5.1 시뮬레이션 조건
운용환경 및 용도를 바탕으로 ESS의 안전성을 평가하기 위하여, 표 7과 같이 시뮬레이션 조건을 상정한다. 먼저, ESS 수용가 측의 수전용 변압기는 1,000[kVA]의 용량과 22.9/0.38[kV]의 변압비를 가지며,
Δ-Yg의 결선방식을 채용한다. 또한, ESS의 연계용 변압기는 500[kVA]의 용량과 0.38/0.38[kV]의 변압비를 가지며, Yg-Δ의 결선방식을
상정한다. 한편, PCS의 L-C 필터는 800[uH], 500[uF]의 값을 가지며, DC 전로는 30[m] 긍장을 가진 4선의 0.6/1kV XLPE
300[mm2]를 병렬로 구성하며, DC 전로 저항 및 인덕턴스는 각각 0.6[mΩ], 2.33[uH], 단락저항은 10[mΩ]으로 상정한다.
한편, 배터리의 용량은 3.2절에서 제시한 단위 설치 용량을 바탕으로 용도별 평균 운전시간을 고려하여 산정한다. 즉, 신재생에너지 연계용의 단위 설치
용량은 3.23[MWh]이며, 4시간의 평균 운전시간을 고려하여 0.8[MW]/3[MWh]의 용량으로 산정한다. 또한, 피크 저감용의 단위 설치 용량은
4.5[MWh]인데, 4시간의 평균 운전시간을 바탕으로 1.12[MW]/4.5[MWh]의 용량으로 산정한다. 한편, 주파수 제어용의 단위 설치 용량은
6.94 [MWh]로, 0.5시간의 평균 운전시간을 가지므로 14[MW]/7[MWh]로 산정한다. 마지막으로 ESS의 사고 유형은 “1차 ESS 화재사고
원인조사 결과보고서”를 바탕으로, 사고발생 가능성이 높은 배터리 랙 단락, DC 전로 단락, PCS 암 단락, AC측 지락의 4가지 경우를 상정한다.
표 7 시뮬레이션 조건
Table 7 Simulation conditions
항목
|
내역
|
수전용 변압기
|
정격 용량[kVA]
|
1,000
|
전압[kV]
|
22.9/0.38
|
결선 방식
|
△-Yg
|
ESS용 연계용 변압기
|
정격 용량[kVA]
|
500
|
전압[kV]
|
0.38/0.38
|
결선 방식
|
Yg-△
|
PCS
|
필터 리액터[uH]
|
400
|
필터 커패시터[uF]
|
250
|
DC 전로
|
저항[mΩ]
|
0.6
|
인덕턴스[uH]
|
2.33
|
배터리 용량
[MW]/[MWh]
|
신재생에너지 연계용
|
0.8/3
|
피크 저감용
|
1.12/4.5
|
주파수 제어용
|
14/7
|
단락 저항[mΩ]
|
10
|
5.2 용도별 ESS의 사고 특성
상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로, 사고 유형에 대한 용도별 사고전류 특성을 나타내면 표 8과 같다. 여기서, 신재생에너지 연계용 ESS에서 DC 전로 단락에서 사고가 발생하는 경우, 사고전류는 66.47[kA]이고, PCS 암 단락은 53.28[kA]
정도 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 배터리 랙 단락의 경우, 41.18[kA]의 사고전류가 발생하며, AC측 지락의 경우, 사고전류가 거의 발생하지
않는 것을 알 수 있다. 한편, 피크 저감용 ESS에서 DC 전로 단락, PCS 암 단락, 배터리 랙 단락, AC측 지락이 발생하는 경우, 각각 72.71[kA],
57.35[kA], 43.08[kA], 0[kA]의 사고전류가 발생하는 것을 알 수 있다. 한편, 주파수 제어용 ESS의 경우, 4가지 사고 유형에서
77.64[kA], 61.4[kA], 44.53[kA], 0[kA]의 사고전류가 발생하는 것을 알 수 있다.
