전기저장장치용 서지보호장치의 운용 알고리즘에 관한 연구 = A Study on the Operation Algorithm of Surge Protection Device in Energy Storage System

국문 초록 (Abstract)

최근, 신재생에너지원의 출력 안정화용, 수요관리용 및 주파수 조정용 등
다양한 기능을 가지고 있는 전기저장장치(energy storage system, ESS)가
활발하게 설치되어 운용되고 있다. 그러나, 2017년 8월에 발생한 고창 전력
시험센터의 ESS 화재를 시작으로 경산 변전소, 군산 태양광발전소 등 현재까
지 총 36건의 화재사고가 발생하여 많은 재산피해가 보고되고 있다. 이러한
전기저장장치의 화재사고는 전기저장장치의 용량이나 계절과는 무관하게 발
생되고 있으므로, ESS의 화재원인을 정확하게 파악하고 안전성을 확보하기
위하여 ESS의 사고특성에 대한 분석이 요구되어지고 있다. 한편, 정부에서는
민간합동의 사고조사위원회를 통하여 ESS 사고원인과 안전강화 대책방안을
제시하고 있으며, 이 방안의 하나로 ESS 설치현장에 SPD(surge protect
device), IMD(insulation monitoring device)와 같은 전기적 이상 보호장치
를 설치하도록 권고하고 있다.
하지만, ESS의 DC측에 적용되는 SPD의 경우, 용량에 대한 명확
한 규정이 없어, 현장마다 서로 다른 용량의 SPD가 설치되어 운용되고
있는 실정이다. 이와 같이 부적정한 SPD가 현장에 설치되면, 뇌서지나
개폐서지가 유입될 경우 SPD가 배터리를 적정하게 보호하지 못하여 악영
향을 미칠 가능성이 있다. 즉, SPD의 용량이 너무 낮게 산정되면 SPD가
동작하여 ESS의 운용이 빈번하게 정지되는 경우가 발생하고, 용량을 너
무 높게 산정하는 경우 SPD의 서지저감 효과가 감소하는 문제점이 발생
할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 ESS의 사고특성을 분석하고 안전성을 확보하기
위하여, DC측 전로에서 발생하는 CMV(common mode voltage)를 SPD를
이용하여 감소시킴으로써 ESS의 절연파괴를 방지하는 SPD를 이용한 ESS
의 보호알고리즘을 제안하고, ESS가 설치된 현장마다 서로 다른 용량의
SPD가 운용되어, 일부 사이트에서는 서지로부터 ESS(특히, 배터리)를 보
호하지 못하는 상황이 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, ESS의 안정적
인 운용을 위한 SPD의 적정용량 산정 알고리즘을 제안한다.
한편, 본 논문에서는 제안한 SPD를 이용한 ESS의 보호알고리즘과
SPD의 적정용량 산정 알고리즘의 유효성을 검증하기 위하여, 전력계통
상용해석 S/W인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 배터리랙 및 DC 전로부, PCS부,
서지발생장치부, SPD부 등으로 구성된 ESS 모델링 및 서지 시험
장치의 모델링을 제시하고 이를 바탕으로 시험 장치를 구현한다. 이 모델
링과 시험장치를 바탕으로 ESS의 단락사고특성을 분석한 결과, ESS의
배터리측과 PCS측에 각각 SPD를 설치한 경우, DC측 전로에서 발생하는
CMV가 크게 감소되어 ESS의 절연파괴를 방지할 수 있음을 알 수 있었
고, 뇌서지 및 개폐서지에 대한 SPD의 특성을 분석한 결과, 본 논문에서
제안한 알고리즘에 의해 산정된 적정용량의 SPD를 설치할 경우, 서지로
부터 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, ESS(energy storage system) for output stabilization of
renewable energy source, peak demand management, frequency
control, etc. is actively installed and operated. However, as the fire
accidents are continuously occurred in ESS, the korean government
has presented the causes of fire accidents and countermeasures
for safety enhancement through the public-private joint accident
investigation committee, which recommends the installation of
electrical protection devices such as SPD(surge protect device) and
IMD(insulation monitoring device), etc. However, it is reported that
