KERI, 장거리 전력 전송 효율화 컨버터 기술 개발

한국전기연구원(KERI) 전력변환시스템연구센터가 신재생에너지의 안정적인 보급과 장거리 전력 전송을 용이하게 하는 핵심 컨버터(Converter) 전력기기 기술을 개발했다.

AI 및 탄소중립 시대를 맞아 대용량 전력을 장거리로 효율적으로 보내는 초고압직류송전(HVDC) 시스템이 크게 주목받고 있다. 특히 HVDC 시스템은 태양광과 풍력 등 산지 및 해안가에서 생성한 신재생에너지를 도심까지 효율적으로 이동시키는 기술로 손꼽힌다. 그리고 이 과정에서 교류(AC)와 직류(DC) 전력 변환을 수행하는 중요 장치가 ‘컨버터 스테이션’이다.

하지만, 신재생에너지는 날씨 편차에 따라 에너지 공급량 변동성이 심하다 보니 전력 계통에 불안정성을 가져온다는 어려움이 있다. 따라서 전력기기 업계에서는 유효 전력을 흡수·공급하는 ‘에너지저장장치(ESS)’, 무효 전력을 흡수·공급하는 ‘스태콤(무효전력보상장치, STATCOM)’을 각각 설치하여 계통 전압을 일정하게 유지하고, 전력 시스템의 안정성을 높이고 있다.

KERI의 성과는 이에 더 나아가 기존 개별로 나눠졌던 ESS와 STATCOM을 하나의 장치로 통합하는 일명 ‘에너지저장형 모듈러 멀티레벨 컨버터(이하 EMMC, ESS Modular Multilevel Converter)’ 기술을 국내 최초로 개발한 것이다.

EMMC는 ESS가 포함된 킬로볼트(kV)급 서브 모듈을 겹겹이 쌓아 만든 컨버터로, 초고압 직류 전압을 생성하여 신재생에너지를 효과적으로 멀리 보낼 수 있게 한다.

먼저, KERI는 총 42개(1상 14개씩 총 3상으로 구성)의 모듈을 동일하고, 안정적으로 구동시키기 위해 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체를 활용한 ‘KERI 고성능 제어 플랫폼(Control & Protection)’을 설계하여 등시성을 확보했다.

또한 고정형이 아닌, 이동형 변전소에 적용하는 것을 목표로 추진했기 때문에 어떠한 장소에서도 EMCC가 동작될 수 있도록 유연성 있는 시스템 설계 기술도 확보했다. 뿐만 아니라 에너지저장은 단순 ESS 기능을 넘어, 빠른 충·방전과 높은 반응 속도(속응성)를 가진 ‘슈퍼 커패시터’ 역할을 수행할 수 있도록 설계했다.

이후 KERI는 단위 모듈 시험, HILs(Hardware In the Loop Simulator) 기반의 제어기 시험, 밸브(단상) 시험, 고압/저압 시스템 시험 등 다양한 검증을 거쳐 개발 기술의 가능성을 확인했고, 최근에는 한전 전력연구원 고창전력시험센터에서 실증까지 성공적으로 마쳤다. 연구진은 전력기기 분야 기업체 기술이전 추진을 통해 제품의 상용화에 나선다는 계획이다.

KERI 이종필 전력변환시스템연구센터장은 “신재생에너지를 활용한 고압 배전 전력계통에서 안정성과 유연성을 확보하고, 범국가적 탄소중립 정책에 크게 기여할 것”이라고 전하면서 “미래 전력망에서 중요한 역할을 할 HVDC/MVDC 시스템은 물론, e-모빌리티(철도, 선박, 항공), AI용 데이터 센터 등 다양한 분야에서 고압 대용량 전력변환장치의 제어·구동 장치로서 활용될 것”이라며 성과의 파급력과 의의를 밝혔다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 소속의 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 산업부의 ‘신재생에너지 핵심 기술 개발 사업’ 및 ‘재생에너지 전력계통 연계대용량 고압 모듈형 ESS 기술 개발 사업’으로 추진됐다.