현재 방식 유지 시 동해안 조 단위 제약 비용, 신재생E 출력제한 불가피
정부·한전 HVDC포럼 구성, 관련 설비 국산화로 韓 기업 역할 확대 목표
고장 겪은 북당진~고덕 전류형 HVDC 교류계통 이해 필요, 신뢰성 더 높여야
현재 국내는 200MW 변환설비 기술까지 확보, 향후엔 GW급 변환기술 필요

국내 초고압직류송전(HVDC)의 도입 역사는 1998년으로 거슬러 올라간다. 당시 한전은 제주 지역의 전력 수급 안정과 주파수 조절 등의 목적으로 해남~제주 HVDC 사업(0.3GW, 180kV)을 처음으로 추진했고, 15년 뒤인 2013년에는 진도~서제주 구간(0.4GW, 250kV)을 추가로 설치하며 HVDC 운영을 확대했다. 그러나 최초의 육지 HVDC 사업인 북당진~고덕 사업 1단계가 2020년 진행됐지만 여러 차례의 고장으로 인해 여론의 뭇매를 맞게 된다. 그럼에도 산업통상자원부와 한전은 주민들의 수용성 문제로 송전망 건설에 어려움이 많고, 이용률이 낮고 변동성이 높은 풍력과 태양광 등 신재생에너지로 생산한 전기가 계통에 영향을 주는 상황에서 HVDC 확대는 불가피하다는 입장이다. 이에 지난 2월 산학연 전문가가 참여하는 ‘HVDC 기술·산업포럼’을 구성, 현재까지의 문제점을 짚어보고 기술개발, 운영·신뢰도, 산업·국제협력 부분에서 개선방안을 찾고 있다. 이 포럼의 공동위원장을 맡은 장길수 고려대 전기전자공학부 교수를 만나 국내 HVDC 사업의 추진 당위성과 함께 건설 및 운영 과정에서의 여러 현안들을 짚어봤다.

▲우리나라에서 HVDC를 활용한 송전망 구축이 필요한 이유는 무엇인가.

“전력계통, 전력망은 전기가 흐르는 일종의 도로다. 그런데 이 도로는 일반 도로와 달리 정체, 지체가 있어선 안 된다. 만약 그런 사태가 벌어지면 그게 바로 정전이기 때문이다. 그래서 그동안 전력당국은 많은 차량이 특정 시기에 몰리거나 고장으로 한 두 차선이 사용할 수 없는 상황에도 정체, 지체가 발생하지 않도록 사전에 충분히 넓은 도로(전력망)를 준비해 온 것이다. 하지만 지금은 사회적 수용성 문제 등으로 충분한 전력망 확보가 어려운 상태, 즉 전력계통 포화상태에 이르렀다. 거기에 탄소를 저감하기 위해 신재생에너지 투입은 계속 늘어가고 있는데, 이용률이 낮은 전원의 비중이 커진다는 것은 동일한 전력 생산을 위한 전체 발전설비 용량이 커져야 한다는 의미이고, 발전설비가 늘어나면 송·배전설비도 함께 증가할 수밖에 없다. 이런 상황에서 전력설비를 충분히 확충할 수만 있다면 현재와 같은 정전 없는 고품질 전기를 공급하는데 문제가 없겠지만, 좁은 국토에 주민 수용성도 악화되면서 과거와 같은 충분한 여유를 갖는 전력망을 갖기는 불가능하게 됐다. 이러한 상황은 차량 진입을 제한해 도로 정체를 막으려는 것과 같은 전력망에서의 발전제약을 불러와 동해안 발전단지에서 조 단위의 제약 비용이 발생하고, 신재생원의 출력제한이 크게 증가하는 부작용으로 이어졌다. 이 때문에 이제는 지금까지의 전력망 계획과 운영 방식을 그대로 적용하며, 발전 출력제한을 크게 증가시키면서 전력계통을 계속 운영해 갈 것이냐에 대한 물음에 새로운 답을 내놓을 때다. 차량이 증가한다고 그에 맞춰 도로를 계속 증설할 수 없고, 도로에 진입하는 차량의 제한을 계속 막을 수도 없다면 어느 도로에 차량이 몰리는지를 미리 예측해 여유가 있는 다른 도로로 해당 차량들을 보낼 수 있는 기술을 활용해야 한다. 이는 컨버터에 의해서 A망에 흐를 전기를 B망으로 이동시킬 수 있는 기술을 의미한다. 아울러 (송전망을) 건설하더라도 내륙에서는 수용성 문제로 인해 이제는 바다나 지중을 고려할 수밖에 없는 상황이 발생하는데 전력케이블로 500kV 이상 전압의 전기를 장거리로 보내려면 DC로 보낼 수밖에 없다. 결국 수용성을 극복하고, 전력조류를 우리의 필요에 따라 제어하기 위해서는 DC 기술을 활용해야 하며, 국내 전력계통에서 그 활용성은 점차 커지고 있는 상황이다.”

