2.1 국내 현황

국내에서는 제주지역(도서)의 전력 수요 증가에 따른 안정적 전력공급, 지역 간 전력 불균형 해소, 재생에너지 연계 등 전력계통의 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위하여 HVDC 기술을 단계적으로 도입해 왔다.

국내 최초 HVDC 프로젝트는 제주(섬)과 육지를 고압직류로 연계하여 제주지역에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 사업으로, 전류형 LCC(Line Commutated Converter) 방식을 적용하여 제주∼해남(#1) 연계선(약 101km)에 ±180kV/300MW급, 서제주∼진도(#2) 연계선(약 113km)에 ±250kV/400MW급 HVDC를 구축하여 각각 1998년, 2014년 운영을 개시하였다.

이후 제주지역의 적정수준의 예비율 확보 및 완도지역 이중전원 확보를 통한 전력수급 안정화를 위하여 양방향 전력전송이 용이한 전압형 VSC(Voltage Source Converter) 방식을 적용하여 동제주∼완도(#3) 연계선(약 96km)에 ±150kV, 200MW급 HVDC를 2024년 11월 준공 완료하였으며, 이를 통하여 육지에서 제주로의 전력공급 용량이 360MW에서 600MW로 확대되어 공급예비율을 14.3%에서 30.8%로 대폭 상승 등 육지-제주 간 안정적인 전력공급의 기반 마련 및 연간 약 200억 원의 전력구입비 대체 등 경제적 효과를 기대하고 있다^[2].

최초 육지계통 및 최대용량으로, 서해안에서 발전된 전력을 수도권으로 전송하기 위하여 북당진∼고덕 HVDC 프로젝트가 총 2단계에 걸쳐 추진되었으며, 전류형 LCC방식의 ±500kV/3GW급 HVDC(약 34.2km)가 1단계(1.5GW) 2020년 12월, 2단계(1.5GW) 2024년 5월 각각 완공되어 총 3GW 전력공급능력을 확보하여 운영 중에 있다. 이를 통하여 경기도 평택지역의 대규모 산업단지에 안정적인 전력공급 인프라가 확보되었으며, 수도권 전송에 제한이 발생된 약 900MW가 수송 가능하여, 서해안 지역의 발전제약 완화 효과를 기대하고 있다^[3].

경기 북부지역의 전력계통 안정성 확보 및 효율 증대를 위하여 양주변전소에 ±120V/200MW BTB 전압형 HVDC를 2024년 7월에 준공하여 운영 중이며, 국내 VSC 기반 기술의 실증 확대와 운영 경험 확보뿐만 아니라 전압형 HVDC의 국산화 성공사례로서 그 의미가 크다고 볼 수 있다.

더불어 제11차 전력수급기본계획(2025.3)에 따르면 500kV급 HVDC를 동해안 대규모 발전력 계통연계(동해안∼신가평/동서울), 호남권 원전·재생e 계통연계(새만금∼태안TP, 태안TP∼영흥TP, 신해남∼태안TP, 태안TP∼서인천)를 위하여 HVDC 송전선로 및 변전소(변환소)를 건설계획 중으로, 계통환경에 따라 지속적으로 확대해 나갈 계획이다^[4].

2.2 국외 현황

전 세계적으로 탄소중립 실현과 에너지 전환이 가속화되면서, HVDC 기술은 장거리·대용량 전력 수송과 재생에너지 연계에 적합한 핵심 인프라로 부각되고 있다. 특히 에너지 소비와 생산의 지리적 불균형 해소, 전력계통 간 연계성과 유연성 확보, 장거리 송전, 국가 간 계통 연계, 재생에너지 전력의 안정적 수송 등을 위한 수단으로 HVDC 기술을 전략적으로 도입하는 국가들이 증가하고 있으며, 각 국의 에너지 정책, 전력망 구조, 환경적 여건 등에 따라 국가별 표 1과 같이 HVDC 시스템을 다양한 형태로 구축 및 운영하고 있다.

