2.1 CMV 발생 메커니즘

ESS는 배터리, BMS(battery management system), PCS, EMS(energy management system), 보호장치 등으로 구성되어 있다. 이 중 PCS는 배터리에서 저장된 DC 전력을 AC로 변환하여 계통에 공급하거나, 반대로 계통의 AC 전력을 배터리에 저장하기 위해 DC로 변환하는 역할을 수행한다. 특히 PCS의 토폴로지에 따라 DC 전압, 누설전류 특성, 충·방전 효율 등이 달라질 수 있는데, DC 전압품질은 배터리에 직접적으로 영향을 주기 때문에 매우 중요한 평가항목이다. DC 전압을 측정하는 방식은 그림 1과 같이 CMV와 DMV(differential mode voltage)로 구분된다^[7].

그림 1. CMV와 DMV의 개념도

Fig. 1. Concept of CMV and DMV

먼저, DMV는 DC 전로의 (+)와 (-) 사이에서 측정되는 차동모드 전압으로써, 일반적으로 380[V]의 AC 전압을 생성하기 위해 식 (1)과 같이 약 650[V] 이상의 값을 가지게 된다. 또한 CMV의 변동분이 크더라도, CMV (+)와 (-)는 동일한 위상으로 같이 변동되므로 DMV는 거의 일정한 값을 가진다.

여기서, $DMV$ : 차동모드 전압[V], $k$ : 여유율(1.1 ~ 1.2)

한편, CMV는 DC 전로의 (+)와 접지, (-)와 접지 사이에서 측정되는 공통모드 전압으로써, 직류 성분($V_{dc}$)과 교류 성분($V_{ac}$), 스위칭 성분($V_{sw}$)이 합성된 크기로 나타나며 식 (2)와 같이 표시된다^[8].

여기서, $V_{CM}$ : 공통모드 전압[V], $V_{dc}$ : CMV의 직류 성분[V], $V_{ac}$ : CMV의 교류 성분[V], $V_{sw}$ : CMV의 스위칭 성분[V]

CMV에서 직류 성분($V_{dc}$)은 정상적인 DC 전압이지만, 교류 성분($V_{ac}$)이나 스위칭 성분($V_{sw}$)은 배터리에 악영향을 미치는 요소들이다. 먼저, 교류 성분($V_{ac}$)은 상용 전원과 DC 회로 간의 완전한 절연이 이루어지지 않거나, 전력 변환 과정에서 발생하는 3차 고조파 성분 등이 원인일 수 있다. 반면, 스위칭 성분($V_{sw}$)은 CMV의 주요 원인으로, 그림 2와 같이 DC/AC 변환을 위해 고속으로 스위칭되는 IGBT와 방열판 사이에 존재하는 기생 커패시턴스에 의해 누설 경로가 형성되고, 이를 통해 스위칭 성분이 접지로 전달되면서 발생한다. 특히 배터리와 외함 사이에도 기생 커패시턴스가 존재하기 때문에, 높은 CMV는 ESS 운용 중 배터리에 지속적인 스트레스를 주고, 절연을 파괴시킬 가능성이 있다^[9].

그림 2. CMV 발생 메커니즘

Fig. 2. Mechanism of CMV Formation

일반적으로 PCS는 충전과 방전 시 IGBT 스위칭 메커니즘이 다르며, 출력에 따라서도 IGBT의 스위칭 특성이 변화하고, 그로 인해 CMV의 특성도 영향을 받을 수 있다. 특히, 운용 중 발생하는 CMV는 배터리와 DC 전로에 지속적인 스트레스를 주는 전기적 위해 요인 중 하나로, 이에 대한 면밀한 분석이 필요하다. 이에 본 논문에서는 충전 및 방전 출력에 따른 CMV 특성을 분석하고자 한다.

