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(등촌광장)디지털전기 시대가 온다
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홍준희 가천대 에너지IT학과 교수
디지털전류(Digital Current)를 아십니까?

2030년 즈음의 에너지 분야에서 가장 큰 변화를 예상하라면, 단연코 디지털전류의 등장일 것이다. 디지털전류는 전력산업을 근본적으로 혁신시킬 가장 강력한 기술이 될 것이다.
새로운 기술은 현재의 한계로부터 온다. 2030년의 전력망, 특히 배전망은 도시의 스마트화, 전기자동차 확산, 도시공간 제약과 사회친화적 인프라에 대한 요구 증대 등으로 인한 거대한 변화압력에 직면할 것이다. 미래의 스마트도시는 매우 높은 인구밀도와 생산성, 소득수준, 왕성한 경제활동과 소비 등으로 인해 필연 강력하고 고품질의 배전 능력을 요구할 것이다. 이에 더하여 늘어날 전기차와 전력저장장치를 고려한다면 기존 방식의 배전망으로는 감당할 수 없음이 분명하다. 강력한 전력전송능력과 제어 유연성을 가진 광대역 디지털전류 플랫폼이 필요한 이유다.
지금까지의 전력망 특히 배전망은 전류의 종류에 따라 교류방식과 직류방식의 두 가지로 구분했으나, 새롭게 떠오르고 있는 디지털전류 방식이 이들 모두를 과거로 보내버리고 새로운 시대의 주인공이 될 것이다.
교류(AC)는 아날로그다. 싸고 보편적이며 믿을 수 있으나 그것에 불과하다. 고밀도화, 지중화, 모듈화가 어렵고 동기성, 안정도, 무효전력 및 전압제어 문제와 같은 어려움을 값으로 치러야 한다. 비슷한 사례를 들라면 유선전화 방식이다. 싸고 보편적이며 믿기 쉽지만, 유선전화로 무엇을 할 수 있겠는가?
교류는 본성이 자기력으로 구동되는 유도전류다. 저렴하고 쉽지만 크고 무겁다. 특히 자기력 자체가 전류의 관성(변화를 반대하는 작용)이기 때문에, 전류가 연속적이기를 고집한다. 급격한 전류변화를 허락하지 않는다. 그래서 천변만화해야 하는 디지털 방식이 아닌 언제나 부드러운 아날로그 방식인 것이다.
이런 교류로 디지털 시대를 감당하기에는 한계가 있다. 그래서 최근 에디슨의 직류(DC, Direct Current)를 다시 이야기하게 되었다. 소위 전류형 컨버터로 만들어지는 전류다. 그런데 전류형은 자속의 변화(인덕턴스 곧 변압기의 작용)로부터 유도되는 전류다. 그 크기가 일정하기에 직류라 하지만, 자기력으로부터 기인하므로 전류관성을 가지게 된다. 직류 역시 아날로그인 것이다.
아날로그라면 직류도 한계가 있다. 전류의 방향을 갑자기 바꾸거나 흐름을 순간적으로 끊는 것이 자유자재에 이르기 어렵다. 미래의 스마트도시나 전기차 인프라가 요구하는 고속의 가변 전류제어, Self-healing 기능, 재난상황에서 요구되는 유연하고 기민하며 강인한 전력공급을 감당하기에는 역부족이다.
그래서 디지털전류(Digital Current)를 생각하게 되었다. 이 새로운 방식의 전류는 IGBT 기반의 전압형 전력변환장치와 캐패시터로 만드는 전류다. 전계로 구동되기 때문에 전류관성이 없다. 대신 전압의 크기를 일정하게 하려는 전압관성이 있는데 이는 오히려 장점이다.
디지털전류의 가장 큰 장점은 전계의 변화로 전류의 방향과 크기를 자유자재로 바꿀 수 있다는 점이다. 그래서 소형 태양광 발전을 Plug & Play 방식으로 활용하기, 부분 고장을 Self-healing 방식으로 대응하기, 기계적 스위치 없이 고장전류 차단하기 등이 아주 쉽다. 이런 자유로운 제어는 IGBT 기반의 전력변환장치가 마치 펌프-밸브처럼 동작하기 때문에 가능해진다.
그 결과 디지털전류(Digital Current)는 그 흐름을 마치 디지털 신호처럼 쉽게 변환하거나 제어할 수 있다. 심지어 전기에너지를 패킷방식으로 주고받을 수도 있다. 디지털 통신으로 가능해진 디지털 문명의 모든 것이 디지털전류로 보다 높은 차원에서 강화될 것이다.
이 모든 것이 전류관성이 없는 디지털전류라서 가능한 것이다. 물론 실제 물리적인 시스템에서는 상대적으로 작은 크기더라도 인덕턴스 성분이 존재한다. 따라서 완벽하게 디지털적인 끊음을 만들 수는 없을 것이다. 그러나 전류의 제어가 상대적으로 아주 쉬워짐은 분명하다. 이로부터 기존의 방식과는 차원이 다른 쉽고 안전하며 경제적인 전력망 운영이 가능해진다.
디지털전류는 변압기 대신 전력반도체를 사용하므로 소형화 경량화가 쉽다. 동일한 설비공간으로 3-5배의 전력을 공급할 수 있다.귀중한 도시공간을 최대로 활용하는 광대역 에너지 방식이라 할 수 있다. 양방향의 자유로운 전력제어로 Flexible, Agile & Resilient, Self-healing의 특성을 갖는 미래 배전망 구현이 쉽다. 디지털 사이버 공간과 실제 물리공간이 하나로 결합하는 CPS(Cyber Physical System)도 디지털전류로 쉽게 구현될 수 있다. 디지털전류는 제4차 산업혁명 시대의 핵심 에너지 플랫폼 기술이 될 것이다.
작성 : 2017년 03월 09일(목) 15:06
게시 : 2017년 03월 10일(금) 10:20


홍준희 가천대 에너지IT학과 교수

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