(1) 유럽

국가 간 전력거래 및 해상풍력 연계를 강화하기 위해 다양한 HVDC 프로젝트를 추진해왔다. ALEGrO 프로젝트는 벨기에와 독일을 연결하는 지중 HVDC 연계선으로 2020년에 준공되었으며, NordLink 프로젝트는 노르웨이 수력 자원을 독일에 송전하기 위한 해저 연계선으로 2021년에 운영을 개시하였다. 또한, North Sea Link 프로젝트는 노르웨이–영국 간 최초의 HVDC 해저 연계를 목적으로 하며, 재생에너지 자원의 유럽 역내 분산과 계통 안정성 강화에 기여하고 있다. 이들 프로젝트는 유럽 내 재생에너지의 효율적 분산과 안정적 전력 수급을 지원함으로써 유럽연합(EU)의 탄소중립 전략과 에너지 안보 강화에 그 목적을 두고 있다^[5].

(2) 미국

청정에너지 기반의 송전 인프라 확대와 전력망 유연성 강화를 목적으로 HVDC 인프라 구축을 확대하고 있다. 대표적으로, SOO Green HVDC Link 프로젝트는 아이오와주와 일리노이주 간 철도 회랑을 활용한 지중 송전선으로 2029년 상업운전을 목표로 하고 있으며, SunZia 프로젝트는 뉴멕시코–애리조나 간 풍력 전용 HVDC 송전망으로 2025년 말 시운전 예정이며, 2026년 상업운전을 목표로 추진 중이다. 또한, TransWest Express 프로젝트는 와이오밍–네바다 간 총 1,200km에 달하는 HVDC 송전선 구축을 통해 서부 내륙의 재생에너지를 캘리포니아 지역으로 송전하는 기반을 마련하는 등 관련 HVDC 프로젝트를 추진하고 있으나, 현재 HVDC 주요 설비 및 케이블 제조 역량이 미흡한 상황으로, 이러한 프로젝트를 기반으로 수요 기반을 조성하고 산업 생태계 육성을 도모하고 있다^[6].

(3) 중국

고압 직류(UHVDC) 기술을 중심으로 국제적 경쟁력을 확보하고 있다. 특히 서부 내륙의 재생에너지(수력, 풍력, 태양광)를 동부 연안의 대도시로 송전하기 위하여 다양한 프로젝트를 수행하고 있다. 대표적으로, 바이허탄–장수 UHVDC 프로젝트는 초대형 UHVDC 송전선으로 2022년 준공되었으며, 우둥더 다단자 HVDC 프로젝트는 광둥성과 광시성 등 복수 노드로 전력을 분산 송전할 수 있는 구조를 갖추고 있다. 또한, 루둥 해상풍력 HVDC 프로젝트는 중국 최초의 해상 전압형 HVDC 프로젝트로서, 해상풍력과의 연계한 실증 사례이다. 이러한 중국의 HVDC 투자는 2020년대 들어 11개 이상 주요 프로젝트로 확대되었으며, 이는 국가 차원의 에너지 전환 전략과 기술 자립의 일환으로 평가된다^[7].

(4) 인도

전력 수요가 빠르게 증가하고 있는 국가 중 하나로, HVDC 기술을 활용한 지역 간 송전망 보강에 주력하고 있다. 대표적인 사례로는 North-East Agra UHVDC 프로젝트로 동북부 수력자원을 북부 대도시권으로 전송하기 위해 설계되었다. 또한, GE Grid, Hitachi Energy 등과 협력하여 전압형 VSC HVDC 기술 도입을 통해 재생에너지와 배전망 간의 직접 연계 확대도 추진하고 있다. 2028년까지 인도 정부는 약 20GW 이상의 HVDC 송전능력을 확보하는 것을 목표로 다수의 신규 프로젝트를 발표하는 등 HVDC를 통해 지역 간 계통 불균형을 해소하고, 전력 손실 최소화 및 계통 운영을 효율화하고 있다^[1][8].

