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표제지 1

국문요약 5

목차 7

제1장 서론 14

제1절 연구의 배경 및 필요성 14

제2절 본 논문의 구성 17

제2장 ESS 화재사고 원인분석 및 철공진 사례분석 20

제1절 ESS 화재사고 원인분석 20

제2절 철공진 사례분석 24

제3장 ESS 연계용 변압기의 철공진 발생 메커니즘 및 정식화 28

제1절 도식적 해석수법에 의한 철공진 발생 메커니즘 및 정식화 28

1. 변압기 철심포화 메커니즘 28

2. 보호기기 동작에 의한 철공진 발생 메커니즘 32

제2절 DC 접지전위 상승에 의한 철공진 발생 메커니즘 41

제3절 순환전류에 의한 철공진 발생 메커니즘 43

1. 순환전류 발생 메커니즘 43

2. 순환전류에 의한 ESS 연계용 변압기 철공진 발생 메커니즘 49

제4장 ESS 연계용 변압기의 철공진 방지 알고리즘 51

제1절 커패시턴스 및 MOV를 이용한 철공진 방지 알고리즘 51

1. 커패시턴스에 의한 철공진 특성 51

2. 커패시턴스에 의한 철공진 방지 알고리즘 53

3. MOV에 의한 철공진 방지 알고리즘 55

제2절 NGR을 이용한 순환전류 방지 알고리즘 59

1. NGR을 이용한 순환전류 저감 산정식 59

2. 유효접지 판정 방안 62

3. NGR을 이용한 순환전류 방지 알고리즘 64

제5장 PSCAD/EMTDC를 이용한 ESS 연계용 변압기의 철공진 모델링 66

제1절 일반용 변압기의 철공진 모델링 66

1. L-C 직렬회로의 철공진 모델링 66

2. L-C 직·병렬회로의 철공진 모델링 69

제2절 ESS 연계용 변압기의 철공진 모델링 70

1. 보호기기 동작에 의한 ESS 연계용 변압기의 철공진 모델링 70

2. DC 접지전위 상승에 의한 철공진 모델링 79

3. 순환전류에 의한 철공진 모델링 80

제6장 시뮬레이션 결과 및 분석 83

제1절 일반용 변압기의 철공진 특성분석 83

1. 시뮬레이션 조건 83

2. 일반용 변압기의 철공진 특성분석 85

제2절 ESS 연계용 변압기의 철공진 특성분석 91

1. 시뮬레이션 조건 91

2. ESS 연계용 변압기의 철공진 특성분석 96

제7장 결론 132

참고문헌 135

본 논문과 관련된 투고논문 및 학술논문 141

ABSTRACT 147

표목차 9

〈표 2-1〉 ESS 화재사고 현황 21

〈표 2-2〉 국내 및 해외 철공진 사례 26

〈표 3-1〉 Y-Y 결선방식의 영상분 등가회로 47

〈표 3-2〉 Y-△ 결선방식의 영상분 등가회로 48

〈표 6-1〉 직렬 철공진 시뮬레이션 조건 83

〈표 6-2〉 직·병렬 철공진 시뮬레이션 조건 84

〈표 6-3〉 ESS 연계용 변압기의 철공진 시뮬레이션 조건 91

〈표 6-4〉 DC 접지전위 상승에 의한 철공진 시뮬레이션 조건 92

〈표 6-5〉 결선방식 및 철심구조에 따른 순환전류 시뮬레이션 조건 93

〈표 6-6〉 부하불평형에 의한 순환전류 시뮬레이션 조건 94

〈표 6-7〉 불평형 부하전류에 의한 철공진 시뮬레이션 조건 95

〈표 6-8〉 DC 접지전위 상승에 의한 자속과 철공진 전압특성 102

〈표 6-9〉 결선방식 및 철심구조에 따른 순환전류 특성 104

〈표 6-10〉 ESS 연계지점 및 부하불평형 조건에 따른 순환전류 특성 121

〈표 6-11〉 NGR 설치 후 순환전류 특성 122

〈표 6-12〉 불평형 부하전류에 의한 여자전류 특성 125

〈표 6-13〉 AC측 필터용 커패시턴스에 따른 사고전류 특성 131

그림목차 10

[그림 1-1] 본 논문의 구성도 19

[그림 2-1] ESS의 화재사고 23

[그림 2-2] GIS 변전소 154kV 모선계통도(고흥) 24

