MVDC 기술이란? 이점, 도전 과제 및 미래 트렌드

중간전압 직류(MVDC) 기술은 전력 송전의 주요 혁신으로, 특정 응용 분야에서 전통적인 교류 시스템의 한계를 극복하도록 설계되었습니다. 전기 에너지를 일반적으로 1.5 kV에서 50 kV 사이의 전압으로 DC로 송전함으로써, 고전압 DC의 장거리 송전 이점과 저전압 DC 배전의 유연성을 결합합니다. 대규모 재생 가능 에너지 통합 및 새로운 전력 시스템 개발의 배경 속에서 MVDC는 그리드 현대화의 핵심 해결책으로 부상하고 있습니다.

핵심 시스템은 변환소, DC 케이블, 회로 차단기, 제어/보호 장치로 구성됩니다. 변환소는 모듈형 다단 변환기(MMC) 기술을 사용하여, 각각 독립적인 커패시터와 전력 반도체를 장착한 시리즈 연결된 서브모듈을 통해 정밀한 전압 파형 제어를 통해 높은 효율의 전력 변환을 달성합니다. DC 케이블은 교차 링크 폴리에틸렌 절연재와 금속 차폐를 사용하여 선로 손실을 크게 줄입니다. 하이브리드 DC 회로 차단기는 밀리초 단위로 고장 위치를 격리하여 시스템 안정성을 보장합니다. 제어 및 보호 시스템은 실시간 디지털 시뮬레이션 플랫폼을 기반으로 밀리초 수준의 고장 위치 확인 및 자기 치유 기능을 제공합니다.

실제 응용 분야에서 MVDC는 다양한 이점을 보여줍니다. 전기 자동차 충전에서 1.5 kV DC 충전기는 전통적인 AC 충전기에 비해 충전 시간을 40% 줄이고 장비 크기를 30% 줄입니다. 10 kV DC 전력 아키텍처를 사용하는 데이터 센터는 에너지 효율이 15% 이상 향상되고 배전 손실이 약 8% 감소합니다. ±30 kV DC 수집 시스템을 사용한 해상 풍력 통합은 AC보다 해저 케이블 투자를 20% 줄이고 반응 전력 보상 필요성을 크게 낮춥니다. 도시 철도 교통 업그레이드에서는 MVDC 구동 시스템이 변전소 수를 50% 줄이고 재생 제동 에너지 회수율이 92%에 이를 수 있습니다.

이 기술은 세 가지 주요 이점을 제공합니다: 동일 전압 수준의 AC 시스템보다 10-15% 낮은 송전 손실, 다점 분산 발전 통합에 이상적입니다; 주파수 동기화가 필요 없어 그리드 간 상호 연결을 단순화합니다; 그리고 마이크로초 수준의 전력 조절 응답으로 변동하는 전원에 더 나은 적응성을 제공합니다. 그러나 장비 비용이 높고 표준화가 불완전한 문제는 여전히 남아있습니다. 특히 대용량 DC 차단기는 AC 동등물보다 3-5배 비싸며, 통합 국제 인증 표준이 아직 부족합니다.

표준화가 가속화되고 있습니다. IEC는 MVDC 케이블에 대한 IEC 62897-2020을 발표했으며, 중국의 CEC는 변환기 사양에 대한 Q/GDW 12133-2021을 발표했습니다. EU의 Horizon 2020 지원 MVDC 그리드 시범 프로젝트는 18 kV/20 MW 시스템의 검증 테스트를 완료했습니다. 국내 장비 제조는 돌파구를 이루어냈습니다: 중국 제조사들은 이제 동적 전압 균형 오차가 ±1.5% 내인 2.5 kV/500 A IGBT 모듈을 양산하고 있습니다.

