HVDC 인버터/컨버터 내부 구조 분석 – 제어, 전력전자 기술 중심

목차

1. HVDC 시스템에서 컨버터의 역할

2. HVDC 컨버터의 구성 체계 개요

3. 전력반도체 기반 변환 회로의 구조

4. 디지털 제어 시스템 – HVDC의 두뇌

5. 보호 및 절연 시스템

6. 냉각 및 열관리 시스템 – 고신뢰 운전을 위한 필수 기술

7. 최신 기술 트렌드 및 구조 진화

 

1. HVDC 시스템에서 컨버터의 역할

HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템은 고압의 직류 전력을 장거리로 전송하기 위한 기술로, 양쪽 끝에 위치한 컨버터(변환기, Converter)와 인버터(Inverter)가 핵심 장비입니다.

• 컨버터: 교류(AC)를 직류(DC)로 변환 (정류, Rectification)
• 인버터: 직류(DC)를 교류(AC)로 다시 전환 (인버팅, Inversion)

 

HVDC 인버터/컨버터

 

이 장비는 단순한 전력 변환 기능을 넘어, 에너지 흐름의 방향과 품질을 결정하고 계통 안정성을 제어하는 역할을 수행합니다.
따라서 내부 구조는 고속 스위칭 소자, 디지털 제어기, 냉각 시스템, 보호 회로 등으로 복잡하게 구성됩니다.

2. HVDC 컨버터의 구성 체계 개요

HVDC 컨버터는 구성 방식에 따라 LCC(Line Commutated Converter)와 VSC(Voltage Source Converter) 두 가지로 나뉘며, 내부 구조와 제어 기술은 방식에 따라 현저한 차이를 보입니다.

공통 구성요소

1. 전력반도체 소자 (IGBT, Thyristor, GTO 등)
2. DC 필터 및 AC 필터
3. 냉각 시스템 (수랭/공랭)
4. 게이트 드라이버 & 제어 보드
5. 보호계전 및 통신 인터페이스
6. 디지털 제어장치 (DSP/FPGA 기반 컨트롤러)

각 구성은 전기적, 열적, 통신적 신뢰성을 고려하여 고집적·고신뢰 설계 기준으로 통합됩니다.

 

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3. 전력반도체 기반 변환 회로의 구조

(1) LCC 방식 – Thyristor 기반 6 펄스/12 펄스 회로

• 정류 회로 구성: 다이오드 + SCR(사이리스터)
• 특징: 자연소호, 외부 AC 전압에 의존
• 회로 구조: 다상 브리지(6P 또는 12P), 대용량 필터 필요
• 제어 방식: 위상제어 방식 (Phase Control via α angle)

LCC는 전력 용량이 크고 경제성이 뛰어나지만, 무효전력 보상 필요, 블랙스타트 불가, 고속 제어 한계 등의 단점이 있습니다.

(2) VSC 방식 – IGBT 또는 SiC 기반 PWM 인버터

• 전력 소자: IGBT, SiC MOSFET, GTO 등
• 구성 회로: 2 레벨, 3 레벨 NPC(Neutral Point Clamped), MMC(Modular Multilevel Converter)
• 제어 방식: SPWM, SVPWM, 또는 정현파 파형 합성 기법
• 기능: 양방향 전력 제어, 블랙스타트 가능, 무효전력 조절 가능

MMC 방식은 현재 VSC-HVDC에서 주로 사용되며, 수십~수백 개의 서브모듈을 직렬 연결해 출력 파형을 정밀하게 제어합니다.

 

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4. 디지털 제어 시스템 – HVDC의 두뇌

컨버터와 인버터의 핵심은 전력변환이지만, 이를 정밀하고 안정적으로 운용하기 위한 제어 기술이 실질적인 두뇌 역할을 합니다.

