일본산업뉴스요약

거대한 파워일렉트로닉스 시스템
미쓰비시전기의 주파수변환장치 검증 시설을 방문

미쓰비시전기(三菱電機)가 보유하고 있는 ‘HVDC(고전압직류) 검증동’의 내부는 티끌 하나 없는 실내에 벽처럼 가로막힌 전력변환장치가 두 줄로 나란히 마주보고 있었다. 이 곳에서는 교류전력을 일단 고전압의 직류전력으로 변환한 다음 다시 교류전력으로 되돌리는 기술을 개발해 현재 검증하고 있다. 건물에 들어선 순간 필자는 전력 인프라를 뒷받침하는 파워일렉트로닉스 장치의 거대함에 압도당했다.

고전압 직류전력을 주고받는 HVDC 기술은 전력의 안정적 공급과 재생에너지 보급 실현의 열쇠를 쥐고 있는 기술이다. 일본의 동부와 서부에서 서로 다른 주파수의 전력을 융통하는 주파수 변환소나 해저 케이블을 이용한 장거리 송전 등에서의 활용이 기대되고 있다. 필자는 올 초여름, 이곳 HVDC 검증동을 방문할 기회를 얻었다.

-- 밸브타워 1기당 32개의 서브모듈 --
필자가 방문한 곳은 미쓰비시전기의 계통변전시스템제작소(효고현). HVDC 검증동은 주파수 변환소를 모의한 시설로, 2018년에 가동을 개시했다. 정격 전력은 50MW, 정격 직류 전압은 ±21kV이다. 내부에 설치된 전력변환장치는 ‘모듈러멀티레벨 변환기(MMC)’라고 불리는 것이다. 애자(Insulator)를 조합한 높이 약 6m의 장치가 즐비하게 늘어선 모습이 장관을 이루고 있었다.

이 MMC는 전력을 교류에서 직류, 또는 직류에서 교류로 변환하는 장치로, 1개당 3기의 변환기(밸브타워)로 구성되어 있었다. 전력계통의 3상 교류를 처리하기 위해서는 1상당 1기의 밸브타워가 필요하기 때문이다. HVDC 검증동에서는 2개의 MMC를 몇 미터 간격을 두어 마주보게 설치하고 그 사이를 직류 송전을 통해 접속함으로써 교류·직류·교류 변환을 실현하고 있었다.

필자에게는 밸브타워 접근이 허용되었다. 밸브타워는 4단 선반처럼 되어 있고, 1칸당 8개, 1기(4단)에 총 32개의 서브모듈이 있었다. 1개의 서브모듈은 IGBT(절연게이트 양극성 트랜지스터)와 콘덴서 등으로 구성되어 있었다.

서브모듈 간은 굵은 부스바(Busbar) 등을 통해 접속되어 교류와 직류의 변환회로를 구성하고 있었다. “콘덴서에 충전하는 전류를 정밀하게 스위칭함으로써 (출력 전압을) 제어하고 있다. 서브모듈의 수는 고객이 요구하는 사양에 따라 바뀐다”(미쓰비시전기 관계자)라고 한다.

각각의 서브모듈에서는 PWM(펄스폭 변조)에 의한 제어가 이루어진다. 밸브타워에서 조금 떨어진 장소에 제어실이 있으며, 제어 명령은 제어실에 있는 제어반의 연산에 근거하고 있다. 명령은 제어반과 각 서브모듈을 연결하는 광섬유를 통해 전송된다. 또한, 각 서브모듈에는 IGBT의 발열을 제거하는 수냉 시스템이 갖추어져 있다.

정리하면, HVDC 검증동은 밸브타워 3기로 구성된 MMC가 2개 있으며, 교류·직류·교류의 변환 시스템으로 구성되어 있다. 밸브타워는 1기당 32개의 서브모듈을 탑재. 각 서브모듈은 광섬유로 제어반과 연결되어 있으며, 수냉 시스템이 내장되어 있다. 실제로 건설되는 것과는 차이는 있지만, 이것이 주파수 변환소의 대략적인 내용이다.

-- 타려식(他勵式)에서 자려식(自勵式)으로 --
HVDC 검증동은 주파수 변환소를 모의하고 있지만, 미쓰비시전기의 관계자에 따르면, 2개의 MMC를 연결하는 직류 송전 부분을 길게 함으로써 장거리 해저 직류 송전 시스템 등에도 응용할 수 있다고 한다. HVDC 검증동은 그러한 설비 갱신이나 증강을 검토하는 송전 사업자 등의 고객을 대상으로 제품을 어필하는 장소가 되고 있다.

실제로 미쓰비시전기는 전원개발송변전네트워크(도쿄)의 신사쿠마(新佐久間)주파수변환소(하마마쓰시)용으로 MMC를 이용한 주파수변환설비를 수주한 실적이 있다. 2028년의 운용 개시를 목표로 하고 있다고 한다.

단, HVDC 기술을 이용한 주파수변환소나 장거리 송전 시스템 자체는 새로운 것이 아니며, 이미 국내에도 몇몇 사례가 있다. 하지만, 지금까지는 제어 소자에 사이리스터(Thyristor) 등을 이용하는 타려식이 주류였다. 타려식 전력변환장치는 외부로부터의 교류전력 공급이 끊겼을 때, 자력으로 기동하는 것이 어렵다는 약점이 있다. 예를 들면, 대규모 정전 등으로부터의 복구가 지연될 우려가 있다.

한편, 자려식은 외부로부터의 교류전력 공급이 없는 경우에도 교류와 직류의 전력 변환을 실시할 수 있다. 재해에 대한 내성이라는 관점에서도 MMC를 포함한 자려식 전력변환장치가 기대를 모으고 있다. 이 외에도 자려식에는 전력이 흐르는 방향을 바꾸는 조류 반전 조작이 용이하다는 이점도 있다고 한다.

자려식이 가능하게 된 배경에는 “IGBT의 고내압화가 추진되어 왔다는 것이 큰 비중을 차지한다”(미쓰비시전기 관계자)라고 한다. 향후, 교체 또는 신설되는 장치는 IGBT와 같은 파워반도체를 사용한 자려식이 도입되어 나갈 것으로 전망되고 있다. 파워반도체의 혁신이 일본의 전력망을 조용히 바꾸려 하고 있다.

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