SST 기술: 발전 전송 배전 소비 전 과정 분석

I. 연구 배경

전력 시스템 변환 필요성

에너지 구조의 변화는 전력 시스템에 더 높은 요구를 가하고 있습니다. 전통적인 전력 시스템이 새로운 세대의 전력 시스템으로 전환되고 있으며, 그 핵심 차이는 다음과 같습니다:

Ⅱ. 고체 변압기(SST)의 핵심 적용 사례

새로운 전력 시스템의 배경에서, 적극적인 지원, 그리드 통합 조정, 유연한 상호 연결, 공급-수요 상호 작용이 시공간 에너지 보완성을 위한 주요 요구사항이 되었습니다. SST는 발전, 송전, 배전, 소비 모든 단계에 걸쳐 퍼져 있으며, 구체적인 응용은 다음과 같습니다:

• 발전 측: 직결 그리드 접속 변환기, 그리드 형성 장비, 풍력, 태양광 및 저장을 통합하는 중압 DC 변압기.

• 송전 측: 중고압 DC 배전 변압기, 유연한 DC 상호 연결 장치.

• 배전 측: 중저압 유연한 상호 연결 장치, 유연한 배전 전력 전자 변압기(PET), 전기 교통용 DC 변압기.

• 소비 측: 수소/알루미늄 생산용 DC 전원, 직결 충전 시스템, 직결 데이터 센터 전원.

(1) 철도 견인 — 25kV 견인 PETT

SST 기반 변환 시스템은 차세대 전력망을 구축하는 핵심 장비입니다.

핵심 기술 돌파구:

• 고격리 고주파 위상 변환 및 고출력 고주파 변압기 기술

• 콤팩트 설계(AV25kV 직결) 하의 고압(AC25kV 직결) 및 고절연 기술(내압: 85kV/1분)

• 강한 충격 및 진동 환경 적응, 효율적인 상변화 냉각

• 고주파, 고효율 변환 위상 및 구동 기술, 매끄러운 스위칭을 위한 고주파 변조 제어

응용 결과:

• 2020년 140km/h EMU에 설치 및 테스트, DC1800V 출력

• 정격 효율 96.7% (기존 시스템보다 2% 높음), 출력 밀도 20% 증가

• 완전 제어된 그리드 측은 활성 필터링, 무효 전력 보상, 영 자석 인덕션 전류 및 대기 손실 없음

• 세계 최초 25kV-SST 제품으로 차량 탑재 동적 테스트 달성

(2) 도시 철도 전력 공급 — 지하철 시스템용 다중 포트 에너지 라우터

핵심 설계:
견인 전력, 보조 전력, 에너지 저장, PV 통합을 지원하는 4포트 격리 구조.

핵심 기술:

• IGBT 기반의 두 단계 전부리지 LLC 회로 위상

• SiC 기반 DAB 회로 위상, 직렬 병렬 DC 구성

• 전력 장치의 소프트 스위칭 기술(브랜치 효율 ≥98.5%)

• 공유 12펄스 변압기 AC 그리드 연결, 다이오드 정류기와 병렬로 연결할 때 순환 전류 제거

응용 장점:

• 대형 선주파 재생 변압기 제거; 26% 작은 크기, 설치 공간 및 건설 비용 감소

• 변압기 무부하 손실 없음, 기존 라인 개조 가능

• 정류, 에너지 피드백, 무효 전력 보상, 고조파 필터링 통합, 정밀한 다중 포트 전력 흐름 제어

(3) 충전 및 배터리 교체 — 전기차 충전용 10kV 직결 SST

시스템 구성:

• 10kV 중압 직결, 1MVA 용량: 1개의 직결 충전 모듈 + 2개의 공유 버스 네트워킹 모듈

• 300kW 초고속 충전 및 여섯 개의 120kW 고속 충전기 구성; PV-저장 통합 및 중압 그리드 연결 호환

핵심 기능:

• 변압기와 충전 모듈 통합; 광범위한 전압 조정으로 직접 충전, 시스템 효율 ≥97% (피크 98.3%)

• 그리드 지원 및 전력 품질 관리, 양방향 V2G(차량-그리드) 및 G2V(그리드-차량) 상호 작용 가능

(4) 공원 전력 공급 — 저탄소 공원 에너지 라우터(PV-저장-충전 통합)

시스템 아키텍처:
SST 기반 10kV 직결 에너지 라우터, AC10kV 및 DC750V 포트, 출력 측에는 배터리 저장, DC 충전 인터페이스, DC 보호 장치.

핵심 구성:
315kW SST 캐비닛, 976.12kWp PV, 0.5MW/1.3MWh 에너지 저장, 10개의 DC 충전소.