2.2 CMV 특성 및 측정 방법

일반적인 대용량 ESS의 경우, 여러 개의 직렬 모듈로 구성된 랙이 병렬로 하나의 DCP에 연결되며, PCS를 통해 계통과 연계된다. 그림 3은 이러한 구성의 ESS의 DCP에서 CMV를 측정하는 방법을 회로도로 나타낸 것이다. DCP 내 (+) 전로와 접지, (-) 전로와 접지 사이에 센서를 연결하여 DC CMV를 측정할 수 있다. DMV는 측정된 CMV(+)와 CMV(-)의 차이를 계산하거나, (+) 전로와 (-) 전로 사이의 전압을 직접 측정하여 구할 수 있다.

그림 3. ESS의 CMV 측정 방법

Fig. 3. Method for Measuring CMV in ESS

그림 4는 A사이트에서 운용중인 ESS의 CMV를 측정한 결과이며, 영점을 기준으로 CMV(+)와 CMV(-)가 동일한 크기로 진동함을 알 수 있다. 이와 같이, 연계용변압기의 결선방식, 절연변압기 사용유무, PCS의 토폴로지별로 CMV의 크기는 상이하며, ESS 시스템의 설계 및 운영에서는 CMV를 관리하는 것이 필수적이다. 하지만, 현재 설치되어 운용되고 있는 대다수의 ESS 실증사이트에서는 NMV만 계측요소로 활용하고 CMV는 상시 계측요소로 활용하고 있지 않으며 국제적으로 표준화된 시험인증 규격들, 예를 들어 UL 9540, IEC 62933, IEC 62477-1 등에서도 CMV 자체에 대한 구체적인 기준을 명시하고 있지 않다^[10-12].

한편, 제조사에서는 적절한 CMV 범위에 대해서 가이드라인으로 제시하고 있으며, 약 800~1,500[V] 사이의 CMV를 권고하고 있다^[13-14]. 이는 DC 전로의 절연내력을 고려하여, 정격전압의 2~3배 이내의 CMV 제한치를 설정한 것으로 판단된다.

그림 4. A사이트의 CMV 발생 사례

Fig. 4. Case of CMV occurrence at site A

2.3 선형회귀를 이용한 CMV 특성 분석

선형회귀분석은 두 변수 간의 관계를 수학적 모형으로 설명하는 통계적 방법으로, 이를 통해 독립변수가 종속변수에 미치는 영향을 직선의 형태로 나타내고 예측할 수 있다. 특히, 선형회귀분석은 변수 간의 상관관계를 단순하고 직관적인 방식으로 이해할 수 있게 하며, 예측 및 추론에 광범위하게 활용된다. 여기서는, ESS의 출력이 CMV 및 NMV에 미치는 영향을 분석하기 위해 선형회귀모델을 적용하였다.

ESS의 출력에 따른 DC측 전압특성을 분석하기 위해, 선형회귀모델의 일반적인 형태를 활용한 수학적 표현은 식 (3)과 같다. 먼저, Y는 종속변수로써 분석하고자 하는 CMV나 NMV를 나타내고, 첫 번쨰 항($\beta_{0}$)은 절편 값을 나타낸다. 또한, 두 번쨰 항($\beta_{1}X_{1}$)은 회귀계수와 독립변수를 곱한 값으로 독립변수인 출력에 따른 종속변수의 변화량을 나타낸다. 마지막으로, $\epsilon$은 오차항으로 실제 데이터와 회귀모델에 의해 예측된 값 간의 차이를 나타낸다.

여기서, $Y$ : 전압[V], $\beta_{0}$ : 절편[V], $\beta_{1}$ : 회귀계수[V/kW], $X_{1}$ : ESS 출력[kW], $\epsilon$ : 오차[V]

한편, 선형회귀모델의 적합도를 판단하는 지표 중 하나인 결정계수($R^{2}$)은 독립변수가 종속변수의 변동을 얼마나 설명하는지를 나타낸다. 결정계수는 0에서 1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 모델이 데이터를 잘 설명하고 있음을 의미한다. 결정계수를 수식으로 정리하면 식 (4)와 같다.

