2.1 ESS의 구성

ESS는 사용 목적에 따라 전력을 저장 및 공급하는 전기저장장치로, 전기에너지를 직류형태로 저장하는 배터리와 전력을 충·방전하기 위한 PCS로 구성된다⁽⁶⁾. 이러한 ESS는 주파수 조정, 수요관리, 신재생에너지 연계 등의 운용목적에 따라 충·방전 시간(kWh)과 출력용량(kW)이 결정되고, 이를 바탕으로 PCS의 용량과 배터리의 용량이 산정된다. 한편, PCS의 용량은 수백 kW급부터 수 MW급으로 구성되며, PCS 단위를 단일로 연결하거나 여러 대를 병렬로 연결하여 구성 되어진다⁽⁷⁾. 여기서, 그림 1은 PCS의 용량에 따른 ESS의 구성을 나타내며, 그림 1(a)와 같이, PCS를 단일로 구성하는 경우 하나의 PCS에 모든 배터리가 연계되고 이에 따라 배터리의 합성 임피던스가 감소하여 사고에 대한 위험성이 증가할 가능성이 있다. 또한, 그림 1(b)와 같이, 다수의 PCS를 병렬 구성하는 경우 각 PCS에 배터리가 분산되어 상대적으로 사고에 대한 위험성이 감소할 수 있다.

그림. 1. ESS의 구성

Fig. 1. Configuration of ESS

2.2 ESS의 사고유형 분석

민관합동으로 제시한 “1차 ESS 화재사고 원인조사 결과보고서”에 의하면⁽⁸⁾, 1MW/500kWh ESS의 구성품 및 시스템 단위로 사고시험을 수행한 결과, 전기충격에 대한 보호체계가 미흡한 ESS 사이트에서 DC측에 단락이 발생할 경우 배터리부에서 약 20kA의 사고전류가 발생하여 배터리의 열폭주에 의하여 화재가 발생함을 알 수 있다. 또한, 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우 배터리 결선 케이블에 소손 및 화재가 발생함을 알 수 있으며, PCS 내부의 스위칭 소자의 소손(암 단락)으로 사고가 발생하는 경우, 계통과 배터리 측으로부터 대전류가 유입될 가능성이 있고, PCS 교류 측에서 지락이 발생할 경우 배터리 측에 CMV 등의 전기적 충격이 발생할 가능성이 있다. 한편, DC측에서 지락이 발생할 경우, 사고전류가 거의 발생하지 않고 ESS 설비에 영향을 주지 않으므로 주요 사고유형으로 고려하지 않지만, DC 지락으로 인하여 절연이 악화되면 단락사고로 이어질 수 있다⁽⁹⁾. 상기의 내용을 바탕으로 그림 2와 같이, 사고발생 가능성이 높은 ①, ②의 DC측 단락과 ③의 PCS 암 단락, ④의 AC측 지락을 주요 사고유형으로 선정할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 상기에서 제시한 사고유형과 PCS의 용량 및 배터리의 용량 등의 ESS의 구성조건에 따라 사고의 위험성을 파악하고, 이를 토대로 사고유형별 안전성 등급의 평가방안을 제시하고자 한다.

