현재 정부의 3020 재생에너지 보급 정책에 따라 신재생에너지 발전 비중이 증가하고 있으며, 2030년까지 발전설비 목표치를 58.5GW로 증가시키려는 8차 전력수급 기본계획을 수립하였다. 신재생에너지 발전 비중이 증가함에 따라 ESS(Energy Storage System) 보급률도 증가하고 있다. 산업통산자원부에 따르면 17년 상반기 781MW, 18년 1,650MW를 보급했다. 미국에너지 관리 기관인 ...
현재 정부의 3020 재생에너지 보급 정책에 따라 신재생에너지 발전 비중이 증가하고 있으며, 2030년까지 발전설비 목표치를 58.5GW로 증가시키려는 8차 전력수급 기본계획을 수립하였다. 신재생에너지 발전 비중이 증가함에 따라 ESS(Energy Storage System) 보급률도 증가하고 있다. 산업통산자원부에 따르면 17년 상반기 781MW, 18년 1,650MW를 보급했다. 미국에너지 관리 기관인 DOE(department of Energy)에 따르면 ESS는 전력부하 이동 및 최대부하 감소, 신재생에너지 발전원 출력 안정화, 주파수 계통 보조서비스로 사용한다. 그중에 한국에서는 첫 번째로, 전력 수요가 적을 때나 요금이 저렴할 때 전력을 저장해 두었다가, 전력 수요가 많거나 전기요금이 비싼 시간대에 전력을 공급함으로써 전력 활용 효율을 높이기 위한 일종의 전력저장 장치로 사용한다. 두 번째로, 발전기는 부하에 맞춰서 운전하는데, 부하가 증가하면 발전기의 출력도 증가하게 되고 출력증가의 한계에 도달했을 때 ESS가 추가로 전력을 공급하는 회전 예비력의 역할도 한다. 세 번째로, 전력 공급 계통에서 수요와 공급의 불일치로 생기는 주파수 변화를 60Hz로 맞추기 위해 응답속도가 빠른 ESS를 사용한다. 계통 연계형 ESS 시스템은 한전의 분산전원 연계규정에 따라 변압기 결선이 Yg- 형태로 규정 되어 있다. 따라서, 계통 상황에 따른 비접지 시스템의 영향성을 분석하여 대처 방안을 강구해야 된다. 비접지 방식인 분산전원은 고장 상황에도 시스템 중단 없이 전력 공급이 가능하고 고장 발생 시 기존 계통과 분산전원과의 영향이 매우 적은 장점이 있다. 하지만, 고장 전류가 작기 때문에 고장 검출이 어려운 문제가 있다. 고장이 발생하게 되면 기생커패시터로 고장 전류가 흘러 들어가 절연 문제를 야기시킨다. 따라서, IEC 62477-1에 맞는 전력전자 컨버터 시스템 및 장비의 안전 요구사항을 따라서 ESS를 설치운영해야된다. IEC 62477-1의 과전압 범주는 4가지로 나뉘며 범주1은 전자기기, 범주2는 벽의 플러그, 범주3은 퓨즈 판넬, 범주4는 송신라인에 해당된다. 본 논문에서 다루는 ESS 시스템은 DC 1kV 이므로, 직류 1500V에 해당되며 시뮬레이션 결과에 따라 3, 4범위의 임펄스 내전압을 버틸 수 있게 설계 해야 한다. ESS는 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency), Droop, PQ 제어로 사용될 수 있으며, 본 논문에서는 ESS방전시, 충전시 모두 PQ제어했다. ESS가 계통에 연계운전 하고 있을 때 발생할 수 있는 고장을 5가지로 모의했다. 1) 계통 서지 발생 2) IGBT 단락 3) DC지락 4) AC지락 5) 셀벨런싱 과 같이 다섯가지 상황을 모의했다. 