공동주택 비상전원의 PCS 및 ESS 적용 연구

유순정 숭실대학교 대학원 2021 국내박사

자원의 고갈 및 온실가스로 인한 지구온난화를 해결하기 위해서 우리나라 뿐만 아니라 세계 각국들은 다양한 정책을 통해 신재생에너지와 전기에너지의 효율적인 사용에 대한 관심과 연구가 늘어나고 있다. 분산형전원과 연계하여 전기에너지의 생산, 저장 및 사용 형태가 새롭게 변화하고 있으며, 에너지저장 시스템(ESS)은 가장 대표적인 사례로서 다양한 형태로 적용 가능한 시스템이다. ESS는 최대전력수요의 저감에 의한 에너지의 효율적인 공급과 출력의 안정화 뿐만 아니라, 운영이 불편하고 환경적으로 문제가 있는 디젤 발전기를 대체하는 비상전원으로도 사용이 가능하다. 그러나 ESS를 비상전원으로 적용하기 위한 구체적인 방법이 부족하여 기존의 비상발전기 용량 산정방식인 PG법을 ESS에 적용하여 PCS용량을 산정하고 있다. 이것은 비상발전기와 PCS의 서로 다른 유·무효전력 공급 특성을 고려하지 않은 것으로 문제점을 내재하고 있다. 소방부하는 대부분 유도전동기를 사용하며, 전동기 기동 시 역률은 20% 정도까지 급격하게 낮아지며, 무효전력의 충분한 공급이 필요하다. 공급이 불충분할 경우 단자전압 확보가 불가능하므로 유도전동기 기동실패 및 모선의 심각한 전압 강하로 이어질 수 있다. 이로 인하여 비상전원의 필요한 시간 내 공급 불가능은 물론 타 모선 전력설비들의 운전 정지를 초래할 수 있다. 최근 디젤발전기를 대체하는 비상전원용 ESS의 배터리 용량 산정방법은 PG법에 의한 발전기 출력용량(kW)의 2시간을 적용하였으며, 이는 구체적인 근거 부족으로 매우 비합리적이라 할 수 있다. 본 논문에서는 비상전원용 ESS의 PCS 용량을 화재안전기준(NFSC)에서 고시한 비상전원의 구비조건을 만족하며 PCS의 무효전력 공급특성을 고려한 계산방법인 PE법을 제안하였다. 또한 비상부하별 법적 최소공급시간을 기초로 하여 효율 및 경년변화율을 고려한 배터리 용량 산정 방안을 제안하였다. 제안한 PE법을 소․중 규모의 공동주택에 적용하여 비상부하 전동기의 기동 시뮬레이션 입증으로 적용 가능성을 확인하였다. 또한 비상용 ESS의 경우 항상 완충상태를 유지해야 하므로 유지관리 측면에서 제한이 많다. 이를 수요관리(DR)용 ESS를 병렬 사용함으로써 화재방지 및 PCS의 공급신뢰도를 향상 시킬 수 있다. 본 연구는 제안한 방안을 통하여 에너지 저장장치(ESS)를 비상전원으로 적용하기 위한 합리적인 용량산정 및 운용방안을 선정함으로써 에너지 저장장치의 보급에 이바지하며 시스템의 안전성과 신뢰성을 향상시켰다. To prevent global warming caused by resource depletion and greenhouse gases, interest and research for making efficient use of electric and renewable energy have increased through environmental policies around the world. In new changes of the electric energy generation, storage, and application in connection with distributed power sources, the energy storage system (ESS) can be utilized for a variety of power system as the most representative example. In order to stabilize the output and reduce the maximum power demand, ESS not only uses energy efficiently, but also a method of using it as an emergency power by replacing a diesel generator is proposed. ESS is not only available for supplying electric energy efficiently due to the reduction of the maximum power demand and for stabilizing the output, but also it can be as an emergency power by replacing a diesel generator. However, since there is no specific calculation method for applying the ESS to distributed system as an emergency power source, the PG method, the existing emergency generator capacity calculation formula, has been applied to the ESS to calculate the PCS capacity. The calculation can occurs some problem that it does not take into account of the different reactive power supply characteristics of the emergency generator (synchronous generator) and the PCS. Most of the fire fighting loads are large loads using squirrel cage fluids Most of the fire-fighting facilities have a large loads like a squirrel case induction motors, and the power factor is lowered to about 0.2 to 0.3 at start. The apparent power increases instantaneously due to the rapidly increased reactive power. This phenomenon causes the terminal voltage to drop sharply and the motor to fail to start. Recently, the battery capacity of the existing emergency power ESS is calculated by applying two hours to the power of the generator (kW), which is an irrational method because of insufficient grounds. This paper proposed the PE method which is one of the calculation methods, that satisfies the requirements for provision of emergency power notified in the Safety Standard (NFSC) and considers the reactive power supply characteristics of PCS. Also, based on the legal minimum supply time for each emergency load, a method for calculating the battery capacity in consideration of efficiency and aging rate was proposed. The proposed PE method was applied to the simulation model of an apartment housing case, and the applicability was verified by performing a start simulation of a large electric motor. ESS utilizing for emergency power has higher initial investment cost than diesel generators, but economic feasibility can be established by applying the ESS used in DR in parallel. In the case of the emergency ESS, the possibility of fire is very high because the state of full charge must be maintained at all times. Using the DR ESS in parallel improves the supply reliability of the PCS and the life time of the batteries and effects to the fire prevention. In this paper, the proposed method have stability and reliability by describing a reasonable plan for applying energy storage devices as emergency power sources, and is expected efficiently to use of electric energy through dissemination and diffusion.

