1. 서 론

ESS(Energy Storage System)란 생산된 전기를 배터리에 저장하였다가 전력이 필요할 때 공급하는 설비로 용도에 따라서 주파수 조정용, 신재생 연계용, 피크부하 저감용으로 사용된다. 일반적으로 리튬이온배터리 기반 ESS는 그림 1과 같이 전기를 저장하는 배터리, 전기를 충전하고 방전하는 PCS (Power Conversion System) 그리고 배터리와 PCS를 제어하는 PMS (Power Management System),배터리의 충전상태를 계산하여 저장된 에너지의 양을 표시하며 과충전 및 과방전을 방지하는 역할을 하는 BMS (Battery Management System)로 구성된다. 현재 대다수의 ESS에는 리튬이온배터리가 사용되고 있으나 리튬이온배터리는 화재에 매우 취약하다^(1,2).

그림. 1. ESS의 개념도

Fig. 1. Conceptual diagram of general ESS

2019년 8월 현재전국에 설치된 1490개의 ESS 사업장에서 총 23건의 화재사고가 발생하여 사고율은 1.5%나 된다. 보통 전기시스템의 사고율 0.5%인 것을 감안할 때 이는 매우 높은 수치에 해당한다. 이처럼 ESS에서 많은 화재사고가 발생하고 있지만 아직 명확한 사고원인 규명이 아직 되지 않고 있는 실정이다. 본 논문은 ESS의 DC지락으로 인한 폭발 및 화재위험성을 규명하고자 2019년 5월 26일에 발생한 사고에 대한 화재원인을 현장 검증을 통해 찾아보고, 이를 기반으로 P-Sim이라는 소프트웨어를 사용하여 분석하였다. 이를 통해 배터리 모듈의 DC지락으로 인해 전압차가 있는 배터리 셀에 높은 전류가 흘러 배터리가 소손될 수 있는 가능성을 분석하였다^(3~5).

그림. 2. 사고 현장의 ESS의 구성도

Fig. 2. Configuration of ESS of accident site

2. 사고개요 및 현장 검증

본 사고는 전북에 설치된 태양광 연계용 ESS에서 발생한 사고이다. 배터리 용량은 1.027 MWh, PCS는 무변압기 타입의 380 V 3상으로 용량은 250 kW이다. PCS는 태양광 인버터와 병렬로 그림 2와 같이 연결되어 있으며, 2018년 5월에 설치하여 6월부터 운영을 시작하였다.

ESS는 총 15개의 Rack으로 구성되며 각 Rack 상단에는 Rack의 전원을 on/off하는 S/G (Switch Gear)가 설치되어 있고, 모든 Rack의 전원을 on/off하는 BCP (Battery Control Panel)로 구성되어 있다. 각 Rack은 9개 Module이 직렬로 연결되어 있고 각 모듈은 다시 직렬로 연결된 22개의 셀(Cell)로 구성된다. 셀 하나의 전압과 용량은 3.68 V, 94 Ah이고 모듈의 에너지는 7.61 kWh (3.68 V × 94 Ah × 22 Cells), Rack의 전압은 728.64 V (3.68 V × 22 Cell × 9 Modules)로 ESS 시스템 전체의 에너지는 1.027 MWh (68,492.16 kWh×15 Racks)이다. 본 ESS System은 방전 초기에는 729 V가 충전되어 있으며 방전 말기에는 전압이 점차 감소하여 634 V로 줄어들도록 설계되어 있다. PCS용량이 250 kW이고 충방전률(C-rate)은 0.5 C 이어서 방전초기에는 343.1 A(250 kW/728.64 V)의 전류가 흐르며, 방전말기에는 394.3 A(250 kW/634 V)로 증가한다.

시스템은 최초 설치이후 배터리 업체의 보완작업을 통해 배터리 모듈에 휴즈를 2018년 12월 27일에 설치하였고, 2019년 3월 19일에는 Rack Fuse 보강작업이 이루어졌으나, SPD (Surge protection device)와 E-stop board는 설치되지 않았다. 사고원인 및 사고 전후의 시스템의 값 변화를 현장에서 수거된 log 데이터 기반으로 그림 3 및 표 1와 같이 분석해 보았다.

