KR20220102159A - Ess의 누설전류 검출 모델 - Google Patents

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KR20220102159A
KR20220102159A KR1020210003095A KR20210003095A KR20220102159A KR 20220102159 A KR20220102159 A KR 20220102159A KR 1020210003095 A KR1020210003095 A KR 1020210003095A KR 20210003095 A KR20210003095 A KR 20210003095A KR 20220102159 A KR20220102159 A KR 20220102159A
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Abstract

ESS의 누설전류 검출 모델은 배전 계통부, ESS부, 불평형 부하부 및 검출부를 포함한다. 상기 배전 계통부는 전원을 공급한다. 상기 ESS부는 상기 배전 계통부에 전기적으로 연결되어 에너지를 저장하며, 전원을 제어하는 PCS부 및 상기 PCS부에 연결되어 에너지를 저장하는 배터리부를 포함한다. 상기 불평형 부하부는 상기 배전 계통부와 상기 ESS부의 사이에 병렬로 연결되며, 가변 부하를 제공한다. 상기 검출부는 상기 불평형 부하부를 차단한 상태에서 상기 PCS부의 누설전류를 검출하고, 상기 불평형 부하부가 연결된 상태에서 상기 가변 부하에 따른 누설전류를 검출한다.

Description

ESS의 누설전류 검출 모델{MODEL FOR DETECTING LEAKAGE CURRENT IN ESS}
본 발명은 ESS의 누설전류 검출 모델에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PCS(power control system)측 누설전류와 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 각각 모델링함으로써, ESS에서 발생하는 누설전류를 효과적으로 검출할 수 있는 ESS의 누설전류 검출 모델에 관한 것이다.
최근 들어, 재생에너지원의 출력 안정화, 수요관리 및 주파수 조정 등 다양한 기능을 가지는 ESS의 설치가 증가하고 있으나, 리튬 이온전지를 이용한 ESS의 경우 화재가 빈번하게 발생하는 문제가 있다.
이러한 ESS의 화재의 원인으로써는, 전기적인 위해요인으로 누설전류가 주요 원인 중의 하나로 고려되고 있어, ESS의 누설전류를 예측하거나 계측하는 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다.
관련 선행문헌으로, 대한민국 공개특허 제10-2020-0077128호에서는 이러한 ESS의 누설전류를 감시하는 시스템을 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행문헌을 포함한 대다수의 선행문헌들은 단순한 ESS의 누설전류 감시 시스템을 개시하는 것에 불과하여, 실제 ESS의 누설전류가 ESS를 구성하는 PCS측의 누설전류와 계통불평형 전류에 의한 누설전류의 2가지 요인에 의해 발생되는 것을 전혀 고려하지 않고 있어, 누설전류의 정확한 감시에는 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0077128호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 PCS(power control system)측 누설전류와 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 각각 모델링함으로써, ESS에서 발생하는 누설전류를 효과적으로 검출할 수 있는 ESS의 누설전류 검출 모델을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 ESS의 누설전류 검출 모델은 배전 계통부, ESS부, 불평형 부하부 및 검출부를 포함한다. 상기 배전 계통부는 전원을 공급한다. 상기 ESS부는 상기 배전 계통부에 전기적으로 연결되어 에너지를 저장하며, 전원을 제어하는 PCS부 및 상기 PCS부에 연결되어 에너지를 저장하는 배터리부를 포함한다. 상기 불평형 부하부는 상기 배전 계통부와 상기 ESS부의 사이에 병렬로 연결되며, 가변 부하를 제공한다. 상기 검출부는 상기 불평형 부하부를 차단한 상태에서 상기 PCS부의 누설전류를 검출하고, 상기 불평형 부하부가 연결된 상태에서 상기 가변 부하에 따른 누설전류를 검출한다.