그림. 2. ESS의 사고유형

Fig. 2. Fault cases of ESS

2.3 ESS의 사고유형별 안전성 평가방안

시스템의 안전성을 평가하기 위해서는 설비를 구성하고 있는 다양한 요소들에 대한 위험성을 분석해야 하는데, 일반적으로 RPN 방식이 가장 많이 사용되고 있으며, 심각도, 발생도, 검출도를 고려하여 산정된다. 여기서, 심각도는 고장 발생 시 고객에 미치는 심각성, 발생도는 시스템 고장에 대한 발생 가능성, 검출도는 잠재적 고장에 대한 발견 가능성을 나타낸다^(10,11). 또한, 각 요소에 대한 위험등급은 그림 3과 같이 나타낼 수 있는데, 낮은 등급일수록 위험에서 안전하고, 높은 등급일수록 위험에 노출될 확률이 증가하는 것을 의미한다. 한편, 상기에서 제시한 평가방안은 등급에 대한 분류 기준이 많고 운용함에 있어 다소 복잡하며, 심각도, 발생도, 검출도가 각각 동일한 가중치를 갖는 한계점이 있으므로 본 논문에서는 그림 4와 같이 실제 운용조건을 고려한 위험등급으로 분류한다. 사고의 심각도는 사고사례를 반영한 사고유형별 영향도와 사고전류 크기를 종합적으로 고려하여 “low”, “medium”, “high”, “very high”로 평가한다. 여기서, 사고유형별 영향도는 2.2절에서 제시한 ESS의 사고사례 분석을 바탕으로 “low”, “medium”, “high”, “very high”로 분류하는데, 먼저 DC 전로 단락은 배터리의 열폭주에 의하여 화재가 발생한 사례를 통해 “very high”로 평가하고, PCS 암 단락은 연계계통과 배터리 랙에서 사고전류가 유입되어 PCS의 스위칭 소자의 소손이 발생한 사례를 바탕으로 “high”로 분류한다. 또한, 배터리 랙 단락은 배터리 결선 케이블에 소손이 발생한 사례를 바탕으로 “medium”으로 평가하며, AC측 지락은 사고발생 시 배터리 랙용 MC에 소손이 발생한 사례를 통해 “medium”으로 분류한다. 한편, 사고전류 크기는 상기의 “원인조사 결과보고서”을 바탕으로 약 20kA의 사고전류에 의하여 배터리의 열폭주로 화재가 발생한 사례를 바탕으로 20[kA] 이상이면 “very high”로 평가하고, 사고전류가 20[kA]보다 작고 10[kA] 이상이면 “high”로, 10[kA]보다 작고 정격전류 이상이면 “medium”으로 정격전류 이하이면 “low”로 평가한다. 여기서, 종합적인 심각도는 사고유형별 영향도와 사고전류 크기의 낮은 등급을 따르며, 두 등급 이상의 차이가 발생하면 평균치로 평가한다.

한편, 사고의 발생도는 사고유형의 노출 환경에 따라 평가한다. 여기서, AC측 지락의 사고유형은 외부에 노출되어 사고 발생도가 높아 “high”로 평가하고, PCS 암 단락은 외부에 직접적으로 노출되어 있지 않지만 PCS의 제어방식에 따라 사고가 발생할 가능성이 있으므로 “medium”으로 평가하며, DC 전로 단락과 배터리 랙 단락의 사고유형은 외부에 노출되어 있지 않기 때문에 발생도를 “low”로 상정한다. 또한, 사고의 검출도는 잠재적 사고에 대한 발견 가능성을 나타내며, 사고유형에 따른 보호기기의 설치 개수와 보호기능에 따라 평가한다. 여기서, DC 전로 단락과 배터리 랙 단락의 사고유형은 사고지점 주변에 보호기기가 상대적으로 적게 설치되기 때문에 “high”로 평가하며, AC측 지락의 사고유형은 IMD(insulation monitoring device)을 바탕으로 검출할 수 있지만 동작시간이 늦고, 오동작할 가능성이 있으므로 “medium”으로 분류한다⁽¹²⁾. 또한, PCS 암 단락의 사고유형은 사고지점 주변에 보호기기와 인버터의 보호기기가 있으므로 검출도를 “low”로 평가한다. 한편, RPN에 의한 사고유형별 ESS의 안전성은 상기의 평가방안을 기준으로 심각도, 발생도, 검출도의 위험등급을 결정하고, 이를 바탕으로 정량화하여 종합적으로 판단한다. 여기서, RPN은 심각도, 발생도, 검출도를 곱하여 Eq. 1과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 심각도의 위험등급은 “low”, “medium”, “high”, “very high”로 분류되므로 심각도의 값을 1~4로 하고, 발생도와 검출도의 위험등급은 “low”, “medium”, “high”로 분류되므로 값을 1~3으로 한다.