[그림 2-3] Dorsey HVDC 컨버터 스테이션의 사고 계통도 25

[그림 2-4] ESS와 보호기기를 고려한 배전계통 구성도 27

[그림 3-1] 변압기의 구조 29

[그림 3-2] 변압기의 등가모델 29

[그림 3-3] 변압기 철심의 자화곡선과 자속 31

[그림 3-4] 변압기의 철심 포화시 자속 및 2차측 전압특성 31

[그림 3-5] 비선형 L-C 직렬 철공진 회로 32

[그림 3-6] L-C 선형 회로의 도식적인 해석 34

[그림 3-7] 커패시턴스와 비선형 인덕턴스에 의한 철공진 특성 34

[그림 3-8] 인가전압에 따른 철공진 회로의 도식적인 해석 35

[그림 3-9] ESS의 비선형 L-C 직·병렬 철공진 등가회로 36

[그림 3-10] 비선형 L-C 직·병렬 철공진 회로의 테브난 등가화 37

[그림 3-11] ESS의 L-C 직·병렬 철공진 등가회로 39

[그림 3-12] 도식적 해석을 이용한 직렬 및 직·병렬 철공진의 비교 40

[그림 3-13] DC 접지전위 상승에 의한 I-Ф curve 41

[그림 3-14] DC 접지전위 상승에 의한 철공진의 도식적인 해석 42

[그림 3-15] 순환전류의 개념도 43

[그림 3-16] 3상 변압기의 철심 구조 44

[그림 3-17] 3상 변압기 철심 구조에 따른 자속경로 45

[그림 3-18] 수용가변압기의 결선방식 46

[그림 3-19] ESS 연계용 변압기의 결선방식 46

[그림 3-20] 순환전류에 의한 ESS 연계용 변압기 철공진 회로 49

[그림 3-21] 불평형 부하전류에 의한 변압기 철심포화 개념도 50

[그림 3-22] 불평형 부하전류에 의한 철공진 발생 개념도 50

[그림 4-1] 커패시턴스에 따른 철공진의 도식적인 해석수법 52

[그림 4-2] 도식적인 해석수법을 이용한 철공진 회피 영역 산정 54

[그림 4-3] MOV에 의한 철공진 보호 특성 55

[그림 4-4] ESS 연계용 변압기의 철공진 방지 알고리즘 58

[그림 4-5] ESS 연계 배전계통의 단선도 59

[그림 4-6] 영상분 임피던스 맵 60

[그림 4-7] 1선 지락사고 시 리액턴스 비에 따른 대지전위 비(지락저항 0 [Ω]) 63

[그림 4-8] NGR을 이용한 순환전류 방지 알고리즘 65

[그림 5-1] 철심의 비선형 포화특성 67

[그림 5-2] 직렬 철공진 모델링 68

[그림 5-3] 직·병렬 철공진 모델링 69

[그림 5-4] 주변압기의 모델링 70

[그림 5-5] 태양광전원 시스템의 전류제어기 모델링 71

[그림 5-6] 태양광전원 시스템의 PWM 제어기 모델링 72

[그림 5-7] 계통연계용 인버터 모델링 72

[그림 5-8] ESS 모델링 74

[그림 5-9] 진공차단기의 구조 75

[그림 5-10] 보호기기 동작에 의한 직렬 커패시턴스 모델링 76

[그림 5-11] 직·병렬 철공진 현상 모델링 77

[그림 5-12] ESS 연계용 변압기의 철공진 모델링 78

[그림 5-13] DC 접지 전위상승에 따른 ESS 연계용 변압기의 철공진... 79

[그림 5-14] 수용가부하 모델링 80

[그림 5-15] 불평형부하 모델링 81

[그림 5-16] 부하불평형에 의한 순환전류 모델링 82

[그림 5-17] 순환전류에 의한 철공진 모델링 82

[그림 6-1] 직렬 철공진에 의한 전압특성 86

[그림 6-2] 직렬 철공진 시, 변압기의 인덕턴스 특성 86

[그림 6-3] 철공진이 발생하지 않는 범위에서 전압 및 전류 특성 87

[그림 6-4] 변압기의 인덕턴스 특성 88

[그림 6-5] L-C 직·병렬 철공진에 의한 전압 및 전류 특성 89

[그림 6-6] L-C 직·병렬 철공진에 의한 변압기의 인덕턴스 특성 90