the capacity of SPD installed and operated in each ESS site
is different and improper due to the absence of installation
regulations. When the inappropriate capacity of SPD is adapted at
DC side in ESS, there are possibilities that the battery may be
negatively affected as SPD cannot properly protect the battery from
the lightning and switching surges.
Therefore, this paper proposes a modeling of ESS using
PSCAD/EMTDC S/W in order to identify the fault characteristics and
insure the safety of ESS. From the simulation results of fault
characteristics based on the various scenarios, it is clear that
insulation of ESS may be breakdown due to occurring largely
CMV(common mode voltage). Furthermore, in order to overcome
these problems, it was confirmed that CMV between PCS and
battery can be reduced and insulation breakdown of ESS can be
prevented if SPDs(surge protect device) are installed in battery and
PCS sides, respectively.
And also, this paper proposes an algorithm to calculate the
appropriate capacity of SPD for the stable operation of ESS and
performs the modeling of surge test device, which is composed of
surge generator, SPD, battery, etc., using PSCAD/EMTDC, in order
to evaluate operation characteristics of SPD for the lightning and
switching surges. And also this paper implements surge test device
which generates 3rd class combination wave for lightning surge and
switching surges. From the simulation and test results based on the
presented modeling and test device, it is confirmed that the SPD
can safely protect the battery from the lightning and switching
surges when the proper SPD calculated by the proposed algorithm
is installed.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제 1절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제2절 본 논문의 구성 3
• 제2장 ESS용 서지 보호기기 특성 및 사례분석 5
• 제1절 ESS용 보호기기 특성 5
• 제2절 ESS용 SPD의 특성분석 8
• 제3절 ESS용 SPD의 운용사례 13
• 제3장 전기저장장치용 SPD의 최적운용 알고리즘 16
• 제1절 CMV에 대한 서지보호 알고리즘 16
• 제2절 SPD의 적정용량 산정 알고리즘 19
• 제4장 PSCAD/EMTDC를 이용한 ESS 및 SPD의 모델링 26
• 제1절 배터리랙 및 DC 전로부 26
• 제2절 PCS부 30
• 제3절 서지발생장치부 33
• 제4절 SPD부 37
• 제5절 전체 시스템 38
• 제5장 ESS용 SPD의 시험장치 구현 40
• 제1절 서지발생장치부 40
• 제2절 SPD부 44
• 제3절 전체 시험장치부 45
• 제6장 시뮬레이션 및 시험 결과분석 46
• 제1절 시뮬레이션 및 시험 조건 46
• 제2절 CMV에 대한 서지보호 특성분석 49
• 제3절 서지에 의한 SPD의 특성분석 53
• 제7장 결론 95
• 참고문헌 97
• ABSTRACT 110