에너지 저장장치 화재의 확대 요인에 관한 연구

문기현 서울시립대학교 도시과학대학원 2019 국내석사

ESS는 태양광 발전, 풍력 발전의 연계용으로 설치를 하고, 선진국에서는 각 가정에도 태양광 발전시설을 소규모로 설치하여 사용하고 있다. 태양광 발전과 풍력발전은 환경에 영향으로 지속적인 전력을 공급할 수 없는 한계가 발생하는데 ESS와 연계하면 발전량이 많은 경우 ESS에 충전을 하고, 발전량이 적은 경우 ESS에서 방전을 하여 부하에 일정하게 전력을 공급할 수 있다. 국내에 설치된 ESS는 태양광 연계, 풍력 연계, 주파수 조정, 피크제어 용도로 설치하고 정부 지원정책으로 ESS의 설치가 증가하고 있다. 최근 3년간 23건의 ESS 화재가 발생하였고, 리튬이온 배터리의 화재 발생원인은 배터리 보호설비의 오작동, 과충전, 과방전, 외부충격 등이 있고, ESS 의 화재 발생원인은 BMS의 오류, PCS 오류, 리튬이온 배터리 불량, 외부충격, Switch Gear 불량 등이 있다. 23건의 ESS 화재 중 19건의 화재사례를 분석하여 화재 확대요인을 크게 건축물 구조 및 설치상태, 인지지연, 자체대응 미흡, 소화설비, 화재진압 활동으로 분류하고, 좀 더 세부적으로 20개 항목으로 분류하였다. 국내외 ESS 관련 기준은 KFS 412, UL 9450A, NFPA 855 등이 있고, 한국화재보험협회에서 제정한 KFS 412는 NFPA 855와 FMDS 0533을 참고하였고, UL 9450A는 열 폭주가 발생하는 ESS의 화재특성을 평가하여 ESS 화재 및 폭발을 방지하기 위한 설치방법을 결정하는데 사용하는 시험방법이다. ESS 화재의 확대방지 대책은 방화구획, 배터리 Rack의 이격거리 확보, 적응성 있는 연기감지기 설치, 가연성 가스의 농도를 낮추기 위한 환기설비 설치, 자동식 소화설비인 스프링클러설비 설치, 소방차의 진입로 확보하고, 실제 화재시험을 통해 데이터를 확보하여 소화설비의 소화성능을 개선해야 한다.

