[논문]무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치의 최적운용방안에 관한 연구

유경상; 김병기; 김대진; 장문석; 노대석; 고희상

doi:10.5762/kais.2017.18.9.42

무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치의 최적운용방안에 관한 연구
A study on Protection Coordination Method for Electric Vehicle Charging Facility based on the Wireless Power Transmission 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.9, 2017년, pp.42 - 51

유경상 (한국에너지기술연구원 시스템융복합연구실) , 김병기 (한국에너지기술연구원 시스템융복합연구실) , 김대진 (한국에너지기술연구원 시스템융복합연구실) , 장문석 (한국에너지기술연구원 시스템융복합연구실) , 노대석 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) , 고희상 (한국에너지기술연구원 시스템융복합연구실)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 전기자동차 배터리의 충전 방안 중 하나로 여겨지는 무선전력전송을 이용할 경우 발생 가능한 보호협조 문제점을 분석한다. 전기충전을 위한 무선전력전송 시스템을 구축하기 위해서는 전원공급장치 개발이 필수적이나, 전원공급장치의 정확한 설치기준이 없기 때문에 운용 시 보호협조 상에 문제점이 발생 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC로 무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치를 모델링하여 가능성 있는 사고를 모의해보고, 이를 해결할 수 있는 대안을 제시하고자 한다. 즉, 사고 발생 시, 전원공급장치의 60Hz 대역에서 정격차단용량(12.5kA) 상회 가능성과 20kHz 대역에서의 임피던스 병렬화로 인한 보호기기의 부동작 가능성을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 이에 대한 해결책으로 대칭좌표법을 이용한 사고해석 알고리즘과 사고전류를 저감시킬 수 있는 NGR 산정 알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 60Hz 대역에서는 NGR(Neutral Ground Resister)을 도입하여 사고전류를 정격차단용량 이하로 저감시키고, 20kHz 대역에서는 중선선에 CT 설치 및 이에 대한 보호정정을 통해 보호기기 부동작이 방지됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the power supply facility providing wireless power transmission for a type of electric vehicles called the on-line electric vehicle(OLEV) and proposes optimal protection coordination methods which analyze the faultsin the 60Hz and 20kHz bands using PSCAD/EMTDC, which is the typical commercial software for the distribution system. The simulation results show that the proposed methods can reduce the fault current by introducing an NGR (Neutral Ground Resistor) in the 60Hz band and prevent the malfunctioning of the protection device by installing a CT in the neutral wire in the 20kHz band when a ground fault occurs.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

지락사고발생시 큰 고장전류와 유도장애로 인한 절연파괴 및 통신선의 유도장애 등의 문제점을 해결하기 위하여, 계통에서는 중성선 및 접지측에 NGR을 도입하는 방식을 채택하고 있다. 따라서 본 논문에서는 상기에서 언급한 NGR의 특성을 이용하여, 무선전력전송용 전기차 전원공급장치측에서 발생되는 사고전류를 저감시킬 수 있는 NGR 산정알고리즘을 제안하며, 이를 산정하기위한 절차를 나타내면 다음과 같다.
본 논문에서는 무선전력전송 전기충전용 전원공급장치에 대한 최적운용방안을 제시하기 위해, 전원공급장치의 모델링을 수행하여 60Hz 대역과 20kHz 대역에서 사고가 발생할 경우, 이에 대한 문제점을 분석하고 대책방안을 제안 하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 전원공급장치에서 사고가 발생할 경우, 이에 대한 문제점을 분석하고 해결방안을 제시하기 위하여, Fig. 5와 같이 PSCAD/EMTDC를 이용하여 계통 및 전원공급장치의 모델링을 수행하였다. 구체적으로, 계통은 22.
상기 PSCAD/EMTDC의 모델링을 통해 분석한 문제점을 토대로 보호협조 방안을 제안하기 위해. 사고분석 상용프로그램인 ETAP을 이용한 전원공급장치 모델링을 수행하였다.
이러한 배경 하에 본 논문에서는 무선전력전송용 전원공급장치를 도입하는 경우, 과도상태에서 설비의 충격을 최소화시키고, 안정적으로 운용할 수 있도록 하는 최적협조방안을 제시한다. 구체적으로 배전계통 해석의 대표적인 상용 소프트웨어인 PSCAD /EMTDC로 전원공급장치의 모델링을 수행하여, 사고 발생 시, 60Hz 대역과 20kHz 대역에서 발생 가능한 보호협조 문제점을 분석하고, 이를 해결할 수 있는 대안을 제시하고자 한다.
5kA) 상회 가능성과 20kHz 대역에서의 임피던스 병렬화로 인한 보호기기의 부동작 가능성을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 이에 대한 해결책으로 대칭좌표법을 이용한 사고해석 알고리즘과 사고전류를 저감시킬 수 있는 NGR 산정알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 60Hz 대역에서는 NGR(Neutral Ground Resister)을 도입하여 사고전류를 정격차단용량 이하로 저감시키고, 20kHz 대역에서는 계통의 중선선에 CT를 설치하고 전원공급장치의 보호정정을 최소동작전류에 의한 순시탭설정으로 보호기기 부동작을 방지함으로서 제안한 방식이 무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치의 운용에 있어서 안정성을 확보할 수 있음을 제시하고자 한다.