그림. 3. 기존의 RPN 차트

Fig. 3. Existing RPN chart

그림. 4. 제안된 RPN 차트

Fig. 4. Proposed RPN chart

여기서, $sever y$ : 사고유형별 심각도, $occurence$ : 사고유형별 발생도, $dectection$: 사고유형별 검출도

3.1 배전계통부

PSCAD/EMTDC를 이용하여 배전계통부의 모델링을 수행하면 그림 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 주변압기는 3권선 Yg-Yg-△ 결선방식이며, 3차 권선은 제 3고조파를 제거하기 위하여 델타 결선방식을 채용한다. 또한, 고압 배전선로의 선종은 ACSR 160mm²로 상정한다.

그림. 5. 배전계통부 모델링

Fig. 5. Modeling of distribution system

3.2 PCS부

배터리의 충·방전 기능을 가진 PCS는 그림 6과 같이 L-C 필터, IGBT 모듈, DC-Link 커패시터, DC 전로, DC 차단기 등으로 구성된다. 여기서, PCS의 제어방식은 2-level 방식이며 L-C 필터는 변환된 AC 전원의 고조파 및 노이즈를 제거하는 역할을 수행하고, IGBT 모듈은 DC 전원을 120° 위상차를 갖는 3상 AC로 변환한다. 또한, DC-Link 커패시터는 IGBT의 스위칭 동작에 의한 DC측의 전압을 안정시키는 역할을 수행하며, DC 전로는 배터리 랙간의 전선과 PCS간의 전선으로 구성한다.

그림. 6. PCS부 모델링

Fig. 6. Modeling of PCS section

3.3 배터리부

PSCAD/EMTDC를 이용하여 배터리부를 모델링하면, 그림 7과 같이 나타낼 수 있다. 배터리부는 배터리 랙의 병렬연결로 구성되며, 하나의 배터리 랙은 125[kWh]의 용량을 가지고 전압원과 내부저항, 랙 퓨즈, S/G(switchgear) 임피던스로 구성된다.

그림. 7. 배터리부 모델링

Fig. 7. Modeling of battery section

3.4 사고발생 장치부

ESS에서 사고현상을 모의하기 위한 사고발생 장치부는 그림 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 단락저항은 각각 30[mΩ], 10[mΩ]으로 상정하여, 사고 지점별로 DC측의 단락 및 AC측의 지락을 모의할 수 있다.

그림. 8. 사고발생 장치부 모델링

Fig. 8. Modeling of fault device section

3.5 전체 시스템

PSCAD/EMTDC를 이용하여 배전계통부, PCS부, 배터리부, 사고발생 장치부로 구성된 전체 시스템을 모델링하면 그림 9와 같다. 여기서, Section A는 주변압기, 고압 배전선로 등으로 구성된 배전계통부를 나타내고, Section B는 연계용 변압기와 PCS를 나타내며, Section C는 배터리 랙으로 구성된 배터리부를 나타낸다.

그림. 9. 전체 시스템 모델링

Fig. 9. Modeling of entire system

4.1 시뮬레이션 조건

ESS의 사고유형별 안전성 등급을 평가하기 위하여, 시뮬레이션 조건을 상정하면 표 1과 같다. 여기서, 배전용 변압기는 1,000[kVA]의 용량과 22.9/0.38[kV]의 변압비를 가지고, △-Yg의 결선방식으로 상정한다. 한편, PCS의 용량은 1,000[kW] PCS 1대인 경우와 500[kW] PCS 2대인 경우로 구성하고, 배터리의 용량은 2시간 및 4시간 용량으로 상정한다. 먼저, 1,000[kW]의 PCS의 경우, L-C 필터를 800[uH], 500[uF]으로 상정하고, DC 전로는 30[m] 긍장을 가진 4선의 0.6/1kV XLPE 300[mm²]를 병렬로 구성하며, 전로 저항 및 인덕턴스는 각각 0.6[mΩ], 2.33[uH]으로 상정한다. 또한, 500[kW] PCS 2대를 병렬 연결하는 경우, L-C 필터를 400[uH], 250[uF]으로 상정하고, DC 전로는 30[m] 긍장을 가진 2선의 0.6/1kV XLPE 300[mm²]를 병렬로 구성하며, 전로저항 및 인덕턴스는 각각 1.2[mΩ], 4.66[uH]으로 상정한다. 한편, 단락저항은 사고가 발생한 ESS 사이트의 배터리 제조사와 PCS 제조사가 제시한 수치와 ESS용 배터리 표준을 바탕으로 30[mΩ]과 10[mΩ]을 상정한다^(13,14). 한편, 상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로 단락저항, PCS 용량, 배터리 용량 등의 파라미터에 따른 상정 시나리오를 나타내면 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, Case I ~ Case IV는 단락저항이 30[mΩ], Case V ~ VIII는 단락저항이 10[mΩ]인 경우를 나타낸다. 여기서, Case I과 Case II는 500[kW] PCS 2대가 병렬로 구성되고 배터리 용량이 각각 2시간, 4시간 용량인 시나리오를 나타내고, Case III과 Case IV는 1,000[kW] PCS가 단일로 구성되고 배터리 용량이 각각 2시간, 4시간 용량인 경우를 나타낸다. 한편, Case V ~ Case VIII은 상기의 Case I ~ Case IV와 동일한 시나리오이지만, 단락저항을 변경한 것이다.

