KR20200124669A - 그라운드 결함 검출 - Google Patents
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Abstract
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법이 제공된다. 방법은, 배전 시스템에서 그라운드 결함을 검출하는 단계(30); 에너지 저장 시스템으로부터 제1 에너지 저장 유닛(1)을 연결해제(31)하라는 명령을, 배전 시스템에 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 나머지 에너지 저장 유닛들이 DC 버스에 병렬로 계속 연결된 상태로 유지되는 동안, 제1 스위칭 디바이스에 전송하는 단계, 및 그라운드 결함에 대해 다시 테스트하는 단계(32)를 포함한다. 그라운드 결함에 대해 테스트하는 단계가 다시 수행되며, 그리고 그라운드 결함이 식별(36, 37)되거나 또는 모든 에너지 저장 유닛들이 테스트될 때까지, 연결해제하는 단계, 테스트하는 단계 및 재연결하는 단계가 반복된다.
Description
본 발명은 에너지(energy) 저장 모듈(module)들, 특히, 최종 사용자에게 전기 에너지를 제공하는 전기화학 셀(cell) 또는 배터리(battery)를 포함하는 모듈들을 위한 그라운드 결함(ground fault) 검출 시스템(system) 및 방법에 관한 것이다.
다양한 유형들의 저장 전기 에너지 모듈들 또는 전력 유닛(unit)들이 많은 애플리케이션(application)들에서, 특히, 민감한 환경들에서의 배출들에 관한 환경 우려들 또는 공중 보건 우려들이 있는 경우에 사용하기 위해 점점 더 흔해지고 있다. 저장 전기 에너지 전력 유닛들은 통상적으로, 그 저장 에너지가 많은 상이한 방식들로 생성되었을 수 있더라도, 사용 지점에서의 배출들을 회피하기 위해, 장비를 동작시키도록 전기 에너지를 제공하는 데 사용된다. 저장 전기 에너지는 또한, 그리드(grid)로부터, 또는 디젤(diesel) 발전기들, 가스 터빈(gas turbine)들 또는 재생가능 에너지 소스(source)들을 포함하는 다양한 유형들의 발전 시스템으로부터 다른 방식으로 공급받는 시스템들에 피크 쉐이빙(peak shaving)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 항공기, 차량(vehicle)들, 선박들, 오프쇼어 리그(offshore rig)들, 또는 원격 위치들에 있는 리그들 및 다른 동력 장비가 대규모 저장 전기 에너지의 사용자들의 예들이다. 차량 운전자들은, 마을들 및 도시들에서 유해한 배출들을 감소시키기 위해 도심부들에서는 저장 에너지 전력 유닛을 사용하고 간선 도로(trunk road)들 상에서는 내연 기관으로부터 충전할 수 있거나, 또는 이러한 차량 운전자들은 전기 공급부로부터 충전할 수 있다. 거주 영역들에 비교적 가깝게 또는 민감한 환경들에서 대부분의 자신들의 항해를 수행하는 페리(ferry)들은, 하이브리드(hybrid) 또는 완전 전기 구동 시스템들을 이용하여 설계되고 있다. 페리들은, 해안에 가까울 때에는 선박에 전력을 공급하기 위해 저장 에너지를 이용하여 동작할 수 있고, 해양(offshore)에서는 배터리들을 재충전하기 위해 디젤 발전기들을 사용하여 동작할 수 있다. 일부 국가들에서, 저장 에너지 유닛을 충전하는 데 사용하기 위한 재생가능 에너지 소스들로부터의 전기의 이용가능성은, 디젤 또는 다른 재생불가능 에너지 소스가 전혀 사용되지 않은 상태로 커버되는(covered) 거리들에 대해 저장 에너지 유닛들이 충분히 신뢰성이 있으면, 완전 전기 선박이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 하이브리드이든 또는 완전 전기이든, 저장 에너지 유닛들은 정박될 때 해안 공급부로부터 충전될 수 있다. 일차 전력원으로서의 연장된 사용을 위해 충분히 신뢰성이 있는 저장 에너지 유닛들을 달성하기 위한 기술의 발전은 특정 기술 이슈(issue)들을 해결해야 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법이 제공되며, 배전 시스템은 에너지 저장 시스템; 시스템 제어기; 및 그라운드 결함 검출 시스템을 포함하고, 에너지 저장 시스템은 복수의 에너지 저장 유닛들을 포함하고, 복수의 에너지 저장 유닛들 각각은 배전 시스템의 DC 버스(bus)에 병렬로 함께 연결되고, 각각의 에너지 저장 유닛은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 모듈들을 포함하며, 방법은, 배전 시스템에서 그라운드 결함을 검출하는 단계; 에너지 저장 시스템으로부터 제1 에너지 저장 유닛을 연결해제하라는 명령을, 배전 시스템에 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 나머지 에너지 저장 유닛들이 DC 버스에 병렬로 계속 연결된 상태로 유지되는 동안, 제1 스위칭 디바이스(switching device)에 전송하는 단계; 그라운드 결함에 대해 다시 테스트(testing)하는 단계; 그라운드 결함이 더 이상 존재하지 않으면, 그라운드 결함이 제1 에너지 저장 유닛에 있다는 표시를 제공하는 단계; 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 제어기로부터 제1 에너지 저장 유닛을 재연결하라는 명령을 전송하는 단계; 제어기로부터 다음 차례의 에너지 저장 유닛을 연결해제하라는 명령을 전송하는 단계; 그라운드 결함에 대해 다시 테스트하는 단계; 및 그라운드 결함이 식별되거나 또는 모든 에너지 저장 유닛들이 테스트될(tested) 때까지, 연결해제하는 단계, 테스트하는 단계 및 재연결하는 단계를 반복하는 단계를 포함한다.