제안 방법

Fig. 10과 같이 고주파대역 변환용 인버터 입력데이터는 교류정격전류가 되도록 조절하였으며, 인버터 내부전류 제한치(K)는 정격전류의 100%로 설정하였다. 여기서 사고 발생 시 인버터에서 발생되는 단락전류(Isc)는 K(Current limit%: 100%)×최대부하 전류(Full Load Ampere, 이하 FLA)로 상정된다.
[STEP 1] 무선전력전송 전기자동차용 전원공급장치(Wireless Electric Vehicle Switch gear, 이하 WEVS)가 도입된 계통의 전원측 모선, 주변압기, 고압선로 케이블, 연계용변압기 등의 계통도를 작성하고, 정상분과 영상분에 대한 %임피던스 맵을 작성한다.
[STEP 2] 접지 종류, 변압기, 각종 선종 및 기기의 %임피던스를 고려하고, 사고전류 계산에 따른 계전기 셋팅을 실시하여 보호협조 판정을 수행한다.
이러한 배경 하에 본 논문에서는 무선전력전송용 전원공급장치를 도입하는 경우, 과도상태에서 설비의 충격을 최소화시키고, 안정적으로 운용할 수 있도록 하는 최적협조방안을 제시한다. 구체적으로 배전계통 해석의 대표적인 상용 소프트웨어인 PSCAD /EMTDC로 전원공급장치의 모델링을 수행하여, 사고 발생 시, 60Hz 대역과 20kHz 대역에서 발생 가능한 보호협조 문제점을 분석하고, 이를 해결할 수 있는 대안을 제시하고자 한다. 즉, 사고 발생 시, 전원공급장치의 60Hz 대역에서 정격차단용량(12.
5와 같이 PSCAD/EMTDC를 이용하여 계통 및 전원공급장치의 모델링을 수행하였다. 구체적으로, 계통은 22.9kV급 배전계통을 모의하였고, 전원공급장치는 22.9kV/440V 변압기(Z= 5%)와 AC(60Hz)-DC-AC(20kHz)로 변환시키기 위한 AC-DC컨버터 그리고 20kHz용 AC-DC 인버터(인버터 내부 Z=15%)로 구성된다. 여기에서, 변압기 2차측 중성선과 인버터 후단(인버터 내부변압기)의 접지 측을 TN-C 방식으로 연결하여, 60Hz 대역(변압기 2차측)과 20kHz 대역에서의 지락사고를 모의하였다.
상기의 시뮬레이션 결과로부터 사고전류를 감소시키는 방안으로, NGR 산정 알고리즘에 의한 보호제어장치의 설치를 제안한다. 구체적으로, 상기의 알고리즘을 바탕으로 NGR 용량을 산정한 후, Fig. 17과 같이 수배전반의 2차측에 도입하여 지락사고 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, Fig.
고주파대역에서 사고발생시, 수배전반 2차 측은 사고 불평형이 발생하지 않아 3CT 결선에 의한 사고전류 검출이 불가능하다. 따라서 Fig. 19와 같이 중성선에 CT를 설치하여 독립적으로 지락전류를 감지할 수 있도록 결선방식을 제안하였다.
상기 PSCAD/EMTDC의 모델링을 통해 분석한 문제점을 토대로 보호협조 방안을 제안하기 위해. 사고분석 상용프로그램인 ETAP을 이용한 전원공급장치 모델링을 수행하였다.
상기의 시뮬레이션 결과로부터 사고전류를 감소시키는 방안으로, NGR 산정 알고리즘에 의한 보호제어장치의 설치를 제안한다. 구체적으로, 상기의 알고리즘을 바탕으로 NGR 용량을 산정한 후, Fig.
한편 사고전류는 사고지점의 변화에 따라 전류의 크기가 변화하기 때문에 최적의 NGR 산정을 위하여 선로긍장에 따른 60Hz 대역의 사고해석을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 수전변압기 2차측을 기준으로 선로긍장을 50m 단위로 5,000m 까지 변화시켜 사고 발생에 따른 전류 크기를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, Fig.
