[논문]EMTP를 이용한 ESS가 연계된 배전계통에서 직격뢰 발생 시 계통 및 ESS 측의 서지 해석

서훈철

doi:10.5207/jieie.2015.29.2.047

EMTP를 이용한 ESS가 연계된 배전계통에서 직격뢰 발생 시 계통 및 ESS 측의 서지 해석
Analysis of Surge in Distribution System and ESS due to Direct Lightning in Distribution System with ESS using EMTP 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.2, 2015년, pp.47 - 53

서훈철 (School of IT Engineering, Yonam Institue of Digital Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The study concerning about the grid connection of the large-capacity energy storage system(ESS) is increasing. However, the transient study such as lightning or switching surge necessarily occurred at power system with ESS has been hardly performed. Therefore, this paper performs the analysis of lightning surge in distribution system with ESS using electromagnetic transient program(EMTP). The battery model in Matlab/Simulink is modeled by EMTP, which is the specialized software for power system transient study. Also, the bi-directional power electronics for interconnection of the battery and distribution system are modeled by EMTP. When the lightning is occurred at interconnection point of ESS, this paper simulates the existence of ESS and operation conditions of ESS and analyzes the surge in distribution system and ESS according to the various conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 ESS가 연계된 배전계통에서 과도현상, 특히 낙뢰 발생 시 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였다. 일반적으로 배전계통에서는 직격뢰 와 유도뢰 해석을 수행하는데 본 논문에서는 직격뢰 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 ESS가 연계된 배전계통에서 뇌서지 해석을 수행하였다. Matlab/Simulink에 주어진 배터리의 특성에 따라 EMTP를 이용하여 배터리를 모델링한 후 양방향 전력변환장치에 연결하여 계통연계형 ESS를 모델링하였다.
본 논문에서는 직격뢰와 유도뢰 중 ESS 연계 계통에서 직격뢰 발생 시 영향 분석을 수행하였다. 전력계통 과도현상에 최적화된 소프트웨어인 EMTP는 뇌 파형의 생성을 위하여 Surge 모델, Cigre 모델, Heidler 모델 등 다양한 모델을 지원하고 있으며, 본 논문에서는 Heidler type을 사용 하여 낙뢰 파형을 생성하여 선로에 인가하였다[4].
본 절에서는 ESS가 연계된 경우에 낙뢰 발생 시 ESS에 미치는 영향을 분석하도록 한다. 우선, Case 2 및 Case 3에서 배터리 SOC를 보면 두 경우의 파형은 그림 5와 동일한 것으로 나타났다.

