2.1 PCS 내 IGBT의 단락으로 인한 CMV

표 1에 나타낸 29건의 화재사고 중 신용인 변전소 주파수조정용 ESS의 화재사고 조사 시 배터리 화재와 PCS 내 IGBT 파손이 동시에 나타나서 조사과정에서 논의된 현상이다. 아래 그림 1과 같이 ESS 동작 중 PCS 내의 IGBT가 파손되어 Arm 단락에 의한 단락전류가 발생한 후 Fuse가 끊어지는 과정에서 발생하는 di/dt가 배터리와 PCS 사이 직류전로의 Stray Inductance와 결합하여 과도전압을 발생시키는 경우이다. Arm 단락 발생 시 이 단락전류는 배터리와 PCS 사이의 선로에 존재하는 Stray Inductance인 L을 통해 흐르므로 단락전류 발생 시 L에 에너지가 축적된 후 Fuse가 Open되면 L에 발생한 전압이 배터리 전압과 직렬로 결합하여 높은 과도전압을 형성하게 된다. 이 전압의 발생은 Normal Mode로 발생하나, 이후 배터리의 Stray Capacitance C1, C2에 의해 약 1/2로 분압 된 전압이 P-G 및, N-G 간에 Common Mode로 나타나게 된다.

(P: 배터리 Positive, N: 배터리 Negative, G: Ground)

아래 그림 2는 이러한 상황을 PSCAD/EMTDC로 모의한 결과로서 이러한 높은 과도전압 발생 시 배터리의 절연파괴로 인한 화재가능성이 제기되었으나, 이러한 상황은 이후 한전 고창시험센터에서 동일한 상황을 재현한 실증시험에서는 실제 배터리 화재로 이어지지는 않았다.

2.2 PCS의 IGBT Switching 동작 중 발생하는 CMV

이 경우는 PCS 내 IGBT의 Switching 동작 중에 발생하는 dv/dt에 의해 처음부터 Common Mode로 생성된 후 배터리의 전극과 외함 사이에 전압으로 나타나는 경우이다. IGBT는 아래 그림 3과 같이 반도체 칩이 메탈베이스 위에 접합된 구조로 이둘 사이에는 얇은 절연기판(Insulating Substrate)이 존재한다. 이 절연기판은 수천 V의 전기적 절연강도를 가지지만 높은 열전도도를 위하여 두께를 얇게 설치하는 관계로 500~ +1000pF의 Stray Capacitance를 나타내게 되며⁽⁴⁾, PCS에서 IGBT switching 동작시 나타나는 수천V의 dv/dt가 IGBT의 도전부(직류전로)와 방열판(외함) 사이에 나타나게 된다.

다음 그림 4는 이러한 IGBT의 내부구조에 의해 발생한 Stray Capacitance로 인해 일반적인 모터구동용 인버터 시스템(VFD)에서 Common mode noise가 발생하는 과정을 등가회로로 나타낸 것으로, 여기서 방열판은 통상 인버터 함체의 일부가 된다.

2.3 ESS용 배터리 구조에 따른 Stray Capacitance 및 CMV가 배터리에 미치는 영향

배터리 측에서는 제조사별로 셀 및 모듈의 구조에 따라 Stray Capacitance가 달라진다. 예를 들어 직육면체 캔타입의 경우 아래 그림 5와 같이 셀자체의 구조로 인해 캔 표면과 모듈 외함 사이에 넓은 접촉면적이 존재하며, 이 사이에 얇은 공극만이 존재하므로 직류전로와 외함 사이에 정전용량이 증가하게 된다. 또한, 캔이 셀 내부에서 +전극과 연결되어 있어 캔자체가 직류전로가 되므로 직류전로와 외함 사이에 높은 Stray Capacitance를 나타내게 된다. 또한, 셀표면이 직접 +전극이 되는 이러한 구조의 배터리는 운전 중 1000~2000V의 높은 CMV가 상시 인가될 경우 이로 인한 셀표면과 모듈 외함 사이에서의 절연파괴 가능성이 존재하며, 이는 지락사고로 이어져서 IT 방식에서는 1점 지락 상황을, TN/TT 방식에서는 지락에 의한 단락전류가 발생하게 된다. 또한 높은 CMV의 발생은 랙 Switch Gear 또는 BPU(Battery Protection Unit) 내 Contactor의 절연강도를 초과하여 이 부분에서의 지락사고가 발생할 가능성도 있다.

