1. 개요
패러데이의 법칙에 근거하여 동작하는 전통적인 변압기는 1800 년대 말부터 본격적으로 사용되며 교류 송배전 시스템이 사용되는 환경을 구축하는데 중추적인 역할을 해왔다. 1886년 미국의 W.
Stanley가 개발한 양산형 제품 이후로 130년이 지난 현재까지 변 압기는 그 형태나 기본적인 동작원리에 있어서 큰 변화가 없이 꾸준히 사용되고 있다. 그러나 전력전자기술의 지속적인 발달은 기존의 변압기가 가지는 단점들을 보완하면서 여러 장점을 가지는 새로운 형태의 변압기 또는 그 역할을 할 수 있는 장치의 개발을 가능하게 하였다. 특히 최근 스마트그리드, 신재생에너지, 직류배 전등과 같은 새로운 형태의 전력 시스템 환경이 구축되어 가면서 이러한 전력전자 기술에 근거한 반도체 변압기(Solid State Trans- former : SST) 기술이 크게 부각되고 있다. 본 고에서는 이러한 반도체 변압기 기술에 관하여 전반적인 내용과 세계적인 동향, 그 리고 반도체 변압기 기술의 직류 배전 응용에 관하여 소개하고자 한다.
2. 반도체 변압기 연구개발 변천사
반도체 변압기는 전력전자 기술을 이용하여 전통적인 변압기의 역할을 수행하는 장치로, 현재는 거의 배전용 변압기를 대체하는 전력전자 기반의 변압기로 인식되고 있다. 그러나 반도체 변압기 에 관한 정의의 범위를 전자 기술에 의한 전력 계통에서의 전력 변환장치로 넓히면, 그 개발 역사는 20세기 초반까지 거슬러 올라 간다. 1944년에 E. Alexanderson 등은 그림 1과 같은 3상 이중 변환 형태의 전자식 전력 변환기를 이용한 송배전 시스템과 전동
기 구동 시스템을 소개하였다 [1]. 그러나 이 방식은 절연부가 없기 때문에 기존의 전통적인 변압기를 대체한다고 보기에는 어려움이 있다.
1968년 W. McMurray 등은 고주파 변압기를 사용한 단일 스테 이지 형태의 반도체 변압기에 관한 특허를 출원하였다. 이 회로는 부하 측 전류차단, 전류제어, 전압제어 등과 같은 기능을 가지는 것으로 현재의 반도체 변압기의 주요 기능을 상당부분 수행할 수 있다. 그 후 이러한 형태의 회로에 관한 특허가 1970년대에 지속 적으로 출원되었다.
1980년대에 들어서는 현재 국제적으로 주로 통용되고 있는 반 도체 변압기의 영문 표현인 Solid State Transformer가 Bowers 등에 의하여 사용되기 시작하였고, 그 이후 Sudhoff, Enjeti 등
직류배전을 위한 반도체 변압기 기술
건국대학교 전기공학과 조영훈
DOI http://dx.doi.org/10.18770/KEPCO.2016.02.04.499
그림 1 이중 변환 방식을 이용한 전자식 컨버터 회로구조 [1]
그림 2 고주파 변압기를 이용한 전력 변환기 [2]
전력전자분야를 연구하는 대학의 교수들에 의하여 관련분야 연구 가 지속되어 왔다.
한편 2005년에는 버지니아 공대(Virginia Tech)의 Lai와 미국 전력 연구소인 EPRI (Electric Power Research Institute)에 의하 여 보다 현대적이고 기능이 강화된 반도체 변압기가 발표되었는 데, 이를 IUT (Intelligent Universal Transformer)라고 부르기도 한다 [3]. 이 반도체 변압기는 기존의 방식들과 달리 능동 정류기, DC-DC변환기, 그리고 부하 인버터가 개별적으로 구성되어 있다.