모든 에너지 저장 유닛들이 테스트된 후에 그라운드 결함이 지속되면, 그라운드 결함이 에너지 저장 시스템이 아닌 배전 시스템의 부분에 있다는 표시가 제공될 수 있다.
결함을 갖는 캐비닛(cabinet)이 식별되었을 때, 시스템은 그 캐비닛 없이 계속해서 실행될 수 있거나 ―일부 경우들에서, 결함은 캐비닛의 모듈들에 있는 것이 아니라 캐비닛에 있을 수 있음―, 또는 결함의 정확한 위치를 탐색하지 않고, 오퍼레이터(operator)가 캐비닛 내의 모든 배터리 모듈들을 교체할 수 있지만, 바람직하게는, 방법은, 그라운드 결함이 식별된 연결해제된 에너지 저장 유닛에 제거가능 그라운드 결함 검출 유닛을 연결하는 단계, 및 에너지 저장 유닛 내의 결함성 에너지 저장 모듈을 식별하기 위한 프로세스(process)를 수행하는 단계를 더 포함한다.
프로세스는, 제1 모듈을 단자들 둘 모두에서 격리하는 단계; 나머지 모듈들에서 그라운드 결함에 대해 체크(checking)하는 단계; 그라운드 결함이 존재하지 않으면, 격리된 모듈을 제거 및 교체하는 단계; 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 격리된 모듈을 재연결하는 단계; 다음 차례의 모듈을 격리하는 단계; 캐비닛에서 그라운드 결함에 대해 다시 체크하는 단계; 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 결함성 모듈이 결정될 때까지, 격리하는 단계 및 체크하는 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 결함성 모듈을 제거 및 교체하고 추가적인 결함성 모듈들이 존재하지 않는다고 결정한 후에, 에너지 저장 시스템에 캐비닛을 재연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
모듈을 격리하고 나머지 모듈들에서 그라운드 결함에 대해 테스트하며 그리고 그라운드 결함이 발견되지 않으면 모듈을 재연결하라는 제어 신호를 모듈 스위칭 디바이스에 전송함으로써, 격리하는 단계, 체크하는 단계 및 재연결하는 단계가 국부적(local) 캐비닛 제어기의 제어 하에서 자동으로 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 따르면, 배전 시스템은 에너지 저장 시스템; 시스템 제어기; 및 그라운드 결함 검출 시스템을 포함하고, 에너지 저장 시스템은 복수의 에너지 저장 유닛들을 포함하고, 복수의 에너지 저장 유닛들 각각은 배전 시스템의 DC 버스에 병렬로 함께 연결되고, 각각의 에너지 저장 유닛은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 모듈들을 포함하며, 그라운드 결함 검출 시스템은 그라운드 결함 검출 모듈 및 제어 모듈을 포함하고, 각각의 에너지 저장 유닛은, 각각의 에너지 저장 유닛을, 배전 시스템에 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 나머지 에너지 저장 유닛들이 DC 버스에 병렬로 계속 연결된 상태로 유지되는 동안, 제어 모듈의 제어 하에서, DC 버스로부터 연결하거나 또는 연결해제하기 위한 스위칭 디바이스를 포함한다.
캐비닛에 하나의 에너지 저장 디바이스가 있을 수 있거나, 또는 캐비닛에 복수의 에너지 저장 디바이스들이 있을 수 있다. 복수의 에너지 저장 디바이스들의 경우, 이러한 복수의 에너지 저장 디바이스들은 병렬로 연결되거나 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결되지만, 바람직하게는, 각각의 에너지 저장 모듈은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들을 포함한다.
에너지 저장 디바이스들은 전기화학 셀 또는 배터리 중 하나를 포함할 수 있다.
배전 시스템은 그라운드 결함 조건으로 계속해서 동작할 수 있는 격리된 전력 시스템일 수 있다.
이제, 본 발명에 따른, 배전 시스템에서의 에너지 저장 모듈들을 위한 그라운드 결함 검출 시스템 및 방법의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 모듈식(modular) 저장 에너지 시스템의 예를 예시하는 블록 다이어그램(block diagram)이고;
도 2는 본 발명을 예시하는 블록 다이어그램들이며; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 방법을 예시하는 흐름 다이어그램이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 모듈식(modular) 저장 에너지 시스템의 예를 예시하는 블록 다이어그램(block diagram)이고;
도 2는 본 발명을 예시하는 블록 다이어그램들이며; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 방법을 예시하는 흐름 다이어그램이다.