사고현장에서 얻은 로그데이타에 의하면 사고 당일 10시에 SOC 3.9%에서 ESS에 충전을 시작하였고 4시간 28분 후 배터리는 SOC (State of Charge) 95%로 충전을 완료하였다. 이후 3시간 32분이 지난 18시에 방전을 시작하였다. 방전을 시작하고 12분 경과 후 1차 PCS Fault가 발생하였다. 2시간 27분 후에 관리자는 이를 발견하였고, 20시 38분에 시스템을 리셋 후 재가동하였다. 39분에 다시 PCS Fault가 발생하였다. 이후 20시 51분에 3차 PCS Fault가 발생하였고 52분에는 4차 Fault가 발생하였다. 54분 20초에는 전류 값이 갑자기 383.7 A로 상승하며 PCS에서 배터리 쪽으로 높은 전류가 흘렀다. 사고가 발생한 PCS data를 살펴보면, 사고시점인 20시 54분 20초에는 DC 배선차단기 AC 전자접촉기만 on되어 있고 스위칭 동작을 안했는데도 AC에서 DC로 전류가 흘러 383.7 A의 충전전류가 검출되었다. 배터리가 충전이 다되어 방전되어야 함에도 불구하고 전류가 충전방향으로 흐른 것이다.

그림. 3. 시간별 SOC 및 이벤트 상황

Fig. 3. SOC rate with event of ESS

그림. 4. PCS와 BMS의 전류의 방향의 변화

Fig. 4. Change in current direction in PCS and BMS

이와 같은 현상은 배터리 그림 4에 나타난 것처럼 BMS data에서도 확인되었다. 그림 4에서 플러스(+) 방향은 전류가 DC에서 AC로 나간 것이고, 마이너스(-) 방향은 AC에서 DC로 들어간 것을 의미한다. 사고 발생 시간에 배터리는 이미 충전되어있는 상태임에도 불구하고 많은 전류가 AC에서 DC로 흘러간 것이다. 배터리 BMS 데이터에서는 367 A의 충전전류가 검출되었다. PCS에서 검출된 383.7 A의 전류도 PCS 내부 단락으로 배터리에서 PCS로 흐른 것이 아닌 PCS에서 배터리로 나간 전류이다. 실제로 사고 후 확인한 PCS의 스위칭 소자인 IGBT와 DC Fuse도 정상인 것이 그림 5와 같이 확인되었다.

그림. 5. (a) PCS 스위칭 회로도 (b) 화재 발생 이후 PCS 실물 사진

Fig. 5. (a) Schematic and (b) Picture of PCS from accident site

사고발생 시간인 20시 54분 20초 이후 각 배터리의 셀전압 편차를 분석해 보면 그림 6과 같이 20시 54분 21초에 223 mV로 급상승하였다. 이후 20시 54분 35초에는 572 mV, 20시 55분 01초에는 1995 mV, 20시 55분 22초에는 2,956 mV까지 상승하였다. 이때 셀온도 편차의 상승은 그림 7에서 나타난 것처럼 이보다 23초 늦은 20시 54분 44초에 30℃를 넘어섰다. 배터리 제조사 기준에 의하면 셀온도 편차 75℃, 셀전압의 편차가 100 mV 이상이 되게 되면 열폭주의 위험성이 있다고 판단하여 시스템을 Trip시킨다. 그럼에도 불구하고 계속적인 전압 차 증가로 인해 전류가 흐르고 이로 인한 온도상승이 그림 7과 같이 나타났다.

이상의 현장 분석 내용을 정리해 보면 다음과 같다. ESS 시스템은 충전을 완료한 후 3시간 30분후에 방전을 시작했으나 4차례에 걸친 시스템 fault가 발생하였다. 이후 시스템을 재가동시켰을 때 배터리는 방전중임에도 불구하고 전류가 AC에서

그림. 6. 시간별 셀전압 편차의 변화

Fig. 6. Change of cell imbalance by time

그림. 7. 시간별 셀온도 편차의 변화

Fig. 7. Temperature deviation-time characteristics of ESS

DC로 흘러들어 충전모드로 바뀌었다. 이때 ESS의 열폭주가 발생하기 전에 전형적인 현상인 전압강하와 셀전압 편차가 발생한 것으로 확인되었다. 갑자기 전류의 흐름이 방전모드에서 충전모드로 바뀐 원인을 분석하기 위해 시뮬레이션을 실시하였다.