여기서 DC전압은 계통의 전압(440V)을 추종하도록 PLL(Phase Locked Loop)을 이용하였고, 디코더에 PLL의 신호와 펄스폭을(30도) 조정하여, IGBT의 게이트(T1∼T6)가 동작되도록 모델링을 수행하였다.
전원공급장치의 OCGR(over current ground relay)은 오·부동작하여 사고차단에 실패할 가능성이 있음을 확인하였다[14]-[15]. 여기에서 고주파대역에서의 변압기 결선방식은 △-Y이고, 접지형태는 TN 본딩 접지를 채택하였다. 상기의 분석을 바탕으로 문제점을 분석해보면, 최대사고전류는 인버터의 정격전류에 의해 결정되어 수배전반 2차 측에서 상 불평형이 발생하지 않아 사고전류 검출이 불가능하였으며, 인버터 측과 수배전반 변압기 측의 중성선에 통과하는 전류는 TN-C방식과 임피던스의 크기에 의하여 사고전류가 분류되는 현상이 나타난 것으로 분석된다.
9kV/440V 변압기(Z= 5%)와 AC(60Hz)-DC-AC(20kHz)로 변환시키기 위한 AC-DC컨버터 그리고 20kHz용 AC-DC 인버터(인버터 내부 Z=15%)로 구성된다. 여기에서, 변압기 2차측 중성선과 인버터 후단(인버터 내부변압기)의 접지 측을 TN-C 방식으로 연결하여, 60Hz 대역(변압기 2차측)과 20kHz 대역에서의 지락사고를 모의하였다.
전원공급장치(변압기2차측)의 60Hz 대역에서의 사고분석을 수행하기 위해, 변압기 임피던스는 5%로 상정하고, 변압기 용량은 200kW, 접지방식은 TN-C에 의한 직접접지 방식을 채택하였다. Fig.
구체적으로 배전계통 해석의 대표적인 상용 소프트웨어인 PSCAD /EMTDC로 전원공급장치의 모델링을 수행하여, 사고 발생 시, 60Hz 대역과 20kHz 대역에서 발생 가능한 보호협조 문제점을 분석하고, 이를 해결할 수 있는 대안을 제시하고자 한다. 즉, 사고 발생 시, 전원공급장치의 60Hz 대역에서 정격차단용량(12.5kA) 상회 가능성과 20kHz 대역에서의 임피던스 병렬화로 인한 보호기기의 부동작 가능성을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 이에 대한 해결책으로 대칭좌표법을 이용한 사고해석 알고리즘과 사고전류를 저감시킬 수 있는 NGR 산정알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 60Hz 대역에서는 NGR(Neutral Ground Resister)을 도입하여 사고전류를 정격차단용량 이하로 저감시키고, 20kHz 대역에서는 계통의 중선선에 CT를 설치하고 전원공급장치의 보호정정을 최소동작전류에 의한 순시탭설정으로 보호기기 부동작을 방지함으로서 제안한 방식이 무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치의 운용에 있어서 안정성을 확보할 수 있음을 제시하고자 한다.
한편 사고전류는 사고지점의 변화에 따라 전류의 크기가 변화하기 때문에 최적의 NGR 산정을 위하여 선로긍장에 따른 60Hz 대역의 사고해석을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 수전변압기 2차측을 기준으로 선로긍장을 50m 단위로 5,000m 까지 변화시켜 사고 발생에 따른 전류 크기를 분석하였다.

