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신재생 에너지 확산 속 스마트 반도체 반도체 변압기술 관심집중

  • 등록 2017.07.13 14:47:46
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최근 신재생에너지원의 증가로 인해 기존 변압기의 기능적 한계가 나타나고 있다. 신재생에너지원의 전력 공급 시 발생하는 선로전압 상승 및 연계운전으로 인한 고조파 현상에 대응하기 위해 커패시터, 무효전략보상기(STATCOMs), 인버터 등의 무효전력보상장치와 에너지저장장치용 전력변환기를 추가해야 한다. 이에 따라 고품질 전력제어 기술의 필요성이 증가하고 있으며 기존의 수동소자를 대체하는 스마트 반도체 변압기에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.  


기존의 변압기는 60Hz의 단방향의 전압을 승압 또는 강압하는 용도로 99%의 고효율과 높은 신뢰성을 가진다. 하지만 최근 신재생에너지원의 증가로 인해 기존 변압기의 기능적 한계가 나타나고 있다. 신재생에너지원의 전력 공급 시 발생하는 선로전압 상승 및 연계운전으로 인한 고조파 현상에 대응하기에는 기존의 변압기만으로는 어려워 선로에 커패시터, 무효전략보상기(STATCOMs), 인버터 등의 무효전력보상장치들을 추가로 설치해야 한다. 


▲ 사진 1. 기존 변압기 vs Solid-State Transformer(SST)


또한 기존 변압기의 단방향 에너지 공급 방식은 신재생에너지원의 불연속성을 보완하기 위해 에너지저장장치용 전력변환기를 추기해야만 한다. 


이에 따라 고품질 전력제어 기술의 필요성이 증가하고 있으며 기존의 수동소자를 대체하는 스마트 반도체 변압기에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 2011년에는 지능형 변압기라는 명칭으로 MIT에서 전기를 효율적으로 활용할 수 있는 10대 유망기술에 선정되는 등 미래 신기술로 관심이 높다. 이 글에서는 전력용 반도체 변압기에 대한 기술 및 개발 동향에 대해 소개한다. 


전력용 반도체 변압기 기술 


전력용 반도체 변압기는 SST(Solid-State Transformer)로 불리며 Solid-State는 고체 상태를 나타내는 반도체 소자로, 이는 기존 변압기의 진공 상태 전자 이동 방식과 비교하기 위함이다. 따라서 SST는 반도체 소자로 구성된 변압기를 의미한다. 반도체 변압기는 양방향 전력, 전압, 주파수, PQ 제어가 가능하며 계통의 사고 감지 및 보호가 가능하다. 또한 고속 스위칭 동작을 통해 전력 밀도를 높일수 있으며 구조적으로 직류와 교류 출력을 동시에 출력할 수 있다는 장점이 있다. 


따라서 신재생 전력의 고압 연계 및 저장장치 에너지의 계통 연계, 무효전력보상장치 연계 등에서 고품질 전력 제어와 고압 직접 연계를 통한 시스템 효율 증대가 가능하다. 본 개발 기술의 응용 분야는 능동적인 제어가 가능한 변환기의 특성상 매우 다양한 분야에 활용이 가능하다. 


특히 직류 출력을 이용한 MVAC-MVDC의 DUSRP용 직류설비 관련 응용 분야는 포함한 직류 부하 급전설비, 전력품질보상 분야, 스마트그리드 및 신재생에너지 분야에 폭넓은 수요를 가진다. 고압 교류-저압 직류 변환에 최적화된 SST의 수요는 관련 시장에 비례해 폭발적인 성장이 예상된다. 


▲ 그림. 전력용 반도체 변압기 응용 분야


국내외 기술개발 현황 


SST 관련 요소 기술은 전력전자기술의 발달과 함께 성장하고 있다. 교류-교류 변환 매트릭스 컨버터를 시작으로 양방향 전력변환 기술에 대한 많은 연구가 이루어졌으며 2000년대 들어와 현재 사용되는 전력용 반도체 변압기의 기본 회로들이 완성됐다. 


선진국에서는 SST에 대한 연구가 매우 활발하게 일어나고 있으며 미국, 일본, 유럽 각국에서 기초연구와 개발연구가 진행되고 있고 요소 기술인 소자 개발도 추진되고 있다. 미국전력연구소(EPRI)는 신재생에너지원의 계통연계 등에 활용하기 위한 목적으로 2005년부터 지능형 반도체 변압기에 대한 연구를 수행하고 있다. 2010년 EPRI에서 충전설비에 활용할 수 있는 Intelligent Trans를 개발했으며 상세 스펙으로는 50kW 입력 2.4 또는 8kVac를 직류 400Vdc로 변환한다. 일본 도시바에서 5kV급 SiC 인버터를 개발했다. 2009년 NCSU에서 반도체 변압기 개발을 진행 중이며 향후 13.8kV급에 대응할 수 있는 대용량 모델을 고전압 SiC 소자 개발과 병행하여 추진 중에 있다. 독일 Aachen university에서는 고압 직류 변환 반도체를 개발했으며 75MW(5kV) 직류 반도체 변압기 시작품을 개발했다. 


스위스 ABB사에서는 2014년도에 입력 1.2MW 출력 15kV의 철도용 제품을 개발하여 실제 제품화해 시운전을 완료했다. 국내의 반도체 변압기의 기술 개발은 초기 단계에 있으며 학계에서 3.3kV, 10kW의 장치 기술 개발이 진행되고 이T으며 기본적인 회로 검증 수준에 머물고 있다. 국내 연구기관에서는 6.6kV 30kW의 시작품 개발 연구가 이루어졌으나 지능형 변압기로의 성능을 충분히 구현하지는 못했다. SST에 대한 연구를 수행하는 기관이나 기업은 전력연구원을 제외하면 없는 실정이나, 관련 기술인 교류-직류 정류기 기술 및 저압 직류-직류 변환 기술의 저변 인프라는 형성되어 있다. 


전력연구원은 저압 직류 배전에 적용하기 위해 13.2kV의 교류 입력 전압을 1.5kV 직류 출력 전압으로 변환하는 150kW급 반도체 변압기를 개발 중에 있으며 해당 기기는 양방향 전력 제어 및 전력품질 제어가 가능하고 96%의 효율 달성을 목표로 진행 중이다. 


현재 단일 모듈 시제품을 제작 완료했으며 2018년에 개발된 완제품을 고창 적압 직류 배전 실증 사이트에 적용하여 기기 성능 검증을 계획하고 있다. 


▲ 사진 2. 전력연구원 반도체 변압기 단일 모듈 시제품


결론


신재생에너지원의 증가에 따른 전력계통의 패러다임 변화에 대응하기 위해 양방향 전력 제어 및 전력품질 제어가 가능한 스마트 전력용 반도체 변압기 기술의 개발은 필수적이다. 다양한 적용 분야가 있으나 공간 제약이 있으며 고출력을 요구하는 전기항공기, 철도 차량, 군함 등의 각종 수송기기에 적용 가능성이 높다. 


또한 MVAC-LVDC 계통 연계 시 신재생에너지의 분산전원망 측 제어 또는 전기차 부하에 대한 제어 기능 요구에 대응할 수 있을 것으로 판단된다. 


조영표 일반연구원_전력연구원 스마트배전연구소



















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