따라서 1차 측과 2차 측이 기능적으로 완전히 분리되어 기존의 변압기가 갖는 1, 2차 측의 기능적인 결합으로부터 발생되는 단점 들을 완벽히 보상할 수 있으며, 현재 주로 개발되고 있는 3 스테 이지 형태 반도체 변압기의 초기형태라고 할 수 있다.
2000년대 후반부터는 반도체 변압기에 관한 연구 수요가 미국 내 연구소 및 대학을 중심으로 본격적으로 시작 되었으며, 그에 발맞추어 유럽과 중국, 그리고 우리나라에서도 관련 연구가 진행 되고 있다.
그림 4는 변전소 적용을 위한 단상 1MVA급 반도체 변압기를 보여준다. SSPS (Solid State Power Substation)이라고 불리우기 도하는 이 반도체 변압기의 입력전압은 8 kV이며, 출력전압은
268 V이고, 0.85 pu의 부하에서 97%의 효율을 갖는 것으로 알려 졌다. 이 반도체 변압기는 기존 60 Hz 변압기대비 크기가 절반, 그리고 무게가 1/4밖에 되지 않는다.
그림 5는 노스캐롤라이나 대학에서 제작한 변전소 응용을 위한 반도체 변압기를 보여준다. 이 반도체 변압기의 입력은 선간 13.8 kV, 출력은 선간 480 V이다. 이 반도체 변압기는 전력 조류 제어, 단위 역률 제어, 무효 전력 보상등의 역할을 수행할 수 있도록 설계되 었다.
그림 5는 버지니아공대에서 개발한 25 kW급 단상 반도체 변압 기이다. 이 회로의 입력 전압은 8 kV이고, 출력 전압은 단상 3선 식 240 V이다. 이 반도체 변압기는 최대 전력 조건인 25 kW에 서 97.5%의 효율을 갖는다.
한편 교류 배전용 반도체 변압기 외에 직류 배전 및 전기자동차 직류 급속 충전을 위한 반도체 변압기도 개발되고 있다. 그림 6은 버지니아 공대에서 개발한 50 kW급 직류 배전 및 전기자동차 급 그림 3 1차 측과 2차 측의 기능이 분리된 IUT회로 [3]
그림 4 1 MVA급 단상 반도체 변압기 [4]
그림 5 노스캐롤라이나 대학의 반도체 변압기 [5]
그림 5 25 kW급 단상 반도체 변압기 [6]
속 충전을 위한 반도체 변압기를 보여준다.
이 회로의 입력 전압은 교류 2.4 kV이며 출력 전압은 배터리 충전을 위하여 직류 200~450 V로 가변된다. 이러한 시스템을 전기 자동차 급속 충전 계통에 적용 할 경우 기존의 배전용 변압기와 급속 충전기 조합 대비 6%정도의 시스템 효율 향상이 가능하다.
한편 전기 철도 분야에서도 반도체 변압기가 사용되고 있는데 그림 7은 철도 차량 응용을 위한 반도체 변압기의 회로 구성도와 ABB에서 실제 제작한 PETT (Power Electronic Traction Transformer)
라고 불리우는 반도체 변압기를 보여준다.
이 반도체 변압기는 교류 15 kV의 전압을 입력으로 받고 직류 1,500 V를 출력해주는 것으로 기존의 60 Hz 변압기와 AC/DC 정 류기 조합 대비 최소 5%에서 최대 7%의 효율 향상을 가져온다.
이 외에도 최근에는 다양한 국가에서 전력 계통을 비롯한 다양 한 응용 분야에서 반도체 변압기의 실용화를 위한 연구가 다수 진 행 중이라는 것을 알려둔다.
3. 배전용 반도체 변압기 3.1 교류 배전용 반도체 변압기
전통적으로 반도체 변압기는 교류 배전 시스템에 적용하는 것 을 목적으로 하여 개발되어 왔으며, 직류 배전을 위한 반도체 변 압기도 그 기본 구조가 교류 배전을 위한 반도체 변압기와 크게 다르지 않다. 그림 6은 교류 배전 계통 적용을 위한 3스테이지 형태 반도체 변압기의 구조를 보여주고 있다.
