[논문]PSCAD/EMTDC를 이용한 ESS의 누설전류 모델링에 관한 연구

김지명; 태동현; 이일무; 임건표; 노대석

doi:10.5762/kais.2021.22.2.810

PSCAD/EMTDC를 이용한 ESS의 누설전류 모델링에 관한 연구
A Study on Modeling of Leakage Current in ESS Using PSCAD/EMTDC 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.810 - 818

김지명 (한국기술교육대학교) , 태동현 (한국기술교육대학교) , 이일무 (전기기술인협회) , 임건표 (한전전력연구원) , 노대석 (한국기술교육대학교)

초록
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ESS의 누설전류는 PCS(Power Control System)측 누설전류와 계통불평형 전류로 인한 누설전류로 구분되는데, PCS측의 누설전류는 정상 상태 운전 시, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭의 전압 변화량과 IGBT와 방열판 사이에 존재하는 기생 커패시턴스에 의해 발생한다. 또한, 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 불평형 부하로 인해 발생한 불평형 전류가 Yg-∆ 결선방식의 3각 철심이 적용된 태양광전원 연계형 변압기의 중성선을 통해 ESS로 유입된다. 따라서, 본 논문에서는 방열판 유도공식을 통해 산정한 기생 커패시턴스에 의하여 PCS측의 누설전류 발생 메커니즘을 제시하고 또한, 계통불평형에 의한 ESS측의 누설전류 발생 메커니즘을 제안한다. 이를 바탕으로, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 배터리부, PCS부, AC전원부로 이루어진 PCS측의 누설전류 발생 메커니즘과 배전 계통부, 불평형 부하부, ESS부로 이루어진 계통불평형에 의한 ESS측의 누설전류 발생 메커니즘을 모델링하고, 누설전류의 특성을 평가한다. 상기의 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 외함의 저항과 접지저항의 크기에 따라 PCS측의 누설전류는 7[mA]에서 34[mA]로, 계통불평형에 의한 배터리 외함으로 흐르는 누설전류는 3.96[mA]에서 10.76[mA]로 증가하여 배터리측에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A leakage current of ESS is classified mainly by the occurrence from a PCS(Power Conditioning System) section and an unbalanced grid current. The reason for the leakage current from the PCS section is a voltage change by IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching and stray capacitance between the IGBT and heatsink. The leakage current caused by the grid unbalanced current flows to the ESS through the neutral line of grid-connected transformer for the ESS with a three limb iron type of Yg-wire connection. This paper proposes a mechanism for the occurrence of leakage current caused by stray capacitance, which is calculated using the heatsink formula, from the aspect of the PCS section and grid unbalance current. Based on the proposed mechanisms, this study presents the modeling of the leakage current occurrence using PSCAD/EMTDC S/W and evaluates the characteristics of leakage currents from the PCS section and grid unbalanced current. From the simulation result, the leakage current has a large influence on the battery side by confirming that the leakage current from the PCS is increased from 7[mA] to 34[mA], and the leakage current from an unbalanced load to battery housing is increased from 3.96[mA] to 10.76[mA] according to the resistance of the housings and the magnitude of the ground resistance.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Configuration of ESS
그림 Fig. 2. Leakage current caused by stray capacitance of heatsink
그림 Fig. 3. Concept of neutral current caused by unbalanced grid
그림 Fig. 4. Flow of leakage current through common grounding wire
그림 Fig. 5. Configuration of IGBT and heatsink
그림 Fig. 6. Modeling of stray capacitance at IGBT modules
그림 Fig. 7. Modeling of entire system
그림 Fig. 8. Modeling of unbalanced load
그림 Fig. 9. Modeling of entire system
표 Table 1. Simulation conditions of leakage current at PCS section
표 Table 2. Simulation conditions of leakage current caused by unbalanced load
그림 Fig. 10. Characteristics of leakage current by stray capacitance (0.5[nF]) at charging mode
그림 Fig. 11. Characteristics of leakage current by stray capacitance (0.5[nF]) at discharging mode
그림 Fig. 12. Characteristics of leakage current by stray capacitance(1.28[nF])
그림 Fig. 13. Characteristics of leakage current at PCS(IGBT) and battery section
그림 Fig. 14. Leakage current flow caused by IGBT switching
그림 Fig. 15. Characteristics of leakage current caused by unbalanced load
그림 Fig. 16. Direction of leakage current caused by unbalanced load

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 불평형 부하로 인해 발생한 불평형 전류가 Yg-∆ 결선방식의 3각 철심이 적용된 태양광전원 연계형 변압기의 중성선을 통해 ESS측으로 유입된다[8-10]. 따라서, 본 논문에서는 방열판 유도공식을 통해 산정한 기생 커패시턴스에 의하여 PCS측의 누설전류 발생 메커니즘을 제시하고 또한, 계통불평형에 의한 ESS측의 누설전류 발생메커니즘을 제안한다. 이를 바탕으로, 배전계통 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 누설전류의 발생 메커니즘을 모델링하고, PCS측 누설전류의 특성과 계통불평형 전류에 의한 누설전류의 특성을 평가한다.
본 논문에서는 ESS의 전기적 위해요인 중의 하나인 누설전류 특성을 분석하기 위하여, 누설전류의 발생 메커니즘을 제시하고, PSCAD/EMTDC에 의하여 누설전류를 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

3[mm]로 상정한다. 또한, IGBT 모듈 밑면에서 방열판까지의 거리는 0.075[mm]이고, IGBT 기판의 소재는 산화알루미늄(Al2O3)이며 유전율(#)은 9.8로 상정한다. 상기의 값을 바탕으로, Eq.

