계통 연계형 ESS의 실시간 내부저항과 CMV 기반 상태진단에 관한 연구 = A Study on State Diagnosis Based on Real-Time Internal Resistance and CMV of Grid-Connected ESS

국문 초록 (Abstract)

본 硏究는 계통 연계형 ESS의 실시간 내부저항과 CMV 기반 상태진단에 관한 硏究이다. 본 연구는 계통연계형 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS) 에서 발생하는 공통모드전압(Common Mode Voltage, CMV) 특성과 리 튬이온배터리의 내부저항 변화 간의 상관성을 정량적으로 규명하고 실시 간 상태진단 기법을 제안하는 것을 목적으로 한다. CMV는 PCS(Power Conditioning System) 스위칭, 접지 구조 및 변압기 결선 방식의 다양 한 요인에 의해 지속적으로 발생하며, 누설전류 증가, 단자전위 불균형 및 절연 열화에 의해 ESS 안전성에 영향을 미치는 주요 인자이다. 하지 만 CMV가 시스템 전기적 특성과 배터리 팩 단위의 내부 상태에 미치는 영향은 체계적인 분석이 부족한 상황이다. 계통연계 환경에 따른 Δ–Y 절연변압기 기반 태양광(Photovoltaic, PV) 발전, ESS 및 계통(Grid) 연계 환경을 구축하고 다양한 충·방전 조건으로 부하 유무, 주간 PV 발전 조건 및 야간 ESS 단독 운전에서 CMV Mean, CMV Peak to Peak(P-P), CMV Slew Rate, 기존 내부저항(Direct Internal Resistance, DCIR), 실시간 내부저항(Real-Time Internal Resistance, RTIR) 및 SoC(State of Charge)를 Cycle 단위로 계측하였 다. CMV 파형의 시간 변화율인 Slew Rate는 순간적 전기적 스트레스를 반영하며, RTIR은 운전 중 내부저항 변화를 실시간으로 나타내는 변수로 활용되었다. 정규분포 기반 통계 분석 결과로 CMV Slew Rate 평균 μ는 2.90[V/s], 표준편차 σ는 0.42[V/s]를 보였으며, μ + 2σ는 3.74[V/s]로 주의 범위 Warning과 μ + 3σ은 4.16[V/s]로 경고 범위 Alarm으로 임계 값을 통해 급격한 전위 변동을 효과적으로 구분하였다. 또한 RTIR은 DCIR 대비 평균 오차율 약 4% 이내로 추정되며, 정상 운전 구간에서 RTIR의 통계적 범위 는 26.68[mΩ], 3σ 임계값은 약 32.98[mΩ]로 도 출되었다. 실험 분석 결과 CMV Slew Rate가 증가하는 Cycle에서 RTIR은 DCIR+10% 또는 RTIR 3σ 이상으로 상승하는 경향이 반복적으 로 나타났다. 이에 따라 공통모드 스트레스가 내부저항 증가 및 절연 열 화와 직접적으로 연관됨을 확인하였다. CMV Slew Rate와 RTIR을 결합한 3단계 통합 진단 알고리즘으로 Normal, Warning 및 Alarm을 제안하였다. 제안된 통합 상태진단 알고 리즘은 단일 변수 기반 진단 대비 이상 검출 신뢰도가 높다. 실험 Cycle 중 Alarm 판정의 약 80% 이상이 실제 RTIR 상승과 CMV Slew Rate 증가가 동시에 발생한 구간과 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 CMV 변화와 내부저항 열화가 동시 발생하는 ESS의 전기적 위험을 실시간으 로 진단할 수 있다. 결론적으로 본 연구는 계통연계형 ESS에서 발생하는 CMV, Slew Rate 특성 및 내부저항 변화의 상관성을 정량적으로 분석하였으며, 이를 활용한 실시간 상태진단 알고리즘을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 선행 연구 5
• 1.3 논문의 구성 8
• Ⅱ. 이론적 고찰 9
• 2.1 에너지저장장치 9
• 2.2 ESS 6대 안전기준 16
• 2.3 CMV와 배터리 내부저항 상관성 27
• 2.4 전처리 알고리즘 47
• Ⅲ. 제안하는 계통연계형 ESS 상태진단 50
• 3.1 CMV Slew Rate 기반 상태진단 50
• 3.2 실시간 배터리 팩 내부저항 상태진단 56
• 3.3 CMV Slew Rate와 RTIR을 결합한 상태진단 63
• Ⅳ. 계통연계 실험 65
• 4.1 계통연계 충·방전 실험 구성 65
• 4.2 CMV 및 내부저항 실험 68
• 4.3 CMV Slew Rate와 RTIR 상태진단 구현 89
• Ⅴ. 결론 105