에너지저장시스템(ESS)의 효율적인 운영을 위한 전력관리시스템(PMS)의 설계 및 구현

김준용 서울시립대학교 일반대학원 2021 국내석사

ESS (Energy Storage System, ESS)는 발전된 에너지를 저장했다 가 필요한 시기에 다시 에너지를 공급할 수 있는 시스템을 말한다. ESS는 발전된 직류 전력을 계통에서 사용되는 교류 전력으로 변환 해주는 인버터와, 계통을 통해 들어온 교류 전력을 배터리가 저장 하는 직류전력으로 변환시켜주는 PCS (Power Conversion System), 전력을 저장하는 배터리, 그리고 이들을 관리하는 EMS (Energy Management System)와 PMS (Power Management System)으 로 구성되어있다. ESS는 에너지 공급 불균형 해소와 함께 피크타 임의 전력수요 전력 용량 증설문제에 대한 효과적인 수단으로 각광 받고 있으며, 2016년 파리기후협약 체결 이후 신재생에너지 보 급이 확대되면서 다양한 형태의 그리드 환경이 형성되어 ESS의 수 요 역시 점차 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 계속되는 ESS의 화재사고로 인해 ESS의 신뢰도와 안정성 에 대한 문제점이 제기되면서 안전점검 실시와 ESS 화재사고에 대한 조사를 진행하였으며 전기적 충격에 대한 배터리 보호시스템 미흡, 운 영환경 관리 미흡, 설치 부주의, ESS 통합제어·보호체계미흡 등 4가 지 요인을 확인하였으며, 이를 통해 ESS는 실시간으로 ESS 설비와의 통신을 통해 각 장비들의 상태를 파악하고 이를 통한 효율적인 유지관리 가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 효율적인 충․방전제어를 통해 안정적인 전력수급 이 가능하고 시간대별 전기부하를 평준화하여 전력피크 시 효과적으로 대응할 수 있는 ESS설계를 위해 태양광 발전과 ESS, 계통에 모두 연 계가 가능한 통합 시스템을 설계 및 구현하여 발전 장비들의 데이터를 수집 분석을 통해 소프트웨어에서 , 능동적으로 제어할 수 있는 PMS를 구현한다.ESS (Energy Storage System, ESS)는 발전된 에너지를 저장했다 가 필요한 시기에 다시 에너지를 공급할 수 있는 시스템을 말한다. ESS는 발전된 직류 전력을 계통에서 사용되는 교류 전력으로 변환 해주는 인버터와, 계통을 통해 들어온 교류 전력을 배터리가 저장 하는 직류전력으로 변환시켜주는 PCS (Power Conversion System), 전력을 저장하는 배터리, 그리고 이들을 관리하는 EMS (Energy Management System)와 PMS (Power Management System)으 로 구성되어있다. ESS는 에너지 공급 불균형 해소와 함께 피크타 임의 전력수요 전력 용량 증설문제에 대한 효과적인 수단으로 각광 받고 있으며, 2016년 파리기후협약 체결 이후 신재생에너지 보 급이 확대되면서 다양한 형태의 그리드 환경이 형성되어 ESS의 수 요 역시 점차 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 계속되는 ESS의 화재사고로 인해 ESS의 신뢰도와 안정성 에 대한 문제점이 제기되면서 안전점검 실시와 ESS 화재사고에 대한 조사를 진행하였으며 전기적 충격에 대한 배터리 보호시스템 미흡, 운 영환경 관리 미흡, 설치 부주의, ESS 통합제어·보호체계미흡 등 4가 지 요인을 확인하였으며, 이를 통해 ESS는 실시간으로 ESS 설비와의 통신을 통해 각 장비들의 상태를 파악하고 이를 통한 효율적인 유지관리 가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 효율적인 충․방전제어를 통해 안정적인 전력수급 이 가능하고 시간대별 전기부하를 평준화하여 전력피크 시 효과적으로 대응할 수 있는 ESS설계를 위해 태양광 발전과 ESS, 계통에 모두 연 계가 가능한 통합 시스템을 설계 및 구현하여 발전 장비들의 데이터를 수집 분석을 통해 소프트웨어에서 , 능동적으로 제어할 수 있는 PMS를 구현한다. ESS (Energy Storage System, ESS) refers to a system that can store generated energy and re-energize it when needed. A power storage system is a PCS that stores power as generated power and converts power to used AC power, and the number of times it is converted to used AC power, that is, the number of times AC power is converted into stored power into output power. battery. It is composed of (Power Conversion System), EMS (Energy Management System), and PMS (Power Management System) that store and manage power. The energy storage system is being spotlighted as an effective means to resolve the energy supply imbalance and to increase power capacity at peak times, and after the conclusion of the Paris Climate Agreement in 2016, the supply of new and renewable energy has expanded, creating various types of grid environments. The demand for energy storage devices is also gradually increasing. However, due to the continuing ESS fire accidents, the reliability and stability of the ESS were raised, and a safety check was conducted and an investigation into the ESS fire accident was conducted. Four factors, such as insufficient integrated control and protection system, were identified, and through this, the energy storage system needs to understand the status of each equipment through communication with the ESS facility in real time, and through this, efficient maintenance is required. Therefore, an integrated system that can be connected to both solar power generation, ESS, and system for an energy storage system that enables stable power supply and demand through efficient charging and discharging control and effectively responds to power peaks by leveling the electric load by time. By designing and implementing the power generation equipment, we implement a PMS that can be actively controlled in software through data collection and analysis.