반도체 변압기는 1차 측, 즉 전원단에는 AFE (active front end) 정류기를, 2차 측 부하단에는 부하 인버터를 가지고 있다. AFE정 류기와 부하 인버터 사이에는 절연형 DC-DC 컨버터가 존재하여 1차 측의 높은 전압을 2차 측에서 이용할 수 있는 수준으로 낮춰 줌과 동시에 절연을 담당한다.
이러한 구조로부터 반도체 변압기는 기존의 배전용 변압기와 달리 배전단 1차 측과 2차 측의 동작을 기능적으로 완전히 분리 시킬 수 있다. 따라서 1차 측의 경미한 사고 또는 낮은 전원 품 질이 2차 측의 전압 품질에 영향을 주지 않으며, 2차 측의 비선 형 전류, 순환전류와 같은 비이상적인 부하가 1차 측 전원품질에 영향을 주지 않는다. 게다가 반도체 변압기는 직류링크에 저장된 에너지를 이용하여 1차 측 전원의 순간전압강하와 같은 상황에서 도 2차 측의 전압 품질을 일정수준 유지할 수 있어 전력 품질 보 상의 기능도 일부 가지고 있다. 표 1은 교류 배전 계통에서 반도 체 변압기와 기존 변압기의 차이점을 각각 비교한 것이다.
표 1에서 알 수 있듯이 반도체 변압기는 2차 측 부하의 형태에 관계없이 AFE정류기의 동작에 의하여 배전단 1차 측 전류를 항상 단위역률로 제어할 수 있다. 따라서 전력회사 측에서는 반도체 변 압기를 채택한 배전 시스템에 유효 전력만을 공급하게 되며 역률 개선 설비의 설치를 원천적으로 요구하지 않을 수 있다.
게다가 반도체 변압기의 2차측 전압은 부하 인버터의 전력 및 그림 6 50 kW급 직류 단상 반도체 변압기
그림 5 철도차량용 1.2 MVA급 반도체 변압기 [7]
그림 6 교류배전 계통 적용을 위한 반도체 변압기
전류용량이 허용하는 한 1차측 전압과 관계없이 항상 무전압변동 률 (zero voltage regulation)에 근접한 값으로 유지될 수 있다.
한 가지 주목할 만한 것은 반도체 변압기는 기존의 변압기에는 없는 직류 링크를 가지고 있다는 것이다. 이러한 직류 링크의 존 재는 반도체 변압기가 ESS(energy storage system), 태양광 PCS (power conversion system) 등과 같은 시스템과 쉽게 결합될 수 있음을 의미한다.
이러한 다양한 장점이 있음에도 불구하고, 반도체 변압기를 기 존의 교류 배전용 변압기를 단순 대체하는데 사용하는 것에 관한 회의적인 의견이 많다. 그림 7은 스위스 취리히 연방 공과 대학교 (ETH Zurich)의 Kolar 교수가 교류 배전 시스템에서의 반도체 변압기와 전통적인 변압기를 무게, 부피, 비용, 가격 측면에서 비 교한 결과를 보여준다 [8]. 여기서 LFT (low frequency trans- former)는 기존의 배전용 변압기를 의미한다.
이 결과에 따르면, 무게와 부피 측면에서는 반도체 변압기가 기
존 변압기 대비 유리한 반면, 비용은 약 3배 이상, 그리고 손실은 약 2.5배 이상 증가한다는 것을 알 수 있다.
그림 8은 미국 버지니아 공대(Virginia Tech)의 Lai 교수 연구 팀에서 8 kV/25 kW급 반도체 변압기(IUT라고 표현)를 제작하여 그 효율을 기존의 배전용 변압기와 비교한 것을 보여준다. 그림 7 에서의 분석과 마찬가지로 반도체 변압기가 거의 전 영역에서 기 존의 배전용 변압기 대비 효율이 낮은 것을 알 수 있다.
