2.1 Mode Noise 원리

ESS를 구성하고 있는 핵심 요소인 PCS는 전력용 반도체소자를 이용하여 스위칭 동작을 하는 전력변환장치이다. 이러한 스위칭 동작으로 인해 PCS는 노이즈 발생원이 된다. PCS에서 발생되는 노이즈(Noise)는 그림 1에서 보듯이 라인을 타고 전달되며, 차동모드 노이즈(Differential Mode Noise, DMN)와 공통모드 노이즈(Common Mode Noise, CMN)로 크게 2가지로 구분된다. 우선, DMN은 전원을 공급하는 두 라인 간의 전압 차(Differential Mode Voltage, DMV)를 생성하는 노이즈이며, 두 라인을 흐르는 전류는 서로 반대 방향을 가지고 있다⁽⁴⁾. 하지만 CMN은 전원을 공급하는 두 라인을 통해 전류가 접지로 흘러간다. 두 라인과 접지 사이에 전압이 발생하는 노이즈이며, PCS를 기준으로 (+)극과 (-)극과 연결된 2개 라인에 흐르는 전류의 방향은 동일하다. 이러한 공통모드 노이즈(CMN)는 부품 간이나 부품과 접지 간에 형성되는 다양한 기생 커패시턴스(Stray capacitance) 경로 때문에 CMN를 정확하게 예측하기는 매우 어렵다. 또한, CMN는 전기 장비의 성능 저하, 오작동, 화재 등의 문제를 유발할 수 있다.

ESS에서 발생하는 공통모드 노이즈(CMN)의 전압 형태가 공통모드 전압(Common Mode Voltage, CMV)이다. CMV는 주로 평활용 커패시터, 기생 커패시터 및 PCS의 외함 사이에서 발생한다. 하지만, 배터리 외함 사이 및 DC측 배터리 전로에서도 나타날 수 있다. 이러한 여러 가지 요인에 따라 CMV가 발생하기 때문에 노이즈를 방지하기 위한 분석이 필요하다. ESS의 노이즈 발생을 구분하기 그림 1에 나타내었다. 그림 1의 DMV는 배터리의 (+)극과 (-)극 사이의 전압이며, CMV는 접지(Ground)와 (+)극, 접지와 (-)극 사이에서 발생하는 전압이다⁽⁵⁾.

2.2 ESS 구성 및 CMV 계측 방법

ESS의 구성은 크게 세 가지 부분으로 AC 전원, PCS, Battery로 나눌 수 있으며, 그림 2는 전체적인 ESS 구성도 및 CMV 계측을 위한 회로를 보여준다⁽⁶⁾.

AC 전원은 전체 시스템에 전력을 공급하고, ESS에서 생성된 전력을 다시 전력 그리드에 연계할 때 사용되며, 연계용 변압기와 보호장치로 구성된다. 연계용 변압기는 1차측과 2차측 절연 목적 외에 전압 변환을 수행하며, 보호장치는 시스템을 안전하게 운영하기 위한 과전압 또는 단락을 방지하는 역할을 한다.

PCS는 전기 에너지 변환(양방향)을 통해 배터리에 저장 및 전력 계통과 연결된 부하에 에너지를 공급하는 핵심 부분이다. PCS에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 평활용 커패시터, 필터 등이 포함되어 있다. IGBT는 전기를 DC와 AC로 양방향 변환을 하며, 평활용 커패시터 및 필터는 전력의 안정성을 유지하고 전력 품질을 개선하는 데 사용된다.

Battery 부분은 전기 에너지를 저장하고 방출하는 역할을 한다. 주로 리튬이온 배터리와 배터리 모니터링 시스템(BMS)이 포함된다. 리튬이온 배터리는 전력을 저장하고, 배터리 모니터링 시스템(BMS)은 배터리의 안전과 성능을 유지하는 데 필요한 기능을 수행한다.

ESS의 PCS DC측 CMV를 측정하기 위해 배터리 랙 부분의 위치에 계측기를 설치하고 배터리 제조사에서 제시하는 가이드라인을 적용한다.

CMV는 처음에 Normal Mode로 최초의 전압이 발생하며, 분할된 전압은 Postive-Ground와 Negative-Ground 사이에서 Common Mode로 발생한다⁽²⁾⁽⁷⁾. 이러한 ESS의 DC측 CMV 계측을 위한 방법을 그림 3에 나타내었다.

그림 3에서 보듯이 PCS와 배터리 사이에 연결된 라인에 Voltage Differential Probe를 사용하여 (+)극 라인과 배터리 외함을 연결하고 (-)극 라인과 배터리 외함과 연결하여 양극과 음극의 DC CMV를 계측한다.

