배전계통에 있어서 전기적 위해요인을 고려한 Modified RPN 방식 기반 ESS 안전성 평가 방안 = A Safety Evaluation Method for ESS Using the Modified RPN Considering Electrical Hazard Factors in Distribution Systems

국문 초록 (Abstract)

최근, 다양한 용도로 설치되는 에너지저장장치(ESS, energy storage system)에서 빈번하게 발생하고 있는 화재사고로 인하여, ESS의 안전기준을 고려한 위험요소 평가에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, CMV, 서지, 누설전류, 순환전류, 철공진, 등의 전기적 위해요인은 화재사고의 주요 원인 중 하나로 평가되며, ESS의 안전성에 악영향을 줄 가능성이 있다. 따라서, 본 논문에서는 사고전류와 CMV, 서지, 철공진, 누설전류, 순환전류, 등의 전기적 위해요인에 대한 발생 메커니즘을 제시하고, 심각도, 발생도, 검출도를 고려한 Modified RPN(risk priority number) 방식을 적용하여, 배전계통에서 ESS의 전기적 위해요인에 대한 안전성 평가를 수행한다. 여기서, RPN(risk priority number) 방식은 시스템에 대한 안전성을 평가하기 위해 사용되는 위험성 평가 방안으로, 시스템을 구성하는 각 요소에 대한 심각도(S, severity), 발생도(O, occurrence), 검출도(D, detection)를 바탕으로 산정한다. 또한, 심각도는 사고 발생시 시스템에 미치는 영향도를 평가하고, 발생도는 사고의 발생 가능성을 나타내며, 검출도는 잠재적 사고에 대한 발견 가능성을 나타낸다.

한편, 배전계통에서 ESS의 전기적 위해요인의 운용특성을 분석하기 위하여, 모의 배전계통부, 개폐서지 발생장치부, 순환전류 발생장치부, 등으로 구성된 30kW급 ESS의 전기적 위해요인 평가시험장치를 구현한다. 또한, PSCAD/EMTDC를 이용하여 모의 배전계통부, ESS부, 지락사고 검출장치부, 개폐서지 검출장치부, 순환전류 검출장치부, 등으로 구성된 전기적 위해요인의 평가 모델링을 수행한다. 그리고, 현장에서 설치되어 운용중인 ESS의 전기적 위해요인에 따른 안전성 평가를 수행하기 위하여, 배전계통부와 PCS부, 배터리부, 전기적 위해요인 발생장치부 등으로 구성된 MW급 ESS의 전기적 위해요인 평가 모델링을 제시한다.

상기에서 제시한 모델링과 Modified RPN 방식을 바탕으로, 전기적 위해요인에 대한 ESS의 안전성을 종합적으로 평가한 결과, DC 측 단락사고와 배터리 랙 단락사고가 가장 높은 위험도를 나타내어, 사고 발생 원인별로 적정한 보호방안이 요구됨을 알 수 있다. 또한, CMV는 변압기 결선 방식에 따라, 위험도에 직접적인 영향을 초래함을 알 수 있다. 한편, 정상상태시 차단동작에 의한 개폐서지가 상정된 시나리오 중에서 가장 높은 위험도로 평가되는데, 낮은 발생빈도와 달리 높은 심각도의 특성을 나타내므로, SPD 등의 보호 대책이 요구됨을 알 수 있다. 그리고, 철공진은 높은 위험도로 평가되므로, 설비손상을 방지하기 위한 커패시턴스, SPD 설치 등의 대응 방안이 요구됨을 알 수 있다. 또한, 순환전류의 위험도는 선로 긍장과 부하 불평형률에 따라 높은 위험도로 평가되므로, 계통 조건에 따라 적정한 검토가 요구됨을 알 수 있다. 한편, 선로의 절연성능에 의한 누설전류는 전체 항목 중에서 가장 낮은 위험도로 평가되지만, 상시 발생할 가능성이 있으므로 작업자의 안전에 유의해야 함을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the research have been actively carried out to evaluate the risk considering safety standards for ESS due to the frequent occurrence of fire accidents in energy storage system(ESS). And also, electrical harzards such as fault current, common-mode voltage(CMV), surge, leakage current, unbalanced current and ferro-resonance are evaluated as one of the major causes of fire accidents and has the potential to affect the safety of ESS. Therefore, this paper presents the mechanisms of the electrical hazards such as fault current, CMV, surge, leakage current, unbalanced current and ferro-resonance, and also performs safety evaluation for ESS based on the modified risk priority number(RPN) evaluation method, which is composed of severity, occurrence, and detection. Moreover, this paper performs modeling of evaluation electricial harzards in ESS, which is composed of the distribution system, PCS, battery system, electrical hazard generation units using PSCAD/EMTDC S/W. From the simulation and the safety of electrical hazards in ESS based on the modified RPN method and proposed modeling, it is confirmed that the short circuit in DC line has most severe influence on the safety of ESS, and also the detailed protection measures are needed for each cause of the fault.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 제1절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제2절 본 논문의 구성 5
• 제2장 리튬이온전지용 ESS의 전기적 위해요인 발생 메커니즘
• 제1절 ESS의 사고사례 분석 8
• 제2절 전기적 위해요인 발생 메커니즘 13
• 제3장 전기적 위해요인을 고려한 Modified RPN 방식 기반의 ESS 안전성 평가 방안
• 제1절 RPN 방식의 개요 27
• 제2절 Modified RPN 방식에 의한 ESS의 안전성 평가 방안 32
• 제4장 30kW급 ESS의 전기적 위해요인 평가시험장치 구현
• 제1절 ESS의 전기적 위해요인 평가시험장치 구성 40
• 제2절 ESS의 전기적 위해요인 평가시험장치 구현 43
• 제5장 ESS의 전기적 위해요인 평가 모델링
• 제1절 30kW급 ESS의 전기적 위해요인 평가 모델링 50
• 제2절 MW급 ESS의 전기적 위해요인 평가 모델링 58
• 제6장 시뮬레이션 및 시험 결과 분석
• 제1절 30kW급 ESS의 전기적 위해요인 운용특성 65
• 제2절 MW급 ESS의 전기적 위해요인 운용특성 75
• 제3절 Modified RPN 방식에 의한 ESS의 안전성 평가 96
• 제7장 결 론 102
• 참고문헌 104
• Abstract 115