2.1 피뢰구역(LPZ) 정의

일반적으로 배전계통으로 유입되는 뇌격전류는 뇌 전자계 펄스(LEMP)에 의해 발생되며, 이로 인해 구조물 자체나 구조물의 내부시스템(전기·전자·정보통신시스템) 등이 손상될 수 있다. 또한, 기존 전력계통은 패러다임 변화로 인해, 신재생에너지 및 대규모 에너지저장장치와 같은 분산전원의 연계가 이루어지고 있으며, 이러한 ESS는 설치장소에 따라 외란과 같은 전기적 위해 요인이 다양하여, 뇌격에 대한 보호시스템이 요구된다. 이를 위해 뇌 보호 영역(LPZ) 해석을 통해, ESS가 설치되는 위치와 외부환경에 대한 노출 빈도를 분석하여, 적정한 보호협조 체계를 구성할 수 있다. 먼저, 환경에 맞는 뇌격보호를 위하여 IEC 62305-1 및 IEC 62305-3에 따라, 그림 1과 같이 LEMP에 대한 일반적인 LPZ를 설정할 수 있으며, 이에 대한 각 LPZ의 정의는 표 1과 같다^(9-11). 즉, LPZ에 따른 경계구간의 분류를 통해 보호인입구에 대한 정의함으로써, 뇌격전류로부터 전기설비를 보호하는 SPD의 설계방안에 적용할 수 있다.

그림. 1. LPZ의 일반적인 개념

Fig. 1. General concept of LPZ

또한, 그림 2는 LEMP로부터 전기설비(시스템)를 보호하기 위한 예시를 나타낸 것으로, ① ~ ⑥은 전기설비 시스템을 포함한 구조물을 나타내며, S1 ~ S4는 LEMP의 유입 경로를 표현한 것이다. 즉, LPZ에 따른 경계구간에 대한 정의를 통해, 각 경계구간별 보호인입구에 SPD를 적용하여 적정한 보호협조가 이루어지도록 구성하여야 하며, 각 항목에 대한 정의는 표 2와 같다⁽¹¹⁾.

그림. 2. LEMP에 따른 전기전자 시스템의 보호

Fig. 2. Protection of electrical and electronic systems against LEMP

2.2 서지보호장치에 의한 보호협조

ESS로 유입되는 LEMP로부터 시스템을 보호하기 위해서, 공간차폐물과 협조된 SPD를 이용한 보호협조를 통해 LEMP 보호장치(LEMP protection measurement system, LPMS)를 구성할 수 있다. 즉, 이러한 보호협조는 내부시스템 보호를 위한 IEC 62305-4의 뇌 보호영역(LPZ) 해석을 통해 여러 형태로 구성되며, 그림 3(a) ~ (d)는 대표적인 4개의 예시를 나타낸 것이다⁽¹¹⁾. 여기서, H는 전자계, U와 I는 전자계에 의해 유도된 전압과 전류를 의미하며, 실선은 차폐물, 점선은 비차폐물의 경계를 나타낸다. 또한, 그림 3(a)는 복수의 차폐구조물과 보호협조된 SPD를 이용한 LEMP 보호장치이고, 그림 3(b)는 LPZ1의 차폐구조물과 LPZ1의 인입구에 SPD를 이용한 LPMS이다. 또한, 그림 3(c)는 선로차폐 및 LPZ1에 대한 SPD를 이용한 LPMS 이고 그림 3(d)는 SPD 보호협조만으로 구성된 LPMS에 대해 나타낸다. 한편, 각각의 파라미터 값은 보호범위에 따라 0에서부터 n차 순으로 정의되며, 차수가 증가할수록 보호 레벨은 낮아지게 된다. 즉, 그림 3에서 주 배전반(MB)에 접속하는 서지보호장치인 SPD는 뇌격 $U_{0}$, $I_{0}$에 대해 IEC 61643-12의 I등급에 해당되는 장치로 보호한다. 또한, SPD(MB)에 의해 뇌격이 감쇄되어 $U_{0}>U_{1}$, $I_{0}> I_{1}$이므로, 보조 배전반(SB)은 II등급 SPD를 사용하여 보호할 수 있으며, 차수가 증가할수록 SPD의 보호 레벨은 낮아질 수 있다.

3.1 ESS 제어전원의 구성

일반적으로, ESS는 그림 4과 같이 제어 시스템(control subsystem), 보조 시스템(auxiliary subsystem), 주 시스템(primary subsystem)으로 구성된다. 전력연계점(Power of common, POC)을 기준으로 보조전원을 사용하는 장비의 전력연계점의 위치에 따라, 그림 4(a)의 보조 POC가 없는 ESS와 그림 4(b)의 보조 POC가 있는 ESS로 분류할 수 있다⁽¹²⁾. 여기서, 제어 시스템은 ESS의 운전 및 제어를 위한 통신 시스템과 보호 시스템, 관리 시스템 등으로 구성되며, 주 시스템의 전력변환장치(PCS) 및 배터리부에 연계되어 구성된다.