CMV의 제한은 리튬이온 배터리 제조사가 제시하는 CMV 기준값을 초과하는 경우 ESS 설비의 안전성에 영향을 줄 수 있다. CMV가 커질수록 ESS에서 화재 발생의 원인이 될 수 있으므로, 리튬이온 배터리 시스템에서 측정한 CMV 값은 배터리 제조사가 제시하는 기준치 이내여야 한다. 따라서, 적절한 설계와 접지 방식 선택, 커패시턴스 관리 등을 통해 CMV를 관리하고 제어하여 ESS의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 것이 매우 중요하다.

2.3 배터리 제조사 CMV 가이드라인

국내 배터리 제조사는 현장에 ESS를 설치할 경우 배터리 시스템에 대한 CMV 허용기준을 제시하고 있다. 배터리 제조사가 제시하는 CMV의 허용기준을 표 1에 나타내었다.

표 1에 보듯이 시험 조건을 배터리 팩 17단을 기준으로 하고 있다. 17단 이하의 경우 CMV의 허용 기준은 최대 1000[V]이며, 배터리 팩 17단 이하의 랙 최고 전압은 DC 999.6[V]이하로 제시하고 있다. 또한, 17단을 초과하는 경우는 랙 최고전압은 DC 1500[V]로 허용 기준을 명시하고 있다.

본 논문에서는 배터리 시험 조건을 17단 이하의 경우를 기준으로 CMV 최대 전압 1000[V]이하로 하였다.

3.1 ESS 설비 시뮬레이션 모델 구축

본 절에서는 ESS 설비와 AC 계통 연계에 따른 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 그림 4는 3상 계통전원과 연결된 ESS가 동작하는 시뮬레이션 회로를 보여준다. ESS 시뮬레이션을 위해 AC 3상 계통전원, 연계용 변압기, PCS, 배터리 단으로 구성하였다. AC 계통에서는 3상 AC 380[V] 전원을 공급하며, 배터리는 1개의 DC 500[V]의 직렬 2개로 연결하여 1000[V] 이하로 하였다. 배터리 랙의 설계기준은 배터리 제조사가 제시한CMV 측정시 최대 전압 1000[V] 이하를 적용하였다. 또한, 연계용 변압기와 PCS 사이의 개폐 스위치를 이용하여 AC 계통과 연결이 분리되도록 하였다. 그리고 연계형 변압기 와 개폐 스위치 사이에 3상 부하를 연결하고 개폐 스위치를 이용하여 On, Off가 가능하도록 ESS 회로를 구성하였다.

PCS DC측에서 나타나는 CMV 영향에 의한 AC 계통의 3상 전압 변화를 실제 계통과 비교하기 위한 시뮬레이션을 하였다. DC CMV 측정을 위해 배터리 제조사가 제시한 가이드라인을 적용하여 Voltage Probe를 양극과 접지, 음극과 접지에 연결하였다.

3.2 휴지 상태에서 AC 계통 연결시

그림 4에서 PCS가 동작하지 않고 AC 계통과 연결된 개폐 스위치를 Off상태에서 0.5[sec]되는 시점에서 PCS를 동작시키면서 개폐 스위치를 턴 온(Turn On)하였다. 그림 5는 휴지상태에서 PCS에 AC 계통전압과 연결시 나타나는 파형을 보여준다.

PCS와 AC 계통전원이 연결되는 0.5[sec] 시점을 기준으로 PCS DC+측, PCS DC-측 CMV가 변동없이 일정하게 나타타고 있음을 확인하였다. 그리고 AC 계통전원을 연결함으로써 3상 전원이 나타나고 있으며 AC 계통의 전압은 220[V]의 최대값 314[V] 정도를 보였다.

PCS DC 양(+)극의 파형에서는 CMV가 최대 약 530[V]로 최대 DC 1000[V]이하인 기준값 이내를 만족하고 있으며, CMV Peak to Peak의 값은 70[V]를 보였다.

또한, PCS DC CMV는 접지를 기준으로 같은 방향으로 전류가 흐르므로 PCS DC 음(-)극 CMV가 절대값 형태가 되어 식 (1)을 적용하면 구할 수 있다.

여기서, $V_{CM}$은 CMV, $V_{Pos ive}$는 양(+)극 CMV, $V_{Ngative}$는 음(-)극 CMV

식 (1)에서 $V_{CM}$은 CMV 양극 전압과 음극 전압의 합한 후 절대값을 취하여 2를 나눈 값이며, 접지를 기준으로 양극과 음극에 동일한 CMV가 발생한다. 즉 $V_{Pos ive}$의 양(+)극 CMV가 약 530[V]이면, $V_{Ngative}$의 음(-)극 CMV도 약 530[V]이 나타남을 의미한다.