사업자 이익과 계통운영비를 고려한 에너지저장장치(ESS) 최적용량 산정에 관한 연구

김병오 부산대학교 대학원 2021 국내석사

우리나라는 기후변화에 효과적인 대응 및 효율적인 전력공급을 위해 2019년 6월 「제3차 에너지 기본계획」을 통해 2040년까지 재생에너지 발전비중 목표 30%∼35%로 제시하였다. 또한, 재생에너지 발전비중 증가에 따른 전력품질 확보를 위해 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 백업설비의 필요성을 언급하였다. 하지만, ESS의 높은 보급단가로 인해 가격경쟁력 확보가 쉽지 않으며, 재생에너지-ESS 연계 REC(Renewable Energy Certificates, 신재생에너지 공급인증서) 가중치 적용 등 지원정책에 의존하여 보급이 확산되어 왔다. 그러나 지원정책 비용 대비 효과에 의문을 제기하며, 앞으로의 ESS 연계 REC 가중치 일몰 여부 등에 대한 불확실성이 존재한다. 현 시점에서 ESS 연계 REC가중치 및 ESS 설치비에 따른 ESS 최적용량 산정에 대한 연구를 통해 중장기적으로 재생에너지 설비 투자자 및 시장참여자들에게 수익성을 극대화 할 수 있는 최적용량을 제시하고, 도출된 최적용량을 기반으로 다양한 의사결정과 정책적 판단 그리고 전력계통 운영등에 참고 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 ESS 지원 정책을 활용한 재생에너지 및 ESS 사업자 수익 메커니즘을 반영하고, 대용량 재생에너지 설비 및 ESS가 가격결정발전계획에 반영될 경우 전력시장가격 변화를 내재적으로 고려할 수 있는 ‘재생에너지 사업자 수익’과 ‘경제급전 문제’로 이루어진 이단식 계획문제(Bi-level Programming Problem)형태의 수리적 모델을 수립하여 정식화된 수리적 모델을 통해 경제급전 및 사업자 수익을 고려한, ESS 최적용량을 산정하였다.

ESS용 리튬이온 배터리의 열폭주 현상 및 소화 약제 적응성에 관한 연구

노재현 호서대학교 대학원 2020 국내석사

신재생 에너지의 발달로 ESS의 보급이 늘어남에 따라 2017년 안전규격을 발표하였지만 화재발생이 연이어 발생하였고, 이에 산업통상자원부에서는 본 논문에서는 2019년 ESS 안전강화대책을 발표하였다. 하지만 발표 후에도 ESS 화재는 연달아 발생하고 있다. 또한 ESS 관한 기존 연구는 조사에 관한 연구만 있으며, 실제 화재가 일어난 이후 소화대응과 관련한 연구는 미비하였다. 또한 ESS 관련 국내, 기준에는 개발에 대한 기준과 취급 및 운송에 관한 기준만 있을 뿐 관련 약제에 대한 기준이나 법령은 없는 실정이다. 해외 기준에는 약제에 대해 제안한 기준은 있어도 실제 약제 실험을 위한 구체적인 기준은 없었다. 본 연구는 현재 ESS 저장장치로 사용되는 리튬배터리를 대상으로 화재 및 폭발 위험성을 확인하고, ESS화재가 큰 화재로 번지는 것을 예방하기 위해 ESS를 가열 하여 화재를 발생시켜 소화 약제의 종류별로 효과적인 진화와 약제들이 ESS에 적용 할 수 있는지에 대해서 연구를 하여 국내에 ESS 화재에 즉각적으로 대응 할 수 있는 ESS 전용 약제를 확인하고자 한다.