표 8 용도별 ESS의 사고 특성
Table 8 Fault current characteristics of ESS by applications
용도
|
사고 유형
|
사고전류 크기[kA]
|
신재생에너지
|
DC 전로 단락
|
66.47
|
PCS 암 단락
|
53.28
|
배터리 랙 단락
|
41.18
|
AC측 지락
|
0
|
피크 저감
|
DC 전로 단락
|
73.12
|
PCS 암 단락
|
57.35
|
배터리 랙 단락
|
43.08
|
AC측 지락
|
0
|
주파수 제어
|
DC 전로 단락
|
77.84
|
PCS 암 단락
|
61.4
|
배터리 랙 단락
|
44.53
|
AC측 지락
|
0
|
한편, 표 8과 같이 가장 가혹한 사고전류가 발생하는 DC 전로 단락의 사고전류의 흐름을 나타내면 그림 14와 같다. 먼저, 그림 14의 (a)는 신재생에너지 연계용의 사고전류 흐름도를 나타내는데, 각 배터리 랙으로부터 0.7[kA]가 공급되어 전체 배터리 측으로부터 65.76[kA]가 공급되며,
계통으로부터 0.74[kA]가 공급되어, 사고지점의 전체 사고전류는 66.47[kA]임을 알 수 있다. 또한, 그림 14의 (b)는 피크 저감용으로, 각 배터리 랙으로부터 0.81[kA]가 공급되어 전체 배터리 측에서 72.21[kA]가 공급되며, 계통으로부터 0.88[kA]가
공급되어 사고지점의 전체 사고전류는 73.12[kA]임을 알 수 있다. 한편, 그림 14의 (c)는 주파수 조정용으로, 각 배터리 랙으로부터 0.91[kA]가 공급되어 전체 배터리 측에서 77.75[kA]가 공급되며, 계통으로부터 0.95[kA]가
공급되어 사고지점의 전체 사고전류는 77.84[kA]임을 알 수 있다. 따라서, 배터리의 용량이 큰 주파수 조정용과 피크 저감용 ESS의 사고전류가
신재생에너지 연계용보다 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
그림 14. ESS의 용도별 DC 전로 단락 사고 흐름도
Fig. 14. Fault current flow with short circuit in DC line by ESS applications
5.3 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성 평가
3장에서 제시한 안전성 등급 평가 방안과 5.2장의 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 심각도를 평가하면 표 9와 같다. 먼저, ESS의 건물 형태는 표 2와 같이, 신재생에너지 연계용 ESS는 일반적으로 조립식 패널 형태로 설치되므로 “high(4)”, 주파수 제어용은 컨테이너 타입으로 “medium(3)“,
피크 저감용은 콘크리트 형태로 설치되므로 “low(2)”로 분류한다. 또한, 사고 유형별 영향도는 용도에 따라서 변화하지 않으므로 표 3과 같이, DC 전로 단락은 “very high(5)”, PCS 암 단락은 “high(4)” 배터리 랙 단락은 “medium(3)”, AC측 지락은
“medium(3)”으로 평가한다.
표 9 ESS의 운용환경 및 용도를 고려한 심각도 평가
Table 9 Severity characteristics considering environments and applications in ESS
용도
|
사고 유형
|
건물
형태
|
사고 유형 영향도
|
사고
전류
|
심각도
|
신재생에너지
|
DC 전로 단락
|
high
(4)
|
very high
(5)
|
very high
(5)
|
medium
(3.91)
|
PCS 암 단락
|
high
(4)
|
medium
(3)
|
very high
(5)
|
배터리 랙 단락
|
high
(4)
|
high
(4)
|
high
(4)
|
AC측 지락
|
high
(4)
|
medium
(3)
|
low
(2)
|
피크 저감
|
DC 전로 단락
|
low
(2)
|
very high
(5)
|
very high
(5)
|
medium
(3.25)
|
PCS 암 단락
|
low
(2)
|
medium
(3)
|
very high
(5)
|
배터리 랙 단락
|
low
(2)
|
high(4)
|
high
(4)
|
AC측 지락
|
low
(2)
|
medium
(3)
|
low
(2)
|
주파수 제어
|
DC 전로 단락
|
medium
(3)
|
very high
(5)
|
very high
(5)
|
medium
(3.58)
|
PCS 암 단락
|
medium
(3)
|
medium
(3)
|
very high
(5)
|
배터리 랙 단락
|
medium
(3)
|
high
(4)
|
high
(4)
|
AC측 지락
|
medium
(3)
|
medium
(3)
|
low
(2)
|
한편, 사고전류 크기를 고려하는 경우, DC 전로 단락과 PCS 암 단락은 신재생에너지 연계용, 피크 저감용, 주파수 제어용 ESS에서 모두 50[kA]
이상의 사고전류가 발생하여 “very high(5)”로 분류되며, 배터리 랙 단락의 경우, 용도에 관계없이 모두 20[kA] 이상의 사고전류가 발생하여
“high(4)”로 평가한다. 또한, AC측 지락의 경우, ESS의 용도별 사고전류가 모두 정격전류 미만으로 발생하여 “low(2)”로 평가한다.
따라서, 심각도를 ESS의 건물 형태, 사고 유형별 영향도와 사고전류 크기를 바탕으로 종합적으로 평가하면, 신재생에너지 연계용 ESS의 DC 전로
단락, PCS 암 단락, 배터리 랙 단락, AC측 지락은 각각 14점, 12점, 12점, 9점으로 총 47점이 산정되고, 평균값으로 환산하면 3.91점이
되어, “medium”으로 분류된다. 한편, 피크 저감용 ESS의 심각도는 사고 유형별로 각각 12점, 10점, 10점, 7점으로 총 39점, 평균값
3.25점으로 “medium”, 주파수 제어용 ESS는 13점, 11점, 11점, 8점으로 총 43점, 평균값 3.58점으로 “medium”으로 산정된다.