(5) 호주

재생에너지 확대에 따라 남북·동서 지역 간 전력계통 연계를 목적으로 HVDC 기술을 도입하고 있다. 대표적으로, Energy Connect 프로젝트는 남호주와 뉴사우스웨일스를 연결하는 HVDC 연계망으로, 2026년 상업운전을 목표로 건설 중이다. 또한, Marinus Link 프로젝트(1-2단계)는 태즈메이니아와 빅토리아 간 해저 HVDC 연계선으로, 재생에너지가 과잉 발전되는 경우 대륙 본토로의 효율적 전력 전송을 목적으로 한다. 이처럼, 호주는 지리적 특성과 고립된 전력망 구조를 고려해 HVDC를 ‘에너지 고속도로’로 활용하고 있으며, 이는 풍력·태양광 자원의 지역 간 최적 배분 및 수요지 안정화에 기여하고 있다^[9][10].

2.3 소 결

이처럼 주요 선진국들은 자국의 전력계통 구조, 환경여건 및 에너지 전략에 부합하는 방식으로 HVDC 기술을 선택·활용하고 있다. 이는 국가 간 전력망 연계 강화와 탄소중립 달성에 있어 핵심 인프라로서, 유럽은 국가 간 연계를 중심으로 계통 간 상호연계성을 강화하고 있으며, 북미는 풍력 및 태양광 중심의 청정에너지 장거리 수송을 주요 목적으로 하며, 전 세계 시장의 약 60%를 주도하는 중국은 초장거리·대용량 송전 기술을 통한 내륙–연안 간 에너지 균형에 주력하고 있다. 인도는 빠른 수요 증가 대응과 재생에너지 연계에, 호주는 섬 지역 연계와 재생에너지 활용도 극대화를 위하여 HVDC 사업을 추진하고 있다.

전 세계적으로 탄소중립 실현, 전력계통 유연성 확보, 에너지 안보 강화라는 과제를 해결하기 위하여 HVDC가 핵심적 인프라로서의 역할을 수행하고 있으며, 국내의 경우도 안정적 전력공급을 위한 도서(섬)-육지간 계통연계, 분산에너지 확산에 따른 효율적 전력전송 등을 위한 HVDC 구축계획을 지속적으로 수립·추진하고 있으며, 특히, 지속적인 전력수요 증가에 따른 전력망 보강·신설시 주민수용성 이슈에 대한 효율적 대안으로 관련시장은 지속적으로 확대 예정이다.

3.1 HVDC 산업 생태계 구성

HVDC 산업 생태계를 분석하기 위하여 HVDC분야의 생애주기(Life Cycle)를 기준으로 기술 및 설비(소재, 모듈, 제품)의 ①제조/조립/개발→②설계/감리→③시공/설치→④시험/검사→⑤운영/서비스→⑥유지보수→(자원순환 및 재활용)의 프로세스로 Value-Chain을 연계하여 분류하였고, 세부내용은 표 2와 같다.

특히 HVDC를 활용한 운영/서비스의 경우 전력송전서비스(PTP, BTB, MTDC 등), 계통지원서비스(주파수 안정화, 전압·무효전력 조정, Black Start 등), 신재생 연계지원(해상풍력, 원거리 분산형 전원 연계 등), 기타 경제적 운영을 위한 조류제어 등 설치 목적 및 환경에 따라 다양한 기능을 제공한다.

HVDC의 주요 구성요소로는 △컨버터 밸브, △컨버터 변압기, △DC필터 및 보상설비, △DC차단·보호·접지설비, △DC송전선, △운영·제어시스템 및 △기타 보조설비 등으로 구분하였으며, HVDC 산업 생태계의 Value-Chain은 그림 2와 같이 구성하였다.

(1) 컨버터 밸브(Converter Valve)

컨버터 스테이션에서 AC와 DC를 변환하는 핵심장치로, CSC (Current Source Converter)/LCC, VSC 방식 등에 따라 다르게 구성되며, 표 3과 같이 HVDC 운영목적 및 환경 등에 따라 선택적용 된다. 또한 고효율·소형화를 목적으로 SiC 기반 소자를 활용한 방식도 지속적으로 연구 중에 있다.