ESS 연계 건물일체형 태양광열 시스템 개발을 위한 실증 연구

전새봄 부산대학교 대학원 2026 국내석사

전 세계적으로 기후 위기 대응과 탄소중립(Net-Zero) 실현을 위한 노력이 가속화됨에 따라 건물 부문의 에너지 소비 절감은 필수적인 과제가 되었으며, 이에 발맞춰 국내에서도 제로에너지건축물(ZEB) 의무화 정책이 공공을 넘어 민간 영역으로까지 확대되고 있다. 그러나 고층화되고 밀집된 도심지 건축물은 옥상 면적의 물리적 한계로 인해 기존의 옥상 거치형 태양광 시스템만으로는 에너지 자립률 목표를 달성하기 어려운 실정이다. 설상가상으로 변동성 재생에너지(VRE)의 급격한 보급 확대는 전력 생산과 소비의 시점 불일치를 초래하여, 제주 지역의 경우 2015년 3회에 불과했던 출력 제한이 2023년 117회로 급증하는 등 전력 계통의 불안정성을 심화시키고 있다. 본 연구는 이러한 도시형 건축물의 구조적 제약과 에너지 수급의 불균형 문제를 동시에 해결하기 위해, 건물 외벽을 에너지 생산 기지로 활용하는 건물일체형 태양광열(BIPVT) 시스템과 이를 유연하게 운영하기 위한 에너지저장장치(ESS)의 통합 모델을 제안하고, 실증 데이터와 정밀 시뮬레이션을 통해 그 기술적 성능과 경제적 타당성을 규명하였다. 연구의 신뢰성을 확보하기 위해 부산광역시 기장군에 위치한 실제 건축물의 남서측 외벽에 수직형 공기식 BIPVT 시스템을 구축하고, 2024년 6월부터 2025년 5월까지 약 1년간 장기 모니터링을 수행하였다. 1분 단위로 수집된 전력 출력, 모듈 온도, 덕트 입·출구 온도, 일사량 등의 데이터를 분석한 결과, 수직형 BIPVT 시스템은 태양 고도가 낮은 동절기에 전력과 열 생산 효율이 동시에 극대화되는 뚜렷한 계절적 특성을 보였다. 이는 겨울철 낮은 외기온이 PV 모듈의 온도 상승을 억제하여 발전 효율을 높이는 동시에, 수직 벽면이 낮은 고도의 태양광을 정면으로 받아들여 열 획득을 극대화하기 때문이다. 이러한 특성은 난방 부하가 집중되는 겨울철에 에너지를 최대로 생산함으로써 건물의 에너지 수요 패턴에 효과적으로 대응할 수 있다는 점에서 큰 강점으로 평가된다. 실증 데이터를 바탕으로 신뢰성이 검증된 TRNSYS 시뮬레이션 모델을 통해 분석한 결과, 시스템의 연간 전력 생산량은 1,905.3 kWh, 열 생산량은 3,005.9 Mcal로 집계되었다. 단순 BIPVT 도입 시 19.2%에 머물렀던 에너지 자립률은 ESS와의 연계 운전을 통해 발전과 소비 시점의 불일치를 해소함으로써 45.7%까지 대폭 향상되었다. 특히 ESS는 전력 수요가 집중되는 피크 시간대에 저장된 에너지를 방전함으로써 전력망의 부담을 완화하는 피크 저감(Peak Shaving) 효과를 입증하였다. 다만, 발전량이 과도하게 많은 동절기에는 배터리 완충으로 인한 출력 제한이 발생하여 에너지 손실이 나타나는 현상이 관측되었으며, 이는 향후 용량 최적화 및 제어 전략 고도화의 필요성을 시사한다. 본 시스템의 경제적 가치를 평가한 결과, 전력 요금 절감액(약 36만 5천 원)과 열 에너지 대체 비용(약 43만 원)을 합산하여 연간 총 795,753원의 에너지 비용을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 시스템 구축에 소요된 초기 투자비 약 1,023만 원에 대한 단순 회수기간은 12.9년으로 산정되었는데, 이는 배터리의 통상 수명인 15년 이내에 투자비 전액 회수가 가능한 수준이다. 또한, 지난 15년간의 평균 물가상승률(2.08%)을 반영한 생애주기비용(LCC) 분석에서도 15년간의 누적 절감액 현재가치가 초기 투자비의 99% 수준인 약 1,016만 원에 달해 장기적인 투자 가치가 충분함을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 BIPVT-ESS 통합 시스템이 도심지 건축물의 에너지 자립을 실현하고, 국가적 차원의 탄소중립 목표 달성에 기여할 수 있는 현실적이고 경제적인 대안임을 실증적으로 입증하였다 This study aims to enhance the energy self-sufficiency of buildings in response to the expansion of the Zero Energy Building mandate and national carbon-neutral policies. A façade-mounted air-based Building-Integrated Photovoltaic-Thermal (BIPVT) system combined with an Energy Storage System(ESS) was developed and tested to assess its empirical performance and economic feasibility. A full-scale BIPVT system was installed on the south-west façade of a building in Gijang-gun, Busan, and monitored for one year. Electrical output, module and air temperatures, solar irradiance, and battery state of charge were measured every minute to evaluate seasonal and monthly performance. A TRNSYS simulation model was then calibrated with the measured data to compare two control strategies—peak-shaving and time-of-use optimization. The results showed that the vertical air-type BIPVT system achieved the highest energy outputs in winter, producing 1,905.3 kWh of electricity and 3,005.9 Mcal of thermal energy annually. With ESS integration, the system reached an energy self-sufficiency ratio of 45.7 % and reduced annual electricity costs by ₩365,574. The total annual energy savings, including thermal benefits, amounted to ₩796,000, resulting in a simple payback period of 12.8 years—within the 15-year battery lifespan. These findings confirm that the BIPVT–ESS system effectively mitigates the mismatch between energy production and demand, reduces peak loads, and secures long-term economic feasibility, demonstrating its potential as a key technology for achieving Zero Energy Buildings.

