3.1 배터리 ESS 모델링 및 상시 동작 모의

배터리 시스템은 수천개의 단위셀로 구성되어 있어, 대지간 부유 커패시턴스를 무시할 수 없기 때문에, 공통전압(CMV)이 부유 커패시턴스에 의해 시스템의 대지전압에 미치는 영향에 대한 검토가 필요하다. 그림 2를 참조하여 AC 및 DC간 대지전압 및 공통전압 관계를 정리하면 식(1) ～ 식(3)과 같다.

식 (2)로부터 DC측의 대지전압과 AC측 중성점의 대지전압은 스위칭에 따라 식(3)과 같은 전압차를 가진다. 이는 곧 AC 및 DC측의 부유 커패시턴스에 의해 어느 한쪽에서 스트레스를 갖는 것을 의미한다.

ESS의 AC 및 DC측에 대한 지락 및 단락고장 해석을 위해 표 1과 같이 일반적인 배터리 ESS를 기반으로 파라미터를 적용하였다. 또한, 전기적인 사고에 의한 시스템 분석을 위하여 ESS 시스템을 접지방식과 보호방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

a. DC 음의 선로측을 접지하고, 지락보호 휴즈삽입

b. DC 중간전위점을 접지하고, 지락보호 휴즈삽입

c. AC측에 GPT(GVT)설치하여 지락보호

d. 비접지시스템에 IMD로 지락감시

그림 4, 그림 5, 그림 6, 그림 7은 위 분류에 따라 PSIM시뮬레이션을 이용하여 정상 동작을 모의한 AC 및 DC 측의 대지전압을 나타낸다. 그림 3은 모의 파형의 측정위치를 나타내며, 모의 파형은 총 4개의 파형 정보를 나타낸다.

1. 적 : DC+ 대지전압, 청 : DC- 대지전압

2. 적 : R상 대지전압, 청 : S상 대지전압,

녹 : T상 대지전압

3. 적 : 인버터 필터의 IGBT측 대지전압

청 : 인버터 필터의 계통 측 대지전압

4. 적 : 배터리 부유 커패시턴스 전류

그림 4, 그림 5와 같이 DC측이 접지되면, PWM 스위칭에 의한 공통전압이 AC측 대지전압에 영향을 미친다. 그림 4는 DC 음극 접지시스템으로 (a)에서 보는 바와 같이 DC 및 AC 중성점 전위가 500[V] 상승하였다. 그림 5는 DC 중간전위점 접지시스템으로 음극 접지시스템에 비해 상시 대지절연 측면에서 유리한 시스템이라고 할 수 있다. (b)의 확대파형은 PWM 스위칭에 따른 CMV 파형을 확인할 수 있는데, 필터를 전후로 중성점 전위 500[V]를 기준으로 AC 전원측은 60Hz 기본파에 DC 전원측은 DC 파형에 CMV을 실려있음을 알 수 있다. SVP 스위칭에서 CMV는 △Vdc의 진폭 변화를 하지만, 누설 커패시턴스 및 리액턴스의 영향으로 Vdc크기보다 크다는 것을 알 수 있다. 그림 5는 그림 4에 비해 중성점 전위가 0이라는 차이가 있다.

이와 반대로 그림 6 와 같이 AC측이 GPT를 통해 접지되면 공통전압의 영향이 DC측 대지전압에 영향을 미침을 알 수 있다. 그림 6 (b)에서 필터 AC측보다 IGBT측의 CMV가 큰 것은 AC측이 GPT로 접지되어 있기 때문이다. 그림 7은 AC측과 DC측이 대지 간 접지회로가 없을 경우의 AC 및 DC측의 대지전압 파형으로 AC 및 DC측 부유커패시턴스에 비례해서 CMV가 발생하고 있음을 유추할 수 있다.