그림. 4. 일반적인 ESS의 설계

Fig. 4. Typical architectures of ESS

3.2 2-포트 서지보호장치의 최적설계 방안

일반적으로 MW급 이상의 ESS는 그림 5와 같이 컨테이너와 같은 금속도체로 절연된 외부구조물 내부에 설치된다. 여기서, 그림 5는 ESS의 제어 시스템, 보조 시스템, 주 시스템 모두를 포함한 컨테이너형 구조물의 예시를 나타낸 것이며, 표 3은 그림 5의 각 지점((1) ∼ (4))에 대하여 LPZ 해석에 따른 SPD 적용 타입의 분류를 나타낸다⁽¹¹⁾.

그림. 5. 컨테이너형 ESS의 구조물 예시

Fig. 5. Architecture example of container-typed ESS

또한, 그림 6은 차폐구조물과 LPZ1의 인입구에 SPD를 설치한 LPMS의 구조를 나타낸 것이고, 기존에는 병렬형 1-포트 SPD가 사용되고 있다. 여기서, 1-포트 SPD는 전력계통에 연결되는 POC에 병렬구조로 연결되며, 접속되는 연결선의 길이에 따라 제한전압이 상승하는 문제점을 가지고 있다^(7-8). 한편, 직렬구조인 2-포트 SPD는 연결선의 길이의 영향을 받지 않고, 인입전류를 제한하는 기능(감결합요소, NCT)에 의하여 제한전압을 낮춰주는 특성을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 2-포트 SPD를 이용하여, ESS의 각종 제어장치에 대한 전원공급부를 안정화 시킬 수 있는 보호협조 방안을 제시한다.

그림. 6. LPMS를 이용한 ESS 보호 설계

Fig. 6. Protection design of ESS with LPMS

4.1 2-포트 서지보호장치의 구성

그림 4와 같이, ESS는 보조 POC가 없는 경우와 보조 POC가 있는 경우에 따라 분류되는데, 보조 POC가 없는 경우, 직렬형 감결합 요소(NCT)는 ESS와 1:1 용량이 요구되어 적용하기 어렵고, 대부분의 제어전원은 보조 POC를 사용하고 있다. 일반적으로, 보조 POC를 사용하는 제어전원은 용량이 상대적으로 작고 변동폭이 크지 않아, 2-포트 SPD를 적용하기에 적합하다. 따라서, 3장에서 제안한 설계방안을 바탕으로, 보조 POC를 사용하는 ESS 제어전원용 SPD를 구현하면 그림 7과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 7은 2-포트 SPD와 PCS, BPU, 배터리로 구성되어 있으며, PMS 및 배터리의 BMS와 PCS의 제어전원이 2-포트 SPD에 연결되는 구조이다. 따라서, ESS의 제어전원공급장치에 적정한 용량의 2-포트 SPD를 설계하면, 안정적인 전원을 공급하여 신뢰성 있는 운용이 가능하다.

그림. 7. 보조 POC가 있는 경우의 2-포트 LEMP 보호설계

Fig. 7. Protection design of 2-Port LEMP with auxiliary POC

그림 7에서 점선으로 나타낸 ESS 제어전원용 2-포트 SPD에 대한 상세 회로도는 그림 8과 같다. 여기서, 그림 8은 크게 배전반, UPS 그리고 LEMP 보호부로 구성되며, LEMP 보호부는 2개의 SPD 및 DS가 병렬로 연결되고, NCT가 직렬로 연결된다. 또한, 표 4는 그림 8의 각종 보호소자에 대한 제원을 나타낸 것으로, 여기서는 1MW급 PCS를 대상으로 용량을 산정한 것이다.

그림. 8. 제어전원 공급장치용 LEMP 보호장치의 구성

Fig. 8. Configuration of LEMP protection device for control power supply system

4.2 2-포트 서지보호장치의 검증

저압 배전계통에 연결되는 전기설비의 임펄스 전압 절연내력의 기준은 IEC 60364-4-44에 따라 표 5와 같이 나타낼 수 있다⁽¹³⁾. 본 논문에서는 표 5에 근거하여, ESS용 제어전원공급장치의 서지내성 목표 값을 230/400, 277/480V 구간에서 특별 보호장비에 해당하는 1.5kV 이하로 선정한다. 또한 목표값 이하의 특성을 가지는 ESS 제어전원용 2-포트 SPD를 설계하고, 실제 제한전압 특성시험을 통해 검증한다.

5.1 시험장치 구성

본 논문에서는 ESS 제어전원용 2-포트 SPD의 특성을 분석하기 위하여, 그림 9및 표 6과 같이 시험장치를 구성한다. 그림 9와 같이, 본 연구에서 제안한 2-포트 SPD의 입력단 및 출력단에 High Voltage Prove를 이용하여 전압을 측정하고, 입력단에서는 Rogowski Coil을 사용하여 전류를 측정한다. 또한, 표 6는 특성시험에 사용된 계측장치의 제원을 나타낸다.