비용에 관해서는 현재 반도체 변압기가 당연히 비쌀 수 밖에 없는데, 그 이유는 기존의 변압기는 대량 양산체제가 확보된 반 면, 반도체 변압기는 그렇지 못하기 때문이다. 그리고 이러한 높 은 비용과 상대적으로 낮은 효율 문제는 반도체 변압기가 여러 장점이 있더라도 이를 교류 배전 시스템에 본격적으로 적용하데 큰 걸림돌이 되고 있다.
종합하여 볼 때 교류 배전 시스템에서 반도체 변압기가 기존의 배전용 변압기와 1:1로 대치되는 것은 아직까지는 시기상조이며, 향후 중장기간 이것이 본격적으로 실현되기 어렵다는 것이 이 분 야 전문가들의 의견이다.
3.2 직류 배전용 반도체 변압기
기존의 교류 배전 시스템에서 반도체 변압기가 큰 장점을 가지 지 못하는 반면 최근 전 세계적으로 연구 개발이 진행 중인 직류 마이크로그리드 및 직류 배전 시스템에서의 반도체 변압기는 큰 역할이 기대된다. 이러한 직류 기반 계통 시스템에서는 기존 교류 시스템과 접속되기 위한 직교류 접속 시스템, 그리고 고압 직류에 서 저압 직류로 변환하는 DC-DC컨버터 등이 필요하다. 기존의 배전용 변압기는 직류 전력의 변환이 불가능하므로 이러한 직류 계통에서 전력전자 기술에 기반한 반도체 변압기는 필수불가결한 요소이다.
그림 9는 기존의 변압기를 사용하는 환경에서의 직교류 배전 기존의 변압기 반도체 변압기
교류 배전만 가능 직/교류 배전 가능 단일 전압 출력 다중 전압 출력 전력 품질 보상 불가 전력 품질 보상 가능
절연유 사용 절연유 미사용
역률이 부하에 종속적임 단위역률가능 직류링크 없음 직류링크 있음 기술적으로 성숙 기술개발 초기단계
경제적 비경제적
고효율 상대적으로 낮은 효율 표 1 기존의 변압기와 반도체 변압기의 비교
그림 7 교류 배전 계통 하에서의 반도체 변압기와 기존 변압기의 비교 [8]
그림 8 7.2kV/25kW급 반도체 변압기와 일반 배전용 변압기의 효 율 비교 결과 [6]
접속시스템의 개념도를 보여준다. 이 시스템은 기존의 전통적인 변압기로부터 출력되는 교류 전력을 정류기를 이용하여 직류로 바 꿔서 직류 부하에 전력을 공급한다. 이러한 조합은 특히 직류 배 전 용량이 커질수록 전체 시스템의 효율이 저하된다.
한편 이러한 시스템을 반도체 변압기를 이용하여 구현할 때에 는 그림 10과 같이 반도체 변압기의 단독적용으로 구현이 가능하다.
앞의 교류 배전 시스템에서 반도체 변압기와 기존 변압기의 비 교가 수행되었듯이 같은 연구자에 의하여 직교류 배전 접속 시스 템에 관한 두 변압기들의 비교결과가 그림 11에 나타나 있다.
이 경우에는 앞의 교류 배전 시스템의 경우와 달리 반도체 변 압기를 적용한 직류 계통이 무게, 부피, 가격, 손실 등 모든 면에 서 기존 배전용 변압기와 정류기 조합 대비 유리한 것으로 나타 난다. 그 이유는 반도체 변압기가 정류 기능과 동시에 직류 전압 제어 기능까지 담당하여 전체 시스템의 구성이 단순해지고 효율이 상승되기 때문이다.
그림 12는 이러한 직교류 배전 접속 시스템의 구현을 위하여 취리히 연방 공과 대학교에서 제안한 회로 구성의 개념도를 보여 준다. 이 시스템은 6.6 kV의 3상 교류 배전 시스템과 400 V의 직류 배전 시스템을 접속하기 위한 시스템으로 교류단에서 직류단
으로만 전력 공급이 가능하다. 이를 위하여 각 상별로 단방향 단 상 반도체 변압기를 적용하였다.