ESS 전기적 충격 예방을 위한 지락보호 대책에 대한 연구 : A Study on Ground Fault Protection Measures to Prevent ESS Electric Shock

성보경 한국교통대학교 글로벌융합대학원 2023 국내석사

논문제목 : ESS 전기적 충격 예방을 위한 지락보호 대책에 대한 연구 (A Study on Ground Fault Protection Measures to Prevent ESS Electric Shock) ESS 화재사고는 2017년 8월부터 2023년 6월까지 46건이 발생되었고, ESS 화재사고 원인조사위원회에서 조사한 결과 전기적 충격에 대한 배터리 보호시스템 미흡을 사고원인 중 하나로 보고 있으며 이를 토대로 ESS 설치 단계에서 누전차단장치, 과전압 보호 장치, 과전류보호장치 등 전기적 충격 에 대한 보호장치 설치를 의무화하였다. 그리고 지락사고 발생 시 절연저항 이 제조사 기준치 이하로 저하되었을 경우 경보가 울리도록 지락보호장치 동작기능을 하도록 하는 등의 대책을 수립하였다[5]-[8]. 본 논문에서는 ESS에서 발생되는 지락사고에 대하여 배터리를 포함한 PCS 직류 측과 교류 측을 보호하기 위한 지락차단장치를 적정히 선택하여 ESS 에 가해지는 지락이나 단락 등에 의한 전기적 충격을 감소시키고자 하였다. 현장에 설치된 ESS 중 약 60% 정도가 비접지식 시스템으로 설치되어 있고, 이러한 비접지 계통에서 변압기와 PCS 사이에 시스템 보호를 위해 GPT를 설치하여 지락보호를 수행하고 있음에도 불구하고 ESS 직류 측의 지락 검출과 보호가 적절하게 이루어지지 않고 있다. 그리고 PCS 전력변환 시 IGBT 전력전자소자의 5~10 kHz 고주파수 스위칭 동작에 의해 발생하 는 NMN(Noraml Mode Noise)과 CMN(Common Mode Noise)이라는 노 이즈가 발생하는데 이러한 고주파 노이즈로 인해 누설전류가 발생하여 ESS 접지를 통하여 흐른다. 누설전류 발생시 수 kHz 영상분이 GPT 3차권선을 순환하면서 GPT 3차측 CLR 발열 발생, 영상전압 오계측 등 여러 문제점 을 발생시키고 있다. 그리고 인버터의 Commutation으로 인한 표류전류로 인하여 GPT FUSE 소손 발생시 지락전류가 더 이상 흐를 수 없게 되므로 지락보호 계전기의 기능도 상실된다. 또한, GPT 사용 시 높고 가혹한 CMV에 의해 SPD가 열화되고 그로 인해 서지 보호 기능 상실과 지락 발 생, BMS 통신 에러 발생, 배터리 및 취약 계통의 절연이 파괴되는 문제점 이 발생한다. 따라서 이에 대한 대책으로 ESS 직류 측에 IMD를 통한 절연저 항 감시가 필요하고, ESS 직류 측 지락검출 및 차단과 절연감시 기능이 내장된 인버터를 사용하여야 한다. 또한, 계통 연계점에서 접지방식과 PCS 변압기 내 장 유무에 따라 IMD, GFD, B형 RCD 등 적절한 지락차단장치 적용 방법에 대 하여 제안하였고, 이와 함께 PCS 동작 중 뿐만아니라 동작 전에도 PCS 직류 측과 교류측에 대해 각각 지락보호가 필요하다. 또한, 우리나라에는 아직 B형 RCD가 없으나 국내에서 개발된 플럭스게이트센서를 적용한 B형 MRCD를 통 해 직류 지락전류 검출이 가능함을 확인하였다. 이 B형 MRCD는 지락전류를 분석하는 신호처리장치를 IEC 60364–7-712 (2017) 규격에 맞게 개발하여 KOLAS 공인시험성적서를 받았으며, 실제 지락사고와 고주파 노이즈를 구분하 여 실제 지락사고에서만 동작하도록 함으로써 지락보호를 하도록 하였다. 뿐만 아니라 기존 플럭스게이트센서 방식을 개선하여 코어가 피측정전류에 의해 포화 시 자동적으로 탈자시켜 정상적으로 전류 계측이 가능하도록 할 수 있으며 이러한 방식을 현장에 적용하면 보다 정밀한 지락 검출과 보호가 가능하다. 본 연구 결과는 태양광 등 신재생에너지 발전 설비와 ESS를 연계하는 현장 의 전기설계 및 시공 시 ESS 전기적 충격 예방을 위한 지락보호 시 기초자료 로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