여기서, $R^{2}$ : 결정계수, $n$ : 입력 데이터 개수[개], $y_{1}$ : 실측 데이터[V], $\hat{y_{i}}$ : 예측 데이터[V], $\overline {y}$ : 실측 데이터의 평균값[V]

일반적으로 결정계수 값이 0.9 이상이면 "강한 상관관계"로 해석되며, 모델이 데이터를 매우 잘 설명한다고 평가된다^[15]. 이에 따라, 본 연구에서는 선형회귀 분석에서 결정계수가 0.9 이상일 경우, ESS 출력과 CMV 및 DMV 간에 유의미한 선형관계가 형성된 것으로 판단한다. 이를 통해 ESS 출력 변화가 CMV 및 DMV에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 추후 동일한 방법을 열화 전후의 데이터에 적용함으로써 예측 성능이 저하되거나 특성 변동성이 큰 위험 모델을 사전에 검출할 수 있을 것으로 기대된다.

3.1 고압선로부

고압선로부는 KEPCO로부터 22.9kV 전압으로 인입하여 그림 5와 같이 주요 보호장치 및 연계용 변압기로 구성되어 있다. 인입점으로부터 차례로 COS(Cut-Out Switch), LA(Lightning Arrester), MOF(Metering Out Fit), PF(Power Fuse), VCB(Vacuum Circuit Breaker), 그리고 연계용 변압기 등이 배치되어 있다. 연계용 변압기는 몰드형(Mold Type)으로, 22.9kV/0.44kV의 전압을 변환하며, 3상 3선식 △-△ 결선 방식을 채택하였고, 용량은 500kVA이다. 또한, 외함에는 혼촉 방지용 접지가 되어 있어 안전성을 강화하였다.

그림 5. 고압선로부 구성

Fig. 5. Configuration of distribution system

3.2 PCS부

PCS부는 NPC(Neutral Point Clamped) 방식의 토폴로지를 적용하여, 3레벨 인버터 구조를 기반으로 한다. 즉, NPC 방식의 PCS는 그림 6과 같이 상 별로 4개의 스위치와 2개의 클램핑 다이오드를 사용하여 중성점을 클램핑함으로써 출력 전압을 3단계($V_{DC}/2$, 0, $-V_{DC}/2$)로 나눌 수 있다. 이를 통해 스위치에 걸리는 전압 스트레스를 줄이고, 출력 전압의 파형을 개선하여 고효율, 저고조파 특성을 제공한다. 이러한 특징으로 NPC 방식의 PCS는 고전압 및 고출력 시스템에 적합하며, 대규모 태양광 발전 시스템, ESS, 전력 계통의 안정화와 같은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다.

그림 6. NPC 방식의 토폴로지를 적용한 PCS의 구성

Fig. 6. Configuration of PCS using NPC topology

상기의 회로에서 동작모드를 정리하면 표 1과 같다. 먼저, Mode 1에서는 상부의 두 스위치(T1, T2)가 모두 켜지고, 하부의 두 스위치(T3, T4)는 꺼지며, 양의 전압($V_{DC}/2$)이 출력된다. 이 상태에서 전류는 상부의 두 스위치를 통해 흐르며, 클램핑 다이오드는 동작하지 않는다.

한편, Mode 2에서는 상부의 중간 스위치(T2, T3)는 켜지고, 첫 번째 스위치(S1)와 하부의 마지막 스위치(T4)가 꺼지며, 클램핑 다이오드가 동작하여 0V가 출력된다.

마지막으로, Mode 3에서는 하부의 두 스위치(S3, S4)가 켜지고, 상부의 두 스위치(T1, T2)는 꺼지며, 음의 전압($-V_{DC}/2$)이 출력된다. 이 상태에서 전류는 하부의 두 스위치를 통해 흐르며, 클램핑 다이오드는 동작하지 않는다.

3.3 배터리부

배터리부의 구성은 그림 7과 같이 파우치형 배터리 셀을 기반으로 한다. 각 모듈은 14개의 셀을 직렬로 연결한 14S 4P 구조로 구성되며, 17개의 모듈이 적층되어 약 250kWh의 에너지를 저장할 수 있는 하나의 배터리 랙을 형성한다. 이러한 배터리 랙 4개는 병렬로 DC 패널(DCP)에 연결되어 총 1MWh급의 대용량 에너지 저장 시스템을 구성된다. 여기서, 검정색 실선은 전력선이고, 빨간색 점선은 통신선을 나타낸다.

