HVDC 시스템이란? – 교류 대비 직류 송전 기술의 원리와 장점

목차

1. 교류(AC) 송전의 한계

2. HVDC 시스템의 핵심 구성

3. HVDC 기술 방식: LCC와 VSC의 차이

4. HVDC 시스템의 주요 장점

5. HVDC와 신재생 에너지의 시너지

6. 글로벌 및 국내 HVDC 시장 동향

 

HVDC 시스템의 개요

HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류 송전)는 전기를 높은 전압의 직류(DC) 형태로 변환하여 장거리 전송 후, 다시 교류(AC)로 바꿔 사용하는 전력 송전 기술입니다.

기존의 전력망은 주로 AC(Alternating Current, 교류) 기반이지만, 기술 발달과 에너지 수급 구조 변화로 인해 HVDC의 수요가 빠르게 증가하고 있습니다.

특히 HVDC는 해상풍력, 대륙 간 전력 연계, 도시 중심부 송전 등에서 효율적이며, 국내외 주요 기업들도 HVDC 시장에 본격 진입 중입니다.

 

HVDC

 

1. 교류(AC) 송전의 한계

전통적으로 전력은 발전소에서 생산되어 AC(교류) 방식으로 송전되어 왔습니다. 교류 방식은 변압을 쉽게 조절할 수 있어 단거리 및 복잡한 배전망에서는 유리하지만, 몇 가지 한계를 가집니다:

• 거리 증가에 따른 손실 확대: AC는 유도 전류와 리액턴스가 존재해 장거리 전송 시 손실이 큽니다.
• 전력 흐름 제어 어려움: 병렬 연결된 교류 계통에서는 전력 흐름을 정확히 조정하기 어렵습니다.
• 케이블 간 간섭 및 전자파 문제: 대용량 케이블을 도심 등에 매설하기 어려운 제약이 있습니다.

이러한 점에서 장거리, 고용량, 정밀한 전력 제어가 필요한 경우, HVDC는 훨씬 더 적합한 대안이 됩니다.

2. HVDC 시스템의 핵심 구성

HVDC 시스템은 크게 다음 세 가지로 구성됩니다:

• 변환소 (Converter Station): AC를 DC로 변환하거나, 다시 DC를 AC로 전환하는 역할
• 송전선 (Transmission Line): 변환된 직류 전력을 장거리로 전송
• 제어 및 보호 시스템: 전력 흐름을 제어하고 고장을 감지하여 시스템을 보호

또한, 기술 방식에 따라 LCC(Line Commutated Converter)와 VSC(Voltage Source Converter)로 나뉘며, 이는 아래에서 자세히 다룹니다.

3. HVDC 기술 방식: LCC와 VSC의 차이

HVDC 시스템은 기술적으로 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다:

(1) LCC-HVDC

• 고전압 직류 송전의 전통적인 방식
• SCR(사이리스터)를 사용해 AC → DC 변환
• 고용량, 대륙 간 장거리 송전에 적합
• 단점: 대규모 변압기와 필터 필요, 주변 계통의 강한 전압 필요

(2) VSC-HVDC

• 최근 등장한 차세대 HVDC 방식
• IGBT(절연게이트 양극 트랜지스터) 기반
• 도심, 해상풍력 등 소규모 계통 연계에 최적화
• 빠른 제어 가능, 부하 변화에 유연함

이처럼 VSC 방식은 기술적 난도는 높지만, 소형화·제어 유연성 덕분에 향후 주력 기술로 주목받고 있습니다.

4. HVDC 시스템의 주요 장점

HVDC는 단순히 “고압 직류 송전”이라는 기술을 넘어, 다음과 같은 명확한 장점을 제공합니다:

① 송전 손실 최소화

• AC 대비 전송 손실이 적어 1000km 이상의 송전 거리에서 경제성이 탁월

② 계통 간 전력 흐름 제어 가능

• 병렬 교류망에서의 불안정한 전력 흐름 문제 해결
• 국가 간 전력 연계, 지역별 부하 조절에 유리

③ 설치 면적 및 비용 절감

• 직류 케이블은 AC보다 절연 거리와 공간이 적게 필요
• 해저, 지하 등 제한된 공간에 송전선 매설이 가능

④ 재생에너지 연계 최적화

• 풍력, 태양광과 같은 변동성 큰 전원과의 연계에 뛰어남
• 에너지 믹스 다변화에 전략적 무기

 

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[반도체 기술/전력 반도체] - HVDC 초고압 직류 송전 케이블 구조와 절연 기술 분석

5. HVDC와 신재생 에너지의 시너지

2050 탄소중립 시대를 준비하는 많은 국가들이 HVDC를 핵심 인프라로 채택 중입니다.
특히 해상풍력 발전은 바다에서 생산한 전력을 육지로 옮겨야 하며, 이때 직류 송전은 교류보다 손실이 적고 설비가 간단하다는 이점이 있습니다.

예시:

• 서해 해상풍력 → 수도권 연계 HVDC
• 제주-남해 본토 간 HVDC 구축 추진

이러한 움직임은 향후 HVDC 시스템이 에너지 허브의 백본 인프라로서 기능하게 될 가능성을 보여줍니다.

6. 글로벌 및 국내 HVDC 시장 동향

HVDC 시스템은 현재 다음과 같은 수요처에서 활발히 채택되고 있습니다:

• 유럽: 국가 간 전력망 통합
• 중국: 내륙 수력발전 → 대도시 송전
• 한국: 해상풍력, 제주도 전력계통 안정화

국내에서는 LS ELECTRIC, 효성중공업, 현대건설, KAPES(한국전력 + ABB 합작) 등이 HVDC 설비를 개발 중입니다.

이와 함께 전력반도체(SiC), 케이블 제조, 변환소 설계, 제어 SW 등 관련 산업도 함께 성장 중이므로, HVDC는 단일 기술이 아니라 복합 고부가가치 생태계라 할 수 있습니다.

결론

HVDC는 미래 전력망의 중심축

HVDC는 단지 한 가지 송전 기술을 넘어, 지속가능한 에너지 전환의 핵심 인프라로 자리 잡고 있습니다.
재생에너지 확대, 장거리 송전 수요 증가, 도시의 전력 품질 요구 등 다양한 조건에서 AC 송전의 한계를 극복하는 실질적인 대안이 되고 있습니다.

향후 10년은 HVDC가 전력계통의 게임체인저로 자리 잡는 시기가 될 것이며, 이는 기술 개발자뿐 아니라 투자자, 기업, 정책 입안자 모두에게 주목받는 분야가 될 것입니다.