미래의 트렌드는 다음과 같습니다: 장치 소형화—SiC 기반의 컴팩트 변환기는 부피를 40% 줄일 수 있습니다; 시스템 지능화—디지털 트윈 기술은 장비 수명 예측 정확도를 95% 이상으로 향상시킵니다; 그리고 응용 확장—우주 기반 태양광 마이크로파 무선 전송 시스템은 55 kV DC 아키텍처를 사용하여 지상 수신 테스트를 시작하고 있습니다. 전력 전자 기기 비용이 계속해서 감소하면서 MVDC는 2030년까지 배전망 업그레이드에서 전통적인 AC 솔루션보다 경제적으로 우월할 것으로 예상됩니다.

기술 배포는 여러 부문 간 협력을 필요로 합니다. 전력 설계 연구소는 변환소 배치 최적화 및 EMI 시뮬레이션을 위한 3D 디지털 설계 플랫폼을 개발하고 있습니다. 대학 연구팀은 듀얼 활성 브리지 변환기가 98.7% 효율을 달성하는 등 새로운 위상을 진보시키고 있습니다. 유틸리티 시범 프로젝트는 산업 단지의 20 kV DC 마이크로그리드가 재생 에너지 도입률을 85% 이상으로 높일 수 있음을 보여줍니다. 이러한 이니셔티브는 기술 반복을 위한 귀중한 데이터를 제공합니다.

새로운 전력 시스템에서 MVDC는 UHVDC 주요 네트워크와 저전압 분산 소스를 연결하여 유연한 다중 전압 DC 네트워크를 형성하는 핵심 역할을 합니다. 사례 연구에 따르면 10 kV DC 버스바를 갖춘 지능형 변전소는 광전변환 흡수를 25% 증가시키고 주 그리드 중단 시 중요한 부하를 4시간 이상 유지할 수 있습니다. 디지털 그리드 개발이 진행됨에 따라 MVDC 시스템은 에지 컴퓨팅 및 블록체인과 통합되어 자율 조절 에너지 인터넷 노드를 형성하고 있습니다.

실질적인 공학 작업에는 세부 사항에 대한 주의가 필요합니다: 케이블 설치는 35 kV DC 케이블의 경우 최소 25배의 케이블 지름만큼의 굴곡 반경을 엄격히 제어해야 합니다. 전자기적 호환성은 CISPR 22 Class B 표준을 충족해야 하며, 변환기 방 차폐 효과는 60 dB 이상이어야 합니다. 운영 및 유지 관리는 3개월마다 적외선 열 영상과 20 pC 미만의 임계값으로 온라인 부분 방전 모니터링을 포함하여 안전하고 안정적인 작동을 보장해야 합니다.

에너지 전환 관점에서 보면 MVDC는 제로 카본 그리드를 가능하게 하는 주요 요소입니다. 그것은 바람과 태양광의 직접적인 DC 그리드 연결을 가능하게 하여 AC 역변환에서 발생하는 6-8%의 에너지 손실을 제거합니다. 수소 생산에서 10 kV DC 전력을 사용하는 50 MW 전해기는 AC 전력 시스템보다 12% 포인트 더 높은 효율을 달성합니다. 다양한 산업 분야에서의 응용이 확장되고 있습니다: 3 kV DC 전력을 사용하는 자기부상 열차는 견인 에너지 소비를 18% 줄입니다. 이러한 혁신은 에너지 활용을 재구성하고 있습니다.

산업은 인력 부족에 직면해 있습니다. 전력 전자와 그리드 운영 모두에 능숙한 전문가들 사이에 큰 격차가 있습니다. 중국의 대학들은 전문적인 MVDC 과정을 도입하였으며, 국가 직업 자격 목록에는 DC 배전 엔지니어 인증이 포함되었습니다. 기업 교육 센터는 다양한 고장 상황에서의 긴급 대응을 위해 전체 규모의 시뮬레이션 플랫폼을 사용하여 인력을 교육하고 있습니다. 이러한 인재 개발 모델은 기술 전이 주기를 단축시키고 혁신 배포를 가속화하고 있습니다.