2.1 계통연계형 AC 결합(AC Coupling)

계통연계형 PV 시스템은 일반적으로 태양광 패널에서 생성된 전력을 전력망에 연계하여 사용하는 시스템으로, 주요 구성 요소는 태양전지 패널과 인버터이다^[4]. 그림 1은 계통 연계에 따른 AC 결합 방식의 토폴로지로 태양광 발전 인버터(PV Inverter), 배터리 시스템 및 양방향 전력 변환 시스템 등으로 구성된다. 이 방식은 태양광 모듈에서 생성된 전력을 기존 전력망과 유기적으로 통합하여 사용하는 시스템으로 계통연계를 통해 분산형 에너지원의 유연한 활용을 가능하게 한다.

AC 결합 방식은 기존 전력망과의 통합을 통해 초기 설치 비용을 줄일 수 있고 다양한 인버터 및 배터리 유형을 조합하여 시스템 확장이 가능하다. 또한, 이 방식은 다른 재생 에너지원과의 통합이 가능하여 하이브리드 시스템 구성을 통해 전력망의 안정성을 높이고 재생 에너지 활용성을 증대시킨다.

태양광 인버터(PV Inverter)는 태양광 모듈에서 생성된 직류(DC)를 태양광 인버터를 통해 교류(AC)로 변환된다. 변환된 전력은 전력망에 직접 공급되거나, ESS의 배터리 PCS를 통해 저장한다. ESS는 잉여 전력을 저장하는 역할을 하며, 저장된 에너지를 방출하여 전력망에 공급할 수 있다. 이를 통해 전력 수요가 적은 시간대에 저장한 전력을 수요가 많은 시간대에 활용함으로써 전력망의 부하를 분산시키고 에너지 자원의 효율적인 관리가 가능해진다^[3,4].

PCS는 배터리와 전력망 사이의 에너지 흐름을 양방향으로 제어할 수 있는 시스템이다. AC를 DC로 변환하여 배터리를 충전하거나, 배터리에 저장된 DC를 AC로 변환하여 전력망으로 재공급할 수 있는 기능을 한다. 또한, PCS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고 최적의 전압과 전류로 충전하여 배터리 수명을 연장하고 효율을 높인다.

따라서, 본 논문에서는 계통연계형 AC 결합 방식을 기반으로 한 ESS의 리튬이온배터리에서 발생하는 CMV의 변화량를 측정하고 특성을 분석하였다.

2.2 계통연계 공통 모드 전압

계통연계형 ESS에서 PV Inverter는 중요한 역할을 하며, 일반적으로 DC를 AC로 변환하는 과정에서 접지 전위와의 불균형으로 인해 공통 모드 전류가 발생한다. 이러한 공통 모드 전류는 시스템의 효율성과 안정성에 영향을 준다.

PV Inverter와 공통 접지가 있는 경우, 패널과 인버터 간의 접지 불균형으로 인해 CMV가 발생하며, 시스템 내 전자파 간섭(EMI)과 같은 문제를 야기할 수 있다. 특히, AC 결합 방식에서 PV Inverter는 높은 전압을 빠르게 전환하는 스위칭 동작을 한다. 이때 발생하는 전압 변화율(dv/dt)은 접지와 인버터 간의 전위 차이를 유발하여 CMV가 발생하게 된다[5-7]. 공통 접지를 통해 인버터와 PCS가 연결되어 있는 경우, 공통 모드 전류는 접지 경로를 따라 순환하며 EMI와 같은 예기치 않은 간섭을 유발할 수 있다.

CMV로 인해 발생하는 주요 영향은 공통 모드 누설 전류, EMI, PCS와 PV Inverter의 전기적 스트레스 증가 및 부적절한 접지 루프 문제 등이 있다^[6].

공통 모드 누설 전류는 접지 시스템 내에서 의도치 않은 전류 경로를 형성해 다른 장비에 EMI를 유발한다^[7]. 특히 고주파 스위칭이 빈번한 PV Inverter의 경우 전력 품질에 영향을 미칠 수 있다. 또한, CMV는 PCS와 PV Inverter 내부 회로에 전기적 스트레스를 가해 기기의 수명을 단축시키고 스위칭 소자의 열화와 손상을 초래할 수 있다. CMV가 PCS 내 배터리와 전력 경로로 누설되면 스트레스는 더욱 가중된다^[8]. 마지막으로, 공통 접지를 통한 공통 모드 전류는 접지 루프를 통해 시스템 내 순환하면서 보호 장치의 오작동과 전자기기 간의 간섭을 일으켜 전력 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있다.