4.2 ESS의 사고유형별 사고특성

4.2.1 DC 전로 단락에 의한 사고특성

배터리부와 PCS를 연결하는 DC 전로에서 단락이 발생하는 경우, 가장 가혹한 조건인 Case VIII의 사고특성을 나타내면 그림 10과 같다. 여기서, 그림 10(a)는 사고전류의 흐름도를 나타내고, 그림 10(b)는 배터리부의 사고특성을 나타낸다. 즉, 사고지점에 흐르는 사고전류(①)는 70.7[kA]이고, 전체 배터리 랙(②)으로부터 69.6[kA]의 사고전류가 공급되며, 각 배터리 랙(③)에서는 2.2[kA]의 사고전류가 공급됨을 알 수 있다.

그림. 10. DC 전로 단락 시 사고특성(Case VIII)

Fig. 10. Fault current characteristics with short circuit in DC line(Case VIII)

한편, DC 전로 단락의 시나리오별 사고특성을 나타내면 표 3과 같다. 여기서, 모든 시나리오 조건에 대하여 20[kA] 이상의 사고전류가 발생하므로 DC 전로 단락사고의 위험성이 높음을 알 수 있다. 또한, Case VII과 Case VIII과 같이, PCS에 연계되는 배터리의 용량이 클수록 사고전류가 크게 증가함을 알 수 있고, Case V과 Case VII과 같이, 동일한 배터리 용량에 대하여 1,000[kW] PCS 한대의 경우가 500[kW] PCS 2개를 병렬로 구성한 경우보다 최대 15[kA] 정도 사고전류가 높게 나타남을 알 수 있다.

표 3. DC 전로 단락사고의 시나리오별 사고특성

Table 3. Fault current characteristics with short circuit in DC line

	total fault current[kA]	fault current of entire battery rack[kA]	fault current of single battery rack[kA]
Case I	22.2	21	2.63
Case II	25.2	24.2	1.5
Case III	25.5	24.4	1.5
Case IV	27.5	26.4	0.8
Case V	43.7	42.7	5.3
Case VI	58.7	57.5	3.6
Case VII	58.7	57.5	3.6
Case VIII	70.7	69.6	2.2

4.2.2 배터리 랙 단락에 의한 사고특성

배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우, 가장 가혹한 조건인 Case VIII의 사고특성을 나타내면 그림 11과 같다. 여기서, 그림 11(a)는 사고전류의 흐름도를 나타내고, 그림 11(b)는 배터리부의 사고특성을 나타낸다. 즉, 사고지점에 흐르는 사고전류(①)는 42.7[kA]이며, 사고가 발생한 배터리 랙(②)에서 6.1[kA]의 사고전류가 공급되고, 사고가 발생하지 않은 전체 배터리 랙(③)으로부터 35.5[kA]의 사고전류가 공급되며, 각 배터리 랙(④)에서는 1.1[kA]의 사고전류가 공급됨을 알 수 있다.

