DC 송전의 핵심기술 반도체 : 전력망의 미래 (3)

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DALL E가 그린 HVDC 송전망

밴트발 자얀트 발리가의 발명이 미친 영향: 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)

 전력망 전환의 어려움에도 불구하고, 일부 기술은 새로운 전력망 인프라 구축을 더 쉽게 만들고 있습니다. 일반적으로 "트랜지스터"라는 단어를 들으면 아마도 실리콘 칩에 수백만 개의 스위치가 있는 것을 생각할 것입니다.  처음으로 반도체 장치의 소형화, 저가화 가능성을 확인한 사람은 1947년에 소형 반도체 장치를 발명한 벨 연구소의 연구원 윌리엄 쇼클리와 고든 무어입니다. 

반트발 자얀트 발리가: 브라운을 위한 반도체 물리학 적용

 하지만 전력 엔지니어가 이 단어를 들었을 때, 전자기기를 위한 소형 반도체보다는 강력한 스위치를 개발한 반트발 자얀트 발리가를 생각할 수 있습니다. 1948년 첸나이에서 태어난 발리가 씨는 반도체 물리학의 원리를 계산보다는 전류 제어에 적용했습니다. 1980년, 미국의 대기업인 제너럴 일렉트릭에서 일하는 동안, 그는 조용히 세상을 바꾸고 있는 새로운 종류의 반도체인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 특허로 냈습니다.

공대라면 모를리가 없다.

IGBT의 장점

 모든 트랜지스터와 마찬가지로 IGBT는 전자적으로 제어되는 ON/OFF 스위치입니다. 이를 통해 고전압 및 대전류 스위칭에 미세한 전자 제어를 적용할 수 있습니다. 이것은 모든 면에서 세상을 향상시킵니다. 발리가씨는 특히 내연기관에서 이러한 엔진을 사용함으로써 달성된 것을 자랑스럽게 생각합니다. 점화 시스템에 IGBT를 사용하는 것이 세계 자동차를 10% 더 효율적으로 만들었다고 꽤 합리적으로 추정하면서, 그는 1990년과 2020년 사이에 휘발유에 대한 수요를 420억 배럴이나 줄였다고 주장합니다.

HVDC 라인 사용

 전력망에 사용되는 교류는 많은 이점을 가지고 있습니다. 하지만 그것들은 장거리에서 많은 전력을 보내는 데 좋지 않습니다. 장거리 AC 라인은 전송 과정에서 발생하는 자기장에 의해 발생하는 손실을 개선하기 위해 길이를 따라 부스터 스테이션이 필요합니다. 장거리 직류(dc) 송전선로는 그러한 손실을 보상할 수 없습니다. 

HVDC 전환의 어려움

 HVDC 기술은 19세기에서 20세기 당시 엄청나게 번거롭고 신뢰할 수 없었으며, AC 전력망이 갖는 다른 장점들로 인해 전력망을 지배하고 있었습니다. 하지만 DC는 시간을 기다리며 기회를 보고있었습니다. AC를 DC로 변환하는 것은 20세기 전반에 사용된 진공관이 반도체로 대체된 이후 수행된 많은 직업들 중 하나였습니다. 개선 사항을 제시했지만 여전히 문제가 있었습니다. 문제 중 하나는 고전압 DC 송전망을 가동하려면 AC 전력망의 최대 전력이 필요하다는 것이었습니다.

HVDC 연결 현황 - 출처 : 이코노미스트

HVDC 전환에 대한 중국의 솔루션

 중국이 2010년대에 태양광과 풍력을 북쪽과 서쪽에서 동쪽 해안으로 가져오기 위해 HVDC 라인을 건설했을 때, 건설에 착수하기 위해 석탄 화력 발전소를 함께 건설해야 했습니다.

HVDC 기술에서 IGBT의 장점

 고전압 직류(HVDC) 기술은 원거리 발전기를 기존 전력망에 연결하고 혼잡을 완화하는 기능으로 최근 몇 년 동안 점점 더 인기를 끌고 있습니다. 이 기술의 주요 장점 중 하나는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하는 것으로, 기존 밸브에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다.

 HVDC 기술에 IGBT를 사용하면 기존 교류 시스템을 괴롭히는 밸브 고장 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 IGBT는 보다 유연한 전환 기능을 제공하여 변환 프로세스를 보다 쉽게 하고 공간을 덜 차지합니다. 결과적으로, 오늘날 판매되는 HVDC 시스템의 99%는 IGBT를 기반으로 합니다.

HVDC 기술 적용

 멀리 떨어진 발전기를 전력망에 연결하는 것 외에도, HVDC 기술은 전력망의 서로 다른 부분 사이에 브리지를 제공하고 단일 AC 시스템으로 통합될 수 없는 전력망를 함께 연결할 수 있습니다.

전력망 혼잡 완화

 HVDC 기술이 전력망 정체를 완화할 수 있는 한 가지 방법은 동기식 AC 전력망의 한 지점을 다른 지점에 연결하는 것입니다. 이 방법은 많은 혼잡 완화 계획이 건설 중인 유럽에서 점점 더 인기를 끌고 있습니다.

독립 전력망 연결

 HVDC 기술의 또 다른 응용은 단순히 더 큰 동기식 시스템으로 병합될 수 없는 독립적인 전력망를 연결하는 것입니다. 현재 세계에서 가장 긴 해저 전기 케이블인 North Sea Link는 노르웨이의 전력망 운영자인 Statnett과 영국의 National Grid를 연결합니다. 현재 건설 중인 HVDC 기술이 적용된 바이킹 링크가 곧 그 자리를 대신할 것입니다.

 HVDC 기술은 재생 가능한 에너지원을 전력망에 연결하는 데에도 사용되고 있으며, 특히 설치 공간 확보가 중요한 해상 플랫폼에서 사용되고 있습니다. 이러한 경우 IGBT의 정교함이 항상 필요한 것은 아니지만 작은 설치 공간이 유리합니다.

다중 HVDC

 다중 HVDC는 IGBT 기반 변환 기술을 사용하여야만 가능합니다. 이를 통해 대형 해상 풍력 발전소는 하나 이상의 전력망에 서비스를 제공할 수 있으며, 서비스를 제공하는 모든 전력망을 연결할 수 있습니다. 덴마크는 다중 터미널 HVDC를 갖춘 두 개의 "풍력발전 섬"을 건설할 계획이고, 벨기에도 비슷한 것을 건설하고 있습니다.

HVDC 기술의 미래

 탈탄소화 수요가 지속되면서 이번 전환으로 요구되는 전력망 확충은 "역사상 가장 큰 전력체계 변화"가 될 것으로 전망됩니다 이러한 확장이라는 큰 과제의 균형을 맞추는 것은 미래에 매우 중요할 것입니다.