초기 대규모 배터리들은 납산(lead acid)이었지만, 더욱 최근에는, 대규모 애플리케이션들에 대한 전기 에너지 저장을 위해 리튬 이온(lithium ion) 배터리들이 개발되었다. Li-이온 배터리들은 통상적으로 가압되고 전해질은 가연성이며, 따라서 이러한 Li-이온 배터리들은 사용 및 보관 시 주의를 필요로 한다. Li-이온 배터리들에 발생할 수 있는 문제는, 제조 동안 생성된 배터리 셀에서의 내부 단락에 의해 유발될 수 있는 열 폭주이다. 다른 원인들, 이를테면, 기계적 손상, 과충전 또는 제어되지 않은 전류가 또한, 열 폭주를 유발할 수 있지만, 배터리 시스템 설계는 통상적으로, 이들을 회피하도록 적응된다. 셀들에 대한 제조 이슈들이 전적으로 배제될 수는 없으며, 따라서 열 폭주가 발생하면 효과를 최소화하기 위한 예방조치들이 요구된다. 대규모 Li-이온 배터리 시스템에서, 열 폭주 동안 방출되는 에너지의 양(amount)을 억제(contain)하기는 어렵다. 열 사건(event)은 단일 셀에서의 온도들을, 20 ℃ 내지 26 ℃ 범위의 표준 동작 온도로부터 700 ℃ 내지 1000 ℃ 정도까지 많이 증가시킬 수 있다. 안전한 동작 온도들은 60 ℃ 미만이며, 따라서 이는 중요한 문제이다.
해상 및 해양 산업들에서는 선박 또는 리그에 대한 위험에 관한 엄격한 규제들이 있으며, 하나의 요건은, 하나의 셀로부터 다른 셀로 과잉 온도가 전달되지 않아야 한다는 것이다. 과열이 발생하면, 이 과열은 단일 셀에 억제되어야 하고, 확산되도록 허용되지 않아야 한다. 부가하여, 해상 및 해양 애플리케이션들의 경우, 임의의 장비의 중량 및 부피가 심각하게 제한되어서, 소형 경량 시스템들이 선호되는 것으로 이어진다. 필수 열적 격리를 달성하고, 과잉 가열이 발생하는 셀을 빠르고 효율적으로 냉각하는 소형 경량 시스템을 생산하는 것은 어렵다.
Li-이온 배터리 시스템에서, 배터리 셀들의 온도가 규정된 동작 온도를 초과하지 않는 것, 그리고 전체 시스템에서의 셀 온도가 균일한 것은 매우 중요하다. 규정된 동작 온도 윈도우(window) 외부에서 지속되는 동작은 배터리 셀들의 수명에 심각하게 영향을 미칠 수 있으며, 열 폭주가 발생할 위험을 증가시킨다.
해상 애플리케이션들의 경우, 선박 또는 오프쇼어 플랫폼(platform) 상에 있을 때 모듈들이 차지하는 공간 및 중량 그리고 설치 비용에 기인하여 에너지 저장 모듈들, 이를테면, 배터리들을 그들의 최대 충전 또는 방전 레이트(rate)로 사용하는 데 특히 초점을 두고 있다. 또한, 저장 에너지 시스템들의 육상-기반 사용들과 비교하여 유지보수 및 수리, 또는 교체가 복잡하고 비싸며, 따라서 저장 에너지 모듈들의 수명을 연장시키는 것은 특히 중요하다. Li-이온 배터리들의 예의 경우, 이러한 Li-이온 배터리들은 고온에 민감하며, 따라서 설계 수명이 충족됨을 보장하기 위해 Li-이온 배터리 시스템의 모든 셀들에 대해 동작 및 주위 온도가 제어됨을 보장하는 것은 중요하다. 단일 셀에 대한 국부적 변형들 또는 핫 스팟(hot spot)들이 또한, 달성가능한 총 수명을 손상시킬 수 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 예가 도 1에서 예시된다. 시스템은 에너지 저장 유닛, 예컨대, 캐비닛 또는 큐비클(cubicle)(1)을 포함하며, 이러한 캐비닛 또는 큐비클(1)에서, 복수의 에너지 저장 모듈들(10)은 버스들(2a)에 의해 큐비클 제어기(28)에, 그리고 버스(2b)에 의해 중앙 제어기(3)에 직렬로 함께 전기 연결된다. 통상적으로, 모듈은, 적어도 78 V, 일부 경우들에서는 최대 120 V의 배터리 모듈을 형성하도록 직렬로 전기 연결된 대략 3 V의 충분한 배터리 셀들을 포함한다. 배터리 모듈들은 대략 1 kV에서 단일 캐비닛 또는 큐비클 내에서 직렬로 전기 연결된다. 그런 다음, 전체 시스템의 경우, 배터리 룸(room)에 병렬로 다수의 큐비클들이 있다.