일 실시예에서, 상기 PCS부는, 상기 배전 계통부에 연결되는 필터, 상기 필터에 연결되는 PCS 변압기, 및 상기 PCS 변압기와 상기 배터리부 사이에 연결되어 고주파로 스위칭하여 전력을 변환하는 IGBT부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 IGBT부는, 서로 직렬로 연결된 복수의 IGBT들을 포함하는 IGBT 모듈, 상기 IGBT 모듈에 인접하도록 배치되는 방열판, 및 상기 방열판과 상기 IGBT 모듈 사이에 존재하는 기생 커패시턴스(capacitance)를 모사하는 커패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기생 커패시턴스에 의한 누설전류(ileak), 즉 상기 PCS부의 누설전류는 하기 식 (1)로 정의되고,
Figure pat00001
식 (1)
이 때, Cstray는 기생 커패시턴스, v는 PCS부의 전압, t는 시간일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기생 커패시턴스(Cstray)는 하기 식 (2)로 정의되고,
Figure pat00002
식 (2)
이 때, εr은 IGBT 기판의 재료인 산화알루미늄의 유전율, ε0는 대기 유전율, w는 IGBT의 폭, Y는 방열판의 세로길이, H는 방열판에서 IGBT 중심까지의 거리, A는 방열판의 면적, d는 IGBT 밑면으로부터 방열판까지의 거리일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 불평형 부하부는, 상기 배전 계통부와 상기 ESS부의 사이에 연결되며, 상기 불평형 부하부의 차단 및 연결을 제어하는 차단부, 복수의 가변저항들을 포함하여, 가변 부하를 제공하는 가변저항부, 및 상기 차단부와 상기 가변저항부 사이에 연결되며, 상기 가변저항부가 제공하는 가변 부하가 입력되는 입력부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가변저항부의 가변 부하에 따라 발생하는 중성선 전류는, 상기 배선 계통부의 연계용 전압기 및 상기 PCS부의 PCS 변압기에 유입되도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PCS부 및 상기 배터리부는 상기 PCS 변압기의 중성선에 공통접지되도록 설계되어, 상기 PCS 변압기에 유입된 중성선 전류는 상기 PCS부 및 상기 배터리부에 누설전류로 유입될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 검출부는, 상기 기생 커패시턴스에 의한 누설전류를 상기 PCS부의 누설전류로 검출하고, 상기 중성선 전류가 상기 PCS부 및 상기 배터리부로 유입되는 누설전류를 가변 부하에 따른 누설전류로 검출할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 ESS의 화재원인으로 간주되는 누설전류를 검출함에 있어, PCS측 누설전류와 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 서로 구분하여 모델링할 수 있으며, 이를 통해 ESS에서 발생하는 누설전류를 효과적으로 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 불평형 부하부를 차단이 가능하도록 병렬연결하여, 차단 상태에서 PCS측 누설전류를 모델링하고, 연결 상태에서 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 모델링하여, 하나의 회로로부터 서로 다른 누설전류의 효과적인 모델링이 가능할 수 있다.
이 경우, IGBT부에 포함되는 IGBT 모듈과 방열판 사이의 기생 커피시턴스를 모사하여 이로부터 상기 PCS 측 누설전류를 효과적으로 모델링할 수 있다.
그리고, 불평형 부하부에 인가되는 부하가 가변되도록 설계하고, 이로부터 발생되는 누설전류가 PCS부와 배터리부의 공통접지로 누설되도록 설계함으로써, 상기 계통불평형 전류로 인한 누설전류의 모델링을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 ESS의 누설전류 검출 모델을 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1의 ESS부 및 배전계통부를 상세히 도시한 회로도이고, 도 3은 도 2의 회로도를 간략히 도시한 회로 구성도이다.
도 4는 도 3의 IGBT부를 상세히 도시한 회로 구성도이다.
도 5a는 도 4의 IGBT와 방열판의 배치관계의 일 예를 도시한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 측면도이다.
도 6은 도 3의 ESS부 및 배전계통부에서 누설전류의 흐름을 도시한 회로 구성도이다.
도 7은 도 1의 ESS부, 배전계통부 및 불평형 부하부를 간략히 도시한 회로 구성도이다.
도 8은 도 7의 ESS부 및 불평형 부하부에서 누설전류의 흐름을 도시한 회로 구성도이다.
