC Light를 준공하고 있다. 이 연계설비는 발틱 계통과 노르딕 계통을 처음 연계하는 것으로, 에스토니아가 발틱 계통에서 분리되어 모두 정지해도 핀란드에서부터의 송전으로 계통회복을 목표로 하고 있기에 자려식변환기를 적용하고 있다. 최근에는 석유 굴삭기용 플랫 홈에 전력공급을 위한 2곳 외에는 계획이 발표되지 않았다.ABB가 제공하는 HVDC Light는 직류 케이블과 합쳐지므로 가공송전(架空送電)의 실적은 없다. 이것은 자복성절연(自復性絶緣)을 기본으로 하는 가공송전에서는 지락의 확률이 높아지기 때문이라고 생각된다.FACTS에의 적용현상(1) 플리커(flicker) 제어기능을 부착한 자려무효전력보상장치 호쿠리쿠(北陸) 전력에서는 후시키(伏木) 변전소 부근에 아크로를 가진 수요가가 접속되어 이 부하에 의한 일반 수요가 모선의 플리커가 후시키 변전소의 계통 변경에 따라 늘어난 것을 알게 되었다. 그 대책으로 20MVA(10MVA×2병렬)의 STATCOM(Static Synchronous Compensator:자려식 무효전력보상장치)를 설치하였는데, 이 장치는 FACTS(Flexible AC Transmission System)의 일종으로, 여기서 사용되고 있는 파워 디바이스는 3,300V-1,200A의 IGBT이다.변환기는 삼상(三相) 브릿지 6다종 접속으로 9펄스 캐리어 다중 PWM 변조방식을 채용하고 있다. 직류정격전압은 1,600V이다. 따라서 1대의 IGBT 변환기의 소자 직렬수는 1개이다. 6대의 IGBT 변환기는 스위칭 펄스 타이밍을 540Hz(60Hz×9펄스)의 1/6주기씩 옮겨 6다종을 구성하고 있고, 그것으로 교류계통 유출 고주파를 억제하여 교류 필터를 생략하고 있다. 이것으로 플리커의 약 70%가 절감되는 효과가 있었다. (2) 루프 밸런스 컨트롤러루프 밸런스 컨트롤러는 배전계통 간 융통전력과 각 배전계통의 무효전력을 제어하여 배전계통의 전압을 유지하는 장치이다. 이 장치는 2대의 2레벨 IGBT 변환기를 BTB 접속하여 소형화를 위한 6.6kV 계통으로 변압기를 이용하지 않고 접속한 구성이 된다. 그 때문에 직류회로는 정격전압 13.2kV로 되므로 IGBT의 직렬접속에는 새로운 기술이 채용되고 있다. 보통 IGBT를 직렬 접속한 경우 턴 오프의 타이밍이 다르기 때문에 먼저 턴 오프한 소자에 과전압이 인가되어 소자고장의 원인이 되었고, 이 경우 액티브 게이트제어를 채용하여 과전압의 발생을 억제하였다. 이것은 IGBT군이 OFF할 때, 각 IGBT의 콜렉트 클램프 전압을 정해두고 턴 오프 시 과전압이 클램프 전압을 넘기면 게이트에서 신호를 보내 콜렉트 전압을 억제하는 것으로, 이런 예에서는 8소자 직렬로 스너버 리스(snubberless)를 실현하고 있다. 앞으로 전력계통 고전압 부분에서의 적용이 기대된다.(3) 77kV 변전소 전압안정대책칸사이( 西) 전력에서는 칸자키(神崎）변전소의 계통변경에 따라 중조류(重潮流) 시 2회선 수전 내, 1호선이 개방되면 변전소의 77kV 모선전압이 불안정하게 되는 것을 발견하여 이 대책으로 STATCOM을 설치하였다.(http://www.kepco.co.jp/rd/news/pdf/rd426.pdf 참조) 여기서 사용된 소자는 6kV-6kA의 GCT(Gate Commutated Thyristor)로, 80MVA이 변환기는 3레벨 변환방식으로 소형화를 꾀하고 있다. GCT 사이리스터는 주전류를 게이트 전류측으로 한 순간에 전류시켜 소자내부의 전하를 강제적으로 게이트 전류로 담아 소자를 균일하게 회복시키는 특징이 있다. 이 GCT 소자의 특성을 살리면 스너버 회로가 필요 없게 되며 소실 또한 줄일 수 있다.이 STATCOM은 2004년 6월부터 칸자키 변전소에서 실운용 되고 있다.마무리이상으로 전력계통에서의 파워 일렉트로닉스 적용 현상을 소개하였다.직류송전에서는 사이리스터의 기납품(旣納品)과 수입품의 상환성 체크와 기설(旣設)의 사이리스터 밸브의 열화상태를 판단할 수 있는 진단기술의 개발도 필요하다. FACTS 기기는 계통의 증강이 어렵기 때문에 문제가 생겼을 때 어떤 대책을 적용시킬 것인지에 대한 기대가 크다.토막상식<리보금리(LIBOR, London Inter-bank Offered Ratio) >런던의 금융시장에 있는 은행 중에서도 신뢰도가 높은 일류 은행들이 자기들끼리의 단기적인 자금 거래에 적용하는 대표적인 단기금리. 리보금리는 세계 각국의 국제간 금융거래에 기준 금리로 활용되고 있으며 세계 금융시장의 상태를 판단할 수 있지만, 장기금리까지 파악하기에는 다소 무리이다. 보통 리보금리는 3개월 짜리를 기준으로 한다.
<Energy News>
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