[서울=뉴스핌] 김기락 기자 = 발전소에서 생산한 전기는 어떻게 수백㎞ 떨어진 도시까지 이동할까. 전력망을 따라 흐르는 전기는 일반적으로 교류(AC) 형태지만, 장거리·대용량 송전에서는 교류를 직류(DC)로 바꿔 보내는 기술이 활용된다. 바로 고압직류송전(HVDC)이다.

HVDC는 단순히 전기의 '방향'을 바꾸는 기술이 아니다. 교류 전력을 직류로 변환하고, 초고압 상태로 장거리 송전한 뒤, 다시 교류로 변환하는 일련의 시스템이다. 이 과정에서 전력 변환 장치와 제어 기술이 핵심 역할을 한다.

교류 송전망이 여러 갈래 도로가 얽힌 일반도로라면, HVDC는 출발지와 목적지를 직접 연결해 전력의 양과 방향을 통제하는 전용 고속도로에 가깝다. 장거리·대용량으로 전기를 보낼수록 이런 특성이 강점으로 작용하는 것이다. 

효성중공업은 200MW급 전압형 HVDC 독자기술을 확보한 데 이어 2GW급으로 기술을 확대하고 있다. 한국전력의 대용량 전압형 HVDC 핵심 기자재 국산화·실증사업에도 참여하면서, 대용량 HVDC 기술의 실증 기반을 넓히고 있다. 효성중공업은 한전 사업의 컨버터 밸브와 제어시스템 분야 참여기업으로 지난 10일 최종 선정됐다.

◆ 전기는 왜 직류로 바꿀까…LCC·VSC 차이는

HVDC는 발전소 등에서 생산된 교류 전력을 직류로 변환해 장거리로 송전한 뒤 수요처에서 다시 교류로 바꾸는 방식이다. 직류로 변환하는 과정에서도 손실은 발생한다. 다만, 장거리·대용량 송전에서는 송전선로에서 발생하는 손실을 줄이는 데 유리하다. 전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있다는 점도 강점이다.

HVDC를 이해하려면 변환소를 보면 된다. 발전소에서 나온 교류 전력을 직류로 바꾸는 변환소와 송전된 직류 전력을 다시 교류로 전환하는 변환소가 각각 필요하다.

이때 핵심 역할을 하는 설비가 컨버터다. 컨버터는 교류와 직류 사이의 전력 변환을 담당한다. 컨버터 내부에서 실제 전력 변환을 수행하는 핵심 설비가 컨버터 밸브다. 밸브는 전력반도체를 이용해 전류를 빠르게 스위칭하고, 제어시스템은 전압·전류와 전력 흐름을 감시하면서 밸브의 동작을 정밀하게 조절한다.

밸브가 전력을 실제로 바꾸는 '손'이라면 제어시스템은 손의 움직임을 결정하는 '두뇌'에 가깝다.

HVDC는 크게 전류형(LCC)과 전압형(VSC)으로 나뉜다. 전류형 HVDC는 사이리스터(큰 전기를 켜고 끄는 전력용 반도체 스위치)를 활용해 대용량·장거리 송전에 오랫동안 쓰여온 기술이다. 전압형 HVDC는 IGBT 등 전력반도체를 이용해 전력 흐름을 보다 유연하게 제어할 수 있다는 점이 특징이다.

특히 전압형 HVDC에는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC) 방식이 활용된다. 여러 개의 전력변환 모듈을 조합해 고전압을 처리하는 구조다. 단일 장치가 모든 전력을 처리하는 방식과 달리 다수 모듈이 전력을 나눠 처리해 고전압 전력망에서 전압을 세밀하게 제어할 수 있다.

전압형 HVDC는 이 같은 특성을 바탕으로 재생에너지 연계와 전력계통 안정화, 전력 흐름 제어 등에 활용 범위를 넓히고 있다.

◆ 200MW에서 2GW로…한전 실증사업서 국산화 승부

효성중공업은 200MW급 전압형 HVDC 독자기술을 확보하고 경기 양주변전소에 관련 변환설비를 구축했다. 회사는 이를 바탕으로 2GW급 대용량 전압형 HVDC 기술 개발로 영역을 넓히고 있다. 2024년 양주변전소에 독자기술 기반 200MW급 전압형 HVDC를 설치하며 기술력을 입증했다.