그림 8은 대지 간 부유 커패시턴스에 따른 DC 및 AC측 대지전압 및 전류를 비교하기 위한 모의 결과 파형이다. 상단부터, 배터리 측의 부유 커패시턴스 값은 각각 1[nF], 100[nF]이다. 살펴본 바와 같이 배터리 부유 커패시턴스 영향으로 DC측의 대지전압은 어느 정도 안정되어 있지만, AC측은 공통전압의 영향으로 스위칭고조파 성분을 포함하고 있다. 배터리의 절연이 악화될수록, 즉, 배터리 측의 부유 커패시턴스가 커질수록 DC측의 대지전압은 안정되지만, AC측의 대지전압 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다.

3.2 지락고장 모의

그림 9는 본 시험 및 시뮬레이션의 구성도를 나타낸다. PCS는 다중 스택 구조를 가지며, 배터리 역시 여러 개의 랙이 병렬로 연결된 형태를 가진다. 본 모의시험에서는 10개의 배터리 랙이 병렬로 연결된 모형을 사용하였으며, 각자의 배터리 랙은 동일한 배터리모델 파라미터를 가지며, 부유 커패시턴스가 각각 연결된 형태로 모의되었다. 또한, 지락과 단락 시험의 위치는 그림 9에서 나타낸 것과 같이 AC측 및 DC측 다양한 위치에서 고장을 발생시켜 시험하였다.

부유 커패시턴스를 무시할 수 없는 배터리 ESS의 경우 지락고장이 발생하면, 필터 또는 선로 리액턴스와 대지간 커패시턴스의 상호작용에 의한 선로와 대지 간 서지전압이 발생할 수 있기 때문에 시스템의 절연설계 및 지락보호에 대한 충분한 검토가 필요하다. 고장모의 시 ESS의 동작조건은 1[MW] 방전, 배터리전압 1000[V]를 가정했다.

그림 10은 DC (-) 측에서 지락이 발생한 경우, ESS시스템 각 부의 대지전압을 나타낸다. 이 결과에서, 배터리측의 최대 대지전압은 1292[V], AC측의 최대 대지전압은 2003[V], 배터리의 부유 커패시터에 흐르는 전류는 최대 80[A]가 흐르는 것으로 모의 되었다. 이는 비접지시스템에서 DC (-) 접지시스템으로 변경된 것과 다름없는데, 차이는 사고시점에서의 부유 커패시턴스가 시스템의 과도상태에 영향을 미친다. DC (-)선로 부유 커패시턴스 에너지 방전과 이에 따른 부유 리액턴스와의 상호 작용으로 AC 및 DC측의 대지전위가 상승한다.

그림 11은 AC측에서 지락이 발생한 경우 파형을 나타낸다.

이 결과에서, 배터리측의 최대 대지전압은 1404[V], 배터리의 부유 커패시터에 흐르는 전류는 최대 76[A]가 흐르는 것으로 모의 되었다. 그림 11은 C상 지락고장을 모의한 경우로 AC측 대지전압은 √3배 증가하였고, CMV의 영향은 줄었지만, DC측은 CMV 영향이 증가하였다. 그림 10, 그림 11의 결과와 같이 DC측 지락고장은 PWM 스위칭에 의한 CMV가 AC측의 대지전압에 영향을 주게 되고, 반대로 AC측 지락고장은 DC측 대지전압에 영향을 주게 된다.

부유 커패시턴스의 영향을 확인하기 위해 배터리 랙의 부유 커패시턴스를 변화시켜 지락시험을 수행한 결과를 그림 12에 나타내었다. 그림 12, 그림 13은 배터리 1랙당 부유 커패시턴스를 100[nF]로 10배 증가시켜 모의한 결과이다. 이때, 그림 12의 배터리측 최대 대지전압은 1360[V], AC측의 최대 대지전압은 1841[V], 배터리의 부유 커패시터에 흐르는 전류는 최대 349[A]가 흐르는 것으로 모의 되었다. 그림 13의 배터리측 최대 대지전압은 1758[V], 배터리의 부유 커패시터에 흐르는 전류는 최대 376[A]가 흐르는 것으로 모의 되었다. 그림 10, 그림 11에 비해서 부유 커패시터에 흐르는 전류의 증가로 DC 측의 과도전압이 상승되었다.