도 9a 및 도 9b는 PCS부가 충전 운전을 수행하는 경우의 누설전류 특성을 분석한 그래프들이고, 도 10a 및 도 10b는 PCS부가 방전 운전을 수행하는 경우의 누설전류 특성을 분석한 그래프들이다.
도 11a 및 도 11b는 IGBT와 방열판 사이의 기생 커패시턴스에 따른 누설전류의 발생의 다른 예를 도시한 그래프들이다.
도 12a 내지 도 12c는 계통불평형 전류에 의한 누설전류 특성을 분석한 그래프들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 ESS의 누설전류 검출 모델을 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 ESS의 누설전류 검출모델(10, 이하 누설전류 검출모델이라 함)은 ESS부(100), 배전 계통부(200), 불평형 부하부(300) 및 검출부(400)를 포함한다.
상기 배전 계통부(200)는 전원을 공급하며, 상기 ESS부(100)는 상기 배전 계통부(200)에 전기적으로 연결되어 에너지를 저장하는 저장장치에 해당된다.
이 경우, 상기 ESS부(100)는, PCS(power control system)부(110) 및 배터리부(120)를 포함하며, 상기 PCS부(110)는 스위칭(switching)을 통해 전원을 제어하고, 상기 배터리부(120)는 상기 PCS부(110)에 전기적으로 연결되어 에너지를 저장한다.
한편, 상기 불평형 부하부(300)는 상기 배전 계통부(200)와 상기 ESS부(100)의 사이에, 상기 배전 계통부(200)와 상기 ESS부(100)에 병렬로 연결되며, 가변 저항부(310), 입력부(320) 및 차단부(330)를 포함한다.
상기 불평형 부하부(300)는, 후술하겠으나, 상기 배전 계통부(200) 및 상기 ESS부(100)의 사이에서 선택적으로 차단되거나 선택적으로 연결될 수 있으며, 상기 차단부(330)가 이러한 차단 또는 연결을 제어한다.
즉, 상기 차단부(330)가 차단되는 경우, 상기 배전 계통부(200) 및 상기 ESS부(100)만 직렬로 연결된 상태가 되며, 이러한 회로를 통해 후술되는 바와 같이 상기 검출부(400)는 PCS부(110)의 누설전류를 검출할 수 있다.
이와 달리, 상기 차단부(330)가 연결되는 경우, 상기 배전 계통부(200), 상기 ESS부(100) 및 상기 불평형 부하부(300)가 서로 연결되며, 후술되는 바와 같이, 상기 병렬 연결된 회로를 통해 상기 검출부(400)는 가변 부하에 따른 누설전류, 즉 계통 불평형에 의한 누설전류를 검출할 수 있다.
한편, 상기 불평형 부하부(300)에서는, 상기 가변 저항부(310)를 통해 가변 저항, 즉 가변 부하를 제공할 수 있으며, 이를 통해 다양한 가변 부하가 적용되는 상황에서의 누설 전류를 검출할 수 있다.
구체적으로, 상기 가변 저항부(310)는 서로 병렬로 연결되는 복수의 가변 저항들을 포함하며, 예를 들어, 제1 내지 제3 가변저항들(311, 312, 313)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 내지 제3 가변저항들(311, 312, 313) 각각은 저항을 서로 다르게 제공할 수 있으며, 이에 따라, 상기 제1 내지 제3 가변저항들(311, 312, 313)이 연결되는 상기 입력부(320)를 통해 서로 다르게 설정된 저항값이 입력될 수 있다.
이와 같이, 상기 가변 저항부(310)를 통해, 서로 다른 저항값이 설정되면서 상기 입력부(320)로 제공되는 바, 실제 ESS 회로에서의 부하 불평형 상태를 효과적으로 모사할 수 있으며, 다양한 부하 인가 상태를 구현할 수 있다.
상기 검출부(400)는 상기 ESS의 누설전류 검출모델(10)로부터 누설전류를 검출하며, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 불평형 부하부(300)를 차단한 상태에서 상기 PCS부(110)의 누설전류를 검출하고, 상기 불평형 부하부(300)가 연결된 상태에서 상기 가변 부하에 따른 누설전류를 검출하게 된다.