이러한 직교류 접속 시스템 외에 직교류 하이브리드 배전 시스 템에 반도체 변압기를 적용하고자 하는 연구도 증가하고 있다.
그림 13은 미국 노스캐롤라이나 주립대학교 (North Carolina State University : NCSU)에서 발표한 반도체 변압기 기반 직교류 하이브리드 배전 구조를 보여준다. 이 시스템은 기본적으로 반도 체 변압기를 채택하여 반도체 변압기가 직류 및 교류 배전을 담 당하는 것이다. 이러한 시스템은 신재생 에너지, ESS, 분산 발전 전원 장치들이 계통에 접속 될 경우 반도체 변압기를 통하여 보 다 직관적이고 효율적으로 운전이 가능하게 해준다. 앞의 분석과 마찬 가지로 직류 배전 시스템의 용량이 증가할수록 반도체 변압 기를 이용한 직교류 하이브리드 배전시스템의 장점이 더 부각될 것으로 기대된다.
그림 9 기존의 변압기를 이용한 직교류 배전 접속 시스템
그림 10 반도체 변압기를 이용한 직교류 배전 접속 시스템
그림 11 직류 배전 계통 하에서의 반도체 변압기와 기존 변압기 의 비교 [8]
그림 12 반도체 변압기를 이용한 직교류 배전 접속 시스템 [9]
그림 13 반도체 변압기 기반 직교류 하이브리드 배전 시스템 [10]
4. 반도체 변압기 회로 구조
반도체 변압기의 1차측 전압은 일반적으로 수천 볼트 이상으로 높기 때문에, AFE정류기 구현을 위해서는 멀티레벨 컨버터 회로를 적용하는 것이 대부분이다. 그림 14는 노스캐롤라이나 주립대학에 서 제안한 직교류 하이브리드 배전시스템의 회로구조를 보여준다.
이 회로는 가장 단순한 형태인 풀브리지 컨버터를 여러 대 직 렬 접속하여 AFE정류기를 구현하였다. 각각의 AFE정류기 출력부 에는 두 개의 풀컨버터로 구성된 DAB (dual active bridge) DC- DC 컨버터가 연결되어 있다. 이 DAB컨버터의 입력은 직렬로 연 결되어 있고 출력단은 병렬로 연결되어 부하 인버터의 직류 링크 를 제공한다. 한편 이 직류링크는 400 V로 제어되는데, 바로 이 단에 직류 배전 장치들이 접속된다. 이 직류 링크측 전압은 기본 파 주파수의 2배 맥동을 가지고 있기 때문에 이를 저감하기 위하 여 직류 배전단에 별도의 DC-DC컨버터가 추가되기도 한다.
그림 15는 취리히 연방 공과 대학교에서 제안한 직교류 배전 접속 시스템의 회로 구성도를 보여준다. 이 회로는 AFE정류기로 단방향 3레벨 PFC(power factor correction) 정류기가 여러 대
직렬로 연결되어 있고, DC-DC변환 스테이지 구성을 위하여 3레 벨 하프브리지 형태의 절연형 컨버터를 채용한다. 이 컨버터의 2 차 측이 곧바로 직류 배전 계통으로 연결된다.
그림 16은 버지니아공대에서 제안한 단상 25 kW급 교류 배전 용 반도체 변압기 회로를 보여준다. 이 회로의 입력은 최대 8kV 이며, 출력은 240 V이다. 이 회로에서는 10개의 AFE정류기 및 DC-DC컨버터 스테이지가 직렬로 연결된다. 그림 17은 한 개의 전력변환스테이지 회로 구조를 보여주고 있다. 여기서 AFE정류기 는 3레벨 PFC정류기를 사용하였고, 절연형 DC-DC컨버터는 직렬 로 연결된 하프브리지 LLC컨버터를 채용하였다.