(2) 컨버터 변압기(Converter Transformer)

AC계통과 컨버터 스테이션 간 전압레벨 조정 및 절연을 위하여 적용되는 특수 변압기로, 컨버터로부터의 고조파 및 서지에 대한 절연 내성이 필요하다.

(3) DC 필터 및 보상설비(Filter & Compensator)

고조파 필터(Harmonic Filter), 직류리액터(DC/Smoothing Reactor), 무효전력 보상설비(Shunt Capacitor Bank/Reactor) 등을 적용하여, 전압조정 및 전력품질 유지를 위하여 운영된다.

▪ 고조파 필터 : AC/DC변환에 따른 고조파 전류와 전압 제한을 통한 안정화 및 전력품질 개선

▪ 직류리액터 : DC전류의 리플 제거, 전류변화 속도제한 및 서지·단락전류 억제를 통하여 설비의 보호 및 안정성 향상을 위하여 적용

(4) DC차단·보호·접지설비

DC차단기(DC Circuit Breaker), 피뢰기(Lighting/Surge Arrester), 보호시스템(Protection System), 접지설비(Grounding System) 등으로, 직류송전시스템의 안정성과 신뢰성 확보를 위하여 적용된다.

▪ DC차단기 : DC회로에서 고장전류를 차단을 목적으로 하며, 대부분 하이브리드형(기계식+반도체) 적용

▪ 피뢰기 : 낙뢰, 개폐서지, 고장전압 상승 등으로부터 컨버터 등 주요설비를 보호하기 위하여 적용되며, AC 대비 지속전압이 높은 DC설비를 고려하여 절연성능, 내구성, 복원력 등이 높게 요구

▪ 보호시스템 : DC고장 탐지, 고장구간 격리, 재기동 등 기능을 수행하며, DC차단기 등과 연동제어

▪ 접지설비 : 시스템의 안정적 운영을 위한 설비로, 불균형시 방전, 고장시 우회경로 제공 등 정교한 접지 설계(특히, 단극방식, 지중/해저선로 등)가 필수

(5) DC송전선(Cable)

고압 직류전류를 수백∼수천 km 장거리, 지중 또는 해저로 안정적 송전을 위한 케이블로, AC와 달리 표피효과 및 리액턴스가 없어 장거리 전송효율이 우수하다.

(6) 운영·제어시스템(HVDC Control & Operation System)

HVDC의 전력설비를 실시간 감시하고, 조류제어, 계통안정화, 전력품질 개선, 비상시 대응 등을 위한 제어시스템으로, 상위 EMS(Energy Management System), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition System), HVDC 스테이션 제어, 하위 컨버터 제어까지 실시간 고속 제어 역할을 수행한다.

* P/Q제어, 전압안정화, 주파수·진동, 고장제어, 블랙스타트 등

(7) 기타 보조설비

▪ 냉각시스템(Cooling System) : AC/DC 변환시 전력반도체 및 고전압 설비에서 발생하는 열을 제거하는 시스템으로 고신뢰성을 보장하기 위하여 이중화 설계 등 적용

* 공냉(Air Cooling), 수냉(Water Cooling), 유냉(Oil Cooling), 복합(Hybrid) 등 방식 적용

3.2 HVDC 주요기업 현황

최근 다양한 글로벌 HVDC 프로젝트가 추진되고 있으며, 표 4, 그림 3과 같이 주요기업은 히타치(18∼20%), 지멘스(11∼13%), 미쓰비시(9∼11%), GE(6∼8%), 프리즈미안 그룹(4∼6%) 등으로, HVDC 시장에서 상위 5개 기업이 전체 시장의 약 50%를 차지하고 있는 상황이며^[1],

국내 HVDC의 경우 초기 성장단계로, 국산화 및 실증프로젝트를 중심으로 참여하고 있으며, 주요기업으로는 HVDC 컨버터 밸브 등 전력기기분야에 효성중공업, 현대일렉트릭, LS일렉트릭 등, 송전케이블 분야에 LS전선, 대한전선, 일진전기 등, EPC분야에 한국전력공사, 삼성물산, 포스코 등이 프로젝트에 참여하고 있다.