2.3 CMV 제조사 가이드라인

ESS 배터리 제조사에서 ESS의 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 DC 전로 대지 전위와 CMV에 대한 가이드라인을 제시하고 있다. 배터리 제조사에서 제시하는 가이드라인을 표 1에 나타내었다. 고전압에서 발생할 수 있는 배터리 내부 스트레스와 전력 변환 과정에서의 전자파 간섭(EMI)을 최소화하기 위해 DC 전로 대지 전위는 1500[V]이하로 제한되며, CMV(Peak to Peak, Vp-p) 값은 600[V] 이하로 유지하도록 권고되고 있다^[9].

즉, 배터리 시스템 절연이 1,500[V] 기준으로 설계되어 있어 절연 파괴에 의한 사고를 예방하기 위해 DC 전로 대지 전위를 절대값을 1500[V]이하로 제한한다. 그리고 CMV의 Peak to Peak 값은 제어장치, 통신장치 및 계측장치 등의 오동작과 고장 발생을 예방하기 위해 600[V]이하로 제한된다. 순간적인 CMV의 서지 전압으로 인해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 에너지 관리 시스템(Energy Management System, EMS)의 오작동, 절연 성능 저하, 계통 연계 안정성 저하 등 영향을 준다. 특히 리튬이온배터리는 BMS를 통해 셀 전압을 조정하여야 하는데 BMS의 오동작으로 인한 과충전, 과방전 및 셀 밸런싱에 문제가 발생할 수 있으며, 배터리 팩 단위에서 열 폭주가 일어난다. 이로 인해 계통연계에 따른 접지 방식에 대한 명확한 가이드라인이 미흡한 실정이며, 변압기를 통해 계통과 ESS를 절연시켜 회로를 분리 방법을 권장하고 있다.

3.1 시스템 구성

그림 2는 CMV 분석을 위한 계통연계형 PV 및 ESS 구성을 보여준다. PV 발전을 위해 PV 어레이 시뮬레이터를 사용하였으며, MPPT 동작에 따라 생성된 직류 전력은 단방향 PV 인버터를 통해 교류로 변환된다. 변환된 전력은 변압기 TR 2를 통해 계통에 연결된다. 필요에 따라 변환된 전력은 리튬이온배터리와 연결된 PCS 시뮬레이터를 통해 리튬이온배터리에 저장된다. PCS 시뮬레이터는 양방향 전력 변환 기능을 활용하여 배터리의 충전 및 방전 제어가 가능하며, 충/방전 시 발생하는 CMV 변화를 실시간으로 측정할 수 있도록 구성하였다. 또한, 계통에 병렬로 저항부하를 연결하여 부하의 유무에 따른 CMV 변화량을 분석할 수 있도록 구성하였다.

3.2 공통 접지 CMV 측정

본 논문에서는 그림 2의 ESS와 PV 시스템을 공통 접지 방식으로 연결하였다. 이를 통해 공통 접지 환경에서 발생할 수 있는 CMV 변화량을 측정하고, 주간과 야간에 충전 및 방전 상황에서의 CMV 변화 특성을 비교 분석하였다.

일사량이 많은 주간에는 PV Array 시뮬레이터를 통해 태양광 발전이 활성화된 환경을 모사하고, PV 인버터를 통해 배터리에 전력을 충전하는 동안 발생하는 CMV를 측정하였다. 반면 야간에는 일사량이 존재하지 않아 양방향 변환이 가능한 PCS 시뮬레이터를 통해 배터리의 충전 및 방전을 수행하여 CMV의 변화를 분석하였다.

본 연구는 다양한 조건에서 CMV의 발생 메커니즘을 명확히 규명하는 데 중점을 두고, 계통 연계형 ESS와 PV 시스템의 운용 환경에서 발생할 수 있는 CMV 불안정성을 분석하였다.

4.1 (Case 1) 야간모드 배터리 충전

태양광 발전이 되지 않는 야간에는 한전에서 공급받는 전력 연계를 통해 배터리와 연결된 양방향 전력 변환 시스템(PCS)를 이용하여 배터리 충전하게 된다. 또한, 계통과 변압기(TR1) 사이에 저항부하(Load)를 연결하여 무부하와 부하 조건으로 CMV 변화를 확인하였다. 그림 3은 야간 배터리 시스템의 충전모드 전력 흐름도를 보여준다.

야간모드에서 배터리에 에너지 저장시 배터리로 충전되는 전류를 10[A], 30[A]인 경우 그리고 부하가 있는 경우와 없는 경우로 총 4가지 조건의 실험을 하였다. 그림 4는 일례로 배터리가 10[A]로 충전될 때의 실험 파형을 보여준다. 배터리의 양(+)극과 음(-)극 사이의 접지로부터 양(+)극과 접지로부터 음(-)극을 측정한 결과이다. 양(+)극과 음(-)극 사이의 전압은 충/방전시 변하므로 리튬이온배터리의 개방 회로 전압(Open-Circuit Voltage, OCV)은 51[V]를 기준으로 하였을 경우 Peak to Peak 전압을 확인하고 배터리 양극과 음극의 전압 대비 비율(Vp-p %)로 나타내었다.