지락고장에 의해 발생된 서지전압으로 인해 2차 지락고장이 발생하면 2점 지락에 의한 단락으로 진행되어 매우 위험한 상황으로 변할 수 있다. 따라서 비접지 시스템은 1차 지락고장에 대한 서지전압을 고려한 설계가 필요함을 알 수 있다. 또한, 시스템의 DC측 부유 커패시터 값이 배터리 시스템에서 발생 가능한 대지전압 값의 최대치에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 이는, 시스템 설계/제작 시 CMV, 대지전압 등 서지성 외란에 대하여 강인한 시스템을 제작하려면, 부유 커패시터 값이 최소화 되도록 설계되어야 함을 의미한다.

3.3 단락고장 모의

시스템 측면에서 예상할 수 있는 AC측 단락고장은 PCS 스위칭소자의 단락이며, DC측 단락고장은 배터리랙 및 DC 버스측 단락이다.

그림 14는 PCS 스위칭소자의 암(Arm) 단락을 모의한 결과이다. AC 단락전류는 AC 차단기가, DC 단락전류는 DC 차단기가 퓨즈와 협조하여 고장전류를 차단해야 한다. 단락 고장 모의 파형은 총 4개의 파형 정보를 가지고 있으며, 상단부터 차례로 다음과 같은 파형을 나타낸다.

그림 14의 각 부 최대 측정 값은 각각 단락전류 93[kA], 계통 최대 순시 전류 6.8[kA], 인버터 DCCB 전류 3[kA], DC-Link 최대전압 1577[V], 배터리 랙 최대전압 1045[V]로 측정되었다. 이는 PCS에서 암단락에 의한 PWM정지가 없다는 가정 하에 모의되었고, 결과 파형은 실제 시스템과 달리 과전류 보호동작을 고려하지 않았기 때문에 중요한 의미를 갖는다고 말할 수 없다.

1. 적 : 단락 전류(단락 저항 : 10mΩ, 0.1uH)

2. 적 : R상 전류, 청 : S상 전류, 녹 : T상 전류

3. 적 : DC-Link 전류, 청 : 배터리 1랙 전류

4. 적 : DC-Link 전압, 청 : 배터리 1랙 전압

그림 15, 그림 16은 DC 버스 단락 및 배터리랙 단락을 모의한 결과이다. 그림 15의 각 부 최대 측정 값은 각각 단락전류 53[kA], 계통 최대 순시 전류 7.6[kA], 인버터 DCCB 전류 31 [kA],

DC-Link 최소전압 : 186[V], 배터리 랙 최소전압 502[V]로 측정되었다. 그림 16의 각 부의 최대 측정 값은 각각 단락전류 47[kA] (랙별 4.7[kA]), 계통 최대 순시 전류 6.4[kA], 인버터 DCCB 전류 15[kA], DC-Link 최소전압 83[V], 배터리 랙 최소전압 113[V]로 측정되었다.

일반적으로 시스템 단락은 단락고장 전류를 고려한 적정 용량의 휴즈 및 차단기를 설치하여 보호한다. DC 버스 단락은 배터리랙의 내부 저항이 동일하다면 크기가 같은 단락전류가 흐르게 되므로, 해당 고장전류에 대한 보호대책을 통해 보호가 가능하지만, 배터리랙 단락고장은 정상랙으로부터 유입되는 고장전류와 PCS로부터 유입되는 고장전류가 합산되어 정상랙의 고장전류보다 매우 크기 때문에 퓨즈 선정 시 합산전류를 고려해야 한다. 또한 배터리 고장전류가 크지 않을 때는 퓨즈에 의한 배터리 보호가 어렵기 때문에, 스위칭 동작을 하는 개폐기 또는 차단기 등과의 보호협조가 중요하다.

