“CAE 솔루션과 함께, 탄소 중립을 앞당기고, 전기 품질은 더욱 높아집니다.” 

▶ 회사 소개를 부탁드립니다. 

안녕하세요! 한국전력공사 발전기술연구소 전문기술센터에 근무하고 있는 오준석 선임 연구원입니다. :)

 가전기기부터 핸드폰, 심지어 전등까지, 요즈음 절대 없어선 안될 것 중 하나는 전기라고 해도 과언이 아니죠. 이처럼 전기는 우리 손길이 닿는 모든 곳에 있고, 우리 삶의 일부나 다름 없죠. 전력연구원은 1961년 전기 시험소로 출범한 국내 유일의 전력기술 중앙연구소로, 지난 60여 년 동안 전력공급 안정화 및 세계 최고의 전기품질을 만드는 데 선도적인 역할을 해 왔습니다. 특히, 연료전환 및 재생에너지 확대, 지능형 전력 그리드, 에너지 효율화 및 경영 효율화 등 탄소중립을 위한 핵심기술 연구를 수행하지요.

전력산업은 제4차 산업혁명과 에너지 전환이라는 큰 흐름에 따라 빠르게 변화하는 만큼, 본사 전력연구원은 지금까지 축적해 온 경험과 효율적인 연구개발을 통해 탄소중립을 위한 선도적 연구개발에 노력하고 있습니다.

▶연구원께서 계신 부서는 어떤 일을 하시나요? 

저희 팀은 전력 설비에 대한 소음, 진동 연구와 기술지원을 수행하고 있으며, 터빈, 발전기, 펌프, 팬, 전동기 등의 회전체와 보일러, 배관, 송전철탑, 가공 전선 등의 구조물 등을 대상으로 하고 있습니다. 

말하자면 전력의 생산, 송전 및 배전 과정에서 안정적인 전력 공급을 위해, 설비가 고장 없이 운전 되는 것을 우선적인 목표로 하고 있으며, 최근에는 탄소 중립과 신재생 에너지 확대 정책에 관련된 연구 개발을 시작하여 수행하고 있죠. 방금 말씀드린 연구 내용을 소개하기 위해, 간략하게 근래의 전력 상황을 설명하는 것이 필요한 듯합니다. 

모두가 잘 알고 있는 바와 같이 신재생에너지가 증가하면서 계통에서 차지하는 비율이 원자력, 화력 및 가스터빈 등과 같은 전통적인 방식의 발전원과 비교해 증가하고 있습니다. 이는 미래 세대에 온실가스를 배출하지 않고 지속 가능한 환경을 물려주기 위해 모든 나라가 지구적 미션인 탄소중립을 위해 노력하기 때문이라는 것을 우리 모두 또한 잘 알고 있습니다. 

대표적인 친환경 에너지로 태양광·풍력 같은 재생 에너지가 잘 알려져 있고, 햇빛이나 바람 에너지는 자연에서 비롯한다는 점이 가장 큰 장점이지만, 한편으로는 햇빛과 바람의 변동성이 가장 큰 제약으로 작용하는 에너지라고 말할 수 있습니다. 다시 말씀드리면 신재생에너지가 전통적인 방식의 발전원을 대체하면서 피할 수 없는 문제점이 발생하고 있다는 점과 이를 기술적으로 해결하여야 더욱 깨끗한 에너지를 한층 안정적으로 사용할 수 있다는 점을 강조하고 싶습니다.

이러한 문제점 중 하나가, 조금 생소할 수 있지만, 전력 계통에 관성이 부족하게 된다는 것입니다. 지금까지 주된 발전원들은 터빈-발전기로 구성된 회전기기를 이용한 형태였습니다. 전기 사용자에게 직접적으로 보이는 것은 아니지만 발전소의 회전체가 가지는 회전 관성은 전력 계통의 계통주파수를 안정시키는 역할을 끊임없이 하고 있습니다. 계통주파수는 반도체 제작뿐만 아니라 모든 산업에서 제작 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 일정하게 유지되어야 하고, 한국전력공사는 국내의 계통주파수를 세계 최고 수준의 품질로 유지하고 있습니다. 

최근의 계통 상황을 보면, 풍력이나 태양광 등의 신재생에너지가 증가하면서 그만큼 계통에 공급되는 관성이 줄게 되고, 관성이 부족한 전력 계통은 발전기 고장이나 송전 선로 단선 등 외부의 작은 충격에도 쉽게 정전으로 확산할 수 있게 됩니다. 따라서 재생에너지가 많은 환경에서 계통을 운영하려면 관성을 보충해야 한다. 이런 기술로는 플라이휠 동기조상기, 그리드포밍, 인버터 등이 있습니다.

현재 전력연구원에서는 관성 부족 문제를 해결하기 위한 종합적인 연구개발을 수행하고 있으며, 여러 주제 중 하나인 플라이휠-동기조상기에 대한 기계 분야의 기술 개발과 실증을 저희 부서에서 담당하고 있습니다. 플라이휠-동기조상기는 계통 안정성을 향상하기 위해 무효전력을 공급하고, 전압을 안정적으로 유지하며, 기계적 회전에 의한 관성을 공급하는 역할을 하는 기기이며, 계통의 변화에 즉각적으로 응동한다는 가장 큰 장점을 가진 설비입니다. 본 과제에서는 플라이휠-동기조상기에 대한 설계 기술과 운영 기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있으며, 실증을 통해 계통의 안정성을 높이는데 기여할 것으로 기대하고 있습니다.