이에 비해 파우치 타입의 경우 파우치 표면이 전극과 절연되어 있고 아래 그림 6과 같이 모듈 내에서 셀을 수직으로 세워서 배치하므로 구조 상 셀표면과 모듈 외함 사이의 접촉면적이 적어 Stray Capacitance는 감소하게 되며, 또한 비교적 CMV로 인한 절연파괴 가능성도 낮다.

2.4 ESS용 배터리의 누설전류 발생원인 및 배터리에 미치는 영향

이상과 같이 CMV를 중요시하는 국내 캔타입 축전지 제조사와 달리 파우치 타입을 생산하는 제조사는 누설전류를 중요시하며, 이는 누설전류로 인해 발생하는 전도노이즈가 BMS의 안정적 운용에 영향을 주기 때문이다. 이러한 누설전류는 앞서 서술한 CMV로 인해 발생하며, 이는 다음 4.1절의 그림 14, 15의 P-Sim 모의 결과와, 그림 17및 그림 18의 현장 실측결과에서 CMV의 파형과 누설전류의 파형이 서로 모양과 위상에서 동기화되어 있는 것으로부터 알 수 있다. 그림 7은 이렇게 발생하여 PCS의 DC 측으로 흘러나간 누설전류가 배터리의 Stray Capacitance로 인해 발생한 경로로 배터리의 Ground선으로 흘러나간 후 PCS의 접지선 및 전원변압기 2차 중성선 접지선을 통해 PCS의 AC측으로 순환되는 경로를 나타낸다. 이러한 누설전류는 전원계통의 접지구성 방식 및 배터리 랙 수량에 따라 달라지나 6.2절의 표 6에서 보듯이 수십A까지 흐를 수 있으며, 통신장애 유발 등으로 BMS의 안정적인 운영을 방해하여 배터리 보호성능을 약화시키는 것은 물론 배터리의 절연파괴를 유발시켜 화재위험을 증가시킬 수 있다. 또한, 전원변압기를 공유하는 고객부하 설비가 있을 경우 방송장비에 잡음발생 및 정밀 전자장비에 대한 오동작 초래 등의 영향을 초래한다.

또한, 누설전류의 크기는 CMV가 전압원의 형태로 발생한 후 전원변압기, PCS 및, 배터리의 Stray Capacitance로 이루어지는 누설전류 순환경로의 임피던스에 의해 결정되며, 그림 8은 이러한 PCS와 배터리의 Stray Capacitance를 임피던스 맵으로 표현한 것이다.

3.1 ESS용 배터리의 CMV 측정방법 및 측정 예

배터리 제조사들의 CMV 측정방법은 배터리 랙의 P, N 단자와 랙의 접지단자 사이에서 P-G와 N-G를 동시에 오실로스코프로 측정하도록 되어있다⁽⁵⁾. 여기서, P는 배터리의 (+) 단자를, N은 배터리의 (-) 단자를, 그리고 G는 배터리의 접지단자를 말한다. 다음 그림 9의 노란색 파형은 이러한 방법으로 측정한 CMV의 측정예로 CMV와 Peak-Peak 진폭(Delta-V라고도 함)의 두가지를 측정하며, 이중 CMV의 크기는 절연파괴의 관점에서, 그리고 Delta-V는 누설전류와 전도노이즈 발생 관점에서 배터리 제조사 자체의 기준치를 제시하고 있다⁽⁵⁾. 또한, CMV는 일반적으로 직류성분 (+) 교류기본파 성분(또는 3조파 성분) (+) 스위칭 성분의 3가지 성분이 합성된 결과를 나타내며 그 실효치는 식(1)과 같이 표시된다. 한편, 그림 10의 파형 예에서 CMV는 Ground 대비 전압이므로 $V_{2}$가 아닌 $V_{1}$의 크기가 되며 Delta-V는 $V_{2}$가 된다.