200MW에서 2GW로 용량을 확대하는 것은 단순히 전력량만 10배 늘리는 작업이 아니다. 대용량 전력을 안정적으로 변환하려면 컨버터 밸브와 변압기뿐 아니라 냉각·절연·제어·보호 등 전체 시스템의 신뢰성을 확보해야 한다. 전력망에 연결되는 설비인 만큼 순간적인 이상 상황에도 전력 흐름을 안정적으로 제어할 수 있어야 한다.

효성중공업은 HVDC 관련 생산능력 확대에도 나서고 있다. 창원에 HVDC 변압기 생산시설을 구축하는 등 관련 설비 투자를 진행 중이다. 회사는 2027년까지 2GW급 전압형 HVDC 설계와 개발을 마치고, 2029년 중반 제작을 완료한다는 계획이다.

한전은 대용량 전압형 HVDC 핵심 기자재의 국산화와 실증을 추진하고 있다. 한전은 효성중공업이 개발한 핵심 기자재를 실제 HVDC 사업에 적용해 성능과 신뢰성을 검증할 계획이다. 실증 대상인 새만금~서화성 HVDC는 약 220km, 2GW급으로 추진된다. 1단계 사업 준공 목표는 2030년이다.

국산 밸브와 제어기가 실제 전력망에서 검증되면 효성중공업은 대용량 HVDC 운전 경험이라는 핵심 레퍼런스를 확보하게 된다. 이는 향후 서해안 에너지고속도로 후속 구간과 해외 HVDC 프로젝트 수주 경쟁력으로 이어질 수 있을 것으로 보인다. 

◆ 노르웨이~영국 720km 해저망…AI·재생에너지 시대 '전력 고속도로'

HVDC는 해외에서 이미 대규모 전력망을 연결하는 데 활용되고 있다. 대표 사례가 노르웨이와 영국을 연결하는 노스 시 링크(North Sea Link)다. 약 720km 해저 전력망으로 최대 1400MW의 전력을 송전하며, 2021년 상업 운전을 시작했다.

이 사업은 전력을 한 방향으로만 보내는 설비가 아니다. 양국의 전력 수급 상황에 따라 전력을 양방향으로 주고받는다. 영국의 풍력발전량이 많을 때는 전력을 노르웨이로 보내고, 영국의 전력 수요가 높거나 풍력발전량이 떨어질 때는 노르웨이 수력발전 전력을 공급받는 방식이다.

HVDC가 단순 장거리 송전을 넘어 서로 다른 전력계통을 연결하고, 전력 수급을 조절하는 계통 운영 기술로 활용될 수 있음을 보여주는 사례다.

또 다른 사례인 모로코~영국 Xlinks 프로젝트는 모로코의 태양광·풍력 전력을 약 3800km 해저 HVDC 케이블로 영국에 보내 최대 3.6GW를 공급하는 구상이었다. 다만, 영국 정부는 지난해 6월 해당 프로젝트에 대한 정부 지원을 하지 않기로 결정했고, 사업 추진 방식은 재검토되고 있다.

HVDC의 중요성이 커지는 배경에는 전력 생산 구조와 수요 변화가 있다. 태양광·풍력 등 재생에너지 발전원은 전국 곳곳에 확대되고 있지만, 전력 수요는 수도권과 산업단지에 집중된다. AI와 데이터센터 산업 확대로 대규모 전력을 안정적으로 공급해야 할 필요성도 커지고 있다. 효성중공업도 HVDC와 데이터센터용 반도체 변압기(SST) 등을 차세대 전력망 기술로 제시하고 있다.

결국 전력망 경쟁력은 발전소의 발전 능력만으로 결정되지 않는다. 어디서 생산한 전기를 얼마나 효율적이고 안정적으로 필요한 곳까지 보낼 수 있느냐가 중요해지고 있다.

HVDC는 재생에너지와 대규모 전력 수요를 잇는 핵심 기술이다. 효성중공업이 200MW급 기술을 2GW급으로 확장하고, 한전이 핵심 기자재 국산화와 실제 전력망 실증에 나서면서 국내 HVDC 산업도 기술 개발을 넘어 상용화·사업화 단계로 진입할지 주목된다.

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