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[국내논문] SPD를 이용한 리튬이온전지용 전기저장장치의 보호방안에 관한 연구
A Study on Protection Method of Energy Storage System for Lithium-ion Battery Using Surge Protection Device(SPD) 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.4, 2020년, pp.568 - 574  

황승욱 (한국기술교육대학교 전기공학과) ,  이후동 (한국기술교육대학교 전기공학과) ,  태동현 (한국기술교육대학교 전기공학과) ,  노대석 (한국기술교육대학교 전기공학과)

초록
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최근, 신재생에너지원의 출력 안정화, 수요관리 및 주파수 조정 등 다양한 기능을 가지고 있는 전기저장장치(energy storage system, ESS)의 설치가 매년 증가되고 있다. 그러나, 2017년 8월에 발생한 고창 전력시험센터의 ESS 화재를 시작으로 경산 변전소, 군산 태양광발전소 등 현재까지 총 29건의 화재사고가 발생하여 많은 재산피해가 보고되고 있다. 이러한 전기저장장치의 화재사고는 전기저장장치의 용량이나 계절과는 무관하게 발생되고 있으므로, ESS의 화재원인을 정확하게 파악하고 안전성을 확보하기 위하여 ESS의 사고특성에 대한 분석이 요구되어지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 ESS의 사고특성을 분석하고 안전성을 확보하기 위하여, 전력계통 상용해석 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 ESS의 모델링을 수행한다. 다양한 시나리오를 기반으로 ESS의 단락사고특성을 확인한 결과, 높은 사고전류로 인하여 보호기기인 퓨즈가 동작하고, 매우 큰 CMV(common mode voltage)가 발생하여 ESS의 절연이 파괴될 가능성이 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 문제점을 극복하기 위하여, ESS의 배터리측과 PCS측에 각각 SPD를 설치한 경우, DC측 전로에서 발생하는 CMV가 3[kV] 이내로 크게 감소되어 ESS의 절연파괴를 방지할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the installation of energy storage systems (ESSs) that have a range of functions, such as power stabilization of renewable energy sources, demand control, and frequency regulation, has been increasing annually. On the other hand, since the fire accident of ESS occurred at Gochang Power Tes...

Keyword

#ESS   #Fire Accidents   #Battery   #PCS   #Fault Characteristics   #SPD   #Fuse   #CMV   #PSCAD/EMTDC  

표/그림 (12)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 전기저장장치의 화재사고는 전기저장장치의 용량이나 계절과는 무관하게 발생되고 있으므로, ESS의 화재원인을 정확하게 파악하고 안전성을 확보하기 위하여, ESS의 사고특성에 대한 분석이 요구되어지고 있다 [5-7]. 따라서, 본 논문에서는 ESS의 사고특성을 분석하고 안전성을 확보하기 위하여, 전력계통 상용해석 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 ESS의 모델링을 수행한다. 다양한 시나리오를 기반으로 ESS의 단락사고특성을 확인한 결과, 높은 사고전류로 인하여 보호기기인 퓨즈가 동작하고, 매우 큰 CMV (common mode voltage)가 발생하여 ESS의 절연이 파괴될 가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
  • 이러한 경우, 절연강도가 약한 부분에서 절연이 파괴되어, 2차 사고를 유발하여 ESS의 화재로 진행될 가능성이 추정되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 서지보호장치인 SPD를 이용하여, ESS의 보호기기 동작 시 DC측 전로에서 발생할 수 있는 CMV 전압을 제한시킴으로써 ESS의 사고를 미연에 방지할 수 있는 방안을 제시하고자 한다[8-10]. 

가설 설정

  • 1[mΩ]이다. 또한, Case II는 8번 PCS의 DC측에서 Arm 단락이 발생한 경우이며, 사고전류에 의하여 0.18[ms] 이후에 퓨즈가 동작하는 것으로 상정하고, 단락저항은 Case I과 동일하다. 한편, Case III은 배터리측과 PCS측에 각각 SPD를 설치한 경우를 나타낸다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 논문에서는 ESS의 사고특성을 분석하고 안전성을 확보하기 위하여, SPD를 이용한 ESS의 절연파괴를 방지하는 ESS의 최적 보호 알고리즘을 제시하였으며, 이를 기반으로 ESS의 단락사고특성을 확인하였다, 이를 통한 연구 결과는 어떠한가? (1) ESS의 단락사고특성을 확인한 결과, 높은 사고전류로 인하여 보호기기인 퓨즈가 동작하여 사고전류를 차단하지만, 매우 큰 CMV 전압이 발생하여 ESS의 절연이 파괴될 가능성이 있음을 확인할 수있었다. (2) 배터리측에서 단락사고가 발생한 경우의 사고특성을 분석한 결과, 사고전류의 차단을 위하여 설치된 배터리측의 퓨즈가 동작하면, 매우 큰 CMV가 서지 형태로 발생하여, ESS 구성품의 절연내력을 파괴할 가능성을 알 수 있었고, 이로 인하여 ESS의 화재원인 중의 하나로 추정할 수 있었다.  (3) PCS Arm에서 단락이 발생한 경우의 사고특성을 분석한 결과, PCS의 퓨즈가 사고전류에 의해 동작하여, CMV가 발생하지만 이 값이 절연내력 이내로 유지됨을 알 수 있었고, PCS Arm단락사고는 ESS의 화재원인이 아님을 추정할 수 있었다. (4) 배터리랙측 단락사고시에 발생한 CMV의 문제점을 해결하기 위하여, ESS의 최적 보호 알고리즘에 따라 SPD를 배터리측에 설치한 경우, CMV가 ESS 구성품의 절연내력(3[kV]) 이내로 유지되어, SPD에 의하여 ESS를 보호할 수 있음을 확인하였다. (4) 배터리랙측 단락사고시에 발생한 CMV의 문제점을 해결하기 위하여, ESS의 최적 보호 알고리즘에 따라 SPD를 배터리측에 설치한 경우, CMV가 ESS 구성품의 절연내력(3[kV]) 이내로 유지되어, SPD에 의하여 ESS를 보호할 수 있음을 확인하였다.
일반적으로 ESS는 무엇으로 구성되는가? 일반적으로, ESS는 병렬연결된 여러 대의 배터리 랙과 충‧방전을 수행하는 PCS, 연계용변압기, 보호기기 등으로 구성되며, Fig. 1과 같이 나타낼 수 있다.
ESS의 단락사고시 높은 사고전류로 인하여 퓨즈가 동작하면 어떤 문제가 발생하는가? ESS의 단락사고시 높은 사고전류로 인하여 퓨즈가 동작하면, 매우 큰 CMV가 발생하여 ESS의 절연이 파괴되어 화재를 유발할 가능성이 있다. 이에 대한 방안으로, SPD를 이용하여 DC측 전로에서 발생하는 CMV를 감소시킴으로써 ESS의 절연파괴를 방지하는 ESS의 최적 보호 알고리즘을 구체적으로 나타내면, 다음과 같다.
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참고문헌 (13)