첫 번쨰의 경우 계통에 서지 발생시, 대지를 통해 서지 전류가 빠져나가기 때문에 기생커패시터의 전압이 올라가게 되고 SPD(Surge Protection Device)를 이용해 전압을 클램핑 시켜줘야 된다. 두 번째의 경우, IGBT 온도가 상승하게 되면 순간적으로 단락 상황이 발생하게 된다. 이런 경우에 배터리에서 단락 전류를 공급하게 되고 DC차단기가 동작하게 된다. 세 번째의 경우, DC 선로에 지락이 발생한 경우이며, 배터리에서 DC 고장전류가 공급되며 차단기에서 고장 감지후 동작하게 될 때 높은 TRV(Transient Recovery Voltage)가 발생하게 된다. 따라서, 차단기 동작시 TRV를 줄이기 위해 댐핑을 키우는 장치가 필요하다. 본 논문에서는 차단기의 댐핑을 키우기 위해 DC 선로에서 RLC 값을 산정하는 방법을 제안해 TRV를 낮췄다. 네 번째의 경우, AC 선로에 지락이 발생한 경우이다. AC지락의 경우 PCS에서 발생되는 고주파 성분이 포함된 주파수가 기생커패시터로 흘러 들어가면서 에 의해 CMV(Common Mode Voltage)를 상승시키게 만든다. 여기서 CMV란 대지와의 전압을 의미한다. CMV를 줄이기 위해서 고장 순간 비접지 시스템을 접지시스템으로 바꿔 고장전류가 접지로 흐를수 있도록 CMV를 억제하는 방법을 본 논문에서 제안한다. 다섯 번째는 셀 벨런싱 문제이다. 배터리의 경우 충방전을 할수록 셀의 SoC에 차이가 발생하게 된다. SoC를 동일하게 만들기 위해서 배터리 충전후 OCV(Open Circuit Voltage) 상태에서 모든 셀이 동일한 SoC(State of Charge)가 되도록 충방전을 하게 된다. 이때, SoC가 낮은 셀이 포함된 열에 과전류가 흐르게 되면서 SoC가 낮은 셀에 과전압 현상이 일어나게 된다. 본 논문에서는 IGBT를 이용해 각 셀의 SoC가 높아지게 되면 충전 전류를 bypass 하도록 제어해 과전압 현상을 억제한다. 비접지 시스템에서는 고장을 판단하기 위한 장치로 GPT(Ground PotentialTransformer)와 IMD(Insulation Monitoring Device)가 있다. 분산전원의 경우 DC와 AC가 모두 존재한다. 따라서, AC 고장만 판단하는 GPT만으로는 비접지 시스템의 고장을 판단하기에는 부족함이 있다. 따라서, DC측과 AC측에 고장을 판단할 수 있는 IMD를 설치 운영하도록 해야한다. 이때, IMD와 GPT를 병렬 운전하게 되면 IMD에서 절연 저항값에 오차가 발생하기 때문에 IMD만 설치 운영해야 한다. IMD의 경우 절연 저항값은 측정이 가능하지만 커패시턴스는 측정이 불가능하다. 고장판단을 위해서는 저항값이 필요하고 고장발생시 CMV를 예측하기 위해서는 커패시턴스 값을 알아야된다. 따라서, 기존에 IMD 저항 측정 방식에 저주파수를 포함시켜 되돌아 오는 신호의 dq변환을 통해 커패시턴스를 측정하는 방안을 제안한다.