에너지 저장 모듈들 각각은, 냉각 시스템(5)으로부터 유입 파이프(pipe)들(6) 및 유출 파이프들(7)을 통해 순환하는 냉각 유체에 의해 냉각된다. 냉각 시스템들은 직렬로 또는 병렬로 유체 연결될 수 있다. 병렬 연결은 각각의 모듈에 동일한 온도의 냉각 유체를 공급하는 것을 단순화한다. 냉각 유체는 통상적으로, 합성 냉각제들보다 저렴하며 공급 및 처분하기 쉬운 물이다. 각각의 에너지 저장 모듈(10)은 직렬로 함께 전기 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들, 예컨대, 배터리 셀들을 포함한다. 냉각을 포함하는 이러한 유형의 모듈식 시스템은 특히 Li-이온 셀들에 적용가능하다.
모듈(10) 내에서, 각각의 셀의 일 측에 배터리 셀 냉각기가 제공되고, 냉각 시스템(5)으로부터의 냉각 유체는 유입 파이프들(6) 및 유출 파이프들(7)을 통해 이 배터리 셀 냉각기를 통과하여 배터리 셀을 냉각시킨다. 셀 냉각기는 냉각 유체가 유동하도록 하는 튜빙(tubing)을 포함하고, 튜빙은 금속 튜빙일 수 있지만, 더욱 통상적으로는, 합성 재료, 이를테면, 폴리머 플라스틱(polymer plastic)들, 예컨대, 폴리에틸렌(polythene), 폴리아미드(polyamide), 이를테면, PA66 플라스틱들, 또는 열가소성 플라스틱(thermoplastic)들, 이를테면, TCE2, TCE5, 또는 요구되는 형상으로 몰딩되거나(moulded) 또는 압출될 수 있으며 에너지 저장 모듈들(10)의 정상 동작 온도들을 견딜 수 있는 다른 적절한 재료들이다.
US20160336623은, 충전, 방전 또는 유휴 상태일 때 측정 전류가 미리 결정된 임계치를 초과하면 릴레이(relay)들 또는 콘택터(contactor)들을 개방할 수 있는 배터리 관리 시스템을 포함하며 셀들에서의 그라운드 결함 또는 누설 전류 조건들에 대한 모니터링(monitoring)을 또한 포함할 수 있는, 에너지 저장 디바이스들을 위한 모니터링 및 조절 시스템을 설명한다.
전기 시스템에서의 그라운드 결함은 바람직하지 않고 안전 이슈들을 일으킬 수 있으며, 따라서 그라운드 결함은 현실적으로 가능한 한 빨리 클리어될(cleared) 필요가 있다. 배전망들에서 사용될 수 있는 다수의 표준화된 접지(earthing) 시스템들이 있다. TT 시스템은, 전력 공급 장비를 위한 접지(earth)와 일 지점의 직접 연결 및 컨슈머(consumer)를 위한 접지와의 국부적 직접 연결이 있는 시스템이고; TN 시스템은, 전력원이 접지되고 모든 노출된 전도성 부분들이 중성 도체에 연결되는 시스템이며; 그리고 IT 시스템은, 접지에 대한 연결이 없거나, 자신이 격리되어 있거나, 또는 높은 임피던스(impedance) 접지 연결이 있는 시스템이다.
그라운딩된(grounded) 전력 시스템, 이를테면, TN-시스템의 경우, 그라운드 결함이 결함 전류로 이어지고, 이 결함 전류는 상당할 수 있으며, 이 시스템은 퓨즈(fuse) 또는 회로 차단기 또는 등가물(equivalent)에 의하여 이러한 그라운드 결함을 클리어(clear)하도록 설계되어야 한다. 그러나, 격리된 전력 시스템인 IT-시스템은 일반적으로, 그라운드 결함 조건으로 동작을 계속할 수 있지만, 전력 시스템으로부터 결함성 장비를 연결해제함으로써 가능한 한 빨리 그라운드 결함을 클리어하는 것이 바람직하다. 결함이 즉시 클리어되지 않으면, IT 시스템에서 그라운드 결함 조건으로 동작을 유지하는 것은 접지에 대한 증가된 전압들을 일으키며, 이는 장비에 대한 손상을 유발할 수 있거나 또는 직원에게 위협이 될 수 있다. 클리어되지 않은 그라운드 결함은 또한, IT 시스템이 제2 그라운드 결함에 더욱 취약한 상태가 되게 할 수 있다. 이 경우, 제2 그라운드 결함은 통상적으로, TN-시스템에서 제1 그라운드 결함과 유사한 결함 전류들을 유발한다.