3. Simulation 분석

사고원인을 분석하기 위하여 Powersim Inc가 개발한 P-sim 프로그램(Version 6.0)을 사용하여 AC, DC지락시뮬레이션을 실시하였다. 본 시뮬레이션에서 사용된 회로도는 그림 8과 같이 구성되어 있으며, Battery, PCS, Grid 부분을 그림과 같이 모사하였다. PCS는 3상 IGBT Bridge로 구성되어 있으며 사고 당시 PCS는 정지 상태였으므로 IGBT의 구동신호는 Off 상태로 모의하였다. 따라서 PCS는 Diode Bridge로 동작하며 교류전압을 직류로 변환하여 배터리 측으로 공급하게 된다. 또한 PCS의 배터리 측과 Grid측의 전압, 전류 및 전력 등을 측정하기 위해 여러 지점에 Probe를 배치하여 값들을 분석하였다.

그림. 8. 시뮬레이션에 사용된 ESS 시스템 회로도

Fig. 8. Schematic of ESS for simulation

3.1. AC 지락 시뮬레이션

발생된 사고의 원인은 다음과 같이 추정해 볼 수 있다. 첫째는 AC지락으로 인한 사고발생 가능성이다. 계통 혹은 AC단에서 지락이 발생한 경우 일부가 배터리에 영향을 주어 과충전 혹은 과전류를 발생시킬 수 있다^(6~9).

일반적으로 충전 중에 교류 측에서 단락이 발생할 경우 교류측 단락은 전원측 저전압으로 처리되어 그림 9와 같이 PCS에 손상을 입히지는 않는다. 즉 AC단에서 발생한 지락상황이 배터리에 영향을 미치지 않는다.

실제로 그림 5에서 나타난 것처럼 본 사고 현장에서는 Fuse, IGBT, Condenser 등은 손상을 입지 않았다. 또한 방전 중에 교류 측에서 지락이 발생할 경우에는 Grid 쪽에서만 과전류가 공급되고 PCS측으로부터는 전류가 흐르지 못한다. 이때 교류측은 차단기 및 휴즈 등이 동작하여 차단된다. 따라서 사고 상황 분석 결과 AC지락은 ESS화재 원인이 아니라고 생각할 수 있으며 이를 검증하기 위해 AC지락 시뮬레이션을 실시하였다.

그림. 9. AC 지락시 전류의 흐름

Fig. 9. Current flow at AC ground fault

시뮬레이션에 사용된 회로는 그림 10과 같이 IGBT 전단에 3상 전압원 중 한 상에서 지락이 발생했다고 가정하였다. 이때 배터리는 DC 800 V이며, AC 측 T상을 지락시킨 상태에서 일정 시간 후 AC전원을 인가하여 전압과 전류상태를 확인하였다. 이때 IGBT는 Open 상태를 유지한다고 가정하였다.

시뮬레이션 결과 그림 11과 같이 T상과 접지사이에는 대전류가 흘렀지만 DC측에 과전류가 발생하지는 않았다. 그림 11에서 I2, I3 는 그림 10과 같은 회로 구성에서 IGBT 단에서 배터리로 흐르는 전류의 양을 나타낸다. 시뮬레이션 결과 두 전류 모두 0에 가까운 것을 통해 AC 단의 이상으로는 과전류가 흐르지 않고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 AC측 지락으로 인한 사고발생의 가능성은 매우 낮은 것으로 예상된다. 단 본 사고 현장 분석에서 PCS 부분의 스위칭 소자들이 사고 이후에도 기능에 이상이 없다는 것이 확인되었고, 이를 기반으로 시뮬레이션을 한 결과이다. 만약 스위칭 소자에 이상 발생시 배터리에 전기적 충격을 줄 가능성도 있을 수 있다.