여기서, $V_{CM}$: CMV 전압[V], $V_{dc}$: CMV의 AC 기본파 성분[V], $V_{ac}$: CMV의 DC 성분[V], $V_{sw}$: CMV의 스위칭 성분[V]

아래 그림 10의 (a)는 바람직한 CMV 파형의 예를, (b)는 바람직하지 않은 CMV 파형의 예를 나타낸다⁽⁵⁾. 바람직한 예에서는 CMV 500V, Delta-V 120V를 나타내며 바람직하지 않은 예에서는 1300V의 CMV와 1600V의 Delta-V를 나타낸다. 이와 같이 Delta-V가 CMV보다 커지는 일도 발생할 수 있다.

2차 화재조사위 발표에 따르면 평창 풍력발전 사이트의 CMV 측정결과에서는 다음 그림 11과 같이 150Vp-p의 Delta-V를 나타내고 있으며 한주기가 약 5.5ms인 것으로 보아 180Hz의 3조파 성분이 포함되어 있다.

3.2 누설전류의 경로 및, 측정방법에 대한 분석

그림 12에서 보듯이 중성선이 접지와 연결되는 접지식 계통에서는 중성선의 임피던스 $Z_{2}$가 0에 가까우므로 PCS의 DC측으로 흘러나간 누설전류 I7의 대부분은 임피던스가 낮은 전원측 변압기의 중성선을 통해 흐르고, 아주 일부만이 큰 내부 임피던스 $Z_{3}$값을 갖는 PCS의 접지선으로 I8과 같이 흐르게 된다. 실제 현장에서 측정시 접지선의 구성 및 PCS 내부구조 등에 따라 달라지나 표 5와 같이 I7이 19.33A일 때 I8은 3.93A가 흘러 이러한 이론을 뒷받침한다. 따라서 다음 그림 12(a)에서 누설전류 $I_{7}$의 크기는 식(2)와 같이 표시할 수 있다.

여기서, $I_{7}$: 누설전류[A], $V_{CM}$: CMV 전압[V], $Z_{1}$: 배터리 내부 접지 임피던스[Ω], $Z_{2}$: 계통측 변압기 중성선 임피던스[Ω], $Z_{3}$: PCS 내부 접지 임피던스[Ω]

따라서 중성선이 접지와 연결되어 있는 접지식 계통에서는 $Z_{2}$가 거의 0이 되어 임피던스가 $Z_{1}$만으로 형성되므로 많은 누설전류가 흐르게 되어 전도노이즈를 발생시킨다. 또한 배터리 내부 구조상 Stray Capacitance가 큰 배터리에서, 또 배터리의 병렬 랙 수량이 많을수록 $Z_{1}$이 더 낮아짐으로 인해 더 많은 누설전류가 흐르게 된다. 한편, 비접지 계통에서는 중성선이 개방되어 있으므로 $Z_{2}$가 무한대에 가깝게 되어 이 경로로는 누설전류가 흐르지 못하고 PCS의 접지선으로 모든 누설전류가 흐르게 되므로 PCS 내부의 접지 임피던스 $Z_{3}$를 반영하여 누설전류 $I_{7}$의 크기는 식(3)과 같이 표시된다. 이때는 누설전류의 크기는 PCS 내부의 스택구조 및, AC측 Y-Capacitor.의 크기에 따른 접지 임피던스 $Z_{3}$에 의해 크게 영향을 받게 되며 $Z_{3}$는 변압기 중성선에 비해 상당히 큰 임피던스 값을 가지므로 누설전류는 접지식 계통에 비해 매우 작아진다.

이상의 내용을 요약하여 그림으로 표현하면 아래 그림 12와 같이 요약되며, 여기서 I7은 PCS의 DC 측 단자로 흘러나가는 누설전류를, I8은 PCS의 접지선으로 흘러들어오는 누설전류를, 그리고 I9는 전원변압기 중성점으로 흘러들어오는 변압기 중성선의 누설전류를 나타낸다.

국내 파우치 타입을 생산하는 제조사는 누설전류의 측정방법으로 배터리 랙에서 플렉시블 전류 프로브로 DC P, N 선을 동시에 넣어서 측정하는 방법을 제시하고 있으며⁽⁶⁾, 이러한 방법으로 실제 사이트의 누설전류를 측정한 결과는 6.2절의 표 6과 그림 17, 18에 나타내어져 있다.