현재 정부의 3020 재생에너지 보급 정책에 따라 신재생에너지 발전 비중이 증가하고 있으며, 2030년까지 발전설비 목표치를 58.5GW로 증가시키려는 8차 전력수급 기본계획을 수립하였다. 신재생에너지 발전 비중이 증가함에 따라 ESS(Energy Storage System) 보급률도 증가하고 있다. 산업통산자원부에 따르면 17년 상반기 781MW, 18년 1,650MW를 보급했다. 미국에너지 관리 기관인 DOE(department of Energy)에 따르면 ESS는 전력부하 이동 및 최대부하 감소, 신재생에너지 발전원 출력 안정화, 주파수 계통 보조서비스로 사용한다. 그중에 한국에서는 첫 번째로, 전력 수요가 적을 때나 요금이 저렴할 때 전력을 저장해 두었다가, 전력 수요가 많거나 전기요금이 비싼 시간대에 전력을 공급함으로써 전력 활용 효율을 높이기 위한 일종의 전력저장 장치로 사용한다. 두 번째로, 발전기는 부하에 맞춰서 운전하는데, 부하가 증가하면 발전기의 출력도 증가하게 되고 출력증가의 한계에 도달했을 때 ESS가 추가로 전력을 공급하는 회전 예비력의 역할도 한다. 세 번째로, 전력 공급 계통에서 수요와 공급의 불일치로 생기는 주파수 변화를 60Hz로 맞추기 위해 응답속도가 빠른 ESS를 사용한다. 계통 연계형 ESS 시스템은 한전의 분산전원 연계규정에 따라 변압기 결선이 Yg- 형태로 규정 되어 있다. 따라서, 계통 상황에 따른 비접지 시스템의 영향성을 분석하여 대처 방안을 강구해야 된다. 비접지 방식인 분산전원은 고장 상황에도 시스템 중단 없이 전력 공급이 가능하고 고장 발생 시 기존 계통과 분산전원과의 영향이 매우 적은 장점이 있다. 하지만, 고장 전류가 작기 때문에 고장 검출이 어려운 문제가 있다. 고장이 발생하게 되면 기생커패시터로 고장 전류가 흘러 들어가 절연 문제를 야기시킨다. 따라서, IEC 62477-1에 맞는 전력전자 컨버터 시스템 및 장비의 안전 요구사항을 따라서 ESS를 설치운영해야된다. IEC 62477-1의 과전압 범주는 4가지로 나뉘며 범주1은 전자기기, 범주2는 벽의 플러그, 범주3은 퓨즈 판넬, 범주4는 송신라인에 해당된다. 본 논문에서 다루는 ESS 시스템은 DC 1kV 이므로, 직류 1500V에 해당되며 시뮬레이션 결과에 따라 3, 4범위의 임펄스 내전압을 버틸 수 있게 설계 해야 한다. ESS는 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency), Droop, PQ 제어로 사용될 수 있으며, 본 논문에서는 ESS방전시, 충전시 모두 PQ제어했다. ESS가 계통에 연계운전 하고 있을 때 발생할 수 있는 고장을 5가지로 모의했다. 1) 계통 서지 발생 2) IGBT 단락 3) DC지락 4) AC지락 5) 셀벨런싱 과 같이 다섯가지 상황을 모의했다. 첫 번쨰의 경우 계통에 서지 발생시, 대지를 통해 서지 전류가 빠져나가기 때문에 기생커패시터의 전압이 올라가게 되고 SPD(Surge Protection Device)를 이용해 전압을 클램핑 시켜줘야 된다. 두 번째의 경우, IGBT 온도가 상승하게 되면 순간적으로 단락 상황이 발생하게 된다. 이런 경우에 배터리에서 단락 전류를 공급하게 되고 DC차단기가 동작하게 된다. 세 번째의 경우, DC 선로에 지락이 발생한 경우이며, 배터리에서 DC 고장전류가 공급되며 차단기에서 고장 감지후 동작하게 될 때 높은 TRV(Transient Recovery Voltage)가 발생하게 된다. 따라서, 차단기 동작시 TRV를 줄이기 위해 댐핑을 키우는 장치가 필요하다. 본 논문에서는 차단기의 댐핑을 키우기 위해 DC 선로에서 RLC 값을 산정하는 방법을 제안해 TRV를 낮췄다. 네 번째의 경우, AC 선로에 지락이 발생한 경우이다. AC지락의 경우 PCS에서 발생되는 고주파 성분이 포함된 주파수가 기생커패시터로 흘러 들어가면서 에 의해 CMV(Common Mode Voltage)를 상승시키게 만든다. 여기서 CMV란 대지와의 전압을 의미한다. CMV를 줄이기 위해서 고장 순간 비접지 시스템을 접지시스템으로 바꿔 고장전류가 접지로 흐를수 있도록 CMV를 억제하는 방법을 본 논문에서 제안한다. 다섯 번째는 셀 벨런싱 문제이다. 배터리의 경우 충방전을 할수록 셀의 SoC에 차이가 발생하게 된다. SoC를 동일하게 만들기 위해서 배터리 충전후 OCV(Open Circuit Voltage) 상태에서 모든 셀이 동일한 SoC(State of Charge)가 되도록 충방전을 하게 된다. 이때, SoC가 낮은 셀이 포함된 열에 과전류가 흐르게 되면서 SoC가 낮은 셀에 과전압 현상이 일어나게 된다. 본 논문에서는 IGBT를 이용해 각 셀의 SoC가 높아지게 되면 충전 전류를 bypass 하도록 제어해 과전압 현상을 억제한다. 비접지 시스템에서는 고장을 판단하기 위한 장치로 GPT(Ground Potential Transformer)와 IMD(Insulation Monitoring Device)가 있다. 분산전원의 경우 DC와 AC가 모두 존재한다. 따라서, AC 고장만 판단하는 GPT만으로는 비접지 시스템의 고장을 판단하기에는 부족함이 있다. 따라서, DC측과 AC측에 고장을 판단할 수 있는 IMD를 설치 운영하도록 해야한다. 이때, IMD와 GPT를 병렬 운전하게 되면 IMD에서 절연 저항값에 오차가 발생하기 때문에 IMD만 설치 운영해야 한다. IMD의 경우 절연 저항값은 측정이 가능하지만 커패시턴스는 측정이 불가능하다. 고장판단을 위해서는 저항값이 필요하고 고장발생시 CMV를 예측하기 위해서는 커패시턴스 값을 알아야된다. 따라서, 기존에 IMD 저항 측정 방식에 저주파수를 포함시켜 되돌아 오는 신호의 dq변환을 통해 커패시턴스를 측정하는 방안을 제안한다.
Currently, according to the government's 3020 renewable energy supply policy, the proportion of renewable energy generation is increasing. As the proportion of renewable energy generation increases, the penetration rate of ESS (Energy Storage System) is also increasing. According to the Ministry of ...