제어 계층 구조

• 1단: 로컬 게이트 드라이버 제어 (단위 소자 제어)
• 2단: 서브모듈 제어기 (모듈 간 전압 밸런싱, 전류 추종 제어)
• 3단: 중앙 제어기 (출력 제어, 무효전력 제어, 통신 인터페이스)

핵심 제어 기능

• DC 전압 제어 / AC 전류 제어
• 전력 방향 제어 (Active Power Flow Control)
• 무효전력 및 전압 안정화 (Reactive Power Compensation)
• 고장 시 보호동작 실행 (Fault Ride-Through)
• P/Q/δ 제어 전략 적용

제어기는 DSP 또는 FPGA 기반의 리얼타임 컨트롤러로 구현되며, IEC 61850 및 GOOSE 통신 등을 통해 SCADA, EMS, 보호계전기와 실시간 연동됩니다.

 

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5. 보호 및 절연 시스템

HVDC 컨버터 내부는 수백 kV 이상의 고전압과 수 kA급 전류를 처리하므로 절연·보호 시스템은 전력변환기의 생명선입니다.

절연 설계

• 공기 절연, SF₆ 절연, 고체 절연 등
• 부스 바 구조: 동판/알루미늄 + 코팅
• Creepage Distance 기준으로 설계 (환경 따라 25~40mm/kV)

보호 구성

• 서지보호기(SPD), 차단기(DCCB), 과전압 릴레이, 내화성 케이스
• 고속 트립 회로 및 자기 소호 소자 내장
• 파형 분석 기반 고장 유형 구분 기능 (전류/전압/주파수 특성 기반)

 

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6. 냉각 및 열관리 시스템 – 고신뢰 운전을 위한 필수 기술

전력변환 소자는 고속 스위칭 및 고전력 처리로 인해 막대한 열을 발생시킵니다.
따라서 신뢰성 확보를 위해 정밀한 냉각 설계가 필요합니다.

주요 냉각 방식

• 공랭식(Air Cooling): 저전력, 유지보수 편의성
• 수랭식(Water Cooling): 고전력, 열전달 효율 우수
• 액체 절연냉각(Immersion Cooling): 절연체 역할 병행, 최근 채택 증가

설계 포인트

• 히트싱크 구조 최적화
• 서브모듈 단위 냉각 루프 구성
• 냉각수 순환 속도 자동 제어
• 온도 센서 기반 실시간 감시 + 경보 시스템 연동

고신뢰 설비에서는 열 분산 시뮬레이션(FEM 기반 CFD)으로 케이스 내부 공기 흐름, 발열 분포, 열 누적 현상까지 사전 예측합니다.

 

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7. 최신 기술 트렌드 및 구조 진화

2025년 기준 HVDC 컨버터 내부 구조는 모듈화·지능화·고속화의 흐름으로 진화하고 있습니다.

트렌드별 특징

• MMC 기반 구조 확대 → 출력 품질 향상, 유지보수 편리
• SiC 전력반도체 적용 확대 → 스위칭 손실 저감, 고온 동작
• 디지털 트윈 적용 → 실시간 운영 시뮬레이션
• AI 기반 예지보전 기능 탑재 → 고장 사전 감지 및 운전 최적화

이러한 기술은 단순 장비 성능 향상을 넘어서 HVDC 시스템의 운영 유연성, 계통 연계성, 재생에너지 연동 능력을 향상하는 핵심 요소입니다.

결론

HVDC 컨버터 구조는 통합 기술의 집약체

HVDC 인버터/컨버터는 전력전자, 제어공학, 열역학, 재료공학, 신뢰성 설계가 집약된 최첨단 복합 시스템입니다.
그 내부 구조는 단순히 전력을 변환하는 장치가 아니라, 국가 전력망을 안정화하고, 에너지 전환을 실현하며, 디지털 전력 시대를 열어가는 핵심 인프라입니다.

컨버터의 진화는 HVDC 기술의 발전과 곧바로 연결되며, 기업, 연구소, 전력 운영기관 모두에게 기술 자립, 수출 경쟁력, 계통 안정화의 필수 요소가 되고 있습니다.