4.1 HVDC 기술확보

국내의 경우 표 5와 같이 정부주도로 HVDC 기술확보 로드맵(안)을 수립하여 추진 중에 있으며, 국내 보유기술 수준, 사업규모, 계통 여건 등을 종합적으로 고려하여, 핵심기술을 상용화하고, 미래계통 및 DC그리드 확장성을 고려하여 신기술 개발을 동시에 추진함으로써, HVDC의 원천기술 확보 및 신산업육성을 위하여 국내 전력계통 실증을 추진하고 있다.

또한, 제11차 전력수급기본계획(2025.3)에서도 HVDC 국산화 추진을 위하여 대용량(GW급) 전압형 HVDC 변환시스템(컨버터, 제어기, 변압기 등), 관련 엔지니어링 및 운영기술 개발을 기반, HVDC 변환시스템의 신뢰도 및 운영기술 실증을 통하여 HVDC 공급역량 확보 및 국내·외 HVDC 시장 진출 목표를 제시하고 있다^[4].

4.2 HVDC 인프라 환경

HVDC 산업 인프라적 측면에서 한전 전력연구원은 2021년 10월 고창전력시험센터에 초고압 직류송전 케이블 시험장을 준공하여, HVDC 케이블의 실계통운영 및 진단 신기술 개발시험 및 국제표준 기반 공인 인증시험을 수행함으로써 국내 HVDC 사업 및 동북아 슈퍼그리드 HVDC 프로젝트의 선제적 추진을 검토하고 있으며, 전력기기에 대한 국제공인 시험인증 기관인 한국전기연구원(KERI)도 초고압 직류송전(HVDC) 분야 전력기기의 성능을 시험하고, 검증하는 세계적 규모의 시험인프라를 경남창원에 2023년 4월 준공 완료하여, 국내 HVDC 관련 전력기기 업체들의 기술력 및 수출역량을 강화하는데 기여하고 있다.

다만, 일부 설비 및 케이블의 경우 전용시험장 부족 등으로 경쟁이 치열하여, 장기간 대기 또는 해외 시험장을 사용하는 경우가 발생하는 등 국내 시장 확대 및 경쟁력 강화를 위하여 국내 기업수요를 반영한 HVDC 인프라 환경을 확대·개선할 필요가 있다.

4.3 HVDC 이해관계자 협력체계

산업통상자원부는 정부, 전문가, 유관기관이 참여하여 HVDC 설비의 안정적 도입 및 국내 기술력 확보, 신시장 개척 방안을 선제적으로 논의하기 위해 2024년 2월 『HVDC 기술·산업 포럼』을 구성하여 운영위원회와 하위 기술개발, 운영·신뢰도, 산업·국제협력의 3개 분과위원회를 운영하고 있다. 이를 통하여 대용량 변환기술 국산화, 신기술 도입에 따른 선제적 리스크 점검, 해외시장 개척 등 신사업 육성을 적극 지원할 계획이다^[11].

한국전력공사는 2024년 11월 직류기반 전력망 혁신을 위한 협의체인 『K-DC얼라이언스(K-DC Alliance)』를 발족하여 총 39개 산·학·연 기관이 참여하여 운영 중에 있으며, 교류중심의 기존 전력망을 DC기반으로 전환하여 에너지 효율을 높이고, 새로운 전력 인프라 구축을 목표로 하고 있다.

또한, △세계 최고 DC 기술 확보, △DC 활성화 정책 지원, △DC 인프라 기반 강화의 목표를 수립하고, △DC 핵심 전력기기‧사용기기 및 DC Grid 운영 기술 개발, △전력 공급·운영 기준 개편, 표준화·인증·안전 기준 마련, 합리적인 인센티브 설계, △대규모 테스트베드 구축, DC 특화 클러스터 조성, 고급 기술인력 양성 등 목표별 세부추진전략을 수립 및 추진하고 있다.

