[논문]핵융합 응용분야의 전력전자 기술

조현식; 차한주

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문제 정의

본 절은 핵융합 분야의 전력전자 기술에 관한 내용으로 특히 ITER power supply system의 다양한 주제에 대하여 본고의 필진이 연구한 내용을 위주로 서술하였다. 핵융합 발전을 하기 위해서는 고온의 플라즈마를 자기장을 이용하여 토카막 장치에 가두어야 한다.
지금까지 국내외 핵융합 발전의 연구동향 그리고 핵융합 발전에서 전력전자 기술이 어떻게 적용되는지에 대한 당 필진의 연구결과를 위주로 소개하였다. 지금까지 연구된 내용을 바탕으로 우리나라는 핵융합 발전 연구에 관한 ITER 사업과 KSTAR를 성공적으로 수행할 것이라 전망이 되며, 더 나아가 궁극적인 목표인 한국형 핵융합 발전소 건설에도 보다 가까이 다가갈 수 있을 것이다.

제안 방법

이러한 대 전력 시스템은 설계, 분석, 시뮬레이션은 가능하지만 비용, 시간, 안전의 문제로 인해 실제 검증의 어려움이 있다. 따라서 이러한 어려움을 극복하고 실제 제어기를 검증하기 위해서 RTDS(RealTime Digital Simulator)와 실제 제어기를 연동한 HILS(HardwareIn-the-Loop Simulation)시스템을 구축하였다[3]. 그림 6은 실제 제어기와 RTDS를 연동하기 위한 하드웨어 연결을 보여준다.
하지만 컨버터의 직렬운전의 경우 매우 큰 무효전력을 발생시켜 계통의 불안정을 야기하므로, ITER 컨버터의 직렬운전은 전압제어의 연속성과 최소한의 무효전력 발생의 조건을 만족 시켜야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서 순차제어를 도입하여 그 알고리즘을 4 직렬 연결된 CS 컨버터에서 검증하였다[5]. 순차제어는 무효전력 보상기를 추가하지 않고 자체적으로 무효전력의 발생을 저감시키는 기법이다.
초전도 코일에 요구되는 전압과 전류를 공급할 때 무효전력이 발생하게 되며, 과도한 무효전력은 계통을 불안정하게 하는 원인이 된다. 따라서 이러한 무효전력량을 200Mvar 이하로 유지하기 위하여 정지형 무효전력 보상기 (SVC : Static Var Compensator)의 대표적인 장치인 싸이리스터 제어 리액터 (TCR : Thyristor Controlled Reactor)와 고조파 필터 (HF : Harmonic Filter)로 구성된 무효전력 보상기를 사용한다. 무효전력을 효율적이고 빠르게 보상을 하기 위해서는 다양한 초전도 코일 전원장치에서 발생하는 무효전력의 크기를 정확하게 예측하는 것이 중요하다.
무효전력을 효율적이고 빠르게 보상을 하기 위해서는 다양한 초전도 코일 전원장치에서 발생하는 무효전력의 크기를 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 따라서 그림 21과 같이 PF 컨버터 2대와 무효전력 보상기로 펄스전원계통을 구성하고 이에 발생하는 무효전력의 크기를 예측하여 보상하는 무효전력 보상기법을 해석하고 검증하였다[7]. 그림 22 (a)는 무효전력 보상 기를 적용하기 전의 파형이며 이 때, 출력전압의 지령치가 양의 최대에서 음의 최대로 전환되는 구간의 무효전력 최대치는 약 120Mvar이다.

성능/효과

그림 14는 4 직렬 CS 컨버터의 순차제어를 검증하기 위한 시뮬레이션 모델을 나타내며, 그림 15는 제안된 순차제어를 적용하였을 때각각의 컨버터 무효전력과 전체 무효전력을 나타낸다. 순차제 어를 통하여 무효전력의 최대치는 약 225 Mvar에서 약 190 Mvar로 감소함으로써 16%의 무효전력을 감소시킬 수 있다.
그림 18이 벡터연 산과 상태방정식을 이용한 유도 결합된 PF 초전도 코일의 전류제어 모델이며, 그림 19는 실제 제어기의 DA 출력으로 확인한 부하전류와 전압 지령치 파형이다. 결과적으로 각 초전도 코일의 전류제어 시에 동시 다발적으로 발생하는 상호 인덕턴스와 전류 극성변화의 영향의 해석, 모델링, 제어기법이 정상적임을 검증하였다.

후속연구

지금까지 국내외 핵융합 발전의 연구동향 그리고 핵융합 발전에서 전력전자 기술이 어떻게 적용되는지에 대한 당 필진의 연구결과를 위주로 소개하였다. 지금까지 연구된 내용을 바탕으로 우리나라는 핵융합 발전 연구에 관한 ITER 사업과 KSTAR를 성공적으로 수행할 것이라 전망이 되며, 더 나아가 궁극적인 목표인 한국형 핵융합 발전소 건설에도 보다 가까이 다가갈 수 있을 것이다. 이러한 핵융합 발전에 전력전자 기술은 매우 중요한 역할을 하게 되며, 전원공급장치 뿐만 아니라 계통연계 등에도 다양하게 적용되고 연구되고 있으며, 이는 더욱 가속화 될 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

우리나라 핵융합 연구 계획은 어떠한가?

우리나라는 2040년대 한국형 핵융합 발전소 건설을 목표로 KSTAR 운영으로 초전도 핵융 합장치 제작 원천기술과 초전도 핵융합장치 운영 원천기술을 확보하고, ITER 참여를 통해 핵융합로 설계기반 기술을 확보하고 있는 중이다.

핵융합 연구는 세계적으로 몇 년대부터 이루어지기 시작하였는가?

핵융합 연구는 세계적으로 1950년대부터 이루어지기 시작했다. 1951년 러시아의 사하로프가 ‘토카막’의 발명을 대표적으로 1950~60년대에는 핵융합 이론 정립 및 기초연구 수행을 하였으며, 1970~80년대에는 과학적 실증을 위한 대형 핵융합 장치 건설 및 운영이 이루어졌다.

ITER는 몇 년대에 완공되는가?

현재 2010년대에는 ITER 건설을 목표로 세계가 움직이고 있으며 2015년 독리의 W7-X이 완공되었으며, 2019년에는 일본의 JT-60SA 장치건설이 완료예정에 있다. 2020년대에는 ITER가 완공이 되어 운영예정에 있으며 2030~40년대에는 DEMO 핵융합 실증로 건설 예정과 함께 핵융합상용화가 전망되고 있다.

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