4.1 전기고장 실증시험

전기고장 실증시험은 고창 전력시험센터에서 수행된 ESS 실증시험으로, 대표적인 전기고장인 지락 및 단락 고장에 대한 사전 모의를 통하여 시나리오를 수립하고, 실증대상 ESS의 파라미터를 측정하여 ESS 모델링에 반영 후, 모의결과와 실증결과를 비교하면서 실증시험을 수행하였다⁽⁶⁾.

ESS 고장모의에 활용한 모델과 전기고장 실증시험에 활용한 모델은 동일 모델이 아님을 밝힌다. 전기고장 실증시험 경험을 바탕으로 ESS 고장모의를 재정리하였다.

DC 지락 시험결과 특이사항은 없었으나, AC 지락시험의 경우 절연성능이 저하된 DC 스위치의 소손이 발생하여 2차 사고로 이어질 수 있음을 확인하였다. 따라서 비접지시스템에서 AC(또는 DC)측의 지락사고는 각각 DC(또는 AC)측에 서지전압을 유발하기 때문에 서지전압에 대한 시스템 보호대책이 필요하다.

단락시험은 PCS 스위칭소자 단락과 직류측 단락 및 2점 지락을 통한 유사 단락시험을 수행하였다. PCS 단락시험 결과, 스위칭소자는 파손되었으나 AC 및 DC 차단기가 동작하여 시스템을 보호하였고, 직류측 2점 지락 시험은 배터리의 동시 다발적인 화재로 이어졌다. 그림 17은 단락시험에 의한 배터리랙의 DC 케이블이 소손 된 사진이다. 따라서 고장전류로부터 케이블 소손 방지 및 시스템을 보호하기 위해서는 DC 스위치와 퓨즈의 보호협조가 매우 중요함을 알 수 있다.

그림 18, 그림 19는 PWM스위칭 및 AC측과 DC측 커패시턴스에 의한 CMV가 포함된 AC측의 대지전압을 보여준다. 그림 18과 대비하여 그림 19에서는 스위칭주파수가 섞여있으며, 기존의 390[V]의 최대전압이 600[V]근방까지 오르는 것을 볼 수 있다.

그림 20, 그림 21은 PWM스위칭 및 AC측과 DC측 커패시턴스에 의한 CMV가 포함된 DC측의 대지전압을 보여준다. 그림 20과 대비하여 그림 21에서는 스위칭주파수가 섞여있으며, 기존의 450[V]의 최대전압이 650[V]근방까지 오르는 것을 볼 수 있다. 이는 스위칭의 영향도 있으나, DC측 의 대지 간 커패시턴스가 작음으로 인한 CMV가 영향을 미치는 것으로 보인다.

4.2 시스템 보호협조

모의 및 실증시험 결과 비접지 ESS 시스템의 지락고장과 배터리의 단락고장으로부터 시스템을 온전히 보호하기 위해서는 추가로 검토해야 할 사항이 있음을 알게 되었다.

접지형 ESS 시스템은 지락고장에 대해 감지하지 못하는 사각지대(Blind Spot)가 있음을 미국 Bakersfield Fire 및 Mount Holly Fire 사고로부터 교훈을 얻었다. 따라서 국내의 경우도 IMD(Insulation Monitoring Device) 방식의 ESS 시스템이 주를 이루고 있다. 하지만, IMD 방식은 직류펄스 시험전압을 회로에 주입하여 직류펄스 전류를 감지하여 시스템의 지락 또는 대지간 절연을 감시하는 장치로, 부유커패시턴스가 커짐에 따라 감응속도도 느려진다. 만약 1차 지락고장에 이어 곧바로 2차 지락고장이 발생한다면, IMD가 지락을 감지하기 전에 2점 지락에 의한 단락고장으로 파급될 수 있음을 의미한다.

