불평형 부하전류와 DC 접지전위 상승을 고려한 ESS용 연계변압기의 철공진 특성에 관한 연구

태동현; 김지명; 곽충근; 이민행; 이예빈; 노대석

doi:10.5762/KAIS.2023.24.10.836

주제분류

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저널정보

한국산학기술학회
한국산학기술학회 논문지 학술저널
한국산학기술학회논문지 제24권 제10호
2023.10 836 - 847 (12page)
DOI : 10.5762/KAIS.2023.24.10.836

저자정보

태동현 (한국기술교육대학교)
김지명 (한국기술교육대학교)
곽충근 (한국기술교육대학교)
이민행 (한국기술교육대학교)
이예빈 (한국기술교육대학교)

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최근, 리튬이온전지를 기반으로 한 대용량 ESS의 화재사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 많은 재산피해가 보고되고 있는 실정이다. 이러한 화재사고의 원인으로 계통측 불평형과 접지전위 상승 문제가 하나의 요인으로 추정되고 있다. 특히, 연계변압기측의 불평형 부하전류와 대규모 태양광전원에 의한 DC 접지전위 상승이 자화전류에 영향을 미쳐, 의도치 않게 변압기의 철심이 포화되고 철공진 가능성을 증가시켜 ESS에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 ESS의 PCS 필터가 철공진에 미치는 영향을 분석하고, 도식적인 해석수법을 이용하여 불평형 부하전류와 DC 접지전위 상승을 고려한 철공진 발생 메커니즘을 제시한다. 또한, 상기의 해석수법을 바탕으로 적정용량의 PCS 필터를 제시하는 철공진 방지 알고리즘과 열화 및 운용환경을 고려한 MOV 운용 알고리즘을 제안한다. 그리고, 전력계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용해 배전계통부, 태양광전원부 및 배터리부로 구성된 철공진 발생 메커니즘에 대한 모델링을 수행한다. 상기의 메커니즘과 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 불평형 부하전류와 DC 접지전위 상승이 ESS용 연계변압기의 철심을 더욱 포화시키고, 차단기 동작 시 철공진 전압이 최대 2.9[pu]까지 증가하여, 연계용변압기 2차측의 배터리에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있음을 알 수 있다. 한편, 본 연구에서 제안한 철공진 방지 알고리즘에 의하여, 적정용량의 PCS측 필터와 MOV를 설치하면, 효과적으로 철공진 현상을 방지하여 ESS의 안전성에 기여함을 알 수 있어 본 논문의 유효성을 확인하였다.

Recently, fires in a large scale ESS (energy storage system) based on lithium-ion batteries have occurred frequently, and much property damage has been reported. Unbalanced load current on the grid side and rising ground potential in a PV system are estimated to be major causes of fires in an ESS. The unbalanced load current on the grid-connected transformer side and rising DC ground potential caused by a large-scale PV system can influence the magnetizing current in the transformer, and the ESS can be adversely affected by unintentional saturation of the iron core, which may increase the possibility of a ferro-resonance phenomenon. Therefore, this paper presents a mechanism of a ferro-resonance phenomenon by using graphical solutions based on the analysis of ferro-resonance effects by the capacitance of a PCS (power conditioning system) filter. We propose an operation algorithm to prevent a ferro-resonance phenomenon by using an appropriate PCS filter and MOV (metal oxide varistor) based on the graphical solutions and the deterioration and environment conditions. Furthermore, we performed modeling of a ferro-resonance mechanism using PSCAD/EMTDC, which is composed of a distribution system, PV system, and ESS. From the simulation results based on the proposed ferro-resonance mechanism and modeling, it was confirmed that high ferro-resonance voltage up to 2.9 pu can seriously influence the battery system due to saturation of the iron core in the transformer caused by unbalanced load current and rising DC ground potential. The proposed operation algorithm to prevent ferro-resonance could contribute to stable operation of an ESS by installing optimal capacity of a PCS filter and MOV.

#DC Ground Potential Rising #ESS #Ferro-resonance #Iron Core Saturation #Unbalanced Load Current