Currently, according to the government's 3020 renewable energy supply policy, the proportion of renewable energy generation is increasing. As the proportion of renewable energy generation increases, the penetration rate of ESS (Energy Storage System) is also increasing. According to the Ministry of Trade, 781MW was supplied in 2017 and 1,650MW was supplied in 2018. According to the Department of Energy (DOE), ESS is used to move power loads, reduce maximum loads, stabilize output of new and renewable energy sources, and used as a frequency auxiliary service. First of all, in Korea, energy is stored when electricity demand is low or when the price is low, and it is used as a kind of power storage device to increase power utilization efficiency by supplying energy during times of high power demand or high power rates. Second, the generator operates according to the load. When the load increases, the output of the generator increases, and it also acts as a rotating reserve that additional power is supplied by the ESS when the limit of output increase is reached. Third, in order to adjust the frequency change caused by the mismatch between supply and demand in the power supply system to 60 Hz, an ESS having a fast response speed is used. In the grid-connected ESS system, transformer connection is specified in the form of Yg- in accordance with KEPCO's distributed power supply connection regulations. Therefore, it is necessary to devise a countermeasure by analyzing the impact of the non-grounding system according to the system situation. Distributed power, which is a non-grounding method, has the advantage of being able to supply power without a system interruption even in the event of a failure, and in the event of a failure, the effect of the existing system and the distributed power is very small. However, since the fault current is small, it is difficult to detect the fault. When a fault occurs, a fault current flows into the parasitic capacitor, causing insulation problems. Therefore, it is necessary to install and operate the ESS in accordance with the safety requirements of power electronic converter systems and equipment conforming to IEC 62477-1. The overvoltage category of IEC 62477-1 is divided into four categories: Category 1 for electronic equipment, Category 2 for wall plugs, Category 3 for fuse panels, and Category 4 for transmission lines. Since the ESS system covered in this paper is DC 1kV, it is equivalent to DC 1500V and must be designed to withstand the impulse withstand voltage in the range of 3 ~ 4 according to the simulation results ESS can be used for CVCF, Droop, and PQ control. In this paper, PQ control was performed for both ESS discharge and charging. Five failures were simulated when the ESS was connected to the system. 