더불어 HVDC 사업 추진시 정부, 기기·시스템 제조사, 서비스 사업자, 송·배전사업자, 관련 지자체·주민 등 다양한 이해당사자가 존재함에 따라, 체계적이고 효율적인 HVDC의 도입, 인프라 확산 및 국내 시장경쟁력 강화를 위하여 이해관계자의 의견수렴 및 기관 상호 간의 협력체계 마련·운영 등이 지속적으로 필요할 것으로 보인다.

4.4 국내 HVDC 산업환경 및 발전방향

HVDC는 고기술 집적도가 높고 고신뢰도를 요구하는 시스템 통합 형태로 구축·운영되며, HVDC 변환설비의 핵심장비(컨버터 밸브, 제어시스템 등)에 대하여 현재 기술 국산화가 미비하고, 세계적 HVDC 주요 5개 기업의 시장점유율이 약 50%를 차지하는 상황에서, 다양한 운영·제어 데이터를 통하여 검증된 글로벌 업체에 대한 의존도가 매우 높은 상황이다.

국내의 경우 일부 프로젝트가 추진·운영되고 있으나, 현재까지 대형 프로젝트 적용 경험 및 실계통 운영에 대한 트랙 레코드(Track Record) 부족 등 국산기술 검증 및 신뢰성을 보장하기에는 한계가 존재하고, 고부가가치를 창출하는 핵심설비, 제어시스템 납품 및 SI형태의 참여보다는 컨소시엄의 일부 역할 수행 또는 하도급 등 제한적으로 참여하고 있는 실정이다.

HVDC는 장거리·대용량 송전 및 해상(해저) 연계 등 특정 제한조건에 따라 시장규모가 한정적이며, 추가적인 송전선로 건설, 변환소 설치시 환경 영향성, 주민 수용성 이슈, 초기 고투자 비용, 관련 부처별 인허가 사항 등 복잡·다양한 이슈들이 존재함에 따라 체계적 HVDC 추진을 위해서는 정부이 일관된 정책적 지원 및 주민 수용성 개선을 위한 지속적인 홍보가 필요하다.

또한, △핵심기술에 대한 낮은 부품 국산화율, △다양한 목적 및 환경조건에서의 HVDC 제어·운영에 대한 트랙 레코드 부족, △HVDC 산업 관련 전문인력 부족, △대기업 위주의 시장구조에 따른 중소기업 진입장벽 등이 존재함에 따라, 이를 극복하고 HVDC 산업생태계의 활성화를 위한 체계를 마련하기 위해서는 △국산화 기술개발 및 실증 확대, △표준 및 시험·인증 인프라 마련, △일관적 지원제도의 정립, △인력양성 체계 구축 등 체계적이고 지속적인 추진 및 지원이 필요하다.

이를 위하여 정부차원에서 국내 HVDC 산업생태계의 소재/부품/장비/시스템의 설계·생산기술, 운영·제어 기술, 시험·인증 인프라 수준·환경여건 등을 종합적으로 고려하여 ‘핵심요소에 대한 국산화 기술개발-실증(운영)-사업화’의 전주기 로드맵을 마련하고, 이를 기반으로 글로벌 기업과의 경쟁력 확보를 위하여 다양한 HVDC 비즈니스 모델(주요 고려사항 : ①운영목적(최적 송전, 조류제어를 통한 유연성·경제성 확보, 해상풍력 등 재생e연계 등), ②기술유형(LCC, VSC 등), ③제안방식(개별요소 기술·제품 납품, 컨소시엄 참여, 전체 컨소시엄 구성을 통한 턴키방식 등), ④경제성 모형 등)을 개발하여, 효과적 추진 할 필요가 있다. 또한, 대내외적 시장확장과 더불어 국내 HVDC 시장환경 육성을 위하여 HVDC 기술·산업 포럼 등 관련 유관단체 등과의 긴밀한 협력·의견수렴 등을 통하여 정책적 방향을 결정할 필요가 있다.