[논문]ESS용 변압기의 접지방식에 의한 CMV 모델링 및 특성에 관한 연구

최성문; 김승호; 김미영; 노대석

doi:10.5762/kais.2021.22.4.587

ESS용 변압기의 접지방식에 의한 CMV 모델링 및 특성에 관한 연구
A Study on Characteristics and Modeling of CMV by Grounding Methods of Transformer for ESS 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.4, 2021년, pp.587 - 593

최성문 (한국기술교육대학교) , 김승호 (세방전기) , 김미영 (호원대학교) , 노대석 (한국기술교육대학교)

초록
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2017년을 시작으로 2020년 6월까지 총 29건의 화재사고가 발생하여 많은 재산피해가 보고되고 있으며, 전기적인 위해요인중의 하나인 공통모드 전압(CMV: common mode voltage)이 화재원인으로 추정되고 있다. 즉, ESS가 설치되어 있는 수용가의 연계용 변압기는 분산전원연계기준에 따라 Y-△결선방식을 채용해야 하지만, 일부 수용가들은 기존의 △-Y 결선방식을 적용하고 있으며, 실제 ESS 운용현장에서 배터리 측 절연레벨을 초과하는 CMV가 발생한 사례가 보고되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 실제 ESS가 운용되는 사이트에서 발생하는 CMV의 특성을 분석하고, 이를 검증하기 위하여 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 AC전원부, PCS부, 배터리 부로 구성된 ESS 사이트의 모델링을 수행한다. 상기의 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 실제 측정 결과와 유사하게 PCS용 내부변압기 중성점의 접지방식에 따라 CMV의 특성이 크게 달라지고, 중성점이 접지된 경우 CMV의 값이 정격전압을 초과하여 배터리 측 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 또한, PCS용 내부변압기의 중성점을 비접지로 운용한 경우, CMV가 크게 감소하여, 전기설비기준의 절연레벨을 만족하는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since 2017, a total of 29 fire accidents have occurred in energy storage systems (ESSs) as of June 2020. The common mode voltage (CMV) is one of the electrical hazards that is assumed to be a cause of those fire accidents. Several cases of CMV that violate the allowable insulation level of a battery section are being reported in actual ESS operation sites with △-Y winding connections. Thus, this paper evaluates the characteristics of CMV. An ESS site was modeled with an AC grid, PCS, and battery sections using PSCAD/EMTDC software. As a result of a simulation based on the proposed model, it was confirmed that characteristics of CMV vary significantly and are similar to actual measurements, depending on the grounding method of the internal transformer for PCS. The insulation level of the battery section may be severely degraded as the value of CMV exceeds the rated voltage in case of a grounding connection. It was found that the value of CMV dramatically declines when the internal transformer for PCS is operated as non-grounding connection, so it meets the standard insulation level.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Configuration of ESS
그림 Fig. 2. Concept of noise mechanism in ESS
그림 Fig. 3. Location of CMV measurement in ESS
그림 Fig. 4. Waveform components of CMV in ESS
그림 Fig. 5. Configuration of real ESS site in Gyeonggi-do
그림 Fig. 6. CMV measurement method of battery rack
그림 Fig. 7. Measurement result of CMV in grounding method of internal transformer for PCS
그림 Fig. 8. Measurement result of CMV in non-grounding method of internal transformer for PCS
그림 Fig. 9. Modeling of AC grid section
그림 Fig. 10. Modeling of PCS section
표 Table 1. CMV and △V values according to grounding method
그림 Fig. 11. Modeling of battery section
그림 Fig. 12. CMV modeling for battery section
그림 Fig. 13. Modeling of entire system
표 Table 2. Test conditions
그림 Fig. 14. CMV waveforms in grounding system
그림 Fig. 15. CMV waveforms in non-grounding system

AI 본문요약
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문제 정의

상기에서 언급한 바와 같이, PCS용 내부변압기의 접지유무에 따라 CMV 및 △V의 값을 비교하면 Table 1과 같다. 따라서 본 논문에서는 상기의 측정결과를 검증하기 위하여, PCS 용 내부변압기의 중성점 접지유무에 따른 CMV의 모델링 및 특성을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 ESS에서 발생한 화재 원인중 하나로 거론되고 있는 CMV 현상을 정의하고, 실 계통에서 발생한 사례를 분석하였다. 또한, PSCAD/EMTDC를 이용해 실제 ESS가 설치 및 운용되고 있는 사이트의 CMV를 모델링하였으며, 이를 바탕으로 연계용 변압기의 접지방식에 따른 CMV의 특성분석을 수행하였다.