앞의 반도체 변압기들이 다수의 PFC정류기를 여러 대 직렬로 쌓아서 AFE 정류기를 구현한 반면, 그림 18에서는 15kV급 SiC (Silicon Carbide) IGBT소자를 사용하여 하나의 전력스테이지로 AFE 정류기를 구현한다. 이러한 고전압 소자들의 출시는 기존의 방법들에 비하여 훨씬 간편하게 회로를 구성할 수 있어 향후 지 속적인 연구개발이 기대된다.
그림 14 직교류 하이브리드 배전시스템용 반도체 변압기 회로구 조 [10]
그림 15 직교류 배전 접속을 위한 반도체 변압기 회로 [9]
그림 16 단상 25 kW급 교류 배전용 반도체 변압기 회로[6]
그림 17 반도체 변압기 AFE정류기 및 DC-DC컨버터 예[6]
5. 국내외 개발 동향 5.1 국외 개발 사례
전술하였듯이 반도체 변압기가 차세대 배전 기술로 그 중요성 이 크게 부각되고 있는 현실에 발맞추어 해외에서도 이에 관하여 매우 적극적인 연구개발이 진행되고 있다. 미국과 유럽의 경우 어 떠한 기술 개발의 초기 단계에서는 기업과 연구소의 지원을 받아 대학에서 연구가 시작되는 것이 대부분이며, 이는 반도체 변압기 의 개발에 있어서도 마찬가지이다. 이 분야 기술을 선도하고 있는 미국은 자국의 전력 연구소인 EPRI(Electric Power Research Institute)를 중심으로 다수의 전력회사, 중전기회사, 그리고 전력 부품업체들이 연구개발기금을 조성하고 대학에 적극적인 투자를 하여 기술을 개발하고 있다.
이 분야에서 미국 내 대표적인 연구그룹으로는 노스캐롤라이나 주립 대학의 Dr. Huang과 Dr. Bhattacharya 그룹, 버지니아 공 대 Dr. Lai, 그리고 Dr. Boroyevich그룹이다. 노스캐롤라이나 주 립대학에서는 기존의 배전용 변압기를 반도체 변압기로 대체하기 위한 연구를 주로 수행하고 있으며, 다수의 논문으로 우수한 연구 결과를 발표하고 있다. 버지니아공대도 이와 비슷하게 연구를 진 행하고 있으나, 교류 배전용 반도체 변압기뿐만 아니라 직류 배전 및 전기자동차 직류 급속 충전을 위한 반도체 변압기에 관한 연 구도 수행 중에 있다. 미국 내 연구그룹이 다른 나라의 연구진들 과 다른 차이점중 하나는 바로 국제 전력용 반도체 기술을 선도 하는 자국의 소자 기술에 힘입어 10 kV이상의 고압 SiC스위칭 소 자를 반도체 변압기의 개발에 적용한다는 것이다. 이는 Si(Silicon) 기반의 고압 스위칭 소자 또는 1,700 V급 이하의 SiC 스위칭 소 자를 적용하는 방식에 비하여 AFE 스테이지의 회로를 극적으로 단순화 시킬 수 있기 때문에, 기술적으로나 가격적으로나 매우 경 쟁력 있는 반도체 변압기의 개발이 가능하다.
유럽의 경우 취리히 연방 공과 대학교의 Dr. Kolar 교수그룹이 활발한 연구를 진행중에 있다. 특히 취리히 연방 공과 대학교의 경우에는 일반적인 고압 Si 또는 1,200~1,700 V급 SiC 소자를 이 용한 다양한 토폴로지, 그리고 고주파 변압기를 포함한 자성소자 의 설계 및 구현에 관하여 우수한 연구결과를 발표하고 있다.
최근에는 중국 정부의 막대한 지원에 힘입어 칭화대를 비롯한 몇 몇 중국 대학에서도 반도체 변압기에 관한 연구결과를 내놓고 있 는데, MMC (Modular Multilevel Converter) 를 포함한 회로 구 조에 관한 기초 연구부터 수 kV/수십 kW급의 시제품 개발까지 전방위적인 연구가 진행 중인 것이 확인된다.