▲정부와 한전은 HVDC사업을 계속 추진하겠다는 입장이다. 최근 구성된 HVDC 기술·산업포럼도 그런 의지의 표현으로 보면 되나.

“한전 입장에서는 (이런저런 고장으로) 현재 하고 있고, 앞으로도 해야 할 일임에도 그동안 HVDC 사업을 공개적으로 논의하지 못했고 관련 전문가들도 (HVDC에 관한) 논의를 하지 않고 있다. 그래서 산업부가 현재 문제가 되는 것이 무엇이고, 앞으로 그런 고장이 재발하지 않으려면 무엇이 필요한지에 대한 논의의 장을 만든 게 포럼이라고 보면 된다. 어차피 HVDC는 필요한데, 지금대로라면 외국 제품을 설치할 수밖에 없는 상황이 되기 때문에 관련 설비와 기술의 국산화를 통해 앞으로 확대될 HVDC 사업에서 국내 기업의 역할을 키우자는 것이 이번 포럼의 구성 배경이며, 3개 분과로 나눠 논의를 진행하고 있다. 앞으로 11차 전력수급기본계획이 발표되고 그와 함께 송변전설비계획이 수립된다. 그 송변전설비계획 안에 포럼에서 논의된 내용들이 반영돼야 한다고 생각한다.”

▲그동안 국내에서 HVDC 사업은 1998년 해남~제주 구간에 이어 제2연계선(진도~서제주 간), 북당진~고덕까지 세 번의 경험을 쌓았다. 하지만 고장이 발생하면서 우려의 목소리도 나오고 있는데.

“제주에서 두 번의 전류형 HVDC 사업이 완료됐고 현재는 전압형 HVDC 사업이 진행 중이다. 1998년 우리나라 최초의 HVDC 사업이 준공된 후 몇 번의 고장이 있었는데, 일부 고장은 제주 지역의 정전을 유발할 만큼 피해가 적지 않았다. 여러 우여곡절을 겪어가며 현재 제주 연계선은 제주 전력계통의 안정 운영을 담당하고 있다. 북당진~고덕 HVDC의 경우 육지 전력계통 내에 500kV 전압 레벨의 전류형 HVDC를 설치하는 사업인데, 전류형 HVDC 설비는 교류계통의 영향을 크게 받는다. 따라서 설치될 교류계통의 특성을 잘 이해하는 것이 중요하다. 교류계통의 특성에 따라 HVDC의 설계나 시공 과정에서 고려해야 할 요소들이 많이 달라지는데, 그러한 부분을 제작사가 100% 이해하지 못하면 그로 인한 문제들이 발생하게 된다. 특히 전류형 HVDC의 인버터단에서의 특별한 상황들에 대해 충분한 이해가 전제돼야 한다. 즉, 전류형 HVDC 사업의 경우 설치된 교류계통에 대한 의존성이 커서 설치되는 교류계통의 특징 등 여러 정보가 정확하고 충분히 전달되는 게 중요하며, 지금까지 제공됐던 정보의 범위, 수준보다 더 상세한 데이터가 제공되면 그 교류계통에 대한 이해를 통해 여러 문제에 대한 사전적 예방이 가능할 것이다.”

▲그와 같은 여러 차례의 고장 때문에 HVDC가 우리나라 전력계통에는 맞지 않다는 주장이 있다.