임계 동작들을 위해, 이를테면 해상 및 해양 전력 시스템들의 경우 예컨대 시추 선박에 대한 포지션(position) 유지를 위해, 또는 육지의 경우 예컨대 병원 장비를 위해, 종종, 필수 장비를 연결해제하는 위험보다는 그라운드 결함으로 동작을 유지하는 것이 더 나은 것으로 고려된다. 해상 & 해양 전력 시스템들의 경우, 그라운드 결함이 대개, 버스-타이(bus-tie)의 개방을 유발하여서, 2번째 그라운드 결함이 발생하면 전력 시스템의 절반만이 셧다운되도록(shut down), 온보드(onboard)의 2 개의 전력 시스템들이 격리된다. 이는 이상적인 상황이 아니며, 가능하면, 결함성 장비는 여전히 연결해제되어야 한다.
그라운드 결함을 클리어하기 위하여, 결함성 장비를 연결해제하는 수단, 통상적으로는 회로 차단기가 요구되고, 그라운드 결함의 위치가 알려져야 하며, 따라서 정확한 장비가 연결해제된다. 격리된 시스템들을 위한 그라운드 결함 검출 시스템들은 그라운드 결함을 검출하는 데 사용될 수 있으며, 검출 시스템에 연결된 전류 트랜스포머(transformer)들은 시스템의 어느 부분에서 결함이 발생했는지에 대한 표시를 제공할 수 있다. 에너지 저장 시스템들은 병렬로 연결된 여러 배터리 유닛들을 포함할 수 있으며, 이들 중 하나에서 그라운드 결함이 발생하면, 정확한 국부화(localization)를 위해 많은 수의 전류 트랜스포머들이 요구될 것이다.
종종, 그라운드 결함 검출은 시스템 수준에서만 제공되어서, 그라운드 결함이 발생했다는 표시가 제공되지만, 시스템의 어느 부분에서 이 그라운드 결함이 로케이팅되는지(located) 어떤 표시도 제공되지 않는다. 이는 광범위한 수동 트러블슈팅(troubleshooting)을 필요로 하며, 이는 시간 소모적이고, 대부분의 경우들에서, 에너지를 공급받는(energized) 시스템에 대한 작업을 필요로 한다. 일단 그라운드 결함이 로케이팅되었다면, 시스템의 관련 부분이 연결해제될 수 있다. 그라운드 결함 검출이 더욱 정확하게 수행되어야 하면, 종래의 방법들은 매 분기(every branch)에 대해 전류 트랜스포머를 필요로 할 것이다. 에너지 저장 시스템에서의 그라운드 결함의 경우, 더욱 상세한 정보를 획득하기 위한 많은 수들의 전류 트랜스포머들의 사용 없이, 어느 캐비닛이 결함을 갖는지를 결정하고, 후속하여, 교체될 캐비닛 내의 모듈 전부를 결정하기 위하여, 더욱 효율적인 방식으로 결함을 국부화(localise)할 수 있는 것이 바람직하다. 그라운드 결함에 대한 더욱 정확한 위치를 제공하고 이를 격리하기 위해 전류 트랜스포머들이 각각의 캐비닛 상에 로케이팅될 수 있지만, 이는 여전히 부피가 크고 값비싼 반면, 본 개시내용의 설계는 이들 문제들을 극복한다.
본 발명은, 그라운드 결함 위치에 대해 많은 전류 트랜스포머들에 대한 필요 없이, 결함을 효율적으로 로케이팅(locate)하여 클리어하기 위해, 통상적인 에너지 저장 시스템의 내장 특징들을 사용한다. 더욱 대략적인(coarser) 수준에서, 이는 또한, 수동 트러블슈팅 없이 수행될 수 있다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 방법을 사용한, 본 발명의 시스템 및 그라운드 결함들을 다루는 데 수반된 프로세스를 예시한다. 다수의 캐비닛들(1)이 DC 버스들(41, 42)에 의해 병렬로 연결된다. 위상들 둘 모두에 대해 전류 트랜스포머(43)가 제공된다. 각각의 캐비닛 내에는, 중앙 제어기(44)로부터의 제어 신호를 통한 제어 명령의 수신 시에 활성화될 수 있는 회로 차단기(40)와 같은 스위칭 디바이스를 포함하는 제어기(3)가 있다. 중앙 제어기로부터의 전력 흐름은 없다. 위상들 둘 모두가 연결해제되고, 배터리 스트링(string)은 시스템의 나머지로부터 완전히 갈바닉(galvanically) 격리된다. 제어기는 각각의 캐비닛에 있는 회로 차단기들을 한 번에 하나씩 개방하거나 또는 폐쇄하여 그 캐비닛을 연결해제할 수 있다. 한편, 모든 다른 캐비닛들은 여전히 시스템에 연결되어 있으며, 에너지를 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템에서 그라운드 결함이 검출(30)될 때, 에너지 저장 모듈들(10)을 포함하는 캐비닛들(1) 각각은 캐비닛에 로케이팅된 스위칭 디바이스(40)를 사용하여 한 번에 하나씩 연결해제될 수 있다. 이 프로세스는, 프로그램가능 논리 제어기(PLC; programmable logic controller) 회로 차단기들 또는 갈바닉(galvanic) 격리를 제공하는 다른 적절한 수단을 사용함으로써 자동화될 수 있다. 