직류부하와 분산전원의 확대, 전력계통의 DC화 등 DC 전원 체계에 대한 수요가 확대되는 가운데, 전기산업계 산학연이 LVDC(저압직류) 핵심기기 등 관련 기술 개발에 속도를 내고 있다.
업계에 따르면, 국내 DC 배전시장은 2015년 6500억원에서 올해 1조 7000억원, 2025년 3조 3600억원 규모로 증가할 전망이다.
특히 글로벌 시장에서 LVDC는 오는 2027년 297억 달러 규모로 급성장해 HVDC(316억 달러)에 버금갈 것으로 예상되고 있다.
이와 관련, 전자부품연구원(KETI)은 24~25일 부산 해운대 씨클라우드호텔에서 ‘지능형 LVDC 핵심기술개발사업 2차년도 기술교류회’를 열어 1차년도 사업 성과를 등을 공유했다.
산업통상자원부(에너지기술평가원)의 지원을 받은 이번 기술교류회는 전기산업기술연구조합, 인텍전기전자, 에코스 등 국책과제에 참여하는 산학연 관계자 80여명이 참석했다.
이날 한전 전력연구원 김주용 실장은 ‘한전의 직류배전 사업현황 및 전망’을 소개하며 “직류배전 기술과 관련해 100kV 이상 HVDC(초고압)는 상용화에 접어들었고, 1.5kV 이하 LVDC는 현장에 적용하는 시범운영 단계, 1.5~100kV MVDC(특고압)은 초기 개발 단계”라면서 “LVDC 진도 서거차도 DC마이크로그리드 실증, 저압 직류배전망 운전을 위한 운영시스템 구축 등 성과를 내고 있다”고 말했다.
김 실장은 “한전은 앞으로 1.5MW 컨버터 스테이션, DC빌딩 구내용 요소기기 및 운영시스템, 직류전원공급 실증 및 상용화 모델 등 직류전원 공급사업모델을 개발해나갈 계획”이라며 “향후 키워드는 배전망의 유연한 운영과 그리드간의 연계, AC/DC 하이브리드 배전망 등이 될 것”이라고 덧붙였다.
◆2024년까지 지능형 LVDC 국책과제 수행
전기계 산학연은 지난해 5월부터 오는 2024년 말까지 총 사업비 357억원(정부출연 250억원, 민간부담 107억원)을 투입, 직류 수용가에 적용되는 기기 및 시스템 표준화를 위한 지능형 LVDC 핵심기술 개발을 국책 연구과제로 추진하고 있다. 참여 연구인력은 170여명 규모다.
총괄주관기관인 전자부품연구원은 수용가용 저압직류 핵심기술 실증인프라 구축 및 표준기술 개발, 세부1과제를 주관하는 인텍전기전자는 수용가용 LVDC 전원공급 및 분산전원 연계용 핵심기기 개발, 세부2과제를 주관하는 에코스는 시스템 자율제어 및 보호협조가 가능한 직류 수용가용 DC마이크로그리드 시스템 핵심기술 개발을 각각 추진 중이다. 전기안전공사는 실증을 통한 전기안전표준화 기술을 개발하고 전기산업기술연구조합은 관련 단체표준 제정을 목표로 하고 있다.
최종적으로 DC마이크로그리드 시스템을 구성하는 핵심기기와 직류수용가에 적용되는 기기들의 성능평가, 안전성 평가를 위한 실증 테스트베드를 구축하게 된다. 또 실증 데이터를 기반으로 시장 창출과 기술상용화를 위한 단체표준 10건을 제정하고 IEC 국제표준화 제안을 통해 국제표준 협업체계도 구축할 방침이다.
국책과제를 총괄하고 있는 전자부품연구원 오승열 단장은 “1차년도에는 직류배전계통 전력품질에 대한 정의와 모의용 컨버터를 개발하고 실증사이트 부지를 선정했다”며 “전원 및 접지계통 표준화기술을 개발하고 국내외 LVDC 표준 분석도 수행했다”고 말했다.
또 “2차년도에는 750V DC 전원공급용 스택 등 실증사이트 설계 및 구성품을 개발하고 표준 수요조사, 표준화위원회 운영 등을 추진할 계획”이라고 설명했다.