제안 방법

본 연구에서는 표 1과 같은 시뮬레이션 조건을 선정 하였다. ESS의 연계 유무 및 ESS 연계 시 충/방전 동작에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 앞서 설명한 바와 같이 낙뢰 발생 위치는 ESS의 계통연계점이며, 가공지선에 침입하는 것으로 설정하였다.
본 논문에서는 ESS가 연계된 배전계통에서 뇌서지 해석을 수행하였다. Matlab/Simulink에 주어진 배터리의 특성에 따라 EMTP를 이용하여 배터리를 모델링한 후 양방향 전력변환장치에 연결하여 계통연계형 ESS를 모델링하였다. 배전계통의 가공지선에 낙뢰 침입 시 ESS 연계 유무 및 충방전 동작에 따라 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
모델링 결과를 이용하여 ESS의 계통연계점에 직격뢰를 발생시켰으며, ESS의 존재 및 ESS의 동작조건에 따른 다양한 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과를 기반으로 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였다.
배전계통 및 ESS의 계통연계를 위한 전력변환장치 또한 EMTP를 이용하여 모델링하였다. 모델링 결과를 이용하여 ESS의 계통연계점에 직격뢰를 발생시켰으며, ESS의 존재 및 ESS의 동작조건에 따른 다양한 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과를 기반으로 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였다.
연구 수행의 첫 단계로 Matlab/Simulink에 주어진 배터리 모델을 과도현상 해석에 최적화된 소프트웨어인 EMTP(Electromagnetic Transients Program)를 이용하여 ESS를 다시 모델링하였다. 배전계통 및 ESS의 계통연계를 위한 전력변환장치 또한 EMTP를 이용하여 모델링하였다. 모델링 결과를 이용하여 ESS의 계통연계점에 직격뢰를 발생시켰으며, ESS의 존재 및 ESS의 동작조건에 따른 다양한 시뮬레이션을 수행하였다.
Matlab/Simulink에 주어진 배터리의 특성에 따라 EMTP를 이용하여 배터리를 모델링한 후 양방향 전력변환장치에 연결하여 계통연계형 ESS를 모델링하였다. 배전계통의 가공지선에 낙뢰 침입 시 ESS 연계 유무 및 충방전 동작에 따라 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
ESS가 연계된 계통에서 뇌서지 해석을 위한 배전계통 모델로서 참고문헌 [7]에 제시된 한전의 실 배전계통 모델을 이용하였다. 배전선로에서 뇌서지는 주로 가공지선에 침입하므로 가공지선 구현을 위하여 EMTP의 LCC 소자를 이용하여 선로를 모델링하였다. 상기에서 모델링된 ESS는 계통의 중간지점에 연결하였으며, 용량은 70kW이다.
Matlab/Simulink에 주어진 배터리 종류에는 납축 전지, 리튬-이온 전지, 니켈-카드뮴 전지가 있다. 본 논문에서는 식 (1), (2)에 나타난 리튬-이온 전지의 충방전 특성을 EMTP를 이용하여 모델링 하였다[5-6].
상기 등가회로 및 식을 기반으로 배터리를 모델링하였다. 그림 1에 나타난 배터리 부분은 충방전 수식 구현 부분, SOC 구현 부분, 제어전압원 및 내부저항 부분으로 구성된다.
상기에서 모델링한 계통연계형 ESS의 검증을 위하여 실 배전계통에 연계한 후 시뮬레이션을 수행하였다. Matlab/Simulink에 주어진 배터리의 경우, 초기 SOC가 100%가 되도록 설정되어 있으므로 우선 배터리는 방전동작을 수행하며, 방전이 끝난 후 1.
일반적으로 배전계통에서는 직격뢰 와 유도뢰 해석을 수행하는데 본 논문에서는 직격뢰 해석을 수행하였다. 연구 수행의 첫 단계로 Matlab/Simulink에 주어진 배터리 모델을 과도현상 해석에 최적화된 소프트웨어인 EMTP(Electromagnetic Transients Program)를 이용하여 ESS를 다시 모델링하였다. 배전계통 및 ESS의 계통연계를 위한 전력변환장치 또한 EMTP를 이용하여 모델링하였다.
따라서 본 논문에서는 ESS가 연계된 배전계통에서 과도현상, 특히 낙뢰 발생 시 계통 및 ESS 측의 서지 해석을 수행하였다. 일반적으로 배전계통에서는 직격뢰 와 유도뢰 해석을 수행하는데 본 논문에서는 직격뢰 해석을 수행하였다. 연구 수행의 첫 단계로 Matlab/Simulink에 주어진 배터리 모델을 과도현상 해석에 최적화된 소프트웨어인 EMTP(Electromagnetic Transients Program)를 이용하여 ESS를 다시 모델링하였다.
본 논문에서는 직격뢰와 유도뢰 중 ESS 연계 계통에서 직격뢰 발생 시 영향 분석을 수행하였다. 전력계통 과도현상에 최적화된 소프트웨어인 EMTP는 뇌 파형의 생성을 위하여 Surge 모델, Cigre 모델, Heidler 모델 등 다양한 모델을 지원하고 있으며, 본 논문에서는 Heidler type을 사용 하여 낙뢰 파형을 생성하여 선로에 인가하였다[4]. 생성된 낙뢰 파형은 최대치가 20kA이고 파두 2㎲, 파미 70㎲를 가지는 파형이다.

대상 데이터

EMTP에서 주어지는 제어전압원의 경우, (+) 혹은 (-) 단자 하나만 이용가능하며, 나머지 한 단자는 접지하도록 되어 있다. 따라서 2개의 제어 전압원을 이용하였다. 그림 1의 우측 부분은 전력변환 장치 부분이다.

이론/모형

ESS가 연계된 계통에서 뇌서지 해석을 위한 배전계통 모델로서 참고문헌 [7]에 제시된 한전의 실 배전계통 모델을 이용하였다. 배전선로에서 뇌서지는 주로 가공지선에 침입하므로 가공지선 구현을 위하여 EMTP의 LCC 소자를 이용하여 선로를 모델링하였다.
그렇지만 Matlab/Simulink는 뇌서지 같은 전력계통 과도현상 해석을 위하여 최적화된 소프트웨어가 아니다. 따라서 과도현상 해석을 위하여 최적화된 소프트웨어인 EMTP를 이용하기 위하여 Matlab/Simulink의 배터리 모델을 EMTP를 이용하여 다시 모델링하였다.