참고문헌 (Reference)

1. ESS용 SPD의 개폐서지 시험장치구현에 관한 연구, 노대석, 김기영, 김순식, 황승욱, 태동현, 산학기술학회 춘계학술대회, pp. 342-345, , 2021

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3. ESS용 이동형 현장평가 시험장치의 운용방안에 관한 연구, 노대석, 조성덕, 황승욱, 최익준, 한병길, 산학기술학회 춘계학술대회, pp. 330-333, , 2021

4. 직류배전계통에 서의 선택보호계전기 운용방안에 관한 연구, 김기영, 황승욱, 최성식, 노대석, 권순환, 강민관, 대한전기학회 춘계학술 대회, pp. 129-130, , 2018

5. 개폐서지에 의한 전기저장 장치용 SPD의 동작특성에 관한 연구, 김경화, 태동현, 최익준, 노대석, 황승욱, 대한전기학회 하계학술대회, pp. 814-815, , 2021

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7. “직류배전계통에서의 선택보호계전기 운용방 안에 관한 연구”, 강민관, 노대석, 김기영, 황 승욱, 권순환, 최성식, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상, 2018.05., , 2018

8. 전기저장장치의 화재 사 례 분석 및 안전성 향상방안에 관한 연구, 황승욱, 박재범, 박지현, 이후동, 노대석, 산학기술학회 추계학술대 회, pp. 569-572, , 2018

9. 리튬이온전지 전기저장장 치의 열폭주 메커니즘 분석에 관한 연구, 마리토, 박지현, 노대석, 강민관, 황승욱, 대한전기학회 춘계학술대 회, pp. 144-146, , 2019

10. ESS를 이용한 태양광전 원 연계게통의 전압 안정화 방안에 관한 연구, 전진택, 황승욱, 조성덕, 노대석, 한병길, 산학기술학회 춘계학 술대회, pp. 807-810, , 2020

11. SPD를 이용한 리튬이온전지용 전 기저장장치의 보호방안에 관한 연구, 노대석, 이후동, 황승욱, 태동현, 한국산학기술학회 논문지, Vol.21, No4, pp. 568-574, , 2020

12. 고주파 대역의 과도접지 임피던스 모니터링 시스템 구현에 관한 연구, 곽충근, 최형석, 김순식, 노대석, 황승욱, 산학기술학회 추계학 술대회, pp. 9-12, , 2020

13. 방사형 배전계통에서 사 고전류 클램핑 장치의 운용방안에 관한 연구, 한병길, 노대석, 황승욱, 최성문, 이후동, 대한전기학회 하계학 술대회, pp. 782-783, , 2021

14. III등급 조합파 및 개폐서 지 시험장치에 의한 SPD 운용특성에 관한 연구, 박찬욱, 황승욱, 김병목, 노대석, 이민행, 대한전기학회 춘계 학술대회, pp.221-222, , 2022

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16. “리튬이온전지 전기저장장치의 열폭주 메커니즘 분석 에 관한 연구”, 노대석, 최성식, 황승욱, 곽 충근, 최형석, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상, 2019.05., , 2019

17. 전력 거래방식을 고려한 산업용 에너지 프로슈머의 운용 전략에 관한 연구, 태동현, 황승욱, 김경화, 최성문, 노대석, 대한전기학회 하 계학술대회, pp. 839-840, , 2021

18. “전기저장장치의 서지보호를 위한 SPD의 모델링 및 특성 분석 에 관한 연구”, 황승욱, 최익준, 노 대석, 최형석, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상,2020.07., , 2020

19. ESS용 SPD의 개폐서지 전기저장장치용 SPD의 적정용량 산정 알고리즘에 관한 연구, 김지명, 노대석, 최성문, 황승욱, 한병길, 전기 학회논문지 (5월 게재예정), , 2012

20. “전기저장장치에 의한 태양광전원의 배전계통 수용성향상 방안에 관한 연구”, 이세연, 황승욱, 박 동명, 박지현, 노대석, 남양현, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상, 2018.05., , 2018

21. “전력 거래방식을 고려한 에너지 프로슈머의 운용전략 및 경제성평가 모델링”, 황승욱, 최 익준, 한병길, 노대석, 김경화, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상,2021.12., , 2021

22. “소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 20kw급 ESS 부하시험장치 구현에 관한 연구”, 김수현, 황승 욱, 최승규, 정민철, 노대석, 대한전기학회 추계학술대회 논문상, 2019.10., , 2019

23. “PSCAD/EMTDC를 이용한 리튬이온전지용 전기저장장치의 모델링 및 사고특성분석에 관한 연구”, 최성식, 황승욱, 노대석, 전기공사협회 우수논문 공모전 우수논문상,2019.10., , 2019

24. “리튬이온전지 전기저장장치의 제어전원용 2-포트 서 지보호장치의 설계 및 구현에 관한 연구”, 최 익준, 최형석, 정태훈, 노대석, 황승욱, 산학기술학회 춘계학술대회 우수논문상,2020.07., , 2020