이하에서는, 우선, 상기 불평형 부하부(300)가 차단된 상태에서, 상기 PCS부(110)의 누설전류를 검출하는 것에 대하여 설명한다.
도 2는 도 1의 ESS부 및 배전계통부를 상세히 도시한 회로도이고, 도 3은 도 2의 회로도를 간략히 도시한 회로 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 배전 계통부(200)는 보다 구체적으로, 연계용 변압기(210), 보호장치(220) 및 전원부(230)를 포함한다.
이 경우, 상기 전원부(230)는 교류 전원을 공급하며, 상기 연계용 변압기(210)는 상기 공급되는 전원의 전압을 가변시켜 제공하고, 상기 보호장치(220)는 상기 배전 계통부(200)를 보호하며 상기 ESS부(100)와 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 ESS부(100)의 경우, PCS부(110) 및 배터리부(120)를 포함함은 앞서 설명한 바와 같으며, 상기 PCS부(110)는 필터(111), PCS 변압기(112) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor)부(130)를 포함하고, 상기 배터리부(120)는 배터리(121)를 포함한다.
이 때, 상기 IGBT부(130)는 상기 PCS 변압기(112)와 상기 배터리(121)의 사이에서 연결되며, 상기 PCS부(110)로 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리(121)로 제공한다.
도 4는 도 3의 IGBT부를 상세히 도시한 회로 구성도이다. 도 5a는 도 4의 IGBT와 방열판의 배치관계의 일 예를 도시한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 측면도이다.
우선, 도 4를 참조하면, 상기 IGBT부(130)는 복수의 IGBT 모듈들(134)이 서로 병렬로 연결되며, 각각의 IGBT 모듈들(134)은 복수의 IGBT들(131)을 포함한다.
즉, 도 4에서는 2개의 서로 직렬로 연결된 IGBT들(131)이 하나의 IGBT 모듈(134)을 구성하는 것을 예시하였으나, 상기 하나의 IGBT 모듈을 구성하는 IGBT들의 개수는 제한되지 않으며, 마찬가지로 서로 병렬로 연결되는 IGBT 모듈들의 개수 역시 다양하게 설계될 수 있다.
한편, 상기 IGBT부(130)는 앞서 설명한 바와 같이, 전력 변환을 목적으로 예를 들어, 2~4 kHz의 고주파로 스위칭하는데, 이러한 고주파 스위칭에 의한 온도 상승을 억제하기 위해 방열판(133)을 추가로 구비한다.
이 경우, 상기 방열판(133)은 하나의 IGBT 모듈(134)에 인접하도록 배열되어, IGBT 모듈(134)의 개수와 동일한 개수가 배열된다. 그리하여, 도 4에 도시된 바와 같이, IGBT 모듈(134)과 방열판(133)은 서로 교번적으로 배열된다.
이와 같이, 상기 IGBT 모듈(134)과 상기 방열판(133)이 각각 소정 간격으로 배열되는 경우, 상기 IGBT 모듈(134)과 상기 방열판(133) 사이에는 기생 커패시턴스(capacitance)가 존재하게 되며, 이러한 기생 커피시턴스에 의해 상기 고주파 스위칭시 의도되지 않은 누설전류가 발생하게 된다.
본 실시예의 경우, 이러한 기생 커피시턴스를 모사하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 커패시터(132)가 상기 각각의 IGBT(131)와 상기 방열판(133) 사이에 연결되는 것으로 모사할 수 있다.
따라서, 상기 IGBT부(130)가 도 4에 도시된 바와 같은 회로 구조를 가진다고 가장하였을 때, 도 4의 IGBT부(130)로부터 발생되는 누설전류, 즉 상기 방열판(133)과 상기 IGBT 모듈(134) 사이의 기생 커패시턴스에 의한 누설전류(ileak)는 하기 식 (1)로 정의된다.
Figure pat00003
식 (1)
이 때, Cstray는 기생 커패시턴스, v는 PCS부의 전압, t는 시간이다.