ESS과학교육프로그램과 물리적지식활동의 비교 분석

류칠선 梨花女子大學校 大學院 1988 국내석사

Graphical Solution Method에 의한 ESS 연계용변압기의 Ferro-resonance 메커니즘 및 방지 알고리즘에 관한 연구

태동현 한국기술교육대학교 일반대학원 2024 국내박사

최근, 신재생 에너지의 효율적인 운용을 위하여 ESS(energy storage system)가 설치 및 운용되고 있으며, 이에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히, 전기요금 할인특례 등 다양한 ESS보급 지원정책에 힘입어, 국내의 ESS 시장 규모는 2016년도 418[MWh]에서 2023년도 10,166[MWh]로 급격히 확대되고 있다. 그러나, 리튬이온전지를 기반으로 한 대용량 ESS의 화재사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 많은 재산피해가 보고되고 있는 실정이다. 이에 따라, 정부는 민관합동 ESS 화재사고 조사위원회를 구성하여 ESS의 화재요인을 4차례에 걸쳐 조사하고 있으며, 그 결과의 하나로 6대 안전기준(CMV, 절연저항, 충전율 등)을 제시하고, 또한 누설전류, 서지, 접지 등에 대한 전기적 위해요인도 추가적으로 고려하고 있다. 그러나 배터리, PCS(power conditioning system), 연계용 변압기 등으로 구성된 ESS는 동일 사양을 가지더라도, 방사형으로 구성된 배전계통에 접속될 경우 연계지점 및 사용용도(재생에너지 연계용, 피크저감용 등)에 따라 계통으로부터의 영향이 다르게 나타날 수 있다. 특히, 연계용 변압기 측의 불평형 부하전류와 대규모 태양광전원에 의한 DC 접지전위 상승이 자화전류에 영향을 미쳐, 의도치 않게 변압기의 철심이 포화되고 철공진 현상을 발생시켜 ESS에 악영향을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 상세한 메커니즘 분석이 필요한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 ESS 연계 배전계통을 대상으로 부하불평형에 의한 불평형 전류 발생 시, 순환전류가 ESS 연계용 변압기로 유입되는 메커니즘을 제시하고, 테브난 등가회로와 도식적인 해석수법을 적용하여, ESS 구성요소 간 비선형 L-C 직・병렬 회로구성에 의해 발생할 수 있는 철공진 메커니즘을 제안한다. 또한, 계통불평형에 의한 불평형 부하전류 발생과 대규모 태양광전원에 의한 DC 접지전위 상승이 자화전류에 영향을 미쳐, ESS용 변압기의 철심이 포화되는 현상을 분석하고, 보호기기 동작에 따른 철공진 발생 메커니즘을 제시한다. 한편, 계통의 불평형부하에 의한 순환전류가 ESS 연계용 변압기로 유입되는 현상을 해결하기 위해, 중성점 접지 저항기(neutral grounding resistor, NGR)를 통해 순환전류의 크기를 일정 값 이내로 제한시키는 순환전류 방지 알고리즘을 제안한다. 또한, 커패시턴스에 의해 결정되는 철공진 특성을 제시하고 이를 바탕으로 적정용량의 필터를 설치하는 철공진 방지 알고리즘과 열화 및 주변환경을 고려한 MOV(metal oxide varistor) 운용 알고리즘을 제안한다. 그리고 ESS 연계용 변압기로 순환전류의 유입과 변압기 포화로 인한 철공진 발생 현상을 해석하기 위하여, PSCAD/EMTDC를 이용해 배전용변전소, 연계용 변압기, 수용가부하, 태양광전원부 및 ESS부로 구성된 배전계통의 모델링과 철공진 모델링을 수행한다. 즉, 불평형 부하전류가 ESS 연계용 변압기 1차측에 유입되어 발생되는 철공진과 태양광전원의 DC 접지전위 상승에 의한 철공진 현상을 제시한다. 상기의 메커니즘과 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 부하불평형 조건에서 ESS가 배전용변전소에서 먼 위치에 설치될수록 불평형 부하전류와 여자전류가 상승하여, 철공진의 가능성을 증가시킴을 알 수 있었다. 또한, DC 접지전위 상승분을 고려하면, ESS 연계용 변압기의 포화가 가속되어 철공진에 의해 배터리에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있음을 확인하였다. 한편, 본 연구에서 제안한 순환전류 방지 알고리즘에 의하여, 모델 배전계통에 대하여 적정용량의 NGR을 선정하여 순환전류를 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 제안한 철공진 방지 알고리즘을 바탕으로 PCS 측 필터의 커패시턴스를 적절하게 산정한 경우, 공진점이 회피되고 철공진 현상이 개선되어 ESS의 안전성에 기여함을 알 수 있었다. Recently, fire accidents of large scale ESS based on Li-ion batteries have been occurred frequently, and a lot of property damages have been reported. Therefore, the Korean government has formed a public-private partnership for ESS fire accident investigation committee to investigate the factor of fire accident during 4 times. As a result, 6 safety standards(CMV, insulation resistance, charging rate, etc.) are presented, and electrical hazards such as leakage current, surge, and ground are additionally considered. However, the ESS in the radial type distribution system may have different effect depending on the location and type(renewable energy interconection, peak shaving, etc.), even though their specification are same. As a reason for fire accidents in ESS, unbalance load current in grid side and ground potential rising in PV system are estimated to be one of the major causes. Because the unbalanced load current in grid-connected transformer side and DC ground potential rising caused by large-scale PV system can influence on the magnetizing current in the transformer, the ESS can be adversely affected by unintentional saturation of iron core, which may increase possibility of ferro-resonance phenomenon. Therefore, this paper presents a mechanism of ferro-resonance phenomenon by using graphical solution method, based on the analysis of ferro-resonance effects by capacitance of PCS(power conditioning system) filter. And also, this paper proposes operation algorithm to prevent ferro-resonance phenomenon by calculating appropriate PCS filter and MOV(metal oxide varistor) based on the graphical solution method and deterioration and environment conditions. In addition, this paper presents a countermeasure for circulating current with installation of NGR(neutral grounding resistor) in grid-connected transformer. Furthermore, this paper performs modeling of ferro-resonance mechanism using PSCAD/EMTDC, which is composed of distribution system, PV system and ESS. From the simulation results based on the proposed ferro-resonance mechanism and modeling, it is confirmed that high ferro-resonance voltage can seriously influence on the battery system, due to saturation of the iron core in the transformer caused by unbalanced load current and DC ground potential rising. Meanwhile, it is found that the unbalanced load current can be reduced for the model of distribution system by calculating the NGR with proposed algorithm. And also, it is found that the proposed operation algorithm to prevent ferro-resonance can contribute to stable operation of ESS by installing optimal capacity of PCS filter and MOV.

