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포스텍 에너지시스템 연구실

POSTECH Energy Systems Lab

글. 포스텍 전자전기공학과 김영진 교수

탄소중립 사회로의 전환이 본격화되면서, 전기는 국가 산업과 인공지능 시대를 지탱하는 핵심 자원으로 자리 잡았습니다. 포스텍 에너지시스템 연구실(Energy Systems Lab)은 이러한 변화 속에서 전력망의 운영체계(Operating System)를 연구하며, 전력의 생산.이동.저장.제어에 이르는 전 과정을 과학적으로 설계합니다. 특히, 인공지능, 전기차, 데이터센터 등 급격히 증가하는 전력 수요를 안정적으로 관리하기 위해, 본 연구실은 지능형 전력망(Autonomous Power Grid) 기술을 개발하고 있습니다.

전력망의 두뇌를 설계하다

2021년 미국 텍사스에서는 갑작스러운 혹한으로 발전소와 송전망이 동시에 마비되며 수백만 가구가 수일간 전력을 공급받지 못한 사건이 발생했습니다. 이 사건은 단 한 번의 예측 실패가 도시 전체의 기능을 마비시킬 수 있음을 보여주며, 전력망의 실시간 예측과 복원력(Resiliency)의 중요성을 강조했습니다. 에너지시스템 연구실은 이러한 대규모 정전 위기를 방지하기 위해, 실시간 상태 추정과 데이터 기반 제어 기술을 활용하여, 스스로 진단하고 회복하는 전력망의 두뇌를 구현하고 있습니다. 이것이 에너지시스템 연구실이 지향하는 지능형 전력망의 핵심입니다.

그림 1. 2021년 텍사스의 대규모 정전 사태는 혹한으로 인한 전력망 붕괴가 

사회 전반의 기능 마비로 이어진 대표적 사례로, 전력망 예측·복원 기술의 중요성을 보여준다.

AI가 그리는 새로운 전력망

인공지능의 시대가 열리면서, 전력망은 더 이상 물리적 설비의 단순 집합이 아니라 데이터로 작동하는 지능형 네트워크로 진화하고 있습니다. 특히 대규모 AI 데이터 센터가 증가하면서, 데이터 센터에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 새로운 운영 방식이 요구되고 있습니다. 에너지시스템 연구실은 이러한 시대적 요구에 대응하여 인공지능 기반 전력망 예측.진단.제어 기술을 개발하고 있습니다.

연구실은 실제 전력망을 가상으로 복제하는 디지털 트윈(Digital Twin) 기술을 구축해, 수천 개의 발전기, 변전소, 송배전 선로, 부하, 에너지 저장 장치 등이 어떻게 상호작용하는지를 실시간으로 시뮬레이션합니다. 이를 통해 고장이나 이상 상황을 사전에 예측하고, 운영자의 판단을 돕는 LLM 기반 전력망 의사결정 보조 시스템 개발에도 앞장서고 있습니다.

그림 2. 재생에너지와 AI 데이터센터의 융합은 미래 전력망의 핵심 축으로, 

에너지시스템 연구실은 이를 연결하는 지능형 전력망 제어 기술을 연구하고 있다.

특히 최근 국제에너지기구는 “2035년까지 전 세계 데이터센터의 추가 전력 수요 대부분이 재생에너지로 공급될 것”이라고 전망했습니다. 재생에너지와 AI 데이터센터의 융합은 미래 사회의 핵심 에너지 구조로 자리 잡고 있으며, 연구실은 이러한 두 거대 기술의 접점을 지능형 전력망 연구를 통해 구체화하고 있습니다. 포스텍과 미시간대학교가 함께 수행한 국책 프로젝트에서는 AI가 실제 고장 데이터를 학습하여 이상 패턴을 스스로 재현하고, 전력망 내 다양한 이상 패턴을 자동으로 진단하는 알고리즘을 개발하였습니다. 이러한 기술은 향후 재생에너지 연계 단지, 마이크로그리드1, AI 데이터센터 등 복합 에너지 인프라 운영 자동화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

DC 네트워크와 차세대 전력 변환

전력망이 대규모 재생에너지를 수용하기 위해서는, 교류(AC) 중심의 기존 구조를 넘어 보다 효율적이고 안정적인 직류(DC) 기반 전력망으로의 전환이 필요합니다. 에너지시스템 연구실은 이러한 변화를 이끌 핵심 기술로 HVDC(고전압 직류송전), MTDC(다단자 직류망), 그리고 Grid-forming 인버터 제어 기술2을 연구하고 있습니다.

그림 3. 에너지시스템 연구실은 HD현대중공업과 함께, 국내 최초로 그리드 포밍(Grid-forming) 인버터를 

기반으로 한 선박 전력시스템 실증 및 상용화에 성공했다.

연구실이 자체 구축한 PHILS(Power Hardware-in-the-Loop Simulation) 플랫폼을 통해 실제 전력망과 동일한 조건에서 제어 알고리즘을 실험하며, 다양한 발전기.배터리.변환기의 상호운용성을 검증하고 있습니다. 이 플랫폼은 연구실과 산업 현장을 연결하는 핵심 기반으로, DC 전력망의 안정도 향상과 차세대 전력 변환 기술의 검증에 활용되고 있습니다. 또한 이러한 연구 성과는 ‘솔라라이즈(Solarize) 주식회사’의 설립으로 이어지며, 연구가 산업 현장으로 확장된 대표적 사례가 되었습니다.

전기와 데이터가 함께 진화하는 곳

포스텍 에너지시스템 연구실의 연구는 전기와 데이터가 만나는 지점에서 출발합니다. 연구실은 디지털 트윈 기술을 통해 실제 전력망과 동일한 가상 환경을 구현하고, 이 안에서 AI가 발전소.배터리.건물의 동작을 실시간으로 학습하고 최적화하도록 합니다. 전력망의 운영, 데이터센터의 냉각, 산업 설비의 제어까지, 전기와 데이터가 얽힌 모든 시스템이 디지털 트윈 속에서 실험되며 발전하고 있습니다.

에너지시스템 연구실의 연구는 논문에서 멈추지 않습니다. 교원 창업과 산학협력, 실증 사업을 통해 산업 현장에 직접 적용되고, 학생들은 연구 과정에서 실제 에너지시스템의 변화를 체험하게 됩니다. 학문과 산업, 그리고 사회를 잇는 포스텍의 연구 문화 속에서, 에너지시스템 연구실은 오늘도 멈추지 않는 데이터 공유 기반의 전력망을 설계하고 있습니다.

그림 4. 디지털 트윈은 설계와 운영 전 과정을 통합해, 실제 전력망의 동작을 가상 공간에서 재현하고 

AI가 설비 상태와 환경 변화를 학습·최적화 하도록 돕는 기술이다.

포스테키안 독자 여러분, 보다 자세한 내용은 포스텍 에너지시스템 연구실 홈페이지에서 확인하실 수 있습니다. 관심 있는 학생과 연구자는 언제든지 연구실로 편하게 연락해 주시길 바랍니다.

포스텍 에너지시스템 연구실 홈페이지 바로가기(https://powersys.postech.ac.kr) 

[각주]

1. 태양광, 풍력 등 신재생에너지와 에너지저장장치(ESS)를 활용하여 특정 지역에서 전력을 자체적으로 생산, 저장, 소비하는 소규모 독립형 전력망

2. 기존 동기 발전기처럼 전력계통의 주파수와 전압을 스스로 생성하고 조절하여, 계통을 능동적으로 안정화하는 기술