CMV 측정값은 식 (1)과 같이 계산된다.

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

그림 5는 그림 4의 Case 1 야간모드의 파형을 분석하여 CMV 비율(Vp-p%)로 나타냈으며, x축은 양(+)극 Vp-p와 y축은 음(-)극 Vp-p를 의미한다.

무부하 조건에서 10[A]가 배터리에 충전되는 경우(+)Vp-p는 12.55%, (-)Vp-p는 12.62%를 보였다. 그리고 30[A]가 배터리에 충전되는 경우 각각 12.75%와 12.94%를 보였다. 따라서 배터리에 충전되는 전류가 증가하게 되면 CMV(Vp-p) 평균 변화율이 0.36% 상승하는 경향을 보여 CMV(Vp-p) 변동이 크다는 것을 확인하였다.

부하 조건에서 10[A]로 충전되는 경우 (+)Vp-p가 12.75%, (-)Vp-p가 12.9%로 무부하에 비해 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 0.24% 증가하였다. 그리고 30[A]로 충전하는 경우 (+)Vp-p 12.96%, (-)Vp-p 13.15%로, 무부하 조건 대비 CMV(Vp-p) 변동 폭은 0.11% 상승함을 확인할 수 있다. 그림 5에서 보듯이 부하 조건인 경우 전류 변화에 의한 CMV(Vp-p) 평균 변화율은 0.23% 증가하여 양의 상관관계가 있음을 확인하였다.

4.2 (Case 2) 야간모드 배터리 방전

Case 2는 야간에 ESS의 배터리에 저장된 에너지를 계통 및 부하로 공급하는 경우로서 CMV 변화를 분석하였다. 그림 6은 야간일 경우 배터리 시스템에서 방전되는 전력 흐름도를 보여준다.

Case 1과 동일한 조건으로 하였으며, 단지 방전시 CMV 변동량을 분석하였다. 그림 7에 각 경우에 대한 파형 측정을 통해 결과를 나타내었다.

무부하 조건에서 배터리에서 10[A] 방전을 하는 경우 양(+)극과 접지 사이의 (+)Vp-p는 13.75%, 음(-)극과 접지 사이의 (-)Vp-p는 13.83%로 나타나는 것을 확인하였다. 그리고 30[A] 방전을 하는 경우 (+)Vp-p 14.21%, (-)Vp-p 14.37%로 배터리에서 10[A] 대비 30[A] 방전하는 경우 CMV(Vp-p) 평균 변화율은 0.5% 상승하였다.

한편 부하 조건에서 배터리에서 10[A] 방전하는 경우 (+)Vp-p는 13.94%, (-)Vp-p는 14.05%로 무부하 조건에 비해 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 0.2% 증가하였다. 30[A]로 방전하는 경우에서는 (+)Vp-p가 14.26%, (-)Vp-p가 14.4%로 부하가 존재하면 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 무부하에 비해 0.09%로 소폭 증가하는 것을 확인하였다. 부하 조건에서 전류 변화에 의한 CMV(Vp-p) 평균 변화율은 0.39% 증가하는 것을 확인하였다.

4.3 (Case 3) 주간모드 배터리 충전

이 경우는 태양광 발전이 가능한 주간에 PV Inverter를 통한 발전 전력과 계통 전력을 이용하여 ESS 배터리에 충전하는 모드이다. 그림 8은 일사량이 많은 주간에 배터리 시스템으로 충전하는 전력 흐름을 보여준다.

실험 조건은 Case 1과 비교하여 야간모드에서 주간모드로 변경됨에 따라 일사량을 통한 태양광 발전으로 PV Inverter 동작 조건이 추가된다. 그리고 Case 1과 동일하게 계통과 변압기(TR1, TR2) 사이에 저항 부하(Load)를 연결하여 무부하와 부하 조건에 의한 CMV 변화를 확인하였다. 그림 9는 Case 3의 분석 결과를 보여준다.

주간모드에서 PV Inverter가 동작되면서 무부하 조건에서 배터리로 10[A]가 충전되는 경우 (+)Vp-p는 13.61%, (-)Vp-p는 13.81%로 나타났다. 배터리에 30[A]가 충전되는 경우 각각 13.67%와 13.86%로 CMV(Vp-p) 평균 변화율이 0.05% 증가하였다.

