직류 방식과 교류 방식

직류 방식과 교류 방식 각각의 장단점을 분석하여, 향후 새로운 송배전시스템의 도입을 예상해 보자.

 

1. 개요

현재 발전에서 송전, 변전, 배전, 수전을 거쳐  건축물의 말단에 이르기까지 대부분은 교류방식으로 이뤄지고 있다.

교류방식은 직류방식보다 유리한 점이 많기 때문이다. 하지만 교류 송배전방식과 직류 송배전방식의 장단점이 서로 보완 관계에 있기 때문에 적절한 조합이 매우 중요하다.

즉, 송배전시스템은 전력손실 측면에서 직류 송배전방식을 채택하고, 수전 및 수용가에서는 기존과 같이 교류 방식을 채택하면 각각의 장단점을 보완하는 전력시스템이 될 것이다.

 

2. 교류 방식의 장점

1) 전압의 승압, 강압 변경이 용이하다.

전력 전송을 합리적, 경제적으로 운영해 나가기 위해서는 발전단에서 부하단에 이르는 각 구간에서 전압을 사용하기 편리하고 적절한 값으로 변화시켜 줄 필요가 있다. 교류방식은 변압기라는 전력변환장치를 이용하여 전압의 승압과 강압을 용이하게 또한 효율적으로 수행할 수 있다.

 

2) 회전 자계를 쉽게 얻을 수 있다.

교류 발전기는 직류 발전기보다 구조가 간단하고 효율도 좋으므로 특수한 경우를 제외하고 대부분 교류 발전기를 사용하고 있다. 또한, 3상 교류 방식에서는 회전 자계를 쉽게 얻을 수 있다는 장점도 있다.

 

3) 일관된 시스템을 운용할 수 있다.

현재 부하의 대부분은 교류방식으로서 건축물 내의 전력시스템을 교류방식으로 통일하면 합리적이고 경제적인 송배전시스템을 운용할 수 있다.

 

3. 직류 방식의 장점

1) 절연 계급을 낮출 수 있다.

직류방식은 선로 전압이 같은 실효값의 교류 전압 최고치의  약 0.707배 이므로 선로의 절연이 그만큼 용이해진다. 따라서 가공선일 경우에는 선로의 건설비가 저렴해지고 철탑 등도 소형화할 수 있다. 케이블 송전의 경우 교류송전에 의한 과대한 충전용량이나 유전체 손실, 표피효과, 근접효과 등이 없어서 송전용량을 크게 할 수 있다.

 

2) 전력 안정도가 우수하다.

직류 방식에는 리액턴스 또는 위상각에 대해서 고려할 필요가 없다. 이 때문에 교류 방식에서 문제가 되는 안정도상의 제약이 없어서 전선의 열적허용전류의 한도까지 송전할 수 있다. 즉 대전력의 장거리 송전이 가능하다.

 

3) 송전 효율이 좋다.

교류송전에서는 무효전력이나 표피효과 때문에 송전손실이 커지지만 직류에서는 이런 것이 없다. 또한 역률이 항상 1이기 때문에 송전 효율도 좋아진다.

 

4) 직류에 의한 계통 연계는 단락 용량을 증대시키지 않기 때문에 교류 계통의 차단 용량이 작아도 된다.

 

5) 비동기 연계가 가능하므로 주파수가 다른 계통 간의 연계가 가능하다.

대륙간 전력의 송배전이 가능하여 슈퍼그리드(Super Grid)의 도입이 가능하다.

 

6)  태양광발전시스템, 연료전지 등의 직류를 생산하는 신재생에너지 발전시스템과의 연계가 용이하다.

 

7) V2G(Vehicle to Grid), ESS (Energy Storage System)과의 연계가 용이하다.

직류(DC) 송배전방식의 구성

4. 직류 방식 도입 시 고려사항

건축물 내의 전력계통은 대부분 교류방식이므로 직류 방식을 도입하기 위해서는 다음과 같은 사항들을 고려해야 한다.

1) 전력변환장치(직류를 교류로 변환하는 것으로서 인버터 등)에 대한 설치 및 경제성  

2) 교류를 사용하는 전동기와 같은 부하에 대한 전력공급 방안

3) 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치 인버터 등에서 발생하는 고조파 발생에 대한 대책

4) 스마트그리드 직류배전 방식의 적용

5) V2G(Vehicle to Grid) 등 전기자동차 전력계통 연계 방안 

 

5. 결론

일반 건축물은 대부분 교류방식을 적용하고 있으며, 이는 전압 변성과 회전자계를 쉽게 얻을 수 있다는 장정과 교류방식으로 통일된 전력계통 운용을 할 수 있기 때문이다. 최근 급증하는 초고층 건축물과 신재생에너지 발전시스템, 전기자동차 등과 함께 전력품질 문제 등을 고려하면 전력손실 감소, 표피효과, 근접효과 없는 직류방식의 장점도 고려해야 한다. 직류방식은 장거리 송배전, 전력손실 측면, 신재생에너지 발전시스템과의 연계, 스마트그리드의 실현, LED 조명의 증가 등을 고려할 때 직류방식의 도입으로 교류방식의 단점을 보완하는 중요한 핵심기술이 될 것으로 기대한다.