또한, 각 배터리 랙은 BMS에 의해 실시간으로 모니터링되고 제어된다. BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도와 같은 주요 파라미터를 지속적으로 감시하며, 이를 통해 배터리의 상태를 평가하고, 안전한 동작을 보장하기 위한 보호 기능을 수행한다.

그림 7. 배터리부 구성

Fig. 7. Configuration of battery system

3.4 계측장비부

계측장비부는 CMV를 측정하기 위한 목적으로 그림 8과 같이 배터리 시스템과 PCS사이의 DC 패널(DCP)에 설치된다. 계측장비는 DC 패널 내에서 DC(+), DC(-), 그리고 외함접지에 연결되어, CMV를 정확하게 측정할 수 있도록 구성된다. 이를 통해, 시스템 내에서 발생하는 전압 변동이나 불균형을 모니터링할 수 있으며, 공통 모드 전압의 실시간 측정을 통해 전력 변환 장치 및 배터리 시스템 사이의 전기적 환경을 정밀하게 파악할 수 있다.

그림 8. 계측장비부의 설치 개념도

Fig. 8. Installation schematic of the measurement equipment section

3.5 전체 시스템

상기 내용을 바탕으로, 고압선로부, PCS부, 배터리부, 계측장비부로 구성된 전체 ESS 시스템은 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 그림에서 A section은 주요 보호 장치와 △-△ 결선 방식의 연계용 변압기로 구성된 고압선로부를, B section은 3레벨 NPC 방식의 500kW급 PCS부를, C section은 1MWh급 ESS 4기를 병렬로 구성하여 총 4MWh 용량을 제공하는 배터리부를 나타낸다. 계측장비부는 PCS부(B section)와 배터리부(C section) 사이의 DC 패널에 설치되어, 각 ESS(1~4번)의 특성을 분석하고 모니터링하는 역할을 수행한다.

그림 9. 전체 시스템 구성

Fig. 9. Configuration of entire system

4.1 시험조건

ESS의 CMV 특성을 분석하기 위해 표 2와 같은 시험조건을 설정한다. 먼저, 연계용 변압기는 22.9/0.44kV의 전압비를 가지며, △-△ 결선 방식으로 구성되고, 용량은 500kVA이다. 또한, PCS의 경우 DC 공칭 전압은 880V, AC 공칭 전압은 420V로 설정되며, 3-Level NPC 방식의 토폴로지를 적용하고. PCS의 최대출력은 500kW이다.

배터리는 14S 4P로 구성된 파우치형 셀 모듈 17개를 직렬로 연결하여 250kWh급 랙을 구성하고, 이 랙 4개를 병렬로 연결하여 총 1MWh급 배터리 시스템을 구축한다. 배터리의 공칭 전압은 873V이며, 전압 범위는 714V에서 1,000V 사이에서 운용된다. 또한 절연 감시 장치(IMD: Insulation Monitoring Device)는 ESS DC전로의 전압을 고려하여 펄스 전압원을 사용하며, 한 주기(10초) 동안 ±50V의 펄스 전압을 발생시킨다.

한편, 측정 항목 및 운전 조건은 표 3과 같이 설정한다. PCS의 출력은 50kW부터 400kW까지 50kW 간격으로 조정하여, 충전 및 방전 동작을 각각 수행한다. 이 과정에서 CMV(+, -, p-p)와 DMV(p-p), 그리고 DC 전류를 측정한다.

충전 시에는 CMV +에 대해, 방전 시에는 CMV -에 대해 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 수행하여 주파수 성분을 분석한다. 이를 통해 충·방전 과정에서 발생하는 전압 및 전류 특성을 종합적으로 평가한다.

