청정에너지원인 해상풍력발전은 세계적으로 꾸준한 성장세에 있으며, HVDC 등 기술 발전과 더불어 신성장동력으로서의 중요성 또한 점차 증대되고 있다.
한편 이러한 해상풍력발전에 있어서, 원활한 계통연계를 위한 해상변전소 설치가 필수적 요소로 부각되고 있다. 그러나 우리나라의 해상변전소 기술은 아직 기초조사 관련 연구와 기본설계 등 초보적인 수준에 머무르고 있어 선진국과의 기술격차를 줄이기 위한 다각적 노력이 필요한 실정이다. 이에 따라 한전은 해상풍력 관련 정부 R&D 수행을 통해 전문지식 및 기술력을 확보하는 데 주력하고 있다. 국내외 해상변전소 기술 동향과 장래 전망에 대해 알아봤다.

2020년 세계 해상풍력 누적 60GW 예상

세계 해상풍력 누적설치량은 2012년말 약 5.3GW 수준으로 증가했으며, 해상풍력 발전 단가는 2011년말 기준으로 약 250원/kWh 수준(단지 규모, 수심, 해안 이격거리 등을 고려한 평균 비용)에서 안정화되고 있는 양상을 보이고 있다. 또 에너지 전문 시장조사 기관인 내비건트 리서치(Navigant Research)는 향후 5년 동안 45GW 규모의 시장이 형성될 것으로 전망했으며, 2020년 해상풍력단지 누적용량은 60GW 수준까지 오를 것으로 예상되고 있다. 아울러 2020년까지 해상풍력 시장은 유럽과 중국이 주도할 것으로 보이며, 아시아 시장은 중국을 중심으로 가파른 성장세가 예상된다.

한편 국내 해상풍력 시장은 서남해 2.5GW, 전남 4GW, 제주 380MW 등 약 18조원 규모의 시장이 예상되나, 아직까지 상업용으로 설치된 사례는 전무한 실정이다. 한전과 발전 6사는 국내 해상풍력 기술의 수출전략 상품화를 위해 서남해에 2.5GW 해상풍력 단지 개발을 추진하고 있다.

원활한 계통연계 위해 해상변전소 필수화

최근 해상풍력단지에는 원활한 계통연계를 위한 해상변전소를 필수적으로 설치하고 있다. 해상변전소는 각 해상풍력 발전기에서 생산된 전기를 배전급 전압(30~35kV)으로 내부그리드를 통해 한 곳으로 모아 송전급 전압(130~400kV)으로 승압한 뒤 외부그리드를 통해 육지의 송전망으로 보내주는 역할을 담당한다.

해상변전소는 대규모가의 다양한 전기설비(변압기, 개폐장치 등)가 플랫폼에 설치되며, 토목·건축·전기·통신·소방·기계 관련 기술이 종합적으로 요구된다. 또 주요 구성 부품을 항만 제작소로 이송해 제작하고, 육상에서 최종 조립 후 선박에 선적, 풍력단지까지 이송한 후 설치하게 된다.
세계 최초로 해상변전소를 이용한 상업운전을 성공시킨 해상풍력단지는 덴마크 북해에 설치된 ‘Horn Rev 1'이다. 이 단지에는 160MW의의 해상풍력단지 용량에 대해 해상변전소에 160MVA 변압기 1대가 설치돼 있다.

전 세계 해상변전소 현황을 살펴보면 영국·독일·덴마크 등 7개국을 중심으로 지난해까지 시운전 완료 27개, 건설 중 15개, 승인 완료 57개로 총 99개이며, 이들 중 유럽 37개소와 아시아 6개소의 해상풍력단지가 50MW 이상의 해상변전소 시운전을 완료했거나 건설 중인 것으로 집계되고 있다.

해상변전소 1대를 운용하는 해상풍력단지의 최대 용량은 400MW(Anholt, Global Tech 1, Bard offshore 1 풍력단지) 규모이며, 단일 풍력단지에 여러 대의 해상변전소를 설치하기도 한다. 특히 최근에는 해상변전소의 신뢰성을 높이기 위해 주변압기를 여러 대 설치하는 추세이며, 풍력단지 용량이 커짐에 따라 외부그리드 회선 수가 증가하므로 해상변전소의 GIS(Gas Insulated Switchgear) 개수 및 용량도 증가하고 있다.