제안 방법

따라서, 본 논문에서는 방열판 유도공식을 통해 산정한 기생 커패시턴스에 의하여 PCS측의 누설전류 발생 메커니즘을 제시하고 또한, 계통불평형에 의한 ESS측의 누설전류 발생메커니즘을 제안한다. 이를 바탕으로, 배전계통 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 누설전류의 발생 메커니즘을 모델링하고, PCS측 누설전류의 특성과 계통불평형 전류에 의한 누설전류의 특성을 평가한다.

성능/효과

(1) IGBT와 방열판 사이의 기생 커패시턴스에 의하여 발생하는 누설전류의 특성을 분석한 결과, PCS의 충전 운전과 방전 운전에 대하여 거의 동일한 값을 가짐을 알 수 있었다.
(2) IGBT와 방열판 사이에 존재하는 기생 커패시턴스의 크기에 따른 누설전류의 특성을 분석한 결과, 기생 커패시턴스의 크기가 0.5[nF]에서 1.28[nF] 으로 증가함에 따라, PCS측 누설전류의 RMS값도 7[mA]에서 34[mA]로 증가함을 알 수 있었다.
(3) IGBT측과 배터리측의 누설전류의 방향을 확인하기 위하여, 순시파형을 분석한 결과, IGBT측과 배터리 측의 누설전류 순시파형 위상이 반대임을 알 수 있어 IGBT측에서 발생한 누설전류가 배터리 측으로 유입될 가능성이 있음을 알 수 있었다.
(4) 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 PCS 스위칭에 의해 발생하는 누설전류보다 훨씬 큰 값을 가지고 있음을 알 수 있고, 또한 접지저항의 값이 증가함에 따라 누설전류는 접지저항을 통해 대지로 모두 흘러 들어가지 않고 배터리와 PCS의 외함으로 유입될 수 있음을 확인하였다.
따라서, 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 PCS 스위칭에 의해 발생하는 누설전류보다 훨씬 큰 값을 가지고 있음을 알 수 있고, 또한 접지저항의 값이 증가함에 따라 누설전류는 접지저항을 통해 대지로 모두 흘러 들어가지 않고 배터리와 PCS의 외함으로 유입될 수 있음을 확인하였다. 즉, 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 Fig.
알 수 있었다. 또한, 계통불평형 전류로 인해 발생하는 누설전류는 PCS 스위칭에 발생하는 누설전류보다 훨씬 큰 값을 가짐을 알 수 있었고, 외함의 저항과 접지저항의 크기에 따라 배터리측으로 흐르는 누설전류의 크기가 좌우되어 배터리측에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
상기의 모델링을 바탕으로 파라미터 분석에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 정상 상태 운전 시 IGBT측 기생 커패시턴스에 따라 누설전류가 좌우됨을 확인할 수 있었고 누설전류의 순시파형을 분석한 결과, IGBT 측에서 발생한 누설전류가 배터리측으로 유입될 가능성이 있음을 알 수 있었다. 또한, 계통불평형 전류로 인해 발생하는 누설전류는 PCS 스위칭에 발생하는 누설전류보다 훨씬 큰 값을 가짐을 알 수 있었고, 외함의 저항과 접지저항의 크기에 따라 배터리측으로 흐르는 누설전류의 크기가 좌우되어 배터리측에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
여기서, IGBT측과 배터리 측의 누설전류는 크기 가동일하고 방향이 반대임을 알 수 있다. 즉, IGBT 측에서 발생한 누설전류가 접지상태(접지저항)에 따라 배터리 측으로 유입될 가능성이 있음을 알 수 있고, IGBT측 기생 커패시턴스가 증가함에 따라 누설전류도 증가하여, 배터리에 악영향을 끼칠 가능성을 확인할 수 있었다.
확인하였다. 즉, 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 Fig. 16과 같이 배터리와 PCS의 외함으로 유입되고, 접지저항이 클수록 유입되는 누설전류의 크기가 증가하여 배터리에 지속적인 악영향을 미칠 가능성이 있음을 확인하였다.

후속연구

향후에는 전기저장자치의 전기적인 위해요인이 될 수 있는 누설전류를 저감하기 위하여, IGBT와 방열판 사이의 기생 커패시턴스를 감소시킬 수 있는 설계기법이 요구되며, 적절한 접지저항의 관리나 중성점 접지저항기 (NGR)를 설치하여 계통측의 불평형에 의한 누설전류를 저감시킬 수 있는 방안이 마련되어야 한다.

참고문헌 (11)

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TOSHIBA, "EMC Design of IGBT Module"

저자의 다른 논문 :

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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