일본산업뉴스요약

거대 파워 일렉트로닉스 시스템
주파수 변환 장치의 검증 시설에 잠입

티끌 하나 없는 실내에 벽처럼 가로막힌 전력변환장치가 두 줄로 나란히 마주보고 있었다. 미쓰비시전기가 보유하고 있는 ‘HVDC(고전압직류) 검증동’의 내부다. 여기에서는 교류전력을 일단 고전압의 직류전력으로 변환하고 나서, 다시 교류전력으로 되돌리는 기술을 개발, 검증하고 있다. 건물에 들어서는 순간, 전력 인프라를 지탱하는 파워 일렉트로닉스 장치의 거대함에 압도당했다.

고전압 직류전력을 주고받는 HVDC 기술은 전력의 안정적 공급과 재생에너지 보급을 위해 열쇠를 쥐고 있는 기술이다. 일본의 동서에서 서로 다른 주파수의 전력을 융통하는 주파수변환소나, 해저 케이블에 의한 장거리 송전 등에서의 활용을 기대한다. 기자는 2025년 초여름, 이 HVDC 검증동을 방문할 기회를 얻었다.

-- 밸브 타워 1기당 32개의 서브 모듈 --
방문한 것은 미쓰비시전기의 계통변전시스템제작소(효고현). HVDC 검증동은 주파수변환소를 시뮬레이션한 시설로 2018년에 가동을 개시했다. 정격전력은 50MW, 정격직류전압은 ±21kV이다. 내부에 설치된 전력변환장치는 ‘모듈형 멀티레벨 변환기(MMC)’로 불리는 것이다. 애자(insulator)를 조합한 높이 약 6m의 장치가 즐비하게 늘어선 모습은 장관을 이룬다.

이 MMC는 전력을 교류에서 직류 또는 직류에서 교류로 변환하는 장치로, 1개당 3기의 변환기(밸브타워)로 구성된다. 전력계통의 3상 교류를 다루기 위해 1상당 1기의 밸브타워를 필요로 하기 때문이다. 이 검증동에서는, 2개의 MMC를 수 미터 떨어진 장소에서 마주보도록 설치해, 그 사이를 직류 송전에 의해 접속함으로써, 교류・직류・교류의 변환을 실현했었다.

기자는 밸브타워에 접근하는 것이 허용되었다. 밸브타워를 보면 4단 선반처럼 돼 있고, 1단당 8개, 1기(4단)로 32개의 서브 모듈이 놓여 있었다. 1개의 서브 모듈은 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 콘덴서 등으로 구성된다.

서브 모듈끼리는 굵은 버스바(Bus Bar) 등을 통해 접속되어, 교류와 직류의 변환 회로를 구성하고 있었다. “콘덴서에 충전하는 전류를 세세하게 스위칭함으로써 (출력 전압을) 제어하고 있다”(미쓰비시전기의 담당자). 서브 모듈의 수는 고객이 요구하는 사양에 의해서 바뀐다고 한다.

각각의 서브 모듈에서는 PWM(펄스 폭 변조)에 의한 제어가 이루어진다. 밸브 타워에서 떨어진 장소에 제어실이 있으며, 제어 지령은 거기에 놓인 제어반의 연산에 근거하고 있다. 지령은 제어반과 각 서브 모듈을 연결하는 광섬유를 통해 전송된다. 또한 각 서브 모듈에는 IGBT의 발열을 제거하는 수냉시스템이 갖추어져 있다.

정리하면, 우선 밸브 타워 3기로 구성된 MMC가 2개 있어, 교류・직류・교류의 변환 시스템을 구성하고 있다. 밸브 타워는 1기당 32개의 서브 모듈을 탑재했고, 각 서브 모듈은 광섬유로 제어반과 연결돼 수냉시스템이 내장돼 있다. 실제 건설되는 것과는 차이는 있지만, 이것이 주파수변환소의 대략적인 내용인 셈이다.

-- 타려식에서 자려식으로 --
HVDC 검증동은 주파수 변환소를 시뮬레이션하고 있지만, 미쓰비시전기의 담당자에 따르면, 2개의 MMC를 잇는 직류 송전 부분을 길게 함으로써, 장거리의 해저 직류 송전 시스템 등에도 응용할 수 있다고 한다. 이 검증동은, 그러한 설비의 갱신이나 증강을 검토하는 송전 사업자 등의 고객에게 미쓰비시전기의 제품을 어필하는 장소가 되고 있다.

실제, 미쓰비시전기는 전원개발송변전네트워크(도쿄)의 신사쿠마주파수변환소(하마마쓰시) 전용으로, MMC를 이용한 주파수 변환 설비를 수주한 실적이 있다. 2028년의 운용 개시를 목표하고 있다고 한다.

그렇다고 해도, HVDC 기술을 이용한 주파수변환소나 장거리 송전 시스템 자체는 새로운 것이 아니고, 국내에서도 몇 개의 사례가 있다. 단지, 지금까지는 제어 소자에 사이리스터 등을 이용하는 타려식이 주류였다. 타려식 전력변환장치에는 외부에서 오는 교류전력 공급이 끊겼을 때 자력으로 기동하기 어렵다는 약점이 있다. 예를 들면 대규모 정전 등에서 복구되는 것이 길어질 우려가 있다.

한편, 자려식이라면 외부에서 오는 교류전력 공급이 없는 경우에도 교류와 직류의 전력변환을 실시할 수 있다. 재해에 대한 내성이라는 관점에서도, MMC를 포함한 자려식의 전력 변환 장치가 기대되고 있는 것이다. 그 외, 자려식에는 전력이 흐르는 방향을 바꾸는 조류 반전의 조작이 쉬워진다는 이점도 있다고 한다.

“자려식이 가능하게 된 배경에는 ‘IGBT의 고내압화’의 영향이 크다”(미쓰비시전기 담당자). 향후 리플레이스 혹은 신설되는 장치에는 IGBT와 같은 파워반도체를 사용한 자려식이 도입될 것이다. 파워반도체의 혁신이 일본의 전력망을 조용히 바꾸려 하고 있다.

 -- 끝 –

Copyright © 2025 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.