그림. 9. 2-포트 서지보호장치용 시험장치 구성

Fig. 9. Configuration of test equipment for 2-port LPMS

상기에서 구성한 ESS 제어전원용 2-포트 SPD의 시험장치는 그림 10과 같고, III등급 조합파 시험장치는 그림 10(a)이고, II등급 임펄스파 시험장치는 그림 10(b)와 같다.

그림. 10. 2-포트 서지보호장치의 서지내성 시험장치의 구성

Fig. 10. Configuration of surge withstand test equipment for 2-port LEMP

5.2 III등급 조합파 시험에 의한 제한전압 특성분석

ESS 제어전원용 2-포트 SPD에 대한 III등급 제한전압 특성시험은 IEC 61643-11 시험에 부합하는 조합파 시험장치를 이용하였으며, 시험조건은 표 7과 같다. 여기서, IEC 61643-11과 ANSI/IEEE C62.41의 카테고리 A(Indoor), B(Outdoor로부터 10m 이내), C(Outdoor)에 대해 각각 C1, C2, C3로 구분하여 시험한다.

상기 시험조건에 따라 제한전압특성을 분석한 결과, 먼저, C1의 시험조건에서 제한전압의 파형을 나타내면 그림 11과 같고, 그림 11(a)는 1차측 MCB 전압, 그림 11(b)는 2차측 MCB 전압을 나타낸다. 여기서, C1의 경우 SPD의 1차측 MCB의 전압은 약 1,169V이며, 2차측 MCB의 전압은 501V로 측정되었다.

그림. 11. 조합파에 의한 제한전압 특성시험

Fig. 11. Residual voltage characteristics by combination wave(C1 : 6kV, 3kA)

상기와 동일한 방법에 의하여, C2 및 C3의 제한전압 특성을 나타내면 표 8과 같고, 여기서 C2의 경우 1차측 및 2차측 MCB 전압은 각각 1,577V, 682V이다. 또한, C3의 경우는 1차측 및 2차측 MCB 전압은 각각 2,434V, 762V로써, 2차측 MCB 전압이 2-포트 SPD에 의해 서지내성 목표값 미만으로 저감됨을 알 수 있다. 즉, III등급 조합파를 인가하는 경우, C1, C2, C3의 모든 시험 조건에서 서지내성 목표 값인 1.5kV 이하로 제한전압이 유지됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제시한 ESS 제어전원용 2포트 SPD의 설계방안이 유효함을 확인할 수 있다.

5.3 II등급 임펄스파 시험에 의한 제한전압 특성분석

ESS 제어전원용 2-포트 SPD에 대한 II등급 제한전압특성시험은 IEC 61643-11 시험에 부합하는 임펄스파 발생장치를 이용하며, 시험조건은 표 9와 같다. 여기서, 정극성 및 부극성의 파형을 (+)극과 중성선, (+)극과 접지, 중성선과 접지 사이에 인가하여, 각각의 제한전압을 측정한다.

상기 시험조건에 따라 제한전압 특성을 분석한 결과, 먼저 L-N 제한전압의 파형은 그림 12와 같으며, 그림 12(a)는 정극성 임펄스를 인가한 경우의 2차측 MCB 전압 및 전류이고, 그림 12(b)는 부극성 임펄스를 인가한 경우 2차측 MCB 전압 및 전류를 나타낸다. 여기서, 정극성 임펄스의 경우, 2차측 MCB의 입력 및 출력 전압은 각각 964V, 376V이며, 부극성 임펄스의 경우, 2차측 MCB의 입력 및 출력 전압은 각각 760V, 331V이므로, L-N 전압특성 시험에서 정극성 및 부극성 임펄스 모두 서지내성 목표값 미만임을 알 수 있다.

그림. 12. 임펄스파에 의한 제한전압 특성시험

Fig. 12. Residual voltage characteristics by impulse wave

상기와 동일한 방법에 의하여, L-PE 및 N-PE의 경우 제한전압특성을 나타내면 표 10과 같고, 여기서 L-PE 정극성 임펄스의 경우 2차측 MCB의 입력 및 출력 전압은 각각 876V, 442V이며, 부극성 임펄스의 경우 각각 693V, 331V이다. 또한 N-PE 정극성 임펄스의 경우 2차측 MCB의 입력 및 출력 전압은 각각 920V, 287V이며, 부극성 임펄스의 경우 각각 738V, 133V이므로, L-PE 및 N-PE의 전압특성 시험에서 정극성 및 부극성 임펄스 모두 서지내성 목표값 미만임을 알 수 있다. 즉, II등급 임펄스파를 인가하는 경우, 정극성 및 부극성의 모든 시험 조건에서 2-포트 SPD 내부에 직렬로 구성된 감결합 요소인 NCT에 의해, 서지내성 목표 값인 1.5kV 이하로 제한전압이 유지됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제시한 ESS 제어전원용 2포트 SPD의 설계방안이 유효함을 확인할 수 있었다.