5.2 국내 개발 사례
해외와 마찬가지로 국내에서도 반도체 변압기에 대한 연구가 진행중이다. 그러나 이 기술에 관한 국내에서의 인식과 연구 규모 는 다른 나라에 비해 미미한 수준이다. 게다가 국내의 배전단 1차 전압은 선간 22.9 kV, 상 13.2 kV로 세계에서 제일 높은 수준이 기 때문에 그 정도의 높은 전압 정격을 갖는 반도체 변압기의 개 발이 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 국내에서는 일부 연구소와 대 학에서 배전용 반도체 변압기를 꾸준히 개발하고 있다. 전력연구 원에서는 2013년에 6.6 kV/30 kW급의 반도체 변압기를 개발했 고, 그 이후 한국전기연구원에서 그림 19와 같은 3.3 kV/10 kVA 급의 반도체 변압기를 개발한 이력이 있다.
대학의 경우에는 명지대학교와 건국대학교에서 AFE정류기, DC/
DC, 그리고 인버터 스테이지를 포함한 배전용 반도체 변압기를 개발했거나 개발하고 있다. 명지대학교의 한병문 교수 그룹은 한국 연구재단의 지원을 받아 반도체 변압기를 개발하였다.
건국대학교에서는 필자가 2015년부터 한국연구재단의 지원을 받아 13.2 kV/10 kVA급의 배전용 반도체 변압기를 개발하고 있
그림 19 한국전기연구원에서 개발한 3.3 kV/10 kVA급 반도체 변압기
그림 20 명지대학교에서 개발한 3.3 kV/6 kVA급 반도체 변압기 [11]
그림 18 15kV급 소자를 사용한 AFE정류기[5]
다. 그림 21은 필자의 연구실에서 개발 중인 반도체 변압기의 AFE 정류기 실험 파형을 나타낸 것으로 입력전압은 교류 9.9 kV, 전 력은 7 kVA조건이다. 여기서 입력전압 파형은 계통측 전압이 아 닌 멀티레벨 AFE정류기의 입력전압으로 전형적인 다단 형태의 스 위칭 전압이 나타남을 알 수 있다. 건국대학교에서는 향후 지속적 인 실험과 회로 구조의 보완을 통하여 국내 배전 계통에 적용 가 능한 13.2 kV급의 반도체 변압기 개발을 목표로 하고 있다.
최근에는 한국전력공사의 재원과 전력연구원 주도로 한국전기연 구원, 건국대학교, 경북대학교, 아주대학교의 협력으로 직류 배전 을 위한 반도체 변압기 기술을 개발하고 있고, 개발 완료 시점은 2018년 하반기이다. 이 반도체 변압기는 13.2 kV의 교류 전압을 입력으로 받고, ±750 V의 양극성 직류 출력을 갖는다. 그림 22는 개발 중인 반도체 변압기 10개의 스테이지 중 한 개의 스테이지 구조를 보여준다.
이와 같이 국내에서도 그 규모는 작지만 꾸준한 연구 개발이 진 행 중이며, 향후 고압 스위칭 소자의 국내 도입이 시작된다면 보 다 더 많은 연구 개발이 이루어질 것으로 기대된다.
6. 맺음말
전 세계적으로 전력 계통 인프라의 재구축, 스마트 그리드 및 직류 배전의 확산과 같은 전력 계통 환경의 변화는 전력전자 기 술을 응용한 지능형 전력기기의 전력망 도입을 촉진하고 있다. 그 중에서도 배전단에 설치되는 반도체 변압기는 고압 직류 송전 시 스템과 더불어 전력전자기술이 핵심이 되는 장치이다.