1) Generation of system surge 2) IGBT short circuit 3) DC ground fault 4) AC ground fault 5) Simulated five situations such as cell balancing. In the first case, when a surge occurs in the system, the voltage of the parasitic capacitor rises because the surge current flow through the earth ground, and the voltage must be clamped using the SPD (Surge Protection Device). In the second case, when the IGBT temperature rises, a short circuit condition occurs instantaneously. In this case, the short-circuit current is supplied from the battery and the DC circuit breaker operates. In the third case, a ground fault occurs in the DC line, and a DC fault current is supplied from the battery, and a high transient recovery voltage (TRV) occurs when the breaker detects a fault and operates. Therefore, a device is needed to increase damping to reduce TRV during breaker operation. In this paper, to increase the damping of the circuit breaker, we proposed a method to calculate the RLC value in the DC line to lower the TRV. In the fourth case, there is a ground fault in the AC line. In the case of AC ground, the frequency including the high frequency component generated in PCS flows into the parasitic capacitor, thereby causing the CMV (Common Mode Voltage) to rise. CMV means voltage with the earth. In order to reduce the CMV, this paper proposes a method to suppress the CMV so that the fault current can flows to the ground by replacing the ungrounded system with a grounding system at the moment of failure. The fifth is the cell balancing problem. In the case of a battery, a difference occurs in the SoC of a cell as it is charged and discharged. In order to make the SoC the same, the battery is charged and discharged so that all cells become the same SoC in the OCV (Open Circuit Voltage) state. At this time, as the overcurrent flows in the column containing the cell having the low SoC, an overvoltage phenomenon occurs in the cell having the low SoC. In this paper, when the SoC of each cell becomes high using IGBT, it controls to bypass the charging current to suppress the overvoltage phenomenon. In a non-grounding system, there are GPT (Ground Potential Transformer) and IMD (Insulation Monitoring Device). There are DC and AC in distribution generation. Therefore, there is a shortcoming in determining the failure of the non-grounding system only by GPT that determines only AC failure. Therefore, it is necessary to install and operate the IMD capable of determining the failure on the DC side and the AC side. At this time, if IMD and GPT are operated in parallel, only the IMD should be installed and operated because an error occurs in the insulation resistance value in the IMD. In the case of IMD, the insulation resistance value can be measured, but the capacitance cannot. A resistance value is required for fault determination, and a capacitance value must be known to predict CMV when a fault occurs. Therefore, it is proposed to measure the capacitance through the dq conversion of the returned signal by including a low frequency in the conventional IMD resistance measurement method.