또한, 운용환경 및 용도에 따른 발생도는 용도별 ESS의 사고 발생률, 운용환경과 열화율을 바탕으로 표 10과 같이 평가한다. 먼저, 사고 발생률의 경우, 그림 5와 같이 주파수 조정용 ESS는 26.3[%]로 “very high(5)”, 신재생에너지 연계용 ESS는 3.24[%]이므로 “medium(3)”,
피크 저감용 ESS는 0.62[%]이므로 “very low(1)”로 평가한다. 또한, ESS의 운용환경은 표 4에 의하여 분류하며, 신재생에너지 연계용과 주파수 제어용 ESS는 일반적으로 산지 또는 해안가에 설치되므로 “high(4)”, 피크 저감용 ESS는
주로 공장지대에 설치되므로 “medium(3)”으로 평가한다. 한편, 배터리의 열화율에 의한 발생도는 대부분 4~5년의 운용 기간을 초과하지 않으므로
동등한 등급인 “low(2)”로 평가한다. 따라서, 발생도를 운용환경과 사고 발생률, 열화율을 바탕으로 종합적으로 평가하면, 신재생에너지 연계용 ESS는
총 9점으로 평균치로 환산하면 3점이 되어 “medium”으로 분류하며, 피크 저감용 ESS는 총 6점, 평균치 2점으로 “medium”으로 분류되며,
“low”로, 주파수 제어용 ESS는 총 11점, 평균치 3.67점으로 “medium”으로 산정된다.
표 10 ESS의 운용환경 및 용도를 고려한 발생도 평가
Table 10 Occurrence characteristics considering environments and applications in ESS
용도
|
운용환경
|
사고 발생률
|
열화율
|
발생도
|
신재생 에너지
|
high
(4)
|
medium
(3)
|
low
(2)
|
medium
(3)
|
피크 저감
|
medium
(3)
|
very low
(1)
|
low
(2)
|
low
(2)
|
주파수 제어
|
high
(4)
|
very high
(5)
|
low
(2)
|
medium
(3.67)
|
한편, 검출도는 보호기기 운용 기술력과 배터리의 용량을 바탕으로 표 11과 같이 평가한다. 먼저, 배터리의 용량을 고려하는 경우, 표 6에서 제시한 단위 설치 용량을 바탕으로, 주파수 제어용은 “high(4)”, 피크 저감용은 “medium(3)”, 신재생에너지 연계용은 “low(2)”로
분류한다. 또한, ESS의 보호기기의 운용은 시공 및 운용 업체의 기술력을 바탕으로 신재생에너지 연계용 ESS는 “high(4)”, 피크 저감용은
“medium(3)”, 주파수 제어용 ESS는 “low(2)”로 평가한다. 따라서, 검출도를 보호장치 운용과 배터리 용량을 바탕으로 종합적으로 평가하면,
신재생에너지 연계용 ESS는 총 6점으로, 평균치로 환산하면 3점으로 “medium”으로 분류되며, 피크 저감용 ESS는 총 6점, 평균치 3점으로
“medium”, 주파수 제어용 ESS는 총 7점, 평균치 3.5점으로 “medium”으로 산정된다.
표 11 ESS의 운용환경 및 용도를 고려한 검출도 평가
Table 11 Detection characteristics considering environments and applications in ESS
용도
|
배터리 용량
|
보호기기 운용 기술력
|
검출도
|
신재생
에너지
|
low
(2)
|
high
(4)
|
medium
(3)
|
피크
저감
|
medium
(3)
|
medium
(3)
|
medium
(3)
|
주파수
제어
|
high
(4)
|
medium
(3)
|
medium
(3.5)
|
상기에서 제시한 심각도, 발생도, 검출도를 바탕으로, 용도 및 운용환경을 고려한 ESS의 안전성을 평가하면 그림 15와 같다. 먼저, 신재생에너지 연계용 ESS의 경우, 심각도, 발생도, 검출도가 각각 3.91점, 3점, 3점로 평가되어, RPN 값은 35.19점으로
산정된다. 또한, 피크 저감용 ESS의 심각도, 발생도, 검출도는 각각 3.25점, 2점, 3점으로 평가되어, RPN 값은 19.5점으로 산정된다.
한편, 주파수 제어용 ESS의 경우, 심각도, 발생도, 검출도는 각각 3.58, 3.67점, 3.5점으로, RPN 값은 41.75점으로 산정된다.
따라서, RPN 값을 바탕으로 안전성을 평가하면, 주파수 제어용 > 신재생에너지 연계용 > 피크 저감용 ESS 순으로 사고 발생 가능성이 높음을 알
수 있다. 즉, 화재의 위험성이 가장 높아 운용을 중지한 주파수 제어용, 실제 사고 발생 비율이 가장 큰 신재생에너지 연계용, 피크 저감용 ESS
순으로 RPN 값이 산정되어, 본 논문에서 제시한 안전성 평가 방안의 유효성을 확인할 수 있었다. 또한, 본 논문에서 제시한 안전성 평가 방안은 온도
및 습도 등 주변 환경에 대한 지속적인 모니터링 및 보호기기 설치 등의 면밀한 검토 등의 사전 대응을 통해 ESS의 안정적인 운용에 기여할 수 있다.
그림 15. 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성 평가
Fig. 15. Risk analysis of ESS considering operation environments and applications