응용 가치:

• PV 발전 및 에너지 저장 피크 쇼빙 중재를 통해 전기 비용 절감

• 역량 요구 감소, 그리드 영향 완화, 우수한 확장성

• 출력 측 "고체 상태 DC 회로 차단기 + 분리 스위치" 조합으로 저장 및 충전소의 고장 격리 보장

(5) 재생 에너지 통합 — PV-to-수소용 DC/DC 에너지 라우터

핵심 매개변수:

• 5MW 격리 DC/DC 변환기: 입력 DC800–1500V, 출력 DC0–850V, 수소 전해제 바스바 연결

• 단일 캐비닛 용량: 3/6MVA, 3–20MVA까지 확장 가능; 출력 전압 DC0–1300V/2000V 적응 가능

기술적 장점:

• AC 전송과 비교하여 변환 단계 줄임; 전체 효율 96%–98%

• PV, 저장, 철도 전력, 수소/알루미늄 생산에 적합한 유연한 직렬 병렬 위상을 갖춘 고주파 격리 DC 변압기

• 다양한 산업별 DC 그리드 요구에 맞춤화된 모듈화, 구성 가능한 플랫폼

(6) 배전망 최적화

중저압 유연한 상호 연결 장치:

• 부하 불균형, 분산형 PV 증가, EV 충전기 확장, 신뢰성 향상 해결

• 정상 운영: 활성/무효 전력 흐름 제어, 재생 에너지 통합 개선, 전력 품질 격리

• 고장 상황: 빠른 격리 및 자동 전환으로 정전 방지

10kV 직결 에너지 저장 시스템:

• 중고압 그리드 연결로 선 손실 감소

• 두 단계 변환으로 광범위한 전압 조정 가능

• 모듈화 PCS 및 배터리 구성

• 계단형 H-브리지 위상보다 더 유연한 용량, 배터리 절연 안전 및 전체 체인 전력 흐름 제어 보장

(7) 발전 측 그리드 연결 — 10kV 직결 태양광 신규 그리드 인터페이스

기술적 특징:

• 고주파 격리 + 계단형 CHB 주 회로 위상

• 용량: N×315kVA (확장 가능), 1500V 시스템과 호환, 효율 >98.3%

핵심 장점:

• 중압 직결, MPPT(최대 전력 추적) 및 격리/전압 조정 수행하는 격리 DC-DC

• 간소화된 두 단계 아키텍처, 매우 효율적; 10kV 수준에서 그리드 요구에 직접 반응

• 산업, 상업, 농촌 분산형 태양광 시나리오 적용 가능

(8) 부하 측 — SST 기반 데이터 센터 전력 공급

10kV 직결 솔루션:

• 2.5MW 전력(315kW × 8), 시스템 효율 98.3%, 고주파 격리 변환 사용

• DC 측 400VDC DC 링 네트워크

• 완전 PWM 제어로 그리드 측 전력 인자 >0.99, 고조파 <3% 달성

미래 전망

AC/DC 배전 네트워크를 중심으로 재생 에너지, 교통, 전력 공급, 에너지 관리, 고장 보호까지 확장되며, SST는 다음과 같은 통합 시스템 솔루션을 가능하게 합니다:

• AC/DC 하이브리드 전력 공급

• 발전-그리드-부하-저장 통합

• 최적화된 에너지 관리 및 전력 흐름 배치
  차세대 전력 시스템 구축 지원.

III. 적용 과제 및 논의

(1) 계전 보호 호환성 과제
전력 전자 변압기와 전통적인 배전 시스템 간의 호환성에 대한 연구가 필요합니다. 특히 단락, 접지, 오픈 회로 고장에 대해 명확한 제어 전략과 계전 보호 조정 메커니즘이 필요합니다.

(2) 디스패치, 관리 및 모니터링 통합 과제
새로운 전력 전자 장비의 광범위한 채택은 디스패치 및 모니터링에서 적응 문제를 일으킵니다. 다음 세 가지 핵심 요구사항을 해결해야 합니다:

• 디스패치 규칙 및 시장 메커니즘: 전통적인 "발전이 부하를 따른다" 논리는 양방향 "부하-발전-그리드" 상호 작용을 수용하지 못합니다. 다방향 전력 흐름 시장 메커니즘이 개발되어야 합니다.

• 표준화 및 상호 운용성: 다양한 장치 인터페이스 프로토콜로 인해 공급업체 간의 상호 운용성이 좋지 않습니다. 표준화된 통신 프로토콜 및 제어 명령 세트를 촉진해야 합니다.

• 지역 간 협력 디스패치: 유연한 상호 연결은 전통적인 지역 경계를 깨뜨립니다. 통일된 책임 할당, 예비 공유, 지역 간 협력 디스패치 프레임워크가 필요합니다.

이러한 과제들은 통일된 표준과 모니터링 실행 메커니즘을 통해 해결해야 합니다.