저압직류배전 기술의 동향

최근, IT기술의 급속한 발전에 따라 디지털 기기가 일반화 되었고, IDC(Internet Data Center)와 같은 직류(DC) 전원을 필요로 하는 시설이 증가하는 추세이다. EPRI(Electric Power Research Institute) 보고서에 의하면 2020년 직류부하는 전체 부하의 약 50% 이상을 점유할 것으로 예상하고 있으며, 에너지 효율 향상 측면에서 직류(DC)의 중요성은 더욱 커지고 있다. 

특히, 정부의 신재생에너지 확대 정책에 따라 태양광 등의 분산전원이 급격히 증가하여 배전계통 연계가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 분산전원은 직류(DC)로 전력을 생산하고 있으므로, 기존 교류(AC)기반인 배전계통에 연계되기 위해서는 별도의 전력변환단계(DC/AC)를 거치며, 이때 전력변환 손실이 발생하게 된다. 

한편, 배전망이 직류(DC)기반일 경우, 직류로 생산된 전력을 교류로 변환하지 않아 분산전원의 효율적인 연계가 가능하고, 직류전원을 직접 공급함으로써 에너지효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 직류는 주파수가 없어 통신선의 유도장애가 발생하지 않고, 기자재의 절연레벨을 낮추며, 분산 전원의 연계용량을 확대시킬 수 있다. 

이러한 직류전원에 대한 장점이 부각되면서 직류기술의 관심은 전 세계적으로 증가하는 추세이며, 기술개발 초기 단계에 머무르고 있어, 미래의 주력 개발 분야로 주목 받고 있다.  
 

LVDC 배전도 구성 시스템. 사진=researchgate.net

                     
저압직류송전(LVDC) 방식의 문제점 분석
첫째, AC배전계통을 LVDC 배전계통으로 적용하기 위해서는 급전시스템의 장거리 지점에서 사고가 발생하는 경우, 사고전류의 크기가 크게 감소하고, 부하전류와 비슷하거나 더 작아질 수 있기 때문에 이에 대한 적절한 보호협조 운용 방안이 필요하다.

둘째, 수용가 및 EV 등의 공급을 위한 일반적인 LVDC 배전계통의 경우, DC전원의 공급을 위한 컨버터나 DC차단기의 보호동작이 기존의 AC배전망의 보호기기 보다 훨씬 빠르기 때문에, 보호기기간의 보호협조 운용을 어렵게 하는 문제점을 가지고 있다. 

즉, 컨버터 내부의 보호용 퓨즈나 전력반도체 스위치의 블로킹 기능이 동작하기 전에 사고전류를 차단시키기 위해서는 DC 차단기의 높은 동작속도가 요구되기 때문에, 기존의 방식은 차단기간의 보호협조 운용을 어렵게 할 수 있다.

저압직류송전(LVDC) 방식의 문제점 해결방안
상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 사고지점 및 단‧지락저항별 사고특성을 바탕으로 장거리 사고와 단‧지락저항 사고에 대해서도 적절히 판별할 수 있는 보호기기 운용알고리즘과  LVDC 배전계통에서 메인컨버터와 보호기기간의 협조동작을 신속하고 정확하게 수행하기 위하여, 선로사고 시 정전구간의 범위를 최소화하기 위한 방안으로, 사고전류의 경사각 특성을 이용한 LVDC 배전계통의 사고구간분리 보호협조 운용방안을 적용하면 효과적으로 AC배전계통에 LVDC배전계통을 적용할 것으로 내다본다.