CMV 계측을 위한 회로 구성은 그림 10과 같이 같다. 먼저, 그림 10(a)는 전력품질분석기를 사용하여 DCP의 전압 및 전류를 측정하는 회로 구성을 나타낸다. 이때, 전력품질분석기는 노이즈 제거를 위해 절연변압기를 통해 전원을 공급받아 안정적인 계측이 가능하다. 그림 10(b)는 DCP 내부에 설치된 센서의 배치를 나타내며, ESS DC 전로의 다양한 전기적 특성을 측정하고 분석할 수 있다.

그림 10. 계측장비부를 고려한 회로구성

Fig. 10. Circuit configuration considering the measurement equipment section

4.2 출력에 따른 ESS의 CMV 특성분석

4.2.1 충·방전 시, DC전로의 CMV 특성분석

4.2.1 충·방전 시, DC전로의 CMV 특성분석

표 1과 표 2의 시험 조건을 바탕으로, 1번 ESS(500kW급)의 DCP에서 측정한 전압 및 전류 특성은 그림 11과 같다. 상단부터 차례로 DC 전로 (+)와 외함 접지 사이에서 측정한 CMV(+), DC 전로 (-)와 외함 접지 사이에서 측정한 CMV(-), DC 전로 (+)와 (-) 사이의 DMV, 그리고 DC 전류로 구성되어 있다.

먼저, 그림 11(a)는 시스템이 꺼진 상태에서 배터리와 연결 후, PCS가 대기 상태로 동작한 이후에 50kW에서 400kW까지 50kW 단위로 충전 전력을 증가시킨 파형을 나타낸다. 한편, 그림 11(b)는 50kW에서 400kW까지 50kW 단위로 방전 전력을 증가시킨 파형을 보여준다. 여기서, CMV(+, -)에서 10초 주기로 변동되는 부분은 IMD가 연계되어 출력되는 전압신호가 CMV에 더해져 나타나는 것이다.

그림 11. 충·방전 시, 전압 및 전류 특성

Fig. 11. Voltage and current characteristics during charging and discharging

그림 11에서 전체 시간 축을 20ms로 확대하여, 50kW와 400kW의 충전 및 방전 시 전압 특성을 비교하면 각각 그림 12, 그림 13과 같다. 먼저, 충·방전 전력이 낮은 경우(50kW) 전압 특성은 그림 12, 13(a)과 같고, 이 중 CMV(+)에 대해 FFT 분석을 수행한 결과는 그림 12, 13(b)과 같다. 한편, 충·방전 전력이 높은 경우(400kW)에는 그림 12, 13(c)와 같은 전압 특성이 나타나고, CMV(+), CMV(-)에 대한 FFT 분석 결과는 각각 그림 12, 13(d)와 같다.

그림 12, 그림 13의 CMV에 대한 FFT 분석 결과, CMV(+)와 CMV(-) 모두 DC 전압(0Hz) 외에 AC 기본파(60Hz), 3차 고조파(180Hz), 및 3kHz의 성분이 추가로 나타났다. 먼저, AC 기본파 성분은 약 4V 이내로 나타났으며, 이는 ESS 내 공조 설비에서 사용되는 AC 전원과의 접지 간섭에 의한 것으로 판단된다. 또한, 3조파 성분은 약 30V 정도로, DC-AC 변환 과정에서 비선형소자(L 또는 C)의 특성으로 인해 나타났을 가능성이 있다. 마지막으로, 3kHz 성분은 100[V]정도로 가장 크고, IGBT 스위칭 주파수 대역에 해당하며, 이는 2.1장에서 언급한 바와 같이, IGBT 스위치와 방열판 사이에서 발생한 기생 커패시터로 인해 스위칭 시 에너지가 접지를 통해 DC 전로에 유입된 것으로 추정된다.

그림 12. 50kW 및 400kW 충전 시, CMV 특성

Fig. 12. CMV characteristics during charging from 50kW and 400kW

그림 13. 50kW 및 400kW 방전 시, CMV 특성

Fig. 13. CMV characteristics during discharging from 50kW and 400kW

4.2.2 선형회귀분석을 이용한 CMV 특성분석

(a) 충전 동작 시, CMV 특성분석

표 3의 시험 조건에 따라 ESS 충전 전력에 따른 CMV와 DMV를 2.2절에서 제시한 선형회귀분석 방법을 적용하여 분석한 결과는 그림 14와 같다. 여기서는, 50kW에서 400kW 출력을 무작위 순서로 조정하여 각 출력당 10개의 전압 데이터를 취득하고, 이에 대해 선형회귀분석을 적용하여 직선의 기울기와 절편을 나타내었다.