차단기들은 중앙 시스템 제어기의 제어 하에서 선택 및 연결해제될 수 있다. n 개의 캐비닛들(1) 중 제1 캐비닛부터 시작하여, 캐비닛(n=1)은, 그 캐비닛을 연결해제하라는 명령에 대한 응답으로, 그 캐비닛에 대한 회로 차단기를 개방함으로써 연결해제(31)된다. 그라운드 결함이 여전히 존재하는지 여부를 확인하기 위해 테스트(test)(32)가 이루어진다. 그 캐비닛(1)이 연결해제된 후에 그라운드 결함이 여전히 존재하면(33), 제어기로부터의 명령에 대한 응답으로 회로 차단기를 폐쇄함으로써, 그 캐비닛은 재연결(35)된다. 다음 차례의 캐비닛(n = n + 1)이 선택(36)되고, 그런 다음, 동일한 방식으로 연결해제(31)된다. 이 프로세스는, 특정 캐비닛(1)을 연결해제한 효과가, 그라운드 결함 검출기가 그라운드 결함이 더 이상 존재하지 않음을 표시(37)하는 것이 될 때까지 반복된다. 그라운드 결함 검출기는, 통상적으로 시스템 제어기(43)의 일부인 데이터 프로세싱(data processing) 유닛과 함께 도 2의 전류 트랜스포머(43)에 의해 제공될 수 있다. 그라운드 결함이 더 이상 존재하지 않는다는 표시는, 그라운드 결함이 성공적으로 로케이팅(37)되었고 특정 캐비닛 ―이 특정 캐비닛의 연결해제가 그라운드 결함이 제거되게 했음― 이 연결해제된 상태로 놓여 있음을 의미한다.
이 방법은 단일 그라운드 결함을 국부화하기 위해 적용가능하며, 따라서 설계에 의해 "그라운드 결함"을 갖는 TN-시스템에 대해서는 적절하지 않다. 시스템에 2 개의 그라운드 결함들이 있으면, 예컨대, TN 시스템에 제1 실제 그라운드 결함이 있거나 또는 IT-시스템에 제1 그라운드 결함 및 제2 그라운드 결함이 있으면, 단락과 동일한 크기 정도의 큰 결함 전류들이 흐를 것이며, 그런 다음, 따라서 큰 결함 전류가 흐르는 것을 막기 위하여 이 고전류에 기인하여 시스템에서의 회로 차단기들 중 하나가 동작한다. 가능한 한 빨리 제1 그라운드 결함을 클리어하는 것은 이 스테이지(stage)에 이르는 것을 회피한다. 이 회로 차단기가 동작했을 때, 이 회로 차단기는 실제로 그라운드 결함들 중 하나를 격리했으며, 따라서 본 발명의 방법은, 2번째 그라운드 결함을 국부화하여 클리어하기 위해 적용될 수 있다.
그런 다음, 오퍼레이터는 캐비닛 내의 결함들에 대해 테스트하기 위해 결함성 에너지 저장 유닛으로 안내될 수 있다. 일단 결함성 캐비닛이 식별되었다면, 결함은 모듈 수준까지 좁혀질 수 있다. 이는 모듈을 연결해제하는 것에 의존하며, 따라서 개별적인 모듈들이 격리될 수 있을 것을 요구한다. 예컨대, 각각의 모듈에는 모듈 내에 회로 차단기가 제공되어서, 단자들 둘 모두에서 모듈이 격리될 수 있다. 이 회로 차단기는 또한, 원격으로 동작될 수 있다. 이 프로세스는, 도 3의 프로세스와 유사한 방식으로 그 특정 캐비닛에 대해 제거가능 또는 핸드-헬드(hand-held) 접지 결함 검출 시스템을 사용하여 오퍼레이터에 의해 수행될 수 있지만, 접지 결함을 갖는 캐비닛 내에서는 결함이 사라질 때까지 한 번에 하나의 모듈을 격리한다. 그런 다음, 결함성 에너지 저장 모듈은 연결해제되고 캐비닛으로부터 꺼내져 교체될 수 있으며, 캐비닛은 에너지 저장 시스템에 재연결될 수 있다. 실제로, 각각의 모듈에 회로 차단기들을 갖는 비용 그리고 캐비닛 또는 스트링에서의 비교적 적은 수의 모듈들은, 한 번에 하나의 모듈을 이 모듈에 연결된 전력 케이블(cable)들 등을 제거함으로써 수동으로 연결해제하는 것이 바람직할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 방법은, 부가적인 하드웨어(hardware)를 필요로 하지 않고 구현되어서, 각각의 배터리 팩(pack) 상의 전류 트랜스포머들에 대한 필요 없이, 에너지 저장 시스템에서 그라운드 결함의 자동 국부화를 가능하게 할 수 있다. 프로그램가능 논리 제어기 또는 각각의 캐비닛에 설치된 다른 유사한 디바이스를 통해 제어되는 회로 차단기는 에너지 저장 시스템에 쉽게 통합될 수 있다. 이 방법은, 배전 시스템 수준에서 그라운드 결함이 검출되었을 때 결함이 에너지 저장 시스템에 있는지 여부에 대한 신속한 체크(check)가 이루어질 수 있게 하고, 이 체크가, 결함이 배터리 시스템에서 로케이팅되면 이 결함을 클리어하거나 또는 이 배터리 시스템에 결함이 존재하지 않음을 표시하면, 배전 시스템의 다른 부분들의 수동 트러블슈팅이 그 후에 수행될 수 있다. 배전 시스템은 에너지 저장 유닛에 갈바닉 연결되는 전력 시스템의 모든 부분들을 포함한다. 트랜스포머의 사용에 의해 전력 회로의 일부가 전력 회로의 다른 부분과 분리할 수 있으며, 따라서 트랜스포머를 그 사이에 갖지 않는, 에너지 저장 유닛과 동일한 전력 시스템의 모든 부분들은 배전 시스템에 포함된다.