오 단장은 특히 총괄과제인 ‘수용가용 저압직류 핵심기술 실증인프라 구축 및 표준기술개발’이 성공적으로 완료되면 기술적·경제적·사회적 효과가 적지 않다고 강조했다.
디지털기기나 인버터를 사용하는 부하기기의 경우 DC 전환시 5% 이상 전력손실을 저감할 수 있고 신재생 연계 DC 배전기기는 약 20%의 원가절감이 기대된다는 것이다. 또 직류관련 기술의 표준화를 통해 분산전원 등 시장활성화를 위한 새로운 전환점을 마련할 수 있을 것으로 내다봤다.
이날 기술교류회에선 이외에도 ▲LVDC 국제표준 동향(김효성 공주대 교수)▲LG전자 DC가전 개발방향 소개(김명건 LG전자 책임) ▲국가표준기술력 향상 기술개발사업 소개(양지은 전자부품연구원 연구원) ▲1차년도 개발내용 및 2차년도 개발계획 공유(오승열 단장, 김종우 인텍전기전자 전무, 이은철 에코스 소장) 등이 발표됐다.
LG전자 김명건 책임은 “LG전자는 전자부품연구원과 함께 DC가전 표준안을 준비하고 있다”면서 “시장 활성화나 구동 최적화 등 선제적 문제가 많아 DC가전에 대해 조심스럽게 접근하고 있지만, 관련 개발은 지속하고 있다”고 말했다.
◆DC 배전기기 ‘블루오션’ 시장 선점 경쟁 활발
태양광 등 신재생에너지 적용에 유리하고 효율이 높은 직류 배전시장은 전기산업계에서 이미 블루오션으로 각광받고 있다.
차세대 직류배전 방식은 교류(AC) 전원을 직류로 변환하거나 직류 전원을 직접 공급하는 기술이다. 기존 방식보다 전력변환 과정을 단순화해 최대 15% 전력 손실을 줄일 수 있다. 전력 전송용량은 높인 반면 배전 손실은 줄임으로써 발전 효율을 극대화할 수 있다. 전기차 충전, 데이터 센터, 전기추진 선박 등 직류부하 사용 증가와 직류공급(태양광 발전, 에너지 저장장치, 연료전지)이 증가하면서 수요가 급속히 확대되는 추세다.
이에 발맞춰 국책 R&D와는 별도로 주요기업들도 시장 선점에 적극 나서고 있다.
우선 LS일렉트릭은 DC 1500V MCCB(배선용차단기)를 출시해 시장을 본격 공략하고 있다. 정격전압 DC 1500V, 전류 63~250A, 극한 차단 용량 DC 1500V 20kA로 글로벌 수준의 경쟁력을 확보한 것으로 평가된다.
LS일렉트릭은 DC 1500V 태양광 전용 MCCB를 시작으로 DC MCCB, MCB, ACB(기중차단기) 제품 개발을 통해 사용자 맞춤형 DC 전력기기 풀 라인업을 구축하고 글로벌 LVDC 시장을 공략할 계획이다.
향후 직류 전용기기 라인업 확대와 현지화 전략을 통해 장기적으로 전체 시장의 약 20% 점유율을 확보한다는 전략이다.
현대중공업은 경기도 성남 판교에 건립하는 현대중공업그룹 글로벌R&D센터(GRC)에 차세대 직류배전 방식을 적용할 방침이다. 이는 단일 빌딩 기준 세계 최대 규모로 평가받는다.
최근엔 직류전원의 전압을 부하가 요구하는 크기의 직류전원으로 변환하는 장치인 ‘직류배전용 DC/DC 컨버터’를 개발하기도 했다. 올해 연말까지 성능 및 신뢰성 시험을 수행할 예정이며 판교 GRC에도 DC/DC 컨버터 1MW가 설치될 계획이다.
직류배전용 DC/DC 컨버터는 ±750Vdc 직류전원을 380Vdc로 강압하는 50kW 용량의 전력변환장치다. 전력용 반도체 소자, 고주파 변압기, 디지털 제어를 이용해 직류전원을 절연형 및 양방향으로 제어한다.
또 사용자 편의성을 위한 터치 오퍼레이터와 원격 모니터링 기능을 탑재하고 있어 최대 4병렬 운전으로 200kW 직류전원 공급이 가능하다.