먼저, 그림 14(a)와 그림 14(c)는 충전 전력에 따른 CMV(+, -)의 변화를 보여주는데, 충전 전력이 증가함에 따라 CMV(+, -)의 크기 역시 함께 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 한편, 그림 14(b)와 그림 14(d)는 CMV(+, -)의 p-p(peak to peak) 값 변화를 나타내며, 충전 전력과 CMV(+, -)의 p-p 값은 양의 상관관계를 가지지만, 그 상관관계의 정도는 상대적으로 낮은 것으로 분석된다. 마지막으로, 그림 14(e)와 그림 14(f)는 충전 전력에 따른 DMV와 p-p 값의 변화를 보여주는데, 충전 전력이 증가함에 따라 DMV와 p-p 값 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

그림 14. 충전용량에 따른 ESS DC측 전압 특성

Fig. 14. DC voltage characteristics on the ESS side according to the charging capacity

한편, 그림 14에서 CMV(+)와 CMV(-)는 거의 동일한 특성을 보이므로, 충전 동작에서는 그림 15와 같이 CMV(+)에 대해 FFT 분석을 수행하였다. 먼저, 그림 15(a)에 나타난 DC 성분(0Hz)은 충전 전력에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 그림 15(b)의 AC 기본파(60Hz)와 그림 15(c)의 3차 고조파(180Hz)는 충전 전력과 명확한 상관관계를 보이지 않았다. 반면, 그림 15(d)의 스위칭 주파수 성분(3kHz)은 충전 전력과 강한 양의 상관관계를 가지는 것으로 확인되었다.

그림 15. 충전용량에 따른 ESS CMV의 FFT 분석 결과

Fig. 15. FFT analysis results of ESS CMV according to charging capacity

(b) 방전 동작 시, CMV 특성분석

표 3의 시험 조건에 따라 ESS 방전 전력에 따른 CMV와 DMV를 2.2절에서 제시한 선형회귀분석 방법을 적용하여 분석한 결과는 그림 16과 같다. 그림 16(a)와 그림 16(c)는 방전 전력에 따른 CMV(+, -)의 변화를 보여주는데, 방전 전력이 증가함에 따라 CMV(+, -)의 크기가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 한편, 그림 16(b)와 그림 16(d)는 CMV(+, -)의 p-p(peak to peak) 값 변화를 나타내며, 방전 전력과 CMV(+, -)의 p-p 값은 음의 상관관계를 가지지만, 그 상관관계의 정도는 상대적으로 낮은 것으로 분석된다. 마지막으로, 그림 16(e)와 그림 16(f)는 방전 전력에 따른 DMV와 p-p 값의 변화를 보여주는데, 방전 전력이 증가함에 따라 DMV는 감소하지만 p-p값은 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

그림 16. 방전용량에 따른 ESS DC측 전압 특성

Fig. 16. DC voltage characteristics on the ESS side according to the discharging capacity

한편, 그림 16에서 CMV(+)와 CMV(-)는 거의 동일한 특성을 보이므로, 방전 동작에서는 그림 16와 같이 CMV(-)에 대해 FFT 분석을 수행하였다. 먼저, 그림 17(a)에 나타난 DC 성분(0Hz)과 그림 17(b)의 AC 기본파(60Hz)는 방전 전력에 따라 감소하는 경향을 보였으나, 그림 17(c)의 3차 고조파(180Hz)는 방전 전력과 명확한 상관관계를 보이지 않았다. 반면, 그림 17(d)의 스위칭 주파수 성분(3kHz)은 방전 전력과 높은 음의 상관관계를 가지는 것으로 확인되었다.

그림 17. 방전용량에 따른 ESS CMV의 FFT 분석 결과

Fig. 17. FFT analysis results of ESS CMV according to discharging capacity