즉, 상기 누설전류(ileak)는 시간에 따른 IGBT 스위칭의 전압 변화량(dv/dt)과 기생 커패시턴스(Cstray)에 의해 연산되는 것으로, 결국 상기 배터리부(120)의 DC전압의 크기와 상기 방열판(133)의 구조가 상기 누설전류 발생에 영향을 미친다고 할 수 있다.
또한, 이렇게 도출되는 상기 누설전류(ileak)는 상기 검출부(400)를 통해 검출되며, 상기 누설전류(ileak)가 상기 PCS부(110)의 누설전류에 해당된다.
한편, 상기 식 (1)에서 상기 기생 커패시턴스(Cstray)는 하기 식 (2)로 정의된다.
Figure pat00004
식 (2)
이 때, εr은 IGBT 기판의 재료인 산화알루미늄의 유전율, ε0는 대기 유전율, w는 IGBT의 폭, Y는 방열판의 세로길이, H는 방열판에서 IGBT 중심까지의 거리, A는 방열판의 면적, d는 IGBT 밑면으로부터 방열판까지의 거리를 의미한다.
예를 들어, 도 5a 및 도 5b에 예시된 IGBT 모듈(134, 3개의 IGBT(131)를 포함함)과 방열판(133)에 대하여 식 (2)를 통해 상기 기생 커패시턴스(Cstray)를 연산하면 다음과 같다.
즉, 도 5a 및 도 5b에 예시된 경우, IGBT(131) 1개의 크기가 가로(w) 213mm, 세로 97mm이고, 방열판(133)의 크기가 가로(L) 750mm, 세로(Y) 143mm이고, 방열판에서 IGBT 중심까지의 거리(H)가 0.3mm이고, IGBT 밑면으로부터 방열판까지의 거리(d)가 0.075mm이고, IGBT 기판의 재료인 산화알루미늄의 유전율(εr)이 9.8이다.
이에 따라, 상기 식 (2)를 통해 연산하면, 1개의 IGBT(131)와 방열판(133) 사이에 존재하는 기생 커패시턴스(Cstray)는 1.28nF으로 연산될 수 있다.
나아가, 이와 같이 1개의 IGBT와 방열판 사이의 기생 커패시턴스 연산 결과로부터, 상기 IGBT부(130)의 IGBT의 개수, 방열판의 개수 및 연결관계를 통해 최종적으로 상기 IGBT부(130)에서의 기생 커패시턴스를 도출할 수 있으며, 이를 바탕으로 식 (1)을 통해 상기 기생 커패시턴스에 의한 누설전류(ileak)를 도출할 수 있다.
그리하여, 상기 검출부(400)에서는 상기 누설전류(ileak)의 도출값으로 상기 PCS부(110)의 누설전류를 검출할 수 있다.
도 6은 도 3의 ESS부 및 배전계통부에서 누설전류의 흐름을 도시한 회로 구성도이다.
상기 IGBT부(130)에서 발생되는 누설전류(ileak)의 방향은 도 6에 도시된 바와 같이 정의될 수 있으며, 이 경우 상기 IGBT부(130)에서 발생되는 누설전류와 상기 배터리부(120)에서 발생되는 누설전류는 그 크기는 동일하고 방향만 반대가 된다.
즉, 상기 IGBT부(130)에서 발생한 누설전류가 접지상태에 따라 상기 배터리부(120)로 유입될 수 있으며, 이에 따라 상기 IGBT부(130)의 기생 커패시턴스가 증가할수록 상기 누설전류도 증가하여, 결과적으로 상기 배터리부(120)에 영향을 미쳐 상기 배터리부(120)에 화재 등의 문제가 발생할 수 있다.
이하에서는, 상기 불평형 부하부(300)가 연결된 상태에서, 상기 가변 부하에 따른 누설전류, 즉 계통 불평형에 의한 누설전류를 검출하는 것에 대하여 설명한다.
도 7은 도 1의 ESS부, 배전계통부 및 불평형 부하부를 간략히 도시한 회로 구성도이다. 도 8은 도 7의 ESS부 및 불평형 부하부에서 누설전류의 흐름을 도시한 회로 구성도이다.