그림. 11. 배터리 랙 단락 시 사고특성(Case VIII)

Fig. 11. Fault current characteristics with short circuit in battery rack(Case VIII)

한편, 배터리 랙 단락의 시나리오별 사고특성을 나타내면 표 4와 같다. 여기서, Case I ~ Case III에서는 10~20[kA], Case IV ~ Case VIII에서는 20[kA] 이상의 사고전류가 발생함을 알 수 있다. 또한, Case VII과 Case VIII과 같이, PCS에 연계되는 배터리의 용량이 클수록 사고전류가 크게 증가함을 알 수 있고, Case V와 Case VII과 같이, 동일한 배터리 용량에 대하여, 1,000[kW] PCS 한대의 경우가 500[kW] PCS 2개를 병렬로 구성한 경우보다 최대 5.9[kA] 정도 사고전류가 높게 나타남을 알 수 있다.

표 4. 배터리 랙 단락사고의 시나리오별 사고특성

Table 4. Fault current characteristics with short circuit in battery rack

	total fault current [kA]	fault current of faulted battery rack[kA]	fault current of entire unfaulted battery rack[kA]	fault current of unfaulted battery rack[kA]
Case I	18	4.2	12.8	1.8
Case II	19.3	3.5	14.8	1
Case III	19.3	3.5	14.8	1
Case IV	22	3.1	17.8	0.6
Case V	33	7.3	17.7	2.5
Case VI	39	6.6	31.5	2.1
Case VII	38.9	6.6	31.3	2.1
Case VIII	42.7	6.1	35.5	1.1

4.2.3 PCS 암 단락에 의한 사고특성

전력변환을 수행하는 스위칭 소자(암)에서 단락이 발생하는 경우, 가장 가혹한 조건인 Case VIII의 사고특성을 나타내면 그림 12와 같다. 여기서, 그림 12(a)는 사고전류의 흐름도를 나타내고, 그림 12(b)는 배터리부의 사고특성을 나타낸다. 즉, 사고지점에 흐르는 사고전류(①)는 56.7[kA]이고, 전체 배터리 랙(②)으로부터 55.6[kA]의 사고전류가 공급되며, 각 배터리 랙(③)에서는 1.7[kA]의 사고전류가 발생됨을 알 수 있다.

그림. 12. PCS 암 단락 시 사고특성(Case VIII)

Fig. 12. Fault current characteristics with short circuit in PCS arm(Case VIII)

한편, PCS 암 단락의 시나리오별 사고특성을 나타내면 표 5와 같다. 여기서, Case I에서는 10~20[kA], Case II ~ Case VIII에서는 20[kA] 이상의 사고전류가 발생함을 알 수 있다. 또한, Case VII과 Case VIII과 같이, PCS에 연계되는 배터리의 용량이 클수록 사고전류가 크게 증가함을 알 수 있고, Case V와 Case VII과 같이, 동일한 배터리 용량에 대하여 1,000[kW] PCS 한대의 경우가 500[kW] PCS 2개를 병렬로 구성한 경우보다 최대 12.3[kA] 정도 사고전류가 높게 나타남을 알 수 있다.

표 5. PCS 암 단락사고의 시나리오별 사고특성

Table 5. Fault current characteristics with short circuit in PCS arm

	total fault current[kA]	fault current of entire battery rack[kA]	fault current of single battery rack[kA]
Case I	19.6	18.6	2.3
Case II	22.7	21.6	1.3
Case III	23.5	22.5	1.4
Case IV	25.1	24	0.7
Case V	36.3	35	4.4
Case VI	45.8	44.8	2.8
Case VII	48.6	47.5	3
Case VIII	56.7	55.6	1.7

4.2.4 AC측 지락에 의한 사고특성

연계용 변압기와 PCS를 연결하는 AC 배전선로에서 지락이 발생하는 경우의 사고특성을 나타내면 그림 13과 같다. 여기서, 연계용 변압기가 Yg-△ 결선방식으로 구성되어 지락 사고전류의 경로가 형성되지 않아, 모든 시나리오에서 사고전류가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 사고에 대한 위험성이 상대적으로 낮음을 알 수 있다.