대상 데이터

여기서 계전기는 순시동작에 의한 탭 설정을 보호정정지침에 따라 최대부하전류의 30%로 선정한다. 또한 최소동작전류에 의해 CT비를 선정 후, 수전변압기 2차 측 지락사고 시 최대사고전류와 최소동작전류의 비에 따른 Ground Pick Up을 최소동작전류 78.72 A 를 기준으로 ACB Trip Device가 제공하는 최소 세팅치(I_set)로 선정한다. 여기에서, I_set은 계전기의 전류 정정치를 의미한다.

이론/모형

전압은 외부의 전원을 독립적으로 전류제어 회로에 제공함으로써 정전류원으로 20kHz 대역에 전원이 공급되도록 하였다. 여기서 삼각파 펄스는 20kHz 대역으로 모의하였고, 전원의 용량을 제어할 수 있도록 전류제어 알고리즘을 적용하였다.

성능/효과

(1) 전원공급장치의 60Hz 대역에서의(수전변압기 2차측) 사고발생시 사고전류를 감소시키는 방안으로 NGR을 삽입하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 지락사고 전류가 감소하고, 건전상 대지전압이 유효접지 범위인 1.25배가 고려된 334V 미만으로 전압이 상승함을 확인하였다. 따라서 전원공급장치의 NGR을 설치하게 된다면 사고전류가 1/2로 감소하여 충격 완화 및 보호기기 용량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 고주파대역(20kHz)에서의 사고전류는 인버터 최대출력전류의 영향을 받아 사고지점으로부터 %임피던스가 큰 인버터측보다 상대적으로 %임피던스가 작은 변압기 2차 측(중성선)으로 더 많은 지락전류가 기여하여, 임피던스 병렬화에 의한 사고전류 감소로보호기기의 부동작 가능성을 확인하였다. 이에 대한 대책방안으로 중성선에 CT를 설치하여 독립적으로 지락전류를 감지할 수 있도록 결선방식을 제안하고, 전원공급장치의 보호정정을 최소동작전류에 의한 순시탭 설정으로 부동작 현상을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.
20kHz 대역의 선로에 사고를 모의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, Fig. 14와 같이 고주파 대역에서의 사고전류는 인버터 최대출력전류의 영향을 받아 180A 가 발생함을 알 수 있다.
17과 같이 수배전반의 2차측에 도입하여 지락사고 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, Fig. 18과 같이 NGR 도입 후, 사고전류가 감소하고, 건전상 대지전압이 334V로서 유효접지 범위 이내로 전압이 상승됨을 알 수 있었다. 따라서 전원공급장치 변압기 2차측 접지측에 NGR을 설치하게 된다면 사고전류가 1/2로 감소하여 충격 완화 및 보호기기 용량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
18과 같이 NGR 도입 후, 사고전류가 감소하고, 건전상 대지전압이 334V로서 유효접지 범위 이내로 전압이 상승됨을 알 수 있었다. 따라서 전원공급장치 변압기 2차측 접지측에 NGR을 설치하게 된다면 사고전류가 1/2로 감소하여 충격 완화 및 보호기기 용량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
25배가 고려된 334V 미만으로 전압이 상승함을 확인하였다. 따라서 전원공급장치의 NGR을 설치하게 된다면 사고전류가 1/2로 감소하여 충격 완화 및 보호기기 용량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, Fig. 15와 같이 고주파대역(20kHz)에서의 사고전류는 인버터 최대출력전류의 영향을 받아 사고지점으로부터 %임피던스가 큰 인버터측보다 상대적으로 %임피던스가 작은 변압기 2차 측(중성선)으로 더 많은 지락전류가 기여함을 확인할 수 있었다. 즉, 수배전반 측의 사고전류는 임피던스 병렬화에 의한 사고전류 감소로 기존 보호기기의 정정된 값 보다 작아 보호기기의 부동작 가능성을 확인하였다.
여기에서 고주파대역에서의 변압기 결선방식은 △-Y이고, 접지형태는 TN 본딩 접지를 채택하였다. 상기의 분석을 바탕으로 문제점을 분석해보면, 최대사고전류는 인버터의 정격전류에 의해 결정되어 수배전반 2차 측에서 상 불평형이 발생하지 않아 사고전류 검출이 불가능하였으며, 인버터 측과 수배전반 변압기 측의 중성선에 통과하는 전류는 TN-C방식과 임피던스의 크기에 의하여 사고전류가 분류되는 현상이 나타난 것으로 분석된다.