“새로운 사업에는 문제가 생길 수 있고, 그러면 그 문제의 원인을 파악한 뒤 앞으로 재발하지 않도록 하는 게 중요하다. 교류 방식을 적용할 방안이 없어 HVDC가 필요한 상황에서, 고장이 발생했으니 사용하지 말라고 하면 한전이 해야 할 일을 제대로 할 수가 없다. 한전은 앞으로 발생하는 고장에 대해 관련된 모든 데이터를 고장 원인 조사를 담당할 전문가 그룹에 제공하고, 원인을 파악한 뒤 그 문제가 재발하지 않도록 시스템을 만드는 일은 이번 포럼에서 계획하고 있다. 어떤 일이든 생각하지 못한 곳에서 문제가 발생할 수 있는 만큼 이를 막을 수 있는 철저한 대비가 필요하고, 포럼 내에 구성된 신뢰도 개선분과에서 그런 일을 하게 될 것이다. 아울러, 고장 상황을 조사한 전문가 그룹을 통해 이미 확인된 결과를 믿지 않고, 같은 지적을 반복해 전력망의 보강을 지연시키는 것은 지양해야 한다.”

▲“HVDC는 해저케이블을 통한 송전이나, 주파수가 상이한 광역권 간 전력융통, 적어도 400km 이상의 원거리 송전 시 경제성이 확보되면서 기존 계통이 튼튼하게 받쳐줄 경우 유용하게 활용될 수 있는 신기술”이라는 일각의 주장이 있다. 이런 조건이 충족되지 않는 여건하에서의 무분별한 확대는 되레 전력망의 안정성을 크게 해치는 위협요인이 될 수 있다는 지적이 있다.

“AC 적용이 가능한 경우에는 HVDC와 HVAC 중 송전거리에 따른 경제성 평가로 더 나은 방법을 채택하면 되지만, 현재 우리나라에 적용되는 HVDC는 수용성 문제와 해저 또는 지중 고전압 송전 시 AC 기반의 기술을 적용하기 힘든 상황에서 채택된 기술이다. 따라서 AC나 DC 모두 가능한 프로젝트라면 경제성을 따져서 선택하면 되고, AC로는 불가능해 DC를 쓸 수밖에 없는 사업이라면 송전거리를 얘기하는 것은 무의미한 일이다. 앞서 얘기했듯이 전류형 HVDC는 교류계통의 특성을 고려해 설계돼야 하는데, 강건도가 낮은 교류계통에 적용할 수 없는 것은 아니고 그러한 강건도를 고려해 HVDC를 설계하고 운전하면 된다. 우리나라 제주계통에 처음 HVDC가 설치될 당시 제주계통은 강건도가 아주 낮은 교류계통이었는데 당시 이러한 특성을 고려한 전류형 HVDC가 설치돼 운전됐다. 최근 전 세계에서 전압형 HVDC의 활용이 크게 증가하고 있는데, 전압형 HVDC는 전류형 HVDC에 비해 교류계통에 따른 영향이 적어 우리나라의 다양한 조건에서 활용이 기대되고 있다.”

▲HVDC 인근 변환소에서 AC 송전망 사고가 발생하면 복구시간 동안 HVDC 송전이 중단돼 과도안정도에 문제가 발생할 수 있다는 지적이 있다. 광역정전까지도 얘기가 나오는데.

“이 사안은 주민 수용성 문제로 765kV AC선로를 건설하지 못하게 되면서 500kV DC(EP 프로젝트) 방안을 검토할 때 우리 연구진에서 고려했던 조건이고, 검토 결과의 일부 내용만 얘기된 것 같다. 당시 검토 조건을 보면 동해안에서 오는 대규모 송전선로는 765kV AC 2회선과 전류형 HVDC 500kV 4회선이 있는데 이 선로들은 상호 영향을 미친다. 특히, 전류형 HVDC의 정류단과 인버터단 인근에서의 고장이 발생해 전압이 크게 떨어지거나 DC 선로에서의 고장이 발생하면 HVDC를 통한 전력 전송은 멈추게 된다. 이 경우 765kV AC 송전선로가 추가적인 전력 전송을 해서 이 고장에 대한 영향을 줄이게 되고, 765kV AC 송전선로에서의 고장으로 전력 전송이 안 되는 경우 HVDC에서의 전송량을 늘려 765kV 선로 고장에 영향을 줄일 수 있다. 여기에 추가로 상정할 수 있는 것이 765kV AC선로의 고장으로 인해 HVDC의 정류단이나 인버터단 전압이 크게 떨어져 HVDC가 운전하지 못하는 상황인데, 이 경우에는 동해안에서의 발전력 대부분을 전송하는 두 개 선로 모두에 차질이 생기는 큰 문제가 발생하게 된다. 그런데 이 상황은 전류형 HVDC가 아닌 765kV AC 선로로 건설되더라도 그 정도의 낮은 전압에서는 전송 가능한 전력이 크게 줄어 여전히 동해안 발전력 대부분을 잃게 되므로 ‘HVDC여서 문제다’라고 얘기할 수는 없다. 그리고, 당연히 이러한 고장 상황은 그 여파가 크기 때문에 이에 필요한 SPS(Special Protection System)의 검토가 필요하다.”