그림. 10. AC 지락 시뮬레이션 회로도

Fig. 10. AC ground fault simulation schematic

그림. 11. AC 지락 발생시 DC측에 전류

Fig. 11. DC current in the case of AC ground fault

3.2. DC 지락 시뮬레이션

시뮬레이션 결과 AC지락에 의한 배터리 내부 전류상승은 보이지 않았다. 따라서 외부 보다는 배터리 내부에서 이상에 의한 사고 가능성을 확인하기 위해 DC 지락 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 배터리간 전압을 3가지로 다르게 하면서 DC 지락 발생 시 전류 흐름에 대해 분석하였다.

3.2.1 지점-1(200 V:600 V)에서 지락이 발생한 경우

800V 배터리 스트링 중 3/4이 되는 지점-1에서 지락이 발생한다고 가정하고 그림 12와 같이 한쪽 배터리에는 200V, 다른 쪽 배터리에는 400 V의 전압이 걸린다고 가정하고 지락 발생상황에 대해 분석해 보았다. 이때 IGBT는 Off 상태를 유지한다고 가정하였다. 이때 두 배터리에서 IGBT 단으로 넘어가는 전류를 I2,I3라고 정의하고 그 값들을 시간에 따른 변화에 대해 살펴보았다. 시뮬레이션 결과 DC Line I3에만 600 A가 넘는 전류가 흐르는 것을 확인했다. AC단에서 DC회로로 흘러 배터리를 충전하는 전류의 경우 0점을 기준으로 +방향으로 표시된다. 따라서 DC에서 지락발생시 AC 전력의 흐름은 AC에서 DC 방향으로 흐른다.

그림 13에서 (a)의 그래프는 I2에는 전류가 흐르지 않고 I3에만 600 A의 전류가 흘렀고, (b)의 그래프는 AC단에서 DC단으로 흘러간 전류를 나타낸 것으로 역시 600 A이다. (c) 그래프는 DC단에서 사용한 125 MW의 소비전력을 나타낸 것이다.

그림. 12. 지점-1(200 V:600 V)의 회로도

Fig. 12. Point-1(200 V:600 V) circuit diagram

그림. 13. 지점-1 (200 V:600 V)에서의 각 부분에 대한 시뮬레이션 결과. a) DC전류 b) AC전류 c) 배터리의 소비전력

Fig. 13. Simulated (a) DC current, (b) AC current, and (c) power consumption of battery in the case of Point-1(200 V:600 V)

3.2.2 지점-2(600 V:200 V)에서 지락이 발생한 경우

이번에는 앞의 실험과는 반대로 800 V 배터리 스트링 중 1/4이 되는 지점-2에서 지락이 발생한다고 가정하고 그림 14와 같은 지락 발생상황에 대해 분석해 보았다. 이때 IGBT는 Open상태를 유지한다고 가정하였다. 시뮬레이션 결과 DC Line I2에만 600 A가 넘는 전류가 흐르는 것을 확인했다. 그림 15의 두 번째 그래프에 나타난 것처럼 이 전류는 AC단에서 DC단으로 흘러간 것이다. 이로 인해 DC단에서 125 MW의 전력이 소모 되었다. 이때 전류의 흐름 방향은 AC에서 DC방향으로 흐른다. 배터리가 충전되어 있음에도 불구하고 방전하지 않고 충전 되는 상황이 발생한다. 앞의 실험과 동일하게 배터리 내부의 전압차가 있는 상황에서 DC 지락이 발생하면, AC 단에서 배터리로 전류가 흐를 수 있다는 것이 다시 한 번 증명되었다.

그림. 14. 지점-2(600 V:200 V)의 회로도

Fig. 14. Point-2(600 V:200 V) Circuit diagram

이를 통해 배터리 전압차가 있는 리튬 이온 배터리에서 지락 발생시 앞의 결과와 동일하게 전류가 지속적으로 AC 단에서 DC 로 흐르게 되고, 이로 인해 열 폭주 및 화재로 연결 될 수 있다는 가능성을 보여주었다. 앞에서 현장 분석 결과 얻은 그림 4,6,7의 상황과 매우 유사한 상황이다. 또한 두 모듈간의 전압차의 방향에 상관없이 지속적으로 전류가 Grid에서 ESS의 배터리 쪽으로 전류가 흐를 수 있다는 것도 증명되었다.