한편, 누설전류의 측정위치는 PCS의 DC 측 단자대, 배터리 랙 단위의 DC측 단자대 및 랙 단위 접지선 등에서 측정하는 방법이 있으나, 실제 현장에서의 설치환경에서는 그림 13에서 보듯이 배터리 랙의 케이블 트레이 및, 각종 구조물로 인해 배터리 랙 단위 및 전체 배터리 시스템의 누설전류를 배터리 접지선에서 측정하기는 어려운 실정이다. 따라서 이러한 상황과 실제 측정 결과를 종합해서 볼 때 PCS의 DC측에서 P, N을 동시에 전류 클램프로 측정하는 것이 가장 합리적인 방법이다.

3.3 CMV 및 누설전류의 저감방안

앞서 2.2절 및 2.3절의 내용에서 보듯이 ESS의 CMV 및 누설전류는 PCS 내 IGBT의 스위칭 동작 및 IGBT 모듈과 리튬이온 배터리 내부의 Stray Capacitance에 의해 발생하며, 위 그림 10에서 보듯이 CMV는 Ground에 대해 발생하는 전압이므로 IGBT의 도전부와 Ground 사이의 연결점인 전원 측 변압기 중성점과 Ground 사이의 접지선을 차단하면 많은 변화가 있을 것이라는 점을 생각할 수 있다. 한편, 누설전류가 흐르는 경로의 관점에서도 PCS의 직류 측에서 배터리의 Stray Capa- citance Z1을 통해 흘러나간 누설전류가 IGBT의 작은 Stray Capacitance에 의해 큰 임피던스 값을 갖는 Z3보다 직접 도선으로 연결되어 낮은 임피던스를 갖는 변압기 중성선 Z2 쪽으로 대부분의 누설전류가 흐를 것으로 예상할 수 있다. 따라서 변압기 중성점과 Ground 사이의 접지선을 차단하기 위하여 ESS의 AC 및 DC 계통을 비접지 방식으로 가져갈 필요가 있으며 이를 위해 PCS의 AC측에 절연변압기를 설치하는 것이 CMV와 누설전류를 모두 기준치 이하로 낮출 수 있는 완전하고 근본적인 해결책이 될 수 있다.

그러나, 절연변압기의 설치는 효율저하, 비용, 설치면적 및, 발열의 증가 등 부작용이 따르므로 ESS 시스템 구축 시 절연변압기의 적용여부는 이러한 상황을 종합적으로 판단하여 설치하여야 하며, CMV와 누설전류를 낮추기 위한 또 다른 방법으로 PCS의 DC전압 자체를 낮추는 방법과 3-Level 스위칭 방식을 적용하여 dv/dt를 낮추는 방법도 효과가 있을 것으로 기대된다. 또한, 현장에서의 실험결과 DC측에 Y-Capacitor나 CM(Common Mode) 리액터를 설치하여도 어느 정도 효과를 기대할 수는 있었으나 완전한 해결은 불가능하였으며, PCS의 스위칭시 SVM 스위칭 패턴을 변경하여 CMV를 약 1/3로 낮출 수 있다는 것이 기존의 모터구동용 VFD 분야 및 태양광용 PCS 분야의 연구결과로 나타나있다^(9~12).

4.1 접지식 계통에서의 CMV 및 누설전류 시뮬레이션 결과 분석

다음 그림 14는 접지식 계통에 연결된 PCS의 동작시 CMV 및 누설전류를 측정한 것으로 CMV 1,500V, Delta-V 1,700V를 나타내며, 누설전류는 60Ap-p의 크기로 배터리의 누설전류($I_{7}$)와 변압기 중성선의 누설전류($I_{9}$)는 같은 크기, 같은 주기와 같은 모습을 가지며 IGBT의 Stray Capacitance로는 거의 흐르지 않는 것($I_{8}$≅0)을 알 수 있다.

4.2 비접지식 계통에서의 CMV 및 누설전류 시뮬레이션 결과 분석

다음 그림 15는 PCS 입력측에 절연변압기 사용조건을 모의하기 위하여 같은 회로에서 변압기의 PCS측 권선 Y중섬점의 접지를 제거하여 비접지식 계통으로 변경한 상태에서 PCS 동작시 CMV 및 누설전류를 측정한 것이다. 이때 CMV는 1,500V에서 스위칭 성분은 없어지고 순수한 직류성분만 400V로 낮게 나타나는데 이는 배터리 전압 800V의 1/2에 해당하고, 스위칭 노이즈 성분인 Delta-V는 1,700V에서 0V로 낮아져 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 한편, 이때 배터리 접지선의 누설전류는 변압기의 중성점으로 흐르지 못하므로 모든 전류가 PCS의 접지선을 통해 IGBT의 Stray Capacitance로 흐르게 되어 60Ap-p에서 6Ap-p의 크기로 낮아지며, 배터리 접지선의 누설전류($I_{7}$)와 IGBT의 Stray Capacitance로 흐르는 전류($I_{8}$)가 같은 값을 가지는 것을 알 수 있다.

