초전도 자기 에너지 저장장치(SMES)의 구성, 원리, 특징 및 적용

1. SMES의 기본 구성

SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)는 초전도 코일에 자기 에너지를 저장했다가, 필요할 때 전력계통에 공급하는 고속 반응형 저장 시스템입니다.

3상 교류전원
   │
[AC-DC 변환기]───DC───[정류기]────[초전도 코일]────[냉동기]
                          │
                      전류센서
                          │
                    급속 전류 스위치

2. 동작 원리

(1) 교류 → 직류 변환 (정류기)

• 저장 에너지는 직류 전류로만 저장 가능
• 저장 에너지 수식:

$$
W = \frac{1}{2} L I^2 \quad [J]
$$

• 따라서 3상 교류를 직류로 변환한 후 초전도 코일에 저장

(2) 초전도 코일

• 저항이 없는 초전도체로 제작되어 무손실 장시간 저장이 가능
• 보통 솔레노이드형과 토로이드형이 존재하며, 후자는 누설 자속이 적음

(a) 솔레노이드형     (b) 토로이드형
█████████          ○○○○○○○

(3) 영구 전류 유지 회로

• 저장이 끝난 후 전류를 유지하기 위해 스위치를 폐회로로 전환
• 스위치의 저항이 0에 가까울수록 효율적

(4) 냉동기

• 초전도체를 낮은 온도로 유지하여 초전도 상태를 지속함
• 액체헬륨 등 냉매 사용

3. SMES의 특징

1) 에너지 저장 효율이 매우 높고, 충방전 속도가 매우 빠름
2) 최신 고속 반응형 전력장치 제어 가능
3) 에너지 저장 외에도 계통 주파수 조정, 전압 품질 향상 등 부가적 효과 기대

4. 적용 분야

1) 양수 발전 대체, 변전소 등에서 부하 평준화, 계통 주파수 제어
2) 부하 변동 보상, 전력 품질 향상, 송배전 계통 안정성 강화
3) 용량은 대규모(1GW), 중규모(10MW), 소규모(100kW) 등으로 다양