◆ IT기반 대용량 전력수송 제어시스템 개발
전력수요의 지속적인 증대에 따라 원거리 발전단지로부터 부하(전기적 ㆍ기계적 에너지를 발생하는 장치의 출력에너지를 소비하는 것) 밀집지역까지 대용량의 전력을 안정적으로 수송은 매우 중요한 과제다. 이를 위해선 송변전설비의 지속적인 확충이 필요하지만 사회 환경적 요인으로 설비의 신증설은 날로 어려워지고 있다는데 문제에 부닥친다. 따라서 이를 극복할 수 있는 새로운 기술적 대안들이 개발돼 왔는데 이들 중 가장 유력한 기술적 대안이 대용량 반도체 기술을 활용한 유연송전시스템(FACTS : Flexible AC Transmission System)기술이다. 유연송전시스템 기술은 반도체 소자를 이용해 전기 흐름을 능동적으로 제어하는 것을 주안점으로 시작한다. 이는 대용량의 전력수송과 계통의 안전성 향상을 동시에 가능케 하는 신개념의 전력전송 기술이다. 이러한 유연송전기술의 대표적인 설비가 전력 IT사업에서 개발하려고 하는 무효전력보상기(STATCOM: STATic synchronous COMpensator)와 이를 응용한 백투백(BTB) 무효전력보상기 설비다. 백투백이란 어떤 한 프로그램에 대한 두 개 또는 그 이상의 변형(variant)에 동일 입력 값을 가한다. 무효전력보상기는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 초고압 인버터를 이용해 계통 전압을 보상하고 계통의 안정성을 향상시키는 설비다. 또 무효전력보상기 파생기술인 BTB 무효전력보상기는 전기적으로 연결돼 있는 2대의 무효전력보상기를 통해, 계통안정화와 계통 연계를 담당할 수 있는 설비다. IT기반 대용량 전력수송 제어시스템 개발 과제를 통해 국내 전력계통의 안정화 및 전력공급 신뢰성 향상은 물론 그동안 선진국이 독점해온 유연송전시스템 기술의 국산화 자립을 통해 막대한 외화 절감과 국내 기술경쟁력 향상을 통한 해외 시장 개척 등의 기술적 경제적 효과가 기대된다고 한국전력연구원은 전망했다.
이 프로젝트는 크게 345kV 100MVA 무효전력보상기 개발 및 20MVA BTB 무효전력보상기 개발을 최종 목표로 한다.
100MVA 무효전력보상기는 IT기반의 무효전력보상기로 개발돼, 무효전력보상기 내의 부속설비간 및 외부 상위시스템과의 통신 표준화를 통해 설비운영의 신뢰성뿐 아니라, 타 송변전설비와의 협조제어로 계통운용의 고도화를 이룰 수 있다. 타 국가전략과제 '대용량 전력수송 기술개발'에서 개발되는 10MVA 무효전력보상기 기반 기술을 활용해 개발되는 100MVA 무효전력보상기는 2008년도에 수도권 한전 345kV 계통에 실증 적용된다. 이를 통해 신뢰성 검증 후 상업운전을 하게 되는 것이다. 또한 1년여의 신뢰성 검증운전 기간 동안인 2009년도에 IT기반의 무효전력보상기 상위 협조제어기를 개발할 방침이다. 이어 무효전력보상기 최적운전을 통해 2010년까지 설비의 종합성능시험 및 경제성 평가를 수행한다.
20MVA 무효전력보상기는 10MVA 무효전력보상기 2대로 구성된다. 2009년도에 제작돼 2010년에 한전 고창 전력품질실증시험장에 설치, 다양한 실증시험을 통해 BTB 무효전력보상기 전압 안정화 및 전력전송 기능 등의 계통연계기술을 확보할 계획이다.
최근 전력전자기술의 발달로, 이들 인버터를 이용한 신전력 송전 시스템(FACTS) 설비는 우수한 특성으로 인해, 그 적용이 확대될 것으로 예상된다. 신전력 송전 시스템은 송전 선로의 설비 이용률을 극대화하고 송전 용량을 증대시키며 전압 변동을 최소화하는 새로운 개념의 전력 송전 시스템이다. 대용량 전력수송 시스템 분야는 향후, 취약계통의 보상 목적에 적합한 FACTS 설비 개발, 다양한 FACTS 설비 간의 협조제어 기술, 실계통 적용 규모의 BTB 무효전력보상기 개발 등 향후 해결해야 할 과제도 산재해 있다.