한편 근래 들어 해상변전소 설치비를 줄임으로써 시장경쟁력을 갖추기 위한 구조물 최적화 및 설치방식 연구가 활발히 진행되고 있으며, 전 세계적으로 해상변전소 공급을 주도하고 있는 ABB와 지멘스 등은 이러한 연구와 함께 IEC 국제 표준화를 위한 모듈형 해상변전소 개발에 박차를 가하고 있다.

한전, 해상풍력 R&D로 기술력 확보 주력

현재 우리나라에서는 해상변전소 관련 기술 개발과 설치 실적이 전무한 상태이므로, 글로벌 해상풍력 시장의 성장에 따라 해상풍력발전의 수출 산업화를 위해 해상용 변전시스템 기술 개발이 시급한 실정이다. 이에 따라 국내에서는 해상플랫폼 실적보유 회사에서 해상변전소 기본 설계를 수행했으며, 2016년까지 서남해 해상풍력 실증단지에 국내 최초의 120MVA 해상변전소가 설치될 예정이다.

해상풍력 기술분야 특허는 2011년까지 국외 69건, 국내 7건 등이 있는 것으로 조사된 바 있으나, 해상변전소 관련분야 특허는 상대적으로 적고, 국내는 실적이 없는 것으로 나타났다. 국내 연구의 경우는 해상변전소 최적지 선정 등 기초조사 관련 연구에 머물러 아직 초보적인 수준이나, 한전 전력연구원에서 수행한 ‘그리드적응형 해상풍력발전단지 설계 및 제어기술 개발’ 정부 과제를 통해 해상변전소 위치 및 용량 결정, 상부 및 하부구조물에 대한 기본설계 경험을 갖고 있다. 또 육상에 비해 가혹한 해상환경에서 적용될 변압기 등의 설비에 대한 기준 제정 및 해상용 전기설비 개발, 신뢰성 검증 방안에 대한 검토 또한 현재 진행 중에 있다.

한편 해상변전소는 유지보수를 위한 접근이 어렵고 잦은 해상 출동은 비용 부담이 크기 때문에 해상환경에 최적화된 설비 구성 및 설비운영 기준이 필수적이지만, 아직까지 국내에서는 운영 경험이 없어서 이에 대한 기준 정립이 필요한 상황이다.

현재 한전은 해상풍력 관련 정부 R&D 수행으로 전문지식 및 기술력을 확보하기 위한 사업들을 추진하고 있다. ‘서남해 2.5GW 해상풍력 개발을 위한 실증단계 연구’가 2016년 7월까지 진행되며, ‘그리드 적응형 해상풍력발전단지 전력시스템 설계 및 제어기술 개발’사업이 2015년 11월까지 추진되고 있다.

해상풍력 계통연계 전압형 HVDC가 최적

해상풍력단지는 풍황조건이 좋은 원해에 주로 설치된다. 따라서 육상계통과의 연계를 위한 장거리 송전 기술이 필요하게 되는데, 기존의 AC이 아닌 HVDC 송전이 유일한 해법으로 평가받고 있다. HVDC 계통연계는 풍력발전기의 종류를 AC 또는 DC로 다양화할 수 있으며, 발전단지의 주파수와 전압 선택이 자유롭다는 이점도 함께 지니고 있다.

현재 대부분의 해상변전소는 해상설치의 특성상 밀집된 구조설계에 용이한 전압형 HVDC 방식을 적용 중이다. 전압형 HVDC는 전류형 HVDC 방식에 비해 설치면적 축소뿐만 아니라 실시간 양방향 송전, 정전시 자가 기동 가능 등의 장점이 있어, 해상풍력의 보급 확대를 위해 필수적인 기술로 평가받고 있다.

현재 우리나라에서는 한전과 발전6사가 공동으로 투자해 설립한 한국해상풍력이 서남해 2.5GW 해상풍력 개발사업을 추진하고 있다. 이 중 2015년까지 준공될 100MW 규모의 실증단지에는 해상변전소 1개소, 154kV HVDC 1회선이 설치되며, 2015년부터 2017년까지 추진될 400MW 규모의 시범단지에는 해상변전소 1개소와 154kV HVDC 2회선이 설치된다. 또 3단계 사업으로서 2020년 준공이 목표인 2000MW 규모의 확산단지에는 해상변전소 4개소, 2GW급 변환소 2개소와 500kV HVDC 송전선로가 설치될 계획이다. 사업지역은 전라남도 영광군 안마도와 전라북도 부안군 위도 부근의 해상이며, 사업비는 12조6천억원 규모이다.