그림. 13. AC측 지락 시 사고특성

Fig. 13. Fault current characteristics with grounded fault in AC line

4.3 사고유형별 ESS의 안전성 평가

상기에서 제시한 사고전류 특성을 바탕으로, 본 연구에서 제시한 안전성 평가방안에 따른 사고유형에 대한 시나리오별 심각도를 나타내면 표 6과 같다. 여기서, DC 전로 단락은 모든 시나리오 조건에서 20[kA] 이상의 사고전류가 발생하여, 심각도를 “very high(4)”로 평가한다. 또한, 배터리 랙 단락은 Case I ~ Case III의 조건에서 10~20[kA]의 사고전류가 발생하여 심각도를 “medium(2)”, Case IV ~ Case VIII에서는 20[kA] 이상의 사고전류가 발생하여 “high(3)”로 평가한다. 한편, PCS 암 단락은 Case I의 조건에서 10~20[kA]의 사고전류가 발생하고 Case II ~ Case VIII에서는 20[kA] 이상의 사고전류가 발생하므로, 심각도를 “high(3)”로 평가한다. 또한, AC측 지락은 모든 시나리오 조건에서 정격전류 이하의 사고전류가 발생하므로, 심각도를 “low(1)”로 평가한다. 한편, 사고유형별 영향도는 2.3절의 안전성 평가방안을 기반으로 산정하고, 종합적인 심각도는 사고유형별 영향도와 사고전류 크기의 낮은 등급을 따르며, 두 등급 이상의 차이가 발생하면 평균치로 평가한다.

또한, 사고유형에 따른 발생도는 노출 환경에 따라 표 7과 같이 평가된다. 여기서, DC 전로 단락과 배터리 랙 단락은 외부에 거의 노출되어 있지 않으므로, 발생도는 “low(1)”로 평가된다. 또한, PCS 암 단락은 외부에 직접적으로 노출되어 있지 않지만, PCS의 제어방식에 따라 사고가 발생할 가능성이 있으므로 “medium(2)”, AC측 지락은 외부에 직접적으로 노출되어 “high(3)”로 평가된다.

한편, 사고유형에 따른 검출도는 보호기기의 설치 개수와 보호기능을 바탕으로 표 8과 같이 평가된다. 여기서, DC 전로 단락과 배터리 랙 단락은 사고지점 주변에 보호기기가 상대적으로 적게 설치되기 때문에 검출도는 “high(3)”로 평가된다. 또한, PCS 암 단락은 사고지점 주변에 보호기기와 인버터의 보호기기가 설치되어 있으므로 “low(1)”, AC측 지락의 사고유형은 IMD(insulation monitoring device)을 바탕으로 검출할 수 있지만 동작시간이 늦고, 오동작할 가능성이 있으므로 “medium”으로 분류한다.

따라서, 상기의 내용을 바탕으로 사고유형에 대한 상정 시나리오별 ESS의 안전성을 평가하면 표 9와 같이 나타낼 수 있다.먼저, DC 전로 단락의 사고유형은 모든 시나리오에서 심각도, 발생도, 검출도가 각각 “very high(4)”, “low(1)”, “high(3)”로 평가되어, 전체 RPN이 96점으로 산정된다. 또한, 배터리 랙 단락의 사고유형은 심각도가 Case I ~ Case III에서 “medium(2)”, Case IV ~ Case VIII에서 “high(3)”로, 발생도와 검출도가 각각 “low(1)”와 “high(3)”로 평가되어, 전체 RPN이 63점으로 산정된다. 한편, PCS 암 단락의 사고유형은 모든 시나리오에서 심각도, 발생도, 검출도가 각각 “high(3)”, “medium(2)”, “low(1)”로 평가되어 전체 RPN이 48점으로 산정되며, AC측 지락의 사고유형은 심각도, 발생도, 검출도가 각각 “low(1)”, “high(3)”, “medium(2)”으로 평가되어, 전체 RPN이 48점으로 산정된다. 즉, 4가지의 사고유형별 ESS의 안전성 평가를 종합적으로 수행한 결과, PCS 암 단락과 AC측 지락, 배터리 랙 단락, DC 전로 단락의 RPN이 각각 48점, 48점, 63점, 96점으로 산정되며, 이 가운데 DC 전로 단락의 RPN이 가장 높게 산정되어, ESS의 안전성에 가장 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있으며 추가적인 보호기기 설치 및 외부환경 점검 등의 보호대책이 필요함을 알 수 있다.