▲HVDC 사업의 당위성에 대한 부분은 이해가 갔다. 그렇다면 앞으로 HVDC의 안정성을 높이기 위한 국내 기업들의 역할이 중요할 텐데, 현재 국내 HVDC 공급망에 대한 평가는.

“HVDC 시스템은 많은 설비들로 구성된다. 그 중에서 가장 중요한 것은 초고압 DC 케이블과 초고압 변환설비다. 500kV 이상 초고압 DC 케이블의 경우 LS전선 등 우리나라 전선 회사들의 경쟁력이 국제 수준이다. 문제는 변환설비다. 한전은 HVDC 사업을 진행하면서 전류형 HVDC 변환설비 기술 확보를 위해 ‘카페스(KAPES)’라는 조인트벤처를 만들고 이곳에서 변환설비 기술 국산화를 추진하고 있다. GE 기술을 활용해 LS일렉트릭을 통해 일부 설비가 국내에서 생산되지만, 전류형 HVDC 변환설비 기술을 우리나라가 보유하고 있다고 말하기는 어렵다. 특히 전압형 HVDC 변환설비가 문제인데, 효성중공업이 정부 과제로 제주도에 2MW 전압형 HVDC를 풍력연계용으로 개발했고 양주변전소에 200MW BTB HVDC를 설치해 시운전 중이다. 국산기술로 200MW 전압형 HVDC 변환설비를 개발한 것은 큰 성과이지만, 앞으로 도입할 HVDC는 AC 기술이 적용될 수 없는 규모와 여건에 적용돼야 하므로 GW급 변환설비가 필요하다. 국산 GW급 변환설비 기술 확보가 가지는 가치가 크기 때문에 우리 포럼에서 기업이 해당 기술을 개발하기 위한 지원 방안을 마련하는 것도 필요하다.”

▲HVDC 사업에서 국내 공급망을 확보해야 하는 이유는 무엇인가.

“앞으로의 HVDC 시장은 전압형이 대세가 될 것이다. 동해안~신가평과 동해안~동서울 등 EP 프로젝트와 북당진~고덕 2단계 사업을 제외하면 우리나라에서 계획된 사업은 전압형 HVDC 사업이다. 그런데 HVDC를 운영하다가 문제가 생겼다고 가정해 보자. 그 설비가 외국산이라면 우리가 이미 경험하고 있듯이 대응이 늦어질 수밖에 없다. 현재 유럽에서 전압형 HVDC 사업이 많이 진행되고 있어서 우리나라 사업이 끝나면 해외 전문가들은 다른 프로젝트에 곧바로 투입돼 한국 설비의 문제를 즉각 처리해 줄 상황이 되지 못할 것이다. 보다 효과적인 유지보수를 위해서라도 국내 기업은 반드시 필요하다. 또 기술을 가진 국내 기업이 있다는 것은 한전이 다른 HVDC 사업을 추진할 때 유리한 구조를 만들 수 있다. 국내 공급망이 없다면 해외의 소수 기업이 사업비를 포함한 계약조건을 주도하겠지만 국내 기업이 있다면 상황은 크게 달라진다.”

▲정부는 지난해 12월 ‘전력계통 혁신대책’을 발표하면서 동해안~수도권 HVDC를 목표한 2026년까지 완공하고, 2036년 완공을 목표로 서해안 해저 HVDC 송전선로도 본격적으로 착수한다고 밝혔다. 하지만 한전의 경영난으로 인해 송전망 구축에 민간 참여 불가피성은 계속 얘기가 나오고 있는데.