IT기반 대용량 전력수송 제어시스템은 크게 345kV 100MVA 무효전력보상기 개발 및 20MVA BTB 무효전력보상기 개발을 최종 목표로 한다.
이 프로젝트가 완료되면 먼저 기술적 측면에서 대용량 전력수송 기술의 국산화를 통해 계통안정화, 전력품질 향상 등을 꾀할 수 있다. 전력계통, 전력변환기술, 반도체 응용, 기계, 자동제어, IT기술 등 복합된 종합 시스템 기술개발로 관련 분야의 상당한 파급효과를 기대할 수 있다. 또한 한전으로서는 무효전력보상기 등의 순시 동작 가능한 무효전력원을 확보해 수도권 장기계통 안정화 및 대규모 정전을 예방할 수 있다.
경제적 측면의 기대효과로서는 무효전력보상기의 수도권 취약개소에 적용 시, 계통의 안정적 운영을 위해 운전하던 기존 수도권 고가의 발전기를 비수도권의 저가의 발전기가 대체함으로써 이에 따른 혼잡비용의 저감을 기대할 수 있다. 즉, 비수도권의 잉여전력을 부하밀집지역인 수도권에 공급할 때, 수도권 계통의 안정적 운영을 위해 수도권ㆍ비수도권 간의 융통할 수 전력에 제한이 있게 되는 것이다. 수도권 취약개소에 FACTS 설비 설치 시, 계통 안정도가 증진되어, 더 많은 양의 융통전력이 수도권으로 유입되어, 고가의 수도권 발전비를 저감할 수 있게 된다.
또한 대용량 무효전력보상기 기술 개발과 BTB 무효전력보상기 계통연계기술 개발로 남북 및 동북아 계통연계에 적극적인 대비로 향후 국가간 계통연계에 있어 대외 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
이 프로젝트의 총괄 책임자인 추진부 전력연구원 전력계통연구소장은 "최신 대용량 전력전자기술이 전력계통에 접목되는 인버터형 FACTS 기기인 무효전력보상기를 국산화해 해외 경쟁력 확보는 물론, 한전 실계통 적용으로 계통안정도 증진 및 수도권과 비수도권 간의 혼잡비용 저감"이 이번 프로젝트의 중점 포인트라고 말했다.
추소장은 "소자개발을 제외한 100% FACTS 기술 국산화 개발 과제로, 대용량 FACTS 개발 그 시도 자체가 의미 있는 첫걸음으로, 많은 관심과 격려가 필요한 분야"라며 "FACTS 설비의 국내개발로 과제비 예산 320억원 투자해 해외 시장 개척 및 수도권ㆍ비수도권 간의 혼잡비용으로 1421억원의 사회적 이익을 기대할 수 있다"고 덧붙였다.
◆ 분산발전 및 산업용 인버터 응용을 위한 전력반도체 기술개발
전력용 반도체 산업은 21세기 디지털사회의 에너지 요구를 충족시키기 위한 전력IT 사업의 근간을 이루는 매우 중요한 기술이다. 하지만 전력용 반도체의 중요성에도 불구하고 아직까지는 국내의 관련 기술 연구 및 관련 산업이 전무한 실정이어서 대부분의 수요를 해외로부터의 수입에 의존하고 있다.
전력용 반도체 기술개발 사업은 '분산 발전 및 산업용 인버터 응용을 위한 전력반도체 기술 개발'을 주제로 향후 5년간 400억의 예산(정부 : 200억원, 민간 : 200억원)을 투입, 전력IT 사업 성공의 핵심 기술인 전력용 반도체의 칩, 패키지, 평가의 전 분야에 걸쳐서 높은 신뢰도를 갖춘 전력반도체의 설계 및 제조 기술 확보하기 위한 국가 차원에서의 체계적인 기술 개발을 지원하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 세계적 수준의 전력용 반도체를 개발한다는 것이다. 또한 수입대체 효과 및 국내 수요 업체의 공급 효과를 극대화하고, 궁극적으로는 33억 달러 수준에 달하는 세계 시장을 선도할 전문 업체를 육성해 메모리 반도체처럼 장차 우리나라를 대표하는 대표 기간산업으로 육성할 계획이다.
이 프로젝트는 1단계 3년, 2단계 2년으로 총 5년으로 계획돼 있다. 세부 1과제 주관기업인 페어차일드반도체에서 매년 개발 확보한 전력용 반도체 중의 하나인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 기술을 활용해 세부 2과제 주관기업인 LS산전에서는 전력 IGBT 모듈 기술을 개발하는 시스템으로 관련 전 기술을 조기에 확보한다는 방침이다. 이를 통해 우리나라 인버터 산업기술 발전에 기여할 수 있도록 추진할 계획이다.