[그림 6-7] 보호기기 동작 시, 직·병렬 철공진에 의한 전압특성(커패시턴스 380uF) 96

[그림 6-8] 보호기기 동작 시, 직·병렬 철공진에 의한 전압특성(커패시턴스 400uF) 97

[그림 6-9] 철공진 방지 알고리즘에 의한 전압특성(커패시턴스 450uF) 97

[그림 6-10] MOV에 의한 철공진 보호 특성 98

[그림 6-11] 보호기기 동작 시, 전류 및 전압특성(전위상승 1%) 99

[그림 6-12] 보호기기 동작 시, 전류 및 전압특성(전위상승 3%) 100

[그림 6-13] 보호기기 동작 시, 전류 및 전압특성(전위상승 5%) 101

[그림 6-14] 제안한 알고리즘에 의한 철공진 방지 특성(DC 전위상승 5%) 102

[그림 6-15] MOV에 의한 철공진 보호 특성(DC 전위상승 5%) 103

[그림 6-16] 부하불평형에 의한 순환전류 발생 계통도(선로긍장 20km) 105

[그림 6-17] 부하불평형에 의한 순환전류 특성(선로긍장 20km) 106

[그림 6-18] 부하불평형에 의한 순환전류 발생 계통도(선로긍장 30km) 107

[그림 6-19] 부하불평형에 의한 순환전류 특성(선로긍장 30km) 108

[그림 6-20] 부하불평형에 의한 순환전류 발생 계통도(선로긍장 20km) 109

[그림 6-21] 부하불평형에 의한 순환전류 특성(선로긍장 20km) 110

[그림 6-22] 부하불평형에 의한 순환전류 발생 계통도(선로긍장 30km) 111

[그림 6-23] 부하불평형에 의한 순환전류 특성(선로긍장 30km) 112

[그림 6-24] NGR 설치 후 순환전류 저감 계통도(선로긍장 20km) 113

[그림 6-25] NGR에 의한 순환전류 저감특성(선로긍장 20km) 114

[그림 6-26] NGR 설치 후 순환전류 저감 계통도(선로긍장 30km) 115

[그림 6-27] NGR에 의한 순환전류 저감특성(선로긍장 30km) 116

[그림 6-28] NGR 설치 후 순환전류 저감 계통도(선로긍장 20km) 117

[그림 6-29] NGR에 의한 순환전류 저감특성(선로긍장 20km) 118

[그림 6-30] NGR 설치 후 순환전류 저감 계통도(선로긍장 30km) 119

[그림 6-31] NGR에 의한 순환전류 저감특성(선로긍장 30km) 120

[그림 6-32] 불평형 부하전류 특성(불평형률 15[%], 긍장 10[km]) 123

[그림 6-33] 불평형 부하전류에 의한 철심포화 특성(불평형률 15[%], 긍장 10[km]) 124

[그림 6-34] 순환전류에 의한 철공진 전압특성(불평형률 15[%], 긍장 10[km]) 124

[그림 6-35] 제안한 알고리즘에 의한 철공진 방지 특성(부하불평형률 15[%]) 125

[그림 6-36] MOV에 의한 철공진 보호 특성(부하불평형률 15[%]) 126

[그림 6-37] ESS의 사고유형 127

[그림 6-38] DC 전로 단락 시 사고특성 128

[그림 6-39] 배터리 랙 단락 시 사고특성 129

[그림 6-40] PCS 암 단락 시 사고특성 130

초록보기

 최근, 신재생 에너지의 효율적인 운용을 위하여 ESS(energy storage system)가 설치 및 운용되고 있으며, 이에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히, 전기요금 할인특례 등 다양한 ESS보급 지원정책에 힘입어, 국내의 ESS 시장 규모는 2016년도 418[MWh]에서 2023년도 10,166[MWh]로 급격히 확대되고 있다. 그러나, 리튬이온전지를 기반으로 한 대용량 ESS의 화재사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 많은 재산피해가 보고되고 있는 실정이다. 이에 따라, 정부는 민관합동 ESS 화재사고 조사위원회를 구성하여 ESS의 화재요인을 4차례에 걸쳐 조사하고 있으며, 그 결과의 하나로 6대 안전기준(CMV, 절연저항, 충전율 등)을 제시하고, 또한 누설전류, 서지, 접지 등에 대한 전기적 위해요인도 추가적으로 고려하고 있다.