 더불어 앞서 말씀드린 바와 같이 신재생에너지의 확대와 계통 용량과 안정성을 높이기 위해 HVDC, TCSC 등의 다양한 전력기기가 확대 도입되고 있는데, 이는 계통의 불안정성을 높이는 원인이 되기도 합니다. 계통의 불안정성은 바로 발전소의 터빈-발전기 축계에 하나의 외란으로 작용해 비틀림 진동을 가진하게 됩니다. 

이처럼 전력계통과 터빈-발전기 축계가 상호 작용하여 발생하는 비틀림 진동을 차동기 진동 현상(Sub-Synchronous Oscillation)이라고 하는데, 최근 계통 상황을 고려하면 향후 이로 인한 문제가 발생할 확률이 높아질 것으로 예상합니다. 

그를 대비하기 위해 차동기 진동 현상으로 인한 터빈 축계의 손상을 관리하기 위한 과제로 발전사와 공동으로 상태 평가 시스템을 개발하고 있으며, 비틀림 진동에 의한 피로 수명 평가를 기반으로 축계의 상태를 평가하여 로터의 취약 부분에 대한 점검 및 정비 기준을 수립하는 것을 목표로 하고 있습니다. 
 수행하고 있는 연구과제를 중심으로 소개하였지만, 전력 설비의 진동과 소음에 대한 원인을 분석하고 대책을 세워 해결하고, 기술을 고도화하는 것이 저희의 토대라고 할 수 있겠죠. 

▶연구원께서 맡고 있는 역할은 무엇인가요? 

▶ CAE 해석 솔루션(예: Ansys 등) 도입의 배경과 이점은 무엇인가요? 

계기부터 말씀드리면, 먼저 플라이휠 시스템의 구조 건전성 및 축계 안정성 평가는 기본적으로 유한요소해석에 기반한 해석적 접근방법을 채용합니다. 현재 연구 중인 과제에서는 ‘25년에 도입 예정인 플라이휠-동기조상기 설계 기술 확보를 위해 각 부품에 대한 해석이 요구되며, 응력, 진동 등의 구조적 건전성과 냉각성능 및 안정성 평가를 위한 유동 및 열적 현상이 혼합된 연성 해석이 필요해 본 솔루션을 도입하게 되었죠.

덕분에 각 부품의 특성 및 부품 간의 거동을 쉽게 확인할 수 있고 여러 가지 외란에 대한 응력변화, 진동 고유치와 모드 해석, 회전 축계의 위험속도 및 안정성 분석, 과도 응답에 대한 해석을 수행하고 결과를 신속하게 도출할 수 있었습니다. 또한, 해석 결과가 시각적으로 표현됨으로 시스템의 거동에 대한 이해도를 높일 수 있었으며, 모든 과정에 대한 데이터가 통합되어 있어 설계 조건에 대한 다양한 변화에도 기민하게 대응하여 심도 깊은 분석을 수행할 수 있는 장점이 있습니다.

발전소나 송배전 계통의 전력기기에서 발생하는 소음, 진동 문제 해결을 위해 오랫동안 축적된 현장 실무 경험을 살리곤 하는데요. 전산 해석이 연구개발 분야에 이용되면서, 저희 부서에서도 문제의 원인 분석과 대책 수립에 CAE 해석 솔루션을 적극적으로 도입하여 활용하고 있습니다.

[COS 접속부 전선 신뢰성 시험 및 해석]

  

예를 들자면 발전소 등 현장에서 운전 중인 기기의 진동을 계측하고, 모드 시험 등을 통해 기기의 특성을 일차적으로 분석 후 원인 분석을 위해 해석 모델을 만들고 여러 파라미터를 변경하며 해석을 수행하여 원인을 찾습니다. 또, 대책이 마련되면 이에 따른 효과 예측과 최적안을 결정하기 위해서도 전산해석을 활용하고 있죠. 위와 같은 과정을 거친 대책 수립 이후, 예측한 결과와 같이 문제가 해결되면 전산해석의 효용성을 느끼게 됩니다. 

그런 면에서 태성에스엔이에게 바라는 점이 있다면 먼저 사용자로서 소프트웨어의 모든 기능을 다 파악하기 쉽지 않아 최적의 방법을 도출하는 데에 많은 시간과 비용이 소모되곤 하는데, 태성에스엔이에서 기술적인 조언과 지원이 더 이루어진다면 더 효과적인 방법을 빠르게 찾을 수 있을 것으로 생각합니다. 또, 유사한 주제에 대해서 CAE 해석 솔루션을 활용하는 사용자들이 교류할 기회를 마련해주신다면 서로가 기술적으로 더욱 성장할 수 있는 좋은 계기가 될 수 있지 않을까 합니다.

▶마지막으로 말씀 주실 게 있으신가요?  

전력연구원은 탄소중립에 대한 국제적인 요구와 함께 국가 정책에 발맞춰 발전, 송·배전, 판매 등 가치사슬 전 주기에 걸쳐 탄소중립을 구현하기 위한 연구를 하고 있으며, 탄소중립을 위해 시급히 연구해야 할 기술 대부분은 전력연구원 R&D 포트폴리오에 반영하고 있습니다.
저희 전문기술센터에서도 변화하는 전력산업의 환경에 맞춰 연구개발과 기술지원의 전환을 지속해서 추진하고 있으며, 이러한 도전의 과정에서 이루어진 태성에스엔이와의 협력은 양 기관의 발전에 크게 기여할 것이라고 기대합니다. 그 외 문의가 있으시다면 메일로 문의 주시고, 앞으로도 한국전력연구원에 많은 사랑 부탁드립니다.