[테크블랙홀] 다중 고정자 동기기를 이용한 양방향 계통연계 시스템

군산대학교 전기공학과 연구팀(이정효 교수)은 다중고정자를 이용하여 분산전력자원 계통을 효율적으로 연계할 수 있는 기술을 개발하였습니다.
최근 신에너지 및 재생에너지 개발 및 이용 그리고 보급이 늘고 있습니다. 하지만 현시점에서 신•재생에너지는 전력을 안정적으로 수급하기 어렵고, 전력계통이 불안정합니다. 이 때문에 소규모로 지역부근에 분산하여 전력을 생산하는 분산전력자원(DR, Distributed Resources)이 늘고 있습니다.
한편 분산형 전력시스템은 잠재적인 문제점이 발생할 수 있습니다. 분산된 각 전력자원들이 송전계통과 배전설비로 서로 연결되어 있기 때문입니다. 이 때문에 송전계통에 문제가 발생할 경우 배전계통이 단절될 수 있습니다.
분산전원들끼리 양방향으로 전력 전송이 가능한 전기기기형 계통연계장치는 분산형 전력시스템의 리스크를 극복하기 위해 개발되었습니다. HVDC를 이용한 방법과 VFT(Variable Frequency Transformer)를 이용한 방법이 대표적입니다. 하지만 이러한 방법들은 분산전원의 계통 접속이 늘어날 수록 스위칭 노이즈에 의해 계통망의 포화가 심각해질 수 있습니다.
HVDC는 고전압 송전으로 선로손실이 적은 송전 방식입니다. 연계시킬 수 있는 배전계통의 수도 비교적 쉽게 늘릴 수 있습니다. 하지만 HVDC를 구성하는 전력변환장치는 스위칭 노이즈를 발생시키며 연계되는 배전계통의 수가 늘어날수록 송전가능한 전력이 제한되는 문제점이 있습니다. 이를 위한 절연 변압기는 분산형 전력시스템 계통연계의 효율을 떨어뜨리게 됩니다. 절연변압기 사용은 에너지 변환효율을 감소시키며, 설비가격과 부피가 상승하는 문제점이 있습니다.
VFT는 두 개의 전력시스템을 권선형 유도기의 고정자와 회전자에 연결하는 방식입니다. 스위칭 소자없이 전력을 양방향으로 제어할 수 있기 때문에 HVDC에 비해 저렴하고, 스위칭 노이즈 송전가능 전력 한계가 없다는 점이 장점입니다. 하지만 VFT 방식에서는 두 계통에서만 전력전송이 가능하다는 점, 그리고 양방향 전력제어를 위해서는 별도의 전동기가 필요하다는 문제점이 있습니다.
군산대학교 전기공학과 연구팀이 개발한 양방향 전력전송시스템은 VFT의 다중 고정자 연구자석동기기를 이용한 기술입니다. 기존 VFT 방식은 한 개의 회전자와 한 개의 고정자로 구성하였지만, 이 기술은 한 개의 회전자와 다수의 고정자로 시스템을 구성합니다. 각 배전계통은 교류 컨버터를 통해 각 고정자들에 연계되기 때문에 절연형 변압기를 시스템에서 제외할 수 있습니다.
연구팀이 개발한 기술은 2개 이상의 배전계통에서도 쉽게 확장할 수 있습니다. 또한 HVDC나 기존 VFT에 비해 에너지 변환효율이 우수하고, 기계적으로 에너지를 연결하지 않기 때문에 전력변환 효율이 높습니다. 나아가 Flywheel을 통해 에너지 저장장치로도 응용이 가능할 전망입니다.
연구팀이 개발한 양방향 계통연계 시스템은 다중고정자를 이용하여 스위칭 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있는 계통연계기술입니다. 계통전력을 전달하기 위해 다중 고정자 동기기를 이용하며 하나의 전력변환장치만을 사용하기 때문에 스위칭 노이즈에 의한 전송전력한계를 저감 시킬 수 있습니다. 새로운 배전계통 연계기술은 배전계통 중심의 분산형 전력시스템 구축을 더욱 촉진시켜 전력에너지를 효율적으로 생산하고 사용하는데 기여할 전망입니다.
군산대학교 전기공학과 연구팀(이정효 교수)이 앞으로도 전력전자기술과 전기기기 설계 기술 융합을 통해 전력산업에 필요한 핵심기술 개발을 이어가겠습니다. 감사합니다.