프로슈머 ESS를 활용한 커뮤니티 공유모델 연구

김재형 가천대학교 일반대학원 2022 국내석사

ESS는 설치비용이 감소하고 있는 추세이지만 일반 수용가가 설치하기에는 여전히 비용의 부담이 있으며 ESS 설치를 위한 공간 부족의 문제가 있다. 이러한 문제점을 보안하기 위해 ESS를 다수의 수용가가 용량을 공유하여 함께 사용하는 공유 ESS라는 개념이 등장하였다. 하지만 공유 ESS의 운영을 위해서도 신규 ESS의 설치가 필요하며 설치 공간의 탐색 및 ESS 설치비용이 발생한다. 본 논문에서는 커뮤니티에서 새로운 ESS의 설치 없이 기존에 운영 중인 프로슈머 ESS 용량을 분할하여 공유 ESS로 활용하는 새로운 방식의 공유모델을 제안하였다. 프로슈머 ESS용량을 프로슈머가 사용할 용량과 다른 수용가에 판매할 용량으로 분할하여 일부 용량을 용량 거래 시장에 판매하여 공유 ESS처럼 활용하는 방법이다. 제안된 운영 방법은 사례연구를 통하여 효과를 검증하였다. 사례 연구 결과 제안하는 운영 방법은 기존 ESS 운영보다 프로슈머의 이익을 증가시키면서 신규 ESS의 설치 없이 프로슈머 ESS가 공유 ESS로써 활용이 가능함을 보여주었다. ESS installation costs are on the decline, but there is still a burden of cost for general customers to install, and there is a problem of lack of space for ESS installation. The concept of shared ESS in which many consumers share and use ESS altogether has emerged to secure this problem. To operate the shared ESS, a new ESS is required to be installed, and the cost of exploring the installation space and installing ESS is incurred. In this work, a novel ESS sharing model where the community shares and utilizes the existing prosumers' ESS without installing a new ESS. It is the method of dividing the prosumer ESS capacity into the capacity to be used by the prosumer and the capacity to be sold to other consumers. That means some ESS capacities are sold to the capacity trading market to utilize it like a shared-ESS. The proposed operation method verified its effectiveness through case studies. As a result of the case study, the proposed operation method showed that prosumer ESS could be used as a shared ESS without installing a new ESS while increasing the profits of prosumer compared to the existing ESS operation.