고장 모의를 통하여 1차 지락에 의한 서지전압의 크기는 회로내의 리액턴스 외에도, 대지간의 부유커패시턴스 및 스위칭에 의한 공통전압과 관계됨을 알 수 있어, 서지전압에 대한 절연내력을 충분히 갖는 시스템 설계가 필요하다.

또한 ESS는 복합시스템으로 시스템관리가 부실하면, 절연성능이 열화된 부품이 존재할 수 있으므로, 1차 지락에 의한 대지간 전압상승이 발생할 경우를 대비하여 SPD를 설치해야 한다.

IEC는 2차 지락고장 발생시 전원자동차단 조건으로서, 32[A]를 초과하는 분기회로 최대차단시간은 TN 계통은 5초, TT 계통은 1초로 하고 있으며, 노출도전부가 같은 접지계통에 집합적으로 접지된 보호도체와 상호 접속되어 있는 IT시스템은 TN계통과 유사한 조건을 적용하도록 하고 있다 ⁽⁷⁾. 그러나 ESS 시스템의 경우, 2점 지락고장은 매우 위급한 상황으로 순시 보호동작이 필요하다⁽⁸⁾.

2차 지락이 발생한 경우를 대비하여 순시 지락보호가 필요한 경우에는 IMD와 RCM(Residual Current Monitoring) 장치와의 보호협조가 필요할 수 있다. 일반적으로 RCM은 접지시스템에 적용되는 순시 지락보호방식으로 지락이 발생하면 곧바로 감지하여 차단기에 트립신호를 송신하여 순시 보호 동작이 가능하다. 따라서 지락보호방식으로 IMD와 RCM을 조합할 경우, 1차 지락이 발생하면 안정적으로 연속운전을 하면서 IMD로 절연을 감시하고, 2차 지락 발생시 RCM으로 차단기 개방으로 순시 보호정지하여 비접지시스템의 장점을 최대한 살릴 수 있는 보호방식이지만, 현재 1000[V] ESS 시스템에 적용할 수 있는 RCM 지락감시장치는 출시되지 않았다.

SPD는 낙뢰 또는 스위칭 서지로부터 시스템을 보호하므로, 시스템의 설계 절연을 고려하여 적용한다. AC 전원시스템의 서지로부터 PCS를 보호하기 위해 교류용 SPD를 설치하고, DC 배터리 전원시스템의 서지로부터 시스템을 보호하기 위해 직류용 SPD를 설치한다.

SPD는 피뢰구역에 따라 형식이 선정된다. 피뢰구역은 공간적으로 구분하여 LPZ(Lightning Protection Zone) 0, 1, 2, 3으로 표시하며, SPD는 LPZ간의 경계에 따라 SPD의 형(Type 1, 2, 3)이 선정된다. LPZ의 경계는 회선이 분기되는 배전반 또는 분전반 판넬 등으로 구성되므로, SPD는 판넬 내부의 분기선로 전단에 설치하여 분기된 모든 전기회로를 서지전압으로부터 보호한다.

국내외 ESS는 야외에 도전성 컨테이너를 활용하여 설치되고 있는데, 만약 컨테이너에 피뢰침이 설치되어 있는 경우, 컨테이너의 낙뢰 임펄스가 컨테이너 내부 설비에 미치는 영향을 최소화하기 위해 SPD는 인입선과 가능한 한 가까운 위치에 설치하는 것이 바람직하다⁽⁹⁾. PCS의 경우, 컨테이너 외부에 피뢰침이 없거나 낙뢰의 위험이 없고, 저압 인입선로 차단기 1차측에 서지전압에 영향받는 전기회로가 없다면, 차단기 2차측 SPD로 대체할 수 있을 것으로 생각된다. 낙뢰의 위험이 없는 배터리 컨테이너의 경우, 배터리셀에 미치는 서지전압의 위험을 해소하기 위해서는 배터리랙별로 SPD를 설치하는 것이 원칙이다. 하지만, 배터랙시스템의 DC bus에 SPD를 설치할 경우, 배터리랙은 시스템에서 발생할 수 있는 스위칭 서지에 대한 절연내력을 만족하여야 한다. 스위칭서지의 크기는 시스템 리액턴스, 배터리랙내의 DC 차단기(또는 스위치)와 퓨즈의 정격전압 및 차단용량에 영향을 받는다.