본 발명의 방법은 전력 시스템들의 다른 부분들과 비교할 때 에너지 저장 시스템들에 특히 적절한데, 그 이유는 배터리 시스템들에는 병렬로 함께 전기 연결된 다수의 전력원들 또는 부하들, 즉, 도 2에서 도시된 캐비닛들이 있기 때문이다. 각각의 캐비닛은 개별적으로, 시스템에 임계적이지 않으며, 따라서 연결해제하는 것과 비교하여, 기능성의 어떤 손실도 없이, 즉, 중단되어서는 안되는 특정 부하를 동작시키는 모터(motor)의 어떤 손실도 없이 일시적으로 연결해제될 수 있다. 각각의 캐비닛이 연결해제되는 시간은 통상적으로, 다른 캐비닛들이, 연결해제된 캐비닛과 비교하여 자신들의 충전 상태를 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있는 간격인 5 초 내지 20 초의 범위에 있다. 그러나, 이 간격은 재연결된 배터리 팩과 다른 팩들 사이의 충전 상태의 매우 제한적인 차이가 있을 정도로 충분히 짧으며, 이는 이것이 안전하게 수행될 수 있음을 의미한다.
에너지 저장 시스템은 배터리 모듈들을 포함하는 하나의 캐비닛을 연결해제하는 것과 연관된, 최대 전력의 일시적인 감소로 동작을 처리할 수 있고, 도 2에서 예시된 예의 경우, 5 개 중에서 4 개의 캐비닛들이 테스트 프로세스 전체에 걸쳐 계속 연결된 상태로 유지된다. 배터리 팩을 연결해제하는 것은 단지, 전력의 일시적인 감소를 표현하지만, 일단 결함성 배터리 팩이 식별되었다면 잠시 후에 정상적인 배터리 팩이 재연결될 수 있기 때문에, 이용가능한 에너지가 장기간 감소되는 것은 아니다.
에너지 저장 시스템에서 그라운드 결함이 검출되는 경우, 어느 캐비닛이 결함성인지를 결정하기 위해 트러블슈팅을 자동으로 수행하도록 시스템을 설정함으로써, 많은 수동 트러블슈팅이 회피된다. 이는 서비싱(servicing) 비용들을 감소시키는데, 그 이유는 트러블슈팅에 필요한 인시(man hours)가, 식별 및 교체하는 단계가 시작할 수 있기 전에 각각의 캐비닛 전체를 처리(work through)하는 것이 아니라, 결함성인 것으로서 시스템이 식별한 캐비닛의 하나 이상의 모듈들을 식별 및 교체하는 데 소모되는 시간으로 제한될 수 있기 때문이다. 트러블슈팅 시에 직원의 사용을 감소시키는 것은, 결함성 전력 시스템에 대한 트러블슈팅 동안 상해의 위험을 감소시킨다. 이 방법은, 시스템이 그라운드 결함으로 계속해서 동작해야 하는 시간의 상당한 감소를 가능하게 하여서, 이에 따라, 제2의 그리고 임계적인 그라운드 결함이 발생할 위험을 최소화한다. 결함의 정확한 위치를 위해 각각의 캐비닛에서의 전류 트랜스포머들에 대한 필요가 없어서, 조립 시간, 비용 및 공간 요건들이 감소된다.
전기화학 셀들, 이를테면, 배터리들, 예컨대, Li-이온, 알카라인(alkaline) 또는 NiMh 배터리들 등에 대하여 상세한 예들이 제공되었지만, 본 발명은 다른 유형들의 저장 에너지 유닛들, 특히, 비-원통형 커패시터(capacitor)들, 울트라커패시터(ultracapacitor)들 또는 슈퍼커패시터(supercapacitor)들, 연료 셀들 또는 다른 유형들의 에너지 저장부에 적용된다.