이러한 반도체 변압기는 전력용 반도체, 전력변환회로, 전원장 치, 제어기법, 절연기술, 그리고 시스템 운용 기술까지 다양한 분 야의 고급기술들이 융합된 시스템이다. 그 중에서도 가장 중요한 기술 중의 하나는 바로 전력용 반도체 기술이다. 최근의 추세는 10kV이상의 SiC 소자를 반도체 변압기에 이용하는 것인데, 안타 깝게도 우리나라에서는 이와 관련된 연구가 진행되지 못하고 있 다. 그 이유는 미국 등 일부 국가에서 가지고 있는 고전압 반도체 기술이 국내에는 없기 때문이며, 그러한 소자들의 제조사들이 다 른 나라에는 아직 유통을 하지 않기 때문이다. 따라서 미국 내의 여러 대학 및 연구기관에서 고전압 소자를 이용한 반도체 변압기 의 개발에 상당한 역량을 집중하고 있는 반면, 국내에서는 아직 그러한 부분을 시도조차 못하고 있는 실정이다.
다음으로 중요하고도 어려운 기술 중 하나가 바로 절연기술이 다. 특히 절연형 dc-dc 스테이지의 고주파 변압기 설계가 매우 중 요한데, 이는 전력전자 기술뿐 아니라 전자기 해석과 재료 기술이 필요한 부분이다. 또한 게이트 구동을 위한 전원장치 기술, 그리 고 고절연 신호 전달기술도 까다롭지만 매우 중요한 기술이다. 그 러나 이 분야 또한 국내의 연구 인프라가 부족하다.
그 외 제어기 설계, 그리고 시스템 운용 기술 등은 국내에서도 경험있는 기술자들이 많이 있고, 비교적 쉽게 접근할 수 있는 부 분이다.
전자 산업과 중공업이 주된 우리나라의 산업환경 하에서 전력 전자기술은 핵심(core) 또는 구현(enabling)기술로써 자의에 또는 타의에 의하여 제 몫을 잘 해오고 있다. 그리고 대다수의 산업계 및 학계 전문가들은 국내의 기술력과 연구 인프라가 세계적인 수 준이라고 인정하는 것도 사실이다. 그러나 이를 반도체 변압기와 같은 고전압, 고신뢰, 그리고 고도화된 전력전자기술이 요구되는 분야로 시야를 돌려보면, 이는 전혀 사실이 아니다. 전통적인 전 력전자 강국인 미국, 일본, 독일, 스위스 외에도 신흥 강국으로 급 부상하고 있는 중국, 인도, 스페인, 그리고 대만 같은 국가들의 차 세대 전력전자기술 개발에 대한 정부와 기업, 그리고 학계의 노력 은 우리나라의 그것과는 비교할 수 없을 정도이다. 우리나라에서 는 전력전자기술이 응용 기술이고 상당부분 산업계가 주도를 하고 있는 것으로 오해하며 학교나 연구소의 기초 기술 개발을 간과하 는 부분이 있다. 그러나 이것은 사실이 아니며 반도체 변압기 한 분야만 보더라도 여전히 국제 학술지에는 학교와 연구소에서 관련 된 기초 연구 결과를 매년 수십 편씩 발표하고 있는 실정이다. 그
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13.6kVpk
switching stage input voltage grid current
그림 21 건국대학교에서 개발중인 반도체 변압기의 AFE정류기 실험 파형
그림 22 직류배전용 반도체 변압기 단일 스테이지
중에서 국내 연구진들에 의하여 발표되는 논문은 거의 찾아보기가 어렵다. 전술했듯이 중장기적으로 볼 때 반도체 변압기와 같은 지 능형 전력기기들의 도입은 확실시 되고 있다. 특히 직류 배전의 활성화는 반도체 변압기의 필요성을 크게 증가시킬 것으로 예측된 다. 이제라도 정부와 기업에서 이 분야의 기초 및 제품화 기술 개 발에 적극적인 지원을 통하여 다가오는 지능형 전력망 시대에 우 리나라의 반도체 변압기가 전 세계적으로 큰 역할을 할 수 있기 를 기대해본다.
References