부하 조건에서 배터리로 10[A]가 충전되는 경우 (+)Vp-p가 14.18%, (-)Vp-p가 14.25%로 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 무부하에 비해 0.5%로 증가하였다. 배터리로 30[A]가 충전되는 경우 각각 14.37%와 14.44%로 나타났다. 부하가 연결되었을 때 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 0.64%로 무부하에 비해 높게 나타났다. 부하 조건에서 배터리로 10[A]에서 30[A]로 충전되는 전류 변화에 의한 CMV(Vp-p) 평균 변화율은 0.19% 증가하는 것을 확인하였다.

4.4 (Case 4) 주간모드 배터리 방전

이 경우는 배터리에 저장된 에너지를 PV 발전과 함께 동기화 되어 한전 계통으로 보낼 때의 모드이다. Case 3과 비교하여 조건은 동일하며 배터리 측면에서 방전할 때의 경우 CMV 변화를 분석하였다. 그림 10은 배터리 시스템의 방전모드 전력 흐름을 보여준다.

그림 11은 그림 10과 같이 전력흐름에 따른 CMV를 측정하여 변화량을 분석한 결과로 부하를 연결하였을 때와 그렇지 않았을 때를 비교하였다.

무부하 조건에서 배터리 10[A] 방전을 할 경우 (+)Vp-p는 14.36%, (-)Vp-p는 14.51%로 나타났다. 배터리에서 30[A]로 방전할 경우 각각 15%와 15.12%로 CMV(Vp-p) 평균 변화율이 배터리 10[A]로 방전할 때 보다 0.61% 증가하였다.

한편 부하 조건에서는 배터리에서 10[A] 방전할 경우 (+)Vp-p가 14.61%, (-)Vp-p가 14.68%로 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 무부하에 비해 0.19% 증가하였다. 배터리에서 30[A]로 방전할 경우에는 각각 15.22%와 15.3%로 나타나며, 부하가 연결될 때 CMV(Vp-p) 평균 변동 폭은 무부하에 비해 0.2% 높게 나타났다. 그리고 부하가 연결된 상태에서 배터리에서 10[A]에서 30[A] 방전하는 경우 CMV(Vp-p) 평균 변화율은 0.62% 증가하는 것을 확인하였다.

4.5 비교분석

리튬이온배터리 충전과 방전에 따른 CMV(Vp-p)를 기준전압 대비 비율(Vp-p %)의 평균값을 각각 비교 분석하였다. 크게 배터리 충전모드로 Case 1과 Case 3을 같이 비교하고 배터리 방전모드 Case 2과 Case 4로 나누어 전류 변화(10A → 30A)와 부하 연결 유무에 따른 CMV(Vp-p) 변동 특성을 고찰하였다.

그림 12는 배터리로 에너지를 저장하는 경우로 일사량이 없는 야간에 계통전원을 통해 전력을 공급받는 Case 1과 일사량이 있는 주간에 PV 발전과 더불어 계통전원을 통해 전력을 공급받는 Case 3을 비교한 3차원 그래프이다. 계통에서 배터리를 충전하는 Case 1에 비해 PV 발전이 연계된 Case 3은 평균 CMV(Vp-p %)가 약 1.12∼1.35% 높은 전압 변동을 보인다. 또한, 부하가 연결되었을 때 CMV 변동이 크다는 것을 확인할 수 있다.

그림 13는 배터리에서 에너지가 방전하는 Case 2, Case 4를 분석한 그래프를 보여준다. 야간모드에서 계통으로 에너지를 방전하는 Case 2와 비교해보면 일사량이 많은 주간에 PV 발전과 더불어 배터리로부터 에너지를 계통으로 공급하는 Case 4인 경우 CMV 변동폭이 약 0.65∼0.93% 크다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 Case 4에서 일사량이 있는 주간모드인 PV 발전이 되는 상태에서 부하가 연결되어 배터리로부터 계통으로 방전 전류가 많이 흐르는 경우에 CMV(Vp-p) 변동량이 가장 크다는 것을 알 수 있다.

이러한 결과로부터 부하가 있는 경우 CMV 변동이 더 크게 발생하며, 특히 전류가 많이 흐를 때 CMV 변동률이 크다는 것을 확인하였다. 또한 PV Inverter의 동작이 이루어지면 CMV(Vp-p) 변동이 증가하고 배터리 충전에 비해 배터리 방전일 경우 변동이 크다는 것을 알 수 있다.

표 2는 Case별 데이터 결과를 나타내며, 공통 접지로 구성된 ESS 설비는 전력 변환 시스템 동작이 증가할수록 CMV(Vp-p)가 증가하는 현상이 나타난다.