일반적으로 공통 중선선 다중접지 3상 4선식 방식에서는, 단상 및 3상 부하 모두에 전력을 공급할 수는 있으나, 단상부하에 의해 부하 불평형이 발생하여 중성선에는 불평형 전류가 흐르게 된다. 나아가, 태양광 전원이 연계된 변압기의 경우, 분산전원 연계 기준에 따라 Yg-△방식 또는 Yg-Yg 결선방식을 사용하고 있는데, 설치 비용 등의 문제로 변압기의 철심도 5각 철심이 아닌 3각 철심이 대부분 사용되고 있다. 이에 따라, 상기 변압기 결선방식과 철심구조에 의한 부하 불평형으로 상기 중성선에는 불평형 전류가 흐르게 된다.
도 7을 참조하면, 이러한 상기 부하 불평형에 의해 발생되는 중성선 전류(In1)는 상기 ESS부(100)의 연계용 변압기, 즉 PCS 변압기(112)로 유입(In3)된다.
따라서, 본 실시예에 의한 상기 누설전류 검출모델(10)에서는, 상기 불평형 부하부(300)를 포함하여, 상기 불평형 부하부(300)에 의해 부하 불평형 상태를 모사할 수 있으며, 이에 따라 상기 중성선으로 불평형 전류(In1)가 흐르는 것을 모사할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기 ESS부(100)의 경우, 상기 배터리부(120)와 상기 PCS부(110)의 PCS 변압기(112)의 중성선을 공통으로 접지하도록 접지 와이어(150)를 통해 모델링함으로써, 상기 불평형 전류(In1)가 상기 ESS의 접지 와이어(150)로 유입될 수 있다.
이 경우, 상기 전기설비기준에 제시된 기준을 바탕으로, 상기 접지 와이어(150)의 접지저항을 설정함으로써, 상기 불평형 전류(In1)는 모두 대지로 흘러나가지 않고 상기 배터리부(120)와 상기 PCS부(110)로 유입되게 되며, 이러한 유입 전류가 결국은 가변 부하에 따른 누설전류에 해당된다.
즉, 상기 불평형 부하부(300)를 연결한 상태에서, 다양한 부하를 제공함으로써, 상기 가변 부하에 따른 누설전류가 발생하게 되며, 상기 검출부(400)는 이러한 가변 부하에 따른 누설전류, 즉 계통 불평형에 의한 누설전류를 검출하게 된다.
도 9a 및 도 9b는 PCS부가 충전 운전을 수행하는 경우의 누설전류 특성을 분석한 그래프들이고, 도 10a 및 도 10b는 PCS부가 방전 운전을 수행하는 경우의 누설전류 특성을 분석한 그래프들이다.
도 9a 및 도 9b는, 상기 불평형 부하부(300)가 차단된 상태에서, PCS부(110)의 누설전류 특성을 분석한 결과로서, 상기 PCS부(110)가 충전 운전을 수행하는 경우, 상기 기생 커패시턴스가 0.5nF인 경우, 상기 PCS부(110)의 누설전류의 RMS값을 분석한 결과이다.
즉, 도 9a는 상기 PCS부(110)의 충전시 PCS부(110)의 전력과 전압을 나타낸 것이며, 도 9b는 상기 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 누설전류의 RMS값을 나타낸 것이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 누설전류의 RMS 값이 약 7mA로서 전기설비기술 기준인 1mA의 허용치를 상회함을 확인할 수 있으며, 본 실시예에 의한 누설전류 검출모델(10)을 통해 충전 상태에서의 누설전류의 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
이와 달리, 도 10a 및 도 10b는, 상기 불평형 부하부(300)가 차단된 상태에서, PCS부(110)의 누설전류 특성을 분석한 결과로서, 상기 PCS부(110)가 방전 운전을 수행하는 경우, 상기 기생 커패시턴스가 0.5nF인 경우, 상기 PCS부(110)의 누설전류의 RMS값을 분석한 결과이다.