시뮬레이션 조건은 수전변압기 2차측을 기준으로 선로긍장을 50m 단위로 5,000m 까지 변화시켜 사고 발생에 따른 전류 크기를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, Fig. 13과 같이 전원공급장치(수전변압기 2차측)에서 무선전력공급지점까지 사고전류가 최대 1kA 이상 감소하여 NGR선정 시 거리에 따른 사고전류를 고려해야 함을 확인 하였다.
(2) 고주파대역(20kHz)에서의 사고전류는 인버터 최대출력전류의 영향을 받아 사고지점으로부터 %임피던스가 큰 인버터측보다 상대적으로 %임피던스가 작은 변압기 2차 측(중성선)으로 더 많은 지락전류가 기여하여, 임피던스 병렬화에 의한 사고전류 감소로보호기기의 부동작 가능성을 확인하였다. 이에 대한 대책방안으로 중성선에 CT를 설치하여 독립적으로 지락전류를 감지할 수 있도록 결선방식을 제안하고, 전원공급장치의 보호정정을 최소동작전류에 의한 순시탭 설정으로 부동작 현상을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.
15와 같이 고주파대역(20kHz)에서의 사고전류는 인버터 최대출력전류의 영향을 받아 사고지점으로부터 %임피던스가 큰 인버터측보다 상대적으로 %임피던스가 작은 변압기 2차 측(중성선)으로 더 많은 지락전류가 기여함을 확인할 수 있었다. 즉, 수배전반 측의 사고전류는 임피던스 병렬화에 의한 사고전류 감소로 기존 보호기기의 정정된 값 보다 작아 보호기기의 부동작 가능성을 확인하였다.
한편 ETAP으로 보호기기 운용을 수행한 결과, Fig 16과 같이 수배전반 2차 측은 불평형 사고가 발생하지 않아 기존 3CT 결선에 의한 사고전류 검출이 불가능 하였고, 이에 따라 보호기기가 부동작 할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PSCAD /EMTDC로 전원 공급장치의 모델링을 수행하는 이유는 무엇인가?	이러한 배경 하에 본 논문에서는 무선전력전송용 전원공급장치를 도입하는 경우, 과도상태에서 설비의 충격을 최소화시키고, 안정적으로 운용할 수 있도록 하는 최적협조방안을 제시한다. 구체적으로 배전계통 해석의 대표적인 상용 소프트웨어인 PSCAD /EMTDC로 전원공급장치의 모델링을 수행하여, 사고 발생 시, 60Hz 대역과 20kHz 대역에서 발생 가능한 보호협조 문제점을 분석하고, 이를 해결할 수 있는 대안을 제시하고자 한다. 즉, 사고 발생 시, 전원공급장치의 60Hz 대역에서 정격차단용량(12.
	사고지점에서 가장 근거리에 있는 전위보호기기의 사용 목적은 무엇인가?	계통에서 사고가 발생하였을 경우, 사고파급 확대를 방지하기 위하여, 사고지점에서 가장 근거리에 있는 전위보호기기가 신속하게 동작되도록 보호협조운용을 하고 있다. 하지만, 전력을 소모하는 무선전력전송용 EV 충전기의 1차 측에서 지락사고가 발생하는 경우, 계통과의 연계를 위해 도입된 변압기가 △-△ 결선으로 이루지게 되면 사고를 신속히 차단하지 못하여 3상 단락사고로 확대될 수 있는 가능성을 가지고 있다.
	NGR 산정알고리즘을 사용함으로서 얻을 수 있는 효과는 무엇인가?	5kA) 상회 가능성과 20kHz 대역에서의 임피던스 병렬화로 인한 보호기기의 부동작 가능성을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 이에 대한 해결책으로 대칭좌표법을 이용한 사고해석 알고리즘과 사고전류를 저감시킬 수 있는 NGR 산정알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 60Hz 대역에서는 NGR(Neutral Ground Resister)을 도입하여 사고전류를 정격차단용량 이하로 저감시키고, 20kHz 대역에서는 계통의 중선선에 CT를 설치하고 전원공급장치의 보호정정을 최소동작전류에 의한 순시탭설정으로 보호기기 부동작을 방지함으로서 제안한 방식이 무선전력전송 전기충전설비용 전원공급장치의 운용에 있어서 안정성을 확보할 수 있음을 제시하고자 한다.

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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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