5.1 절연변압기 설치 전 CMV 및 누설전류 측정 예

한편, 다음 그림 16은 500KW PCS와 2MWH의 배터리로 구성된 ESS 2대가 설치된 경기도 한 ESS 구축 현장에서의 실측치로, 그림 17에서 CMV 1,162V와 Delta-V 1,609V를 나타내고 있으며 앞서의 바람직하지 않은 CMV 측정 예와 동일하다. 이 사이트는 20,000KVA 용량의 22.9KV-380/220V 수전용변압기 2차측에서 접지식 3상4선을 직접 인출하여 사용하였으며 PCS 및 배터리의 동작에 지장은 없으나 6.1절의 표 5와 같이 CMV 및 Delta-V가 배터리 제조사의 권고치를 크게 초과하는 상황이다.

그림 17의 파형에서 보면 배터리 단자에서의 누설전류 파형과 PCS 접지선 누설전류 파형의 주기와 모양이 CMV 파형에 동기되어 있음을 알 수 있으며, 이는 누설전류가 CMV로 인해 발생한 것임을 나타낸다. 또한 PCS 배터리 단자의 누설전류는 19.33A로 높은 수치를 나타낸다.

5.2 절연변압기 설치 후 CMV 및 누설전류 측정 예

다음 그림 18은 이러한 CMV를 줄이기 위해 PCS 입력측에 절연변압기를 설치하여 동작시킨 결과로서 CMV는 1,162V에서 296V로, Delta-V는 1,609V에서 29V로, PCS 배터리 단자의 누설전류는 19.33A에서 1.37A로 대폭 낮아진 것을 볼 수 있다. 또한, 그림 11의 평창에서는 기본파성분이 나타고 있으나 그림 18의 절연변압기를 설치한 실제 사이트에서는 그림의 CH1 파형과 같이 CMV가 완전히 296V의 직류로 나타나고 있어 기본파성분이 전혀 나타나지 않고 있으며, 그 이유는 변압기에 ESS만 단독으로 연결되어 중성선을 같이 사용하는 다른 일체의 부하가 없기 때문이다.

6.1 절연변압기 설치 전후 CMV의 크기 변화에 대한 현장측정 결과

이러한 절연변압기 설치 유무에 따른 CMV 및 누설전류의 변화를 P-Sim으로 시뮬레이션 한 결과를 요약하면 다음 표 4와 같고, 5.1절의 경기도 현장에서 실제 측정한 결과를 요약하면 다음 표 5와 같다.

6.2 절연변압기 설치 전후 누설전류의 크기 변화 및 적정 측정위치 분석

대용량 PCS의 경우 DC 포트의 버스바가 대용량이고 +, -간 간격도 넓어 구조상 +, -를 동시에 클램프로 측정하기는 어려운 구조로서 이러한 결과를 현장에서 측정하기는 쉽지 않으나, 앞서 5.1절의 실제사이트에서 적은 굵기의 전선을 임시로 연결하여 +, -를 동시에 클램프로 측정한 바는 다음 표 6과 같으며 이상에서의 설명과 같은 결과를 보인다.

앞서의 그림 12(b)에서와 같이 절연변압기 설치 후 PCS의 DC측을 통해 흘러나간 누설전류 I7은 전원변압기의 중성선을 통해 흐르지 못하므로 대부분 PCS의 접지선을 통해 흐르므로 그 크기가 거의 같아야 하나, 실제 현장에서 실측한 표 6의 결과에서는 I7=1.37A, I8=0.8A로 I8이 0.57A정도 낮은 값을 가진다. 이는 앞서 그림 14와 같이 배터리 랙의 케이블 트레이 및, 각종 구조물로 인해 배터리 접지선외의 다른 누설전류 경로가 형성되어 차이가 나는 것으로 보인다.