즉, 도 10a는 상기 PCS부(110)의 방전시 PCS부(110)의 전력과 전압을 나타낸 것이며, 도 10b는 상기 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 누설전류의 RMS값을 나타낸 것이다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 상기 누설전류의 RMS 값이 약 7mA로서 충전시와 유사하고, 전기설비기술 기준인 1mA의 허용치를 상회함을 확인할 수 있으며, 본 실시예에 의한 누설전류 검출모델(10)을 통해 방전 상태에서도 누설전류의 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 IGBT와 방열판 사이의 기생 커패시턴스에 따른 누설전류의 발생의 다른 예를 도시한 그래프들이다.
도 11a는, 상기 불평형 부하부(300)가 차단된 상태에서, PCS부(110)의 누설전류 특성을 분석한 결과로서, 상기 PCS부(110)가 충전 운전을 수행하는 경우, 상기 기생 커패시턴스가 1.28nF인 경우, 상기 PCS부(110)의 누설전류의 RMS값을 분석한 결과이다.
즉, 도 11a에 도시된 바와 같이, 상기 기생 커패시턴스 0.5nF에서 1.28nF로 증가함에 따라 누설전류의 크기도 7mA에서 34mA로 증가함을 확인할 수 있다.
또한, 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 PCS부(110)와 상기 배터리부(120)의 누설전류의 순시파형에 있어, 각각의 누설전류의 크기는 동일하지만 위상은 서로 반대인 것을 확인할 수 있으며, 이는 앞서 설명한 바와 같다.
도 12a 내지 도 12c는 계통불평형 전류에 의한 누설전류 특성을 분석한 그래프들이다. 즉, 도 12a 내지 도 12c는, 상기 불평형 부하부(300)가 연결된 상태에서, 가변 부하에 따른 누설전류 특성을 분석한 결과이다.
이 경우, 도 12a는 상기 계통불평형 전류에 의해 발생한 전체 누설전류의 RMS값을 도시한 것이며, 도 12b 및 도 12c는 접지저항이 각각 1Ω 및 10Ω 인 경우 상기 ESS부(100)로 유입되는 누설전류의 RMS값을 도시한 것이다.
즉, 도 12b를 참조하면, 상기 계통불평형 전류가 2.16A인 경우, 44.65mA의 누설전류가 상기 ESS부(100)로 유입되며, 그 중 31.69mA는 1Ω의 접지저항을 통해 대지로 흐르고, 8.99mA는 상기 PCS부(110)로, 3.96mA는 상기 배터리부(120)로 흐르는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리, 도 12c를 참조하면, 접지저항이 10Ω인 경우, 43.83mA의 누설전류 중 8.6mA는 접지저항을 통해 대지로 흐르고, 24.4mA는 상기 PCS부(110)로, 10.76mA는 상기 배터리부(120)로 흐르는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 상기 계통불평형 전류에 의한 누설전류는 상기 PCS부의 누설전류보다 큰 값을 가지고 있으며, 접지저항이 증가함에 따라 누설전류는 접지저항을 통해 대지로 모두 흐르지 않으며 상기 PCS부 및 상기 배터리부로 유입되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시예를 통해, 상기 검출부(400)에서 상기 계통불평형 전류에 의한 누설전류를 검출함으로써, 상기 배터리부(120)로 흐르는 누설전류를 직접 계측할 수 있는 것은 물론, 배터리부에 미치는 악영향을 미리 감지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 ESS의 화재원인으로 간주되는 누설전류를 검출함에 있어, PCS측 누설전류와 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 서로 구분하여 모델링할 수 있으며, 이를 통해 ESS에서 발생하는 누설전류를 효과적으로 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 불평형 부하부를 차단이 가능하도록 병렬연결하여, 차단 상태에서 PCS측 누설전류를 모델링하고, 연결 상태에서 계통불평형 전류로 인한 누설전류를 모델링하여, 하나의 회로로부터 서로 다른 누설전류의 효과적인 모델링이 가능할 수 있다.
이 경우, IGBT부에 포함되는 IGBT 모듈과 방열판 사이의 기생 커피시턴스를 모사하여 이로부터 상기 PCS 측 누설전류를 효과적으로 모델링할 수 있다.