Currently, according to the government's 3020 renewable energy supply policy, the proportion of renewable energy generation is increasing. As the proportion of renewable energy generation increases, the penetration rate of ESS (Energy Storage System) is also increasing. According to the Ministry of Trade, 781MW was supplied in 2017 and 1,650MW was supplied in 2018. According to the Department of Energy (DOE), ESS is used to move power loads, reduce maximum loads, stabilize output of new and renewable energy sources, and used as a frequency auxiliary service. First of all, in Korea, energy is stored when electricity demand is low or when the price is low, and it is used as a kind of power storage device to increase power utilization efficiency by supplying energy during times of high power demand or high power rates. Second, the generator operates according to the load. When the load increases, the output of the generator increases, and it also acts as a rotating reserve that additional power is supplied by the ESS when the limit of output increase is reached. Third, in order to adjust the frequency change caused by the mismatch between supply and demand in the power supply system to 60 Hz, an ESS having a fast response speed is used. In the grid-connected ESS system, transformer connection is specified in the form of Yg- in accordance with KEPCO's distributed power supply connection regulations. Therefore, it is necessary to devise a countermeasure by analyzing the impact of the non-grounding system according to the system situation. Distributed power, which is a non-grounding method, has the advantage of being able to supply power without a system interruption even in the event of a failure, and in the event of a failure, the effect of the existing system and the distributed power is very small. However, since the fault current is small, it is difficult to detect the fault. When a fault occurs, a fault current flows into the parasitic capacitor, causing insulation problems. Therefore, it is necessary to install and operate the ESS in accordance with the safety requirements of power electronic converter systems and equipment conforming to IEC 62477-1. The overvoltage category of IEC 62477-1 is divided into four categories: Category 1 for electronic equipment, Category 2 for wall plugs, Category 3 for fuse panels, and Category 4 for transmission lines. Since the ESS system covered in this paper is DC 1kV, it is equivalent to DC 1500V and must be designed to withstand the impulse withstand voltage in the range of 3 ~ 4 according to the simulation results ESS can be used for CVCF, Droop, and PQ control. In this paper, PQ control was performed for both ESS discharge and charging. Five failures were simulated when the ESS was connected to the system. 1) Generation of system surge 2) IGBT short circuit 3) DC ground fault 4) AC ground fault 5) Simulated five situations such as cell balancing. In the first case, when a surge occurs in the system, the voltage of the parasitic capacitor rises because the surge current flow through the earth ground, and the voltage must be clamped using the SPD (Surge Protection Device). In the second case, when the IGBT temperature rises, a short circuit condition occurs instantaneously. In this case, the short-circuit current is supplied from the battery and the DC circuit breaker operates. In the third case, a ground fault occurs in the DC line, and a DC fault current is supplied from the battery, and a high transient recovery voltage (TRV) occurs when the breaker detects a fault and operates. Therefore, a device is needed to increase damping to reduce TRV during breaker operation. In this paper, to increase the damping of the circuit breaker, we proposed a method to calculate the RLC value in the DC line to lower the TRV. In the fourth case, there is a ground fault in the AC line. In the case of AC ground, the frequency including the high frequency component generated in PCS flows into the parasitic capacitor, thereby causing the CMV (Common Mode Voltage) to rise. CMV means voltage with the earth. In order to reduce the CMV, this paper proposes a method to suppress the CMV so that the fault current can flows to the ground by replacing the ungrounded system with a grounding system at the moment of failure. The fifth is the cell balancing problem. In the case of a battery, a difference occurs in the SoC of a cell as it is charged and discharged. In order to make the SoC the same, the battery is charged and discharged so that all cells become the same SoC in the OCV (Open Circuit Voltage) state. At this time, as the overcurrent flows in the column containing the cell having the low SoC, an overvoltage phenomenon occurs in the cell having the low SoC. In this paper, when the SoC of each cell becomes high using IGBT, it controls to bypass the charging current to suppress the overvoltage phenomenon. In a non-grounding system, there are GPT (Ground Potential Transformer) and IMD (Insulation Monitoring Device). There are DC and AC in distribution generation. Therefore, there is a shortcoming in determining the failure of the non-grounding system only by GPT that determines only AC failure. Therefore, it is necessary to install and operate the IMD capable of determining the failure on the DC side and the AC side. At this time, if IMD and GPT are operated in parallel, only the IMD should be installed and operated because an error occurs in the insulation resistance value in the IMD. In the case of IMD, the insulation resistance value can be measured, but the capacitance cannot. A resistance value is required for fault determination, and a capacitance value must be known to predict CMV when a fault occurs. Therefore, it is proposed to measure the capacitance through the dq conversion of the returned signal by including a low frequency in the conventional IMD resistance measurement method.
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