그러나 배터리, PCS(power conditioning system), 연계용 변압기 등으로 구성된 ESS는 동일 사양을 가지더라도, 방사형으로 구성된 배전계통에 접속될 경우 연계지점 및 사용용도(재생에너지 연계용, 피크저감용 등)에 따라 계통으로부터의 영향이 다르게 나타날 수 있다. 특히, 연계용 변압기 측의 불평형 부하전류와 대규모 태양광전원에 의한 DC 접지전위 상승이 자화전류에 영향을 미쳐, 의도치 않게 변압기의 철심이 포화되고 철공진 현상을 발생시켜 ESS에 악영향을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 상세한 메커니즘 분석이 필요한 실정이다.

따라서, 본 논문에서는 ESS 연계 배전계통을 대상으로 부하불평형에 의한 불평형 전류 발생 시, 순환전류가 ESS 연계용 변압기로 유입되는 메커니즘을 제시하고, 테브난 등가회로와 도식적인 해석수법을 적용하여, ESS 구성요소 간 비선형 L-C 직·병렬 회로구성에 의해 발생할 수 있는 철공진 메커니즘을 제안한다. 또한, 계통불평형에 의한 불평형 부하전류 발생과 대규모 태양광전원에 의한 DC 접지전위 상승이 자화전류에 영향을 미쳐, ESS용 변압기의 철심이 포화되는 현상을 분석하고, 보호기기 동작에 따른 철공진 발생 메커니즘을 제시한다.

한편, 계통의 불평형부하에 의한 순환전류가 ESS 연계용 변압기로 유입되는 현상을 해결하기 위해, 중성점 접지 저항기(neutral grounding resistor, NGR)를 통해 순환전류의 크기를 일정 값 이내로 제한시키는 순환 전류 방지 알고리즘을 제안한다. 또한, 커패시턴스에 의해 결정되는 철공진 특성을 제시하고 이를 바탕으로 적정용량의 필터를 설치하는 철공진 방지 알고리즘과 열화 및 주변환경을 고려한 MOV(metal oxide varistor) 운용 알고리즘을 제안한다. 그리고 ESS 연계용 변압기로 순환전류의 유입과 변압기 포화로 인한 철공진 발생 현상을 해석하기 위하여, PSCAD/EMTDC를 이용해 배전용변전소, 연계용 변압기, 수용가부하, 태양광전원부 및 ESS 부로 구성된 배전계통의 모델링과 철공진 모델링을 수행한다. 즉, 불평형 부하전류가 ESS 연계용 변압기 1차측에 유입되어 발생되는 철공진과 태양 광전원의 DC 접지전위 상승에 의한 철공진 현상을 제시한다.

상기의 메커니즘과 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 부하불평형 조건에서 ESS가 배전용변전소에서 먼 위치에 설치될수록 불평형 부하전류와 여자전류가 상승하여, 철공진의 가능성을 증가시킴을 알 수 있었다. 또한, DC 접지전위 상승분을 고려하면, ESS 연계용 변압기의 포화가 가속되어 철공진에 의해 배터리에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있음을 확인하였다. 한편, 본 연구에서 제안한 순환전류 방지 알고리즘에 의하여, 모델 배전계통에 대하여 적정용량의 NGR을 선정하여 순환전류를 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 제안한 철공진 방지 알고리즘을 바탕으로 PCS 측 필터의 커패시턴스를 적절하게 산정한 경우, 공진점이 회피되고 철공진 현상이 개선되어 ESS의 안전성에 기여함을 알 수 있었다.

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