  1. Eungsang Kim, "Standardization and technical standards for new renewable energy and ESS power converters", Fall Conference for Society A of KIEE(Korean Institute of Electrical Engineers), Journal of Power Electronics, pp.31-35, April, 2017 

  2. IEC 62933-2-1, "Electrical energy storage (EES) systems - Part 2-1: Unit parameters and testing methods - General specification", 2017 

  3. IEC 62933-5-1, "Electrical energy storage (EES) systems - Part 5-1: Safety considerations for grid-integrated EESsystems - General", 2017 

  4. S. H. Yoo, Y. W. Jo, K. W. Cho, H. K. Bahn, "Real-Time Power-Saving Scheduling Based on Genetic Algorithms in Multi-core Hybrid Memory Environments", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 20, no. 1, pp.135-140, 2020.2. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2020.20.1.135 

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  5. K. M. Park, J. H. Kim, J. Y. Park, S. B. Bang, "A Study on the Fire Risk of ESS through Fire Status and Field Investigation", FIRE SCIENCE AND ENGINEERING, vol. 32, no. 6, pp.91-99, 2018.12. DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.2018.32.6.091 

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  6. H. J. Jang, T. S. Song, J. Y. Kim, S. J. Kim, T. H. Jang "Study on Analysis of Fire Factor and Development Direction of Standard/safety Requirement to Keep Safety for Energy Storage System (ESS)", Journal of Standards, Certification and Safety, vol. 3, no. 9, pp.25-49, 2019.9. DOI: http://doi.org/10.34139/JSCS.2019.9.3.25 

  7. D. W. Kim, "Power Consumption Analysis by Adjusting of Check Interval in Asynchronous Wireless Sensor Network", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 19, no. 3, pp.91-96, 2019.6. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2019.19.3.91 

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  8. B. H. Lee, L. S. Bong, H. J. Gill, "REffects of Surge Protective Devices with Respect to Types of System Grounding and Wiring Methods", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 18, no. 2, pp.90-99 2004.3. DOI: https://doi.org/10.5207/jieie.2004.18.2.090 

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  9. S. J. Jin, E. M. Kim, J. S. Youn, Y. J. Lee, S. Y. Noh, "Effect the I-T curve and electrical characteristic of fuse elements by plated tin thickness", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 19, no. 6 pp. 80-87, 2018 DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.6.80 

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  10. Y. G. Sun, Y. M. Hwang, I. S. Sim, J. Y. Kim, "De-noising in Power Line Communication Using Noise Modeling Based on Deep Learning", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 18, no. 4, pp.55-60, 2018.8. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2018.18.4.55 

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  11. J. B. Park, M.. S. Kim, D. S. Rho, "Characteristic Analysis and Implementation of 30kW Portable Test Equipment for Performance Evaluation in Energy Storage System", The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 67, no. 6, pp. 715-723, 2018.6. DOI: https://doi.org/10.5370/KIEE.2018.67.6.715 

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  12. M. K. Kang, S. S. Choi, J. B. Park, Y. H Nam, E. S Kim, D. S Rho, "A Study on the Modeling Method of Performance Evaluation System for MW Scaled Energy Storage System Using the PSCAD/EMTDC", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers vol. 66, no. 6, pp. 885-891, 2017 DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2017.66.6.885 

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  13. S. S. Choi, M. K. Kang, H. D. Lee, Y. H.. Nam, J. H. Park, D. S. Rho, "A Study on an Evaluation Modeling of Power System Performance for Frequency Regulation ESS Based on the PSCAD/EMTDC", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers vol. 67, no. 8, pp. 1024-1030, 2018 DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2018.67.8.1024 

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