단락고장의 경우를 검토하기 위해 DC 배터리시스템 결선도를 살펴보면 그림 18과 같다. 배터리랙 n의 분기선로에서 단락고장이 발생하면, 고장회선에 흐르는 전류는 정상랙 및 PCS로부터 매우 큰 단락전류가 흐르게 되므로, 배터리랙 휴즈외에도 회선을 보호하기 위한 대책이 필요하다. 따라서 배터리시스템 분전반, 즉 분기회로에 별도의 과전류 보호대책 또는 분기선로의 단락 방지 조치가 필요하다. 그림 22의 표시위치에서 단락고장 발생시, 배터리랙측 단락회로에 보호소자가 없으므로, 배터리랙 내부의 셀 직렬부에 단락보호대책이 필요할 것으로 보인다.

배터리랙의 경우는 배터리셀을 보호하기 위한 과전류 보호 동작과 단락고장에 의한 보호 동작을 구분하여야 한다. 과전류에 대한 보호대책으로, 퓨즈는 대전류 차단에 대해서는 동작특성이 우수하나 비교적 작은 과전류는 신뢰성이 낮아 차단기 또는 스위치와의 보호협조가 필요하다. 따라서 DC 차단기 또는 스위치와 퓨즈의 동작영역을 분석하여 부동작 사각지대가 존재하지 않도록 보호 시스템을 설계하여야 한다.

현재 배터리시스템은 랙을 병렬로 설치하여 대용량을 구현하고 있어, 앞서 모의한 바와 같이 배터리랙 단락고장 시, PCS 및 병렬 랙으로부터 고장전류가 고장 랙으로 유입되므로, 고장전류가 너무 크면 적정 퓨즈 선정에 어려움이 있을 것으로 예상된다. 따라서 ESS 시스템의 단락고장 해석을 통하여 뱅크용량, 배터리랙 퓨즈, 배터리랙 차단기 또는 스위치 규격이 선정되어야 한다. 배터리랙은 수개의 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 있으므로, 모듈별 또는 모듈그룹 사이에 과전류 보호장치를 직렬로 삽입하여 셀 또는 모듈 단락에 대한 보호를 강화할 수도 있다.

퓨즈 보호동작은 과전류 발생 시 퓨즈링크의 브릿지가 개방되면서 아크가 발생하고, 아크전압이 증가하면서 고장전류가 감소하여 회로가 차단된다. 만약 배터리시스템보다 정격전압이 낮은 퓨즈가 선정되면 아크전압이 시스템에서 발생되는 전압보다 낮아 퓨즈링크의 모든 브릿지가 개방되어도 고장전류가 차단되지 못하여 퓨즈 말단부까지 소손되고 본체가 파열된다.

따라서 랙간 또는 랙내부 및 AC와의 2점 지락 및 단락 등에 대한 고장 모의를 통하여 DC 차단기(또는 스위치) 및 퓨즈 규격이 선정되어야 한다.

본 논문에서는 ESS 전기고장에 대한 모의 및 실증시험과 그에 따른 시스템 보호협조 방안을 정리하였다. 충분한 절연이격을 확보한 시스템에서 저압 대전류 고장조건에서 발생한 아크의 의문점은 향후 저압설비에 대한 정밀해석을 통해 규명해야 할 과제로 생각된다. 또한 비접지방식을 채용한 ESS 시스템과 부유커패시턴스, 모듈중심의 PCS 및 배터리랙 등을 종합적으로 고려한 체계적인 고장모의를 통해 시스템 통합설계의 필요성을 공감하였다.