“한전이 재정 문제로 막대한 설비 투자에 나서는 것이 과거보다 어려워진 것은 사실이다. 하지만 민간 참여 얘기가 나오는 근본적 배경은 돈 문제보다 속도의 문제 때문이라고 본다. 서해안 HVDC가 바다에 설치되면 어민들의 수용성 문제는 당연히 제기될 수밖에 없다. 수용성 문제에 대한 대응은 공공보다 민간이 더 잘 할 수 있다. 여러 제약을 가진 한전보다는 다양한 수단을 활용할 수 있는 민간에 의한 송전망 건설이 더 빨리 진행될 수 있다는 얘기다. 조금은 다른 얘기가 될 수 있겠지만, 송전사업을 통해 직접적인 수익을 얻는 민간에 대해 역할을 분담하게 하는 것도 필요하다. 서해안 HVDC 백본망에 연결해 계통접속 문제를 해결한 해상풍력 사업자, 신재생에너지로 생산한 전기를 HVDC로 받아 RE100 문제를 해결할 수 있는 글로벌 기업은 직접적인 수혜를 입게 된다. 이 인프라를 활용해 수익을 얻는 대상이 명확하다면 그 대상에 사업비 부담을 지우는 것은 당연하다고 본다. 수익자가 불특정 다수인 경우는 다르겠지만 수익자를 특정할 수 있다면 ‘공용망은 송전회사가 부담한다’는 원칙에서 벗어나야 한다고 생각한다.”

▲현재 유럽, 북미 등 각국도 HVDC 건설을 계획하고 있는 것으로 아는데, 국내 HVDC 기술을 발전시켰을 경우 해외에 수출할 수 있는 가능성은.

“2021년 삼성물산이 UAE에서 HVDC 사업을 수주한 바 있다. UAE 해상 석유생산 시설과 아부다비의 육상 전력망을 HVDC로 연결하는 사업의 설계·조달·시공(EPC) 계약을 체결한 것이다. 만약에 이와 같은 사업에서 국산 변환설비, 케이블 등을 적용할 수 있다면 그게 바로 국산 HVDC의 해외진출이며 수익성 또한 훨씬 개선될 수 있다. 최근에는 국내 전선회사들의 해외 HVDC 케이블 수주가 이어지고 있고, 효성중공업도 전압형 200MW 변환설비를 개발했으므로 수백MW 단위의 전압형 HVDC 사업에는 충분히 참여가 가능하다고 생각한다. 전압형 HVDC 시장의 경우 ABB, 지멘스, GE 등 소수 기업이 장악을 하고 있는데, 세계적으로 사업이 워낙 많다 보니까 이들 글로벌 기업은 추가 수주 여력이 없는 상황이어서 우리나라가 그 틈새시장을 잘 활용할 필요가 있다. 하지만, 이 시장에서도 중국과의 경쟁이 있고, 그들은 우리보다 기술도 앞서있고 가격경쟁력도 월등해 이를 극복할 기술개발이 요구된다.”

▲앞으로 HVDC 산업이 발전하기 위해선 어떤 노력이 필요하다고 보나.

“하드웨어를 잘 만드는 부분, 또 HVDC를 잘 운용하는 부분에서 노력이 필요하다. 우선 하드웨어와 관련해선 현재 개발된 전압형 200MW 변환설비를 GW급으로 업그레이드하고, 케이블의 경우도 전압을 더 높이고 경제성을 확보하는 일을 정부, 한전과 함께 기업들이 해야 한다. 즉, 정부, 한전이 함께 부담을 나눠 기업의 리스크를 줄여줘야 한다. 아울러 한전은 앞으로 HVDC가 어디에, 언제쯤, 얼마나 필요한지를 알려서 국내 중전기 기업들이 해외사업은 플러스 알파이고, 국내 사업으로도 사업성을 담보할 수 있다고 믿고 투자에 나설 수 있도록 만들어야 한다. 또 하나가 HVDC 설비의 운영 부분인데, 교류의 경우 회로법칙에 따라 전류가 배분된다. 반면 HVDC가 설치되면 컨버터를 이용해 이러한 전류의 흐름을 인위적으로 조정할 수 있게 된다. 하지만 그 과정에서 얼마를 보내야 하는지를 결정해야 하는 부담을 지게 된다. 그 결정에 따라 목적이 달성될 수도 있고 부작용이 발생할 수도 있다. 훨씬 복잡해지는 전력계통의 운영자 입장에선 고민이 되는 과정이기 때문에 한전과 전력거래소가 HVDC 기능을 제대로 이해하고, 100% 성능을 발휘할 수 있도록 잘 준비하고 대응해야 한다.”