제안 방법

사례를 분석하였다. 또한, PSCAD/EMTDC를 이용해 실제 ESS가 설치 및 운용되고 있는 사이트의 CMV를 모델링하였으며, 이를 바탕으로 연계용 변압기의 접지방식에 따른 CMV의 특성분석을 수행하였다. 이에 대한 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

9[kV]용 주변압기(45/60[MVA])는 3권선 Yg-Yg- ∆결선방식이고, 3차 권선은 제 3고조파를 제거하기 위하여 ∆결선을 채용한다. 그리고, 고압선로는 3상 4선식의 π형 등가회로이며, 선종은 ACSR 160[^]이고, 연계용 변압기(22.9/0.38[kV])는 ∆-Yg 방식을 사용한다.

성능/효과

(1) ESS가 설치 및 운용되고 있는 사이트에서 PCS용 내부 변압기 중성점이 접지되어 있는 경우, CMV 의 값을 측정한 결과, 1, 162[V]가 분석되어 정격전압의 3배를 초과하여, 배터리 측 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 수 있음을 확인하였다.
(2) ESS가 설치 및 운용되고 있는 사이트에서 PCS용 내부 변압기 중성점이 비접지되는 경우, CMV의값을 측정한 결과, 296[V]로 크게 감소하여, 전기설비기준의 절연레벨을 만족함을 알 수 있었다.
(3) PSCAD/EMTDC를 이용하여 AC전원부, PCS부, 배터리 부로 구성된 대상 ESS 사이트를 모델링하여 중섬점을 비접지 시킨 경우에 대하여 CMV 값을 분석한 결과 354[V]로 산정되어, 실제 사이트에서 계측한 294[V]와 거의 유사함을 확인하였다.
(4) 본 연구에서 제시한 모델링에 의하여 산정된 값 과실 계통에서 계측된 값을 비교 분석한 결과, PCS 용 내부변압기 중성점 접지방식에 따라 CMV 값이 변화함을 알 수 있었다.
따라서, 본 논문에서는 ESS가 설치 및 운용되고 있는 사이트에서 CMV를 실측한 결과 배터리의 절연 레벨을 초과하는 전압이 측정되어, 배터리에 큰 피해를 주고 있음을 알 수 있었다. 또한, PCS용 내부변압기의 중성점 접지방식에 따른 CMV 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션을 수행하여 실제 계측 값과 시뮬레이션 값을 비교한 결과, PCS용 내부변압기의 중성점을 접지한 경우, CMV 값이 전기설비기준의 절연레벨(DC 정격전압의 3배)을초과하여, 배터리측의 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 가능성이 있음을 알 수 있었다.
이 그림에서와 같이 CMV는 1, 200[V], △V는 1, 400[V]가 산정되는데, 실 계통의 CMV 측정치인 1, 162[V], △V의 측정치인 1, 609[V]와 유사함을 확인하였다. 따라서, 시뮬레이션 결과에 의해서도, CMV 값이 전기설비기준의 절연레벨(정격전압의 3 배, 2, 124[V])을 초과하여, 배터리측의 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 가능성이 있음을 확인하였다.
2[V]가 산정되는데, 실 계통의 CMV 측정치인 296[V]와 유사함을 확인하였다. 따라서, 시뮬레이션 결과에 의해서도, PCS 용 내부변압기의 중성점을 비접지하는 경우에 대하여, CMV 및 △V가 크게 감소하여, 전기설비기준의 절연 레벨도 만족함을 알 수 있었다.
알 수 있었다. 또한, PCS용 내부변압기의 중성점 접지방식에 따른 CMV 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션을 수행하여 실제 계측 값과 시뮬레이션 값을 비교한 결과, PCS용 내부변압기의 중성점을 접지한 경우, CMV 값이 전기설비기준의 절연레벨(DC 정격전압의 3배)을초과하여, 배터리측의 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 가능성이 있음을 알 수 있었다. 한편, 중성점을 비접지로 운용한 경우, 배터리 측 절연레벨을 만족하는 CMV값으로저감시킬 수 있음을 알 수 있었고, 또한, 실 계통에서 측정한 결과와 시뮬레이션 결과가 유사하여, 본 논문에서 제시한 모델링 방안이 유효함을 확인하였다.
또한, PCS용 내부변압기의 중성점 접지방식에 따른 CMV 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션을 수행하여 실제 계측 값과 시뮬레이션 값을 비교한 결과, PCS용 내부변압기의 중성점을 접지한 경우, CMV 값이 전기설비기준의 절연레벨(DC 정격전압의 3배)을초과하여, 배터리측의 절연레벨에 심각한 악영향을 줄 가능성이 있음을 알 수 있었다. 한편, 중성점을 비접지로 운용한 경우, 배터리 측 절연레벨을 만족하는 CMV값으로저감시킬 수 있음을 알 수 있었고, 또한, 실 계통에서 측정한 결과와 시뮬레이션 결과가 유사하여, 본 논문에서 제시한 모델링 방안이 유효함을 확인하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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SAMSUNG SDI, "ME2A_E3 ESS Battery System Installation Manual", Supplement 2. CMV Measurement, 2019.

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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