그림 15에서 (a)의 그래프는 I3에는 전류가 흐르지 않고 I2에만 600 A의 전류가 흘렀고, (b)의 그래프는 AC단에서 DC단으로 흘러간 전류를 나타낸 것으로 역시 600 A이다. (c)의 그래프는 DC단에서 사용한 125 MW의 소비전력을 나타낸 그래프이다.

그림. 15. 지점-2(600 V:200 V)에서의 각 부분에 대한 시뮬레이션 결과 a) DC전류 b) AC전류 c) 배터리의 소비전력

Fig. 15. Simulated (a) DC current, (b) AC current and (c) power consumption of bqttery in the case of Point-2(600 V:200 V)

3.2.3 지점-3(400 V:400 V)에서 지락이 발생한 경우

이번에는 800 V 배터리 스트링 중 2/4가 되는 지점-3에서 지락이 발생한다고 가정하고 그림 16와 같은 지락 발생상황에 대해 분석해 보았다. 이 경우 두 스트링 사이의 전압(B1= 400 V, B2=400 V) 차이는 없어서 두 지점 사이의 전위차는 발생하지 않는 다고 가정하였다. 이때 IGBT는 Open상태를 유지한다고 가정하였다. 시뮬레이션 결과 그림 17에 첫 번째 그래프처럼 DC Line I2,I3에 지락으로 인해 100 A 미만의 과도전류가 잠시 흐르는 것을 확인했다. AC 전력의 흐름은 유효전력의 경우 0을 기준으로 스윙한다(그림 17 참조). 앞에서 나타난 것처럼 배터리 스트링 양단에 전압 차에 의한 지속적인 AC단에서 배터리로 전류의 흐름이 일어나지 않는다. 따라서 DC단에서 사용한 소비전력도 처음에는 100 MW까지 올라가지만 30 MW로 떨어지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 배터리 내부의 전압이 동일한 지점에서 지락이 발생하면 짧은 시간에 적은 전류만 흐르게 되어 온도상승이나 화재로 연결되지 않을 가능성이 높다는 것을 알 수 있다.

그림. 16. 지점-3(400 V:400 V)의 회로도

Fig. 16. Point-3(400 V:400 V) circuit diagram

그림. 17. 지점-3(400 V:400 V)에서의 각 부분에 대한 시뮬레이션 결과 a) DC전류 b) AC전류 c) 배터리의 소비전력

Fig. 17. Simulated (a) DC current, (b) AC current, and (c) power consumption of in the case of Point-3(400 V:400 V)

4. 결 론

본 연구는 2019년 5월 ESS에서 발생한 화재 원인을 파악하기 위해 PCS와 BMS 로그데이타를 분석하였다. 분석결과 충전이 완료된 배터리가 대기상태 중 갑작스러운 전류방향의 변화와 함께 셀전압과 셀온도의 편차가 급상승하였고, 이것이 화재로 이어진 것으로 파악되었다.

ESS가 충전이 완료된 이후 방전을 하던 중 수차례의 Fault가 발생하였고, 배터리의 방전전류가 갑자기 충전전류로 바뀌어 흐른 사실을 파악했다. 이러한 원인을 규명하기 위하여 P-sim을 이용하여 AC 지락실험을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 AC측 지락문제로는 배터리에 과전류가 발생하지 않는다는 사실을 확인하였다.

반면 배터리단에서 지락이 발생할 경우, 직렬로 연결된 배터리에서 지락 발생위치에 따라서 지락전류의 크기가 변한다는 사실을 확인하였다. 지락발생 지점을 기준으로 배터리의 전압에 차이가 있는 경우 배터리가 충분히 충전되었음에도 불구하고 Grid단에서 배터리쪽으로 높은 전류가 흐른다. 반면, 배터리 스트링 간의 전압차가 없는 경우 지락발생시 순간적으로 과도전류가 발생하나 전류의 크기가 작고 시간의 경과 후 곧 사라진다는 것을 알 수 있었다.

따라서 본 사고는 DC지락으로 인해 배터리 셀에 대전류가 흘러 배터리가 소손된 사고임을 추정할 수 있었다. 따라서 향후 ESS화재사고를 줄이기 위해서는 DC 지락의 문제를 해결해야 한다.