분산발전 및 산업용 인버터 응용을 위한 전력반도체 기술은 태양광 등의 신전력원이 발생하는 에너지를 전력원으로 변환하는 장치와 가정 또는 산업현장에서 사용되는 산업용 인버터에 적용하기 위한 IGBT 기반의 전력용 반도체를 설계, 제조하기 위한 기술개발사업이다. 이 프로젝트가 완료되면 여러 가지 기대효과가 나타나는데 크게 기술적ㆍ경제적ㆍ정책적 측면으로 구분할 수 있다.
우선 기술적인 측면을 보면 전력용 반도체 기술개발 사업을 성공적으로 수행할 경우 기술적으로 고전압 절연게이트형양극성트랜지스터(IGBT)의 칩, 패키징, 평가 등 전분야에 걸쳐 높은 신뢰도를 갖춘 설계 및 제조 기술을 확보함으로써 선진국과의 기술 격차를 2년 이내로 좁힐 수 있을 것으로 기대된다. 특히 전력 모듈 기술 확보를 통하여 국내 산업용 인버터 시장의 시스템 발전과 더불어 생산 원가 절감을 통한 국내 인버터 제품의 경쟁력 강화가 있을 것으로 관련업계는 보고 있다.
경제적 측면으로는 현재 전 세계 전력 반도체 모듈 시장은 2조7000억원정도로 추산되며, 이중 국내시장은 350억원 수준에 불과하나, 2015년에는 세계시장은 4조5000억원, 국내시장은 1100억원 수준으로 성장이 예상된다. 이 시장의 수입 대체 및 수출도 가능하다. 전체 발전 에너지의 60~70% 정도의 에너지가 전동기로 소모되며, IGBT 소자를 적용한 인버터형 전동기는 부하조건에 따라 다르지만 일반적으로 20~40%의 에너지 절감 효과가 있다. 따라서 산업용 기기의 인버터 효율 제고 및 가전용 기기의 인버터화가 이루어질 경우, 우리나라 전체 발전 에너지의 10% 이상을 절감할 수가 있다는 계산이 나온다. 차세대 자동차인 연료전지 자동차 및 전기 자동차의 핵심 기술인 인버터 및 IGBT 모듈 기술의 기반 기술을 이 프로젝트로 확보도 점쳐진다.
마지막으로 정책적 측면에서 보면 전력용 반도체 모듈의 주요 수요처인 전력전자 산업의 육성을 통해 전력전자 산업의 내실화와 경쟁력 강화가 가능하다. 또한 과제 수행을 통해 전력용 반도체 관련 전문 인력 양성과 경쟁력 있는 설계 및 제조 기술의 확보를 통해 전력용 반도체 모듈의 국가 경쟁력 향상을 기대할 수 있어서 반도체 분야에서의 우리나라의 위상을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.
이 프로젝트 총괄책임자인 조중휘 한국반도체연구조합 차세대 성장동력 반도체사업단장은 "이 프로젝트는 전력용 반도체 산업을 메모리 반도체 산업과 같이 세계 시장을 선도하는 국가 대표 산업으로 육성하는 것을 중점으로 한다"면서 "현재까지는 산업용 IGBT의 수요처인 인버터 업체와 반도체 업체 간의 정보 교류 및 사업화 추진이 전무한 상태에서 국내 최고의 인버터 업체인 LS 산전과 국내 최고의 전력 반도체 업체인 페어차일드 코리아가 공통의 로드맵을 갖고 과제를 추진한다는 점은 매우 고무적인 상황"이라고 설명했다.
조단장은 "전력용 반도체는 중전 기기뿐 아니라 가전, 휴대폰 등에서도 중요한 핵심 부품으로 자리 잡고 있으며, 기술 장벽이 높기 때문에 산ㆍ학ㆍ연 공조를 통한 기술 개발 및 인력 양성이 시급하다"고 지적했다. 이에 따라 조단장은 "IGBT 등의 전력 반도체의 성능은 설계 능력과 더불어 공정 능력에 의해 결정되며 이와 같은 공정 능력은 주요 설비의 특성에 의해 좌우되기 때문에 이를 위한 적절한 연구 개발 설비 도입이 필수적"이라고 덧붙였다.