Claims (10)
- 배전 시스템(system)에서의 그라운드 결함(ground fault) 검출 방법으로서,
상기 배전 시스템은 에너지(energy) 저장 시스템; 시스템 제어기; 및 그라운드 결함 검출 시스템을 포함하고, 상기 에너지 저장 시스템은 복수의 에너지 저장 유닛(unit)들을 포함하고, 상기 복수의 에너지 저장 유닛들 각각은 상기 배전 시스템의 DC 버스(bus)에 병렬로 함께 연결되고, 각각의 에너지 저장 유닛은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 모듈(module)들을 포함하며,
상기 방법은, 상기 배전 시스템에서 그라운드 결함을 검출하는 단계; 상기 에너지 저장 시스템으로부터 제1 에너지 저장 유닛을 연결해제하라는 명령을, 상기 배전 시스템에 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 나머지 에너지 저장 유닛들이 상기 DC 버스에 병렬로 계속 연결된 상태로 유지되는 동안, 제1 스위칭 디바이스(switching device)에 전송하는 단계; 그라운드 결함에 대해 다시 테스트(testing)하는 단계; 상기 그라운드 결함이 더 이상 존재하지 않으면, 상기 그라운드 결함이 상기 제1 에너지 저장 유닛에 있다는 표시를 제공하는 단계; 상기 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 상기 제어기로부터 상기 제1 에너지 저장 유닛을 재연결하라는 명령을 전송하는 단계; 상기 제어기로부터 다음 차례의 에너지 저장 유닛을 연결해제하라는 명령을 전송하는 단계; 그라운드 결함에 대해 다시 테스트하는 단계; 및 상기 그라운드 결함이 식별되거나 또는 모든 에너지 저장 유닛들이 테스트될(tested) 때까지, 연결해제하는 단계, 테스트하는 단계 및 재연결하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 모든 에너지 저장 유닛들이 테스트된 후에 상기 그라운드 결함이 지속되면, 상기 그라운드 결함이 상기 에너지 저장 시스템이 아닌 상기 배전 시스템의 부분에 있다는 표시를 제공하는 단계를 포함하는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 방법은, 상기 그라운드 결함이 식별된 상기 연결해제된 에너지 저장 유닛에 제거가능 그라운드 결함 검출 유닛을 연결하는 단계, 및 상기 에너지 저장 유닛 내의 결함성 에너지 저장 모듈을 식별하기 위한 프로세스(process)를 수행하는 단계를 더 포함하는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세스는, 제1 모듈을 단자들 둘 모두에서 격리하는 단계; 나머지 모듈들에서 그라운드 결함에 대해 체크(checking)하는 단계; 그라운드 결함이 존재하지 않으면, 상기 격리된 모듈을 제거 및 교체하는 단계; 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 상기 격리된 모듈을 재연결하는 단계; 다음 차례의 모듈을 격리하는 단계; 캐비닛(cabinet)에서 그라운드 결함에 대해 다시 체크하는 단계; 상기 그라운드 결함이 여전히 존재하면, 결함성 모듈이 결정될 때까지, 상기 격리하는 단계 및 상기 체크하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 결함성 모듈을 제거 및 교체하고 추가적인 결함성 모듈들이 존재하지 않는다고 결정한 후에, 상기 에너지 저장 시스템에 캐비닛을 재연결하는 단계를 더 포함하는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
모듈을 격리하고 나머지 모듈들에서 그라운드 결함에 대해 테스트하며 그리고 그라운드 결함이 발견되지 않으면 상기 모듈을 재연결하라는 제어 신호를 모듈 스위칭 디바이스에 전송함으로써, 상기 격리하는 단계, 상기 체크하는 단계 및 상기 재연결하는 단계가 국부적 캐비닛 제어기의 제어 하에서 자동으로 수행되는,
배전 시스템에서의 그라운드 결함 검출 방법. - 배전 시스템으로서,
상기 배전 시스템은, 에너지 저장 시스템; 시스템 제어기; 및 그라운드 결함 검출 시스템을 포함하고, 상기 에너지 저장 시스템은 복수의 에너지 저장 유닛들을 포함하고, 상기 복수의 에너지 저장 유닛들 각각은 상기 배전 시스템의 DC 버스에 병렬로 함께 연결되고, 각각의 에너지 저장 유닛은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 모듈들을 포함하며, 상기 그라운드 결함 검출 시스템은 그라운드 결함 검출 모듈 및 제어 모듈을 포함하고, 각각의 에너지 저장 유닛은, 에너지 저장 유닛을, 상기 배전 시스템에 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 나머지 에너지 저장 유닛들이 상기 DC 버스에 병렬로 계속 연결된 상태로 유지되는 동안, 상기 제어 모듈의 제어 하에서, 상기 DC 버스로부터 연결하거나 또는 연결해제하기 위한 스위칭 디바이스를 포함하는,
배전 시스템. - 제7 항에 있어서,
각각의 에너지 저장 모듈은 직렬로 함께 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들을 포함하는,
배전 시스템. - 제8 항에 있어서,
상기 에너지 저장 디바이스들은 전기화학 셀(cell) 또는 배터리(battery) 중 하나를 포함하는,
배전 시스템. - 제7 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배전 시스템은 그라운드 결함 조건으로 계속해서 동작할 수 있는 격리된 전력 시스템인,
배전 시스템.
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