성능/효과

(1) ESS가 연계된 경우의 과전압이 연계되지 않은 경우보다 크다. 그렇지만, 그 크기 차이는 5kV 미만이다.
(2) ESS가 연계된 경우 충방전 동작에 상관없이 과전압의 크기는 유사하다.
(3) ESS가 연계된 경우 저역통과필터의 존재로 인하여 계통 측에 낙뢰가 발생하더라도 ESS의 배터리 측에는 아무런 영향을 끼치지 않는다.
5초부터 충전동작을 수행하여 SOC가 점점 증가함을 알 수 있다. 그 외 배터리 출력파형, 인버터/컨버터 각 동작시 출력 등을 일반적으로 알려진 파형과 비교하여 확인한 결과 정상적으로 동작하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 모델링이 정확히 수행되었다고 할 수 있다.
그림 9는 Case 3, 즉 충전동작 중 SOC가 60%인 경우의 배터리에 입력되는 전류 파형을 나타낸 것이다. 낙뢰 발생 시점에 계통으로부터 배터리에 입력되는 전류가 다소 상승하나이 값은 0.5A 정도로 매우 작은 값이며, 또한 배터리 입력 전류는 시간이 지날수록 낙뢰 발생 이전의 값으로 점점 감쇄하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

향후 직격뢰 발생 시 ESS 용량 및 연계위치 등에 따른 변화, 유도뢰 발생 시 영향 등에 관하여 연구를 계속적으로 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트그리드란?	스마트그리드란 기존의 전력망에 IT 및 컴퓨터 기술을 활용하여 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보 교환을 통해 에너지 효율을 최적화하는 차세대 전력망을 지칭한다. 스마트그리드로 변화 시 기존 전력계통에는 에너지 저장장치, 분산전원(태양광 발전, 풍력 발전 등) 뿐만 아니라 전기 자동차 또한 연계되고 있으며, 이들의 보급 및 안정적 운용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	ESS 연계 계통에서 뇌서지 해석을 위한 첫 단계로 필요한 것은?	ESS 연계 계통에서 뇌서지 해석을 위한 첫 단계로서 계통연계형 ESS의 모델링이 필요하다. 계통연계형 ESS는 배터리, 양방향 전력변환장치(인버터/컨버터)로 구성되어 있다.
	전력계통 과도현상 해석 최적화를 위해 이용한 것은?	그렇지만 Matlab/Simulink는 뇌서지 같은 전력계통 과도현상 해석을 위하여 최적화된 소프트웨어가 아니다. 따라서 과도현상 해석을 위하여 최적화된 소프트웨어인 EMTP를 이용하기 위하여 Matlab/Simulink의 배터리 모델을 EMTP를 이용하여 다시 모델링하였다.

참고문헌 (7)

Math H. J. Bollen, Emmanouil Styvaktakis, Irene Y. H. Gu, "Categorization and Analysis of Power System Transients", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 20, No. 3, pp. 2298-2306, 2005.

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Mario Paolone, Carlo Alberto Nucci, Emanuel Petrache, and Farhad Rachidi, "Mitigation of Lightning-Induced Overvoltages in Medium Voltage Distribution Lines by Means of Periodical Grounding of Shielding Wires and of Surge Arresters: Modeling and Experimental Validation", IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 19, No. 1, pp. 423-431, JANUARY 2004.

상세보기
Alberto Borghetti, Carlo Alberto Nucci, and Mario Paolone, "An Improved Procedure for the Assessment of Overhead Line Indirect Lightning Performance and Its Comparison with the IEEE Std. 1410 Method", IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 22, No. 1, pp. 684-692, JANUARY 2007.

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Hun-Chul Seo, "A Study on the Analysis of Lightning Performance according to Configuration of Lightning Protection System in Distribution Line", Ph. D. thesis, Sungkyunkwan University, 2013.
Olivier Tremblay, Member IEEE, Louis-A. Dessaint, Senior Member IEEE, and Abdel-Illah Dekkiche, "A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles", IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 284-289, 9-12 Sept. 2007.
Matlab and Simulink, The Mathworks, Inc. http://www. mathworks.com.
Keon-Woo Park, Hun-Chul Seo, Chul-Hwan Kim, Chang-Soo Jung, Yeon-Pyo Yoo, Yong-Hoon Lim, "Analysis of the Neutral Current for Two-Step-Type Poles in Distribution Lines", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 24, No. 3, pp. 1483-1489, July 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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