4.1 휴지 상태에서 PCS에 AC 계통전압 인가시험

그림 7은 휴지 상태에서 PCS에 AC 계통전압을 인가하였을 때의 파형을 보여준다. 그림 5의 시뮬레이션 결과와 같이 PCS와 AC 계통을 연결하기 전후의 파형으로 PCS DC측 CMV가 AC 3상 계통과 관계없이 지속적으로 나타나고 있음을 확인하였다.

그림 8은 그림 7에서 AC계통 연결 시점의 파형을 확대한 것이다. 휴지상태에서 PCS에 AC 계통을 연결 후 전압을 확인하게 되면 3상의 왜곡 없는 정상적인 전압이 인가되는 것을 알 수 있다. AC 전압의 크기는 약 345[V]가 되고 PCS DC의 Peak 전압은 약 530[V]가 됨을 확인하였다.

그림 9는 그림 7의 PCS DC의 양(+)극 전압 파형을 확대한 것이다. 그림 9에서 일정주기를 갖고 지속적으로 나타나는 CMV 발생 원인은 ESS의 PCS와 배터리 사이의 라인에 지락감시장치(Insulation monitoring device, IMD)의 구형파 발생 발진기에 의한 것이다. 국내에서는 의무적으로 IMD를 설치하여야 한다⁽⁸⁾⁽⁹⁾. 따라서, 그림 9의 CMV Peak to Peak 전압은 약 100[V]가 되고 4.6[sec] 주기로 지속적으로 발생하는 것을 확인하였다.

이러한 구형파는 PCS의 DC 전압에 IMD 츨력 파형이 합쳐지며 CMV 형태의 파형이 발생된다. 또한, 시뮬레이션의 결과와는 약 30[V] 차이가 나타나는데 이것은 시뮬레이션 과 실제 AC 계통 3상 전압에서 약 30[V] 차이에 기인한 것으로 보인다.

4.2 PCS 동작시 부하 100[kW] 인가시험

그림 10은 ESS의 PCS가 동작하는 중에 부하 100[kW] 연결하였을 경우 CMV 영향으로 인해 AC 3상 계통전원에 미치는 파형을 보여준다. 이때 PCS의 스위칭 주파수는 5[kHz]이다. 부하를 연결하게 되는 시점부터 CMV가 증가하면서 3상 계통전원에 왜곡이 심하게 발생하고 있다.

그림 11은 그림 10에서 ESS의 PCS측 DC부분의 양(+)극 CMV 파형을 보여준다. CMV가 최소 382[V]에서 최대 582[V]로 Peak to Peak 전압이 부하 연결 전 100[V]에서 200[V]로 증가됨을 확인할 수 있다. 그림 12는 그림 11의 상단부 파형을 확대한 것이다. ESS의 배터리와 PCS의 접지가 공통으로 연결되어 있고 이 공통접지를 통해 PCS의 스위칭 주파수 5[kHz] 영향으로 부하전류의 일부인 누설전류가 흐르면서 심한 왜곡 파형이 나타나고 있다.

4.3 부하 100[kW]에서 600[kW] 인가시험

그림 13은 부하 100[kW]에서 600[kW]로 부하를 증가시켰을 때 CMV와 3상 계통전압 파형을 보여준다. 부하가 증가하는 시점에 CMV가 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 3상 계통전원에서도 심한 왜곡현상이 나타나고 있다. 그림 14는 100[kW]에서 600[kW]로 변경하였을 때 PCS DC측 양(+)극 CMV 파형을 보여준다. 부하 100[kW]에서는 IMD 영향으로 일정 주기를 갖는 형태를 보였으나 600[kW]로 부하를 증가하였을 경우 이러한 특성이 보이지 않고 있다. CMV가 최소 289[V]에서 최대 672[V]로 Peak to Peak 전압이 383[V]로 부하 100[kW]에서 200[V]에서 약 2배 정도 증가하였다.

그림 15는 그림 14에서 PCS DC+ 라인의 CMV 확대 파형을 보여준다. CMV 최대 Peak 전압이 약 672[V]이고 최소 Peak 전압이 약 289[V]가 발생하고 있다. 그림 12와 비교하면 Peak to Peak 전압이 110[V]에서 383[V]로 증가하고 있음을 알 수 있다. 부하가 증가함에 따라 부하전류가 크게 흐르고 일부가 공통접지를 통해 누설전류가 흐름으로써 PCS DC측 (+), (-)극에 CMV가 커짐을 확인할 수 있다. 이로 인해 배터리를 비롯하여 AC 3상 계통전원에 왜곡현상이 심하게 나타나고 있다.

ESS 설비의 부하 변화에 따른 CMV 특성 분석을 통한 AC 및 DC 라인 CMV 시험 데이터 분석 결과를 표 2에 정리하였다.