그리고, 불평형 부하부에 인가되는 부하가 가변되도록 설계하고, 이로부터 발생되는 누설전류가 PCS부와 배터리부의 공통접지로 누설되도록 설계함으로써, 상기 계통불평형 전류로 인한 누설전류의 모델링을 효과적으로 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 누설전류 검출모델 100 : ESS 부
110 : PCS 부 120 : 배터리부
150 : 접지와이어 200 : 배전계통부
210 : 연계용 변압기 220 : 보호장치
230 : 전원부 300 : 불평형 부하부
310 : 가변 저항부 320 : 입력부
330 : 차단부 400 : 검출부

Claims (9)

  1. 전원을 공급하는 배전 계통부;
    상기 배전 계통부에 전기적으로 연결되어 에너지를 저장하며, 전원을 제어하는 PCS부 및 상기 PCS부에 연결되어 에너지를 저장하는 배터리부를 포함하는 ESS부;
    상기 배전 계통부와 상기 ESS부의 사이에 병렬로 연결되며, 가변 부하를 제공하는 불평형 부하부; 및
    상기 불평형 부하부를 차단한 상태에서 상기 PCS부의 누설전류를 검출하고, 상기 불평형 부하부가 연결된 상태에서 상기 가변 부하에 따른 누설전류를 검출하는 검출부를 포함하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PCS부는,
    상기 배전 계통부에 연결되는 필터;
    상기 필터에 연결되는 PCS 변압기; 및
    상기 PCS 변압기와 상기 배터리부 사이에 연결되어 고주파로 스위칭하여 전력을 변환하는 IGBT부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  3. 제2항에 있어서, 상기 IGBT부는,
    서로 직렬로 연결된 복수의 IGBT들을 포함하는 IGBT 모듈;
    상기 IGBT 모듈에 인접하도록 배치되는 방열판; 및
    상기 방열판과 상기 IGBT 모듈 사이에 존재하는 기생 커패시턴스(capacitance)를 모사하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기생 커패시턴스에 의한 누설전류(ileak), 즉 상기 PCS부의 누설전류는 하기 식 (1)로 정의되고,

    Figure pat00005
    식 (1)
    이 때, Cstray는 기생 커패시턴스, v는 PCS부의 전압, t는 시간인 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기생 커패시턴스(Cstray)는 하기 식 (2)로 정의되고,
    Figure pat00006
    식 (2)

    이 때, εr은 IGBT 기판의 재료인 산화알루미늄의 유전율, ε0는 대기 유전율, w는 IGBT의 폭, Y는 방열판의 세로길이, H는 방열판에서 IGBT 중심까지의 거리, A는 방열판의 면적, d는 IGBT 밑면으로부터 방열판까지의 거리인 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  6. 제1항에 있어서, 상기 불평형 부하부는,
    상기 배전 계통부와 상기 ESS부의 사이에 연결되며, 상기 불평형 부하부의 차단 및 연결을 제어하는 차단부;
    복수의 가변저항들을 포함하여, 가변 부하를 제공하는 가변저항부; 및
    상기 차단부와 상기 가변저항부 사이에 연결되며, 상기 가변저항부가 제공하는 가변 부하가 입력되는 입력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가변저항부의 가변 부하에 따라 발생하는 중성선 전류는, 상기 배선 계통부의 연계용 전압기 및 상기 PCS부의 PCS 변압기에 유입되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PCS부 및 상기 배터리부는 상기 PCS 변압기의 중성선에 공통접지되도록 설계되어,
    상기 PCS 변압기에 유입된 중성선 전류는 상기 PCS부 및 상기 배터리부에 누설전류로 유입되는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
  9. 제4항 또는 제7항에 있어서, 상기 검출부는,
    상기 기생 커패시턴스에 의한 누설전류를 상기 PCS부의 누설전류로 검출하고,
    상기 중성선 전류가 상기 PCS부 및 상기 배터리부로 유입되는 누설전류를 가변 부하에 따른 누설전류로 검출하는 것을 특징으로 하는 ESS의 누설전류 검출모델.
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