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  1. (Dept. of Electrical, Electronics and Communication Engineering, Korea University of Technology and Education, Korea.)



Safety Evaluation Method, ESS, Battery, Operation Environments, Applications, Safety Rating, RPN Method

1. 서 론

최근, 기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법의 시행으로 인하여, 신재생에너지의 출력 안정화, 피크 부하 저감 및 발전기 주파수 조정 등 다양한 기능을 가진 에너지저장장치(ESS, energy storage system)의 설치가 증가하고 있다[1-3]. 하지만, 리튬이온배터리를 이용한 ESS의 화재사고는 2017년 8월 고창에서 발생한 화재 이후 현재까지 지속적으로 발생하고 있으며, 최근에는 5년 이상 운용한 ESS 사이트의 화재가 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라, ESS의 안전성에 대한 우려가 증가하고 있으며, ESS 산업에도 큰 영향을 미치고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 정부에서는 ESS의 정확한 화재 원인 파악 및 안전성 확보를 위한 ESS 화재사고 원인조사를 시행하여 원인과 대응 방안을 제시하고 있는데, 이중에서 ESS의 용도별 운용환경이 주요 화재 원인으로 평가되고 있다[4-6]. 한편, FEMA 방식에 의한 ESS의 부품별 안전성 평가 연구와 전기적 위해요인의 안전성 평가가 기존에 제시되고 있지만[7-10], ESS의 시스템 측면에서 운용환경 및 용도를 고려한 안전성 평가 연구는 수행되지 않아, 이에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있는 실정이다.

따라서, 본 논문에서는 ESS의 운용환경 및 용도를 고려한 안전성을 평가하기 위하여, 2017년부터 2022년까지 발생한 40건의 ESS의 화재사례를 용도 및 운용환경에 따라 분석한다. 이를 바탕으로, 심각도(severity, S), 발생도(occurrence, O), 검출도(detection, D)로 구성된 위험 우선순위(RPN, risk priority number) 방식을 이용한 안전성 평가 방안을 제시한다. 여기서, 심각도는 ESS의 용도를 바탕으로 건물 형태와 사고 유형별 영향도, 사고전류 크기를 종합하여 평가하며, 발생도는 ESS의 용도별 사고 발생률과 운용환경, 열화율에 의하여, 검출도는 배터리의 용량과 보호기기의 운용 기술력을 고려하여 평가한다. 또한, 용도별 ESS의 사고전류를 분석하기 위하여, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 배전계통부, 고객 수용가부, ESS부로 구성된 ESS의 사고 특성 모델링을 수행한다.

상기의 모델링을 바탕으로, 용도별 ESS의 사고전류 특성을 분석한 결과, 주파수 제어용, 피크 저감용, 신재생에너지 연계용 ESS의 순서대로 사고전류가 높게 나타남을 알 수 있다. 이 사고전류와 용도별 운용환경을 바탕으로, 심각도, 발생도, 검출도의 RPN 값을 종합적으로 평가하면, 주파수 제어용 > 신재생에너지 연계용 > 피크 저감용 ESS 순으로 사고 발생 가능성이 높게 산정됨을 알 수 있다. 즉, 현재 운행을 중지한 주파수 제어용을 제외하면, 실제 사고 발생 비율이 가장 큰 신재생에너지 연계용, 피크 저감용 ESS 순으로 위험도가 평가되어, 본 논문에서 제시한 안전성 평가 방안의 유효성을 알 수 있다.

2. ESS의 화재사고 사례 분석

ESS의 화재사고는 2017년 고창 전력시험센터를 시작으로 2022년 12월까지 표 1과 같이 총 40건이 발생하여, ESS 산업 및 사업자에게 큰 피해를 끼치고 있는 실정이다[11,12]. 여기서, 40건의 화재사고 사례를 설치 위치, 건물 형태, 용도에 따라 분류하면 그림 1과 같다. 먼저, 설치 위치에 따라 ESS의 사고사례를 분류하면, 그림 1의 (a)와 같이 산지에서 발생한 사고가 26건(65%), 공장지대 7건(17.5%), 해안가 4건(10%), 평지 2건(5%), 기타가 1건(2.5%)이 발생하여, 전체 사고 중 37건(92.5%)이 먼지 또는 습도 등과 같은 주변 환경에 영향을 받아 발생할 가능성이 있음을 알 수 있다. 또한, 건물 형태에 따른 ESS의 화재사고는 그림 1의 (b)와 같이 조립식 패널 28건(70%), 콘크리트 6건(15%), 컨테이너 4건(10%), 기타 2건(5%)이 발생한 것을 알 수 있다. 즉, 신재생에너지 연계용으로 설치된 조립식 패널 형태에서 사고의 비율이 높은 것을 알 수 있다. 한편, ESS의 용도별 사고사례를 분류하면, 그림 1의 (c)와 같이 신재생에너지 연계용 31건(76%), 피크 저감용 7건(18%), 주파수 제어 2건(5%)이 발생한 것을 알 수 있다. 이것은 비교적 열악하고 접근성이 어려운 환경에서 설치, 운용되는 신재생에너지 연계용 ESS의 사고비율이 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 상기에서 분석한 40건의 ESS 화재사고 사례를 바탕으로, 설치 장소, 건물의 형태, 배터리의 용량과 보호기기 운용, 사고 유형별 영향도 및 사고전류 등의 평가 기준과 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 ESS의 사고전류 특성에 따라서 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성 평가 방안을 제시하고자 한다.

표 1 ESS 화재사고 현황

Table 1 List of fire cases in ESS

순번

용량 (MWh)

용도

설치 위치

건물 형태

사고일

사고

1

1.46

풍력

해안가

컨테이너

17.08.02

설치 중 (보관)

2

8.6

주파수 제어

산지

컨테이너

18.05.02

수리 점검 중

3

14

풍력

산지

조립식 패널

18.06.02

수리 점검 중

4

18.97

태양광

해안가

조립식 패널

18.06.15

충전 후 휴지 중

5

2.99

태양광

해안가

조립식 패널

18.07.12

충전 후 휴지 중

6

9.7

풍력

산지

조립식 패널

18.07.21

충전 후 휴지 중

7

18

피크 저감

공장지대

조립식 패널

18.07.28

설치 중 (시공)

8

5.99

태양광

산지

조립식 패널

18.09.01

충전 후 휴지 중

9

6

태양광

해안가

조립식 패널

18.09.07

설치 중 (시공)

10

0.18

태양광

상업지역

콘크리트

18.09.14

충전 중

11

17.7

주파수 제어

공장지대

컨테이너

18.10.18

수리 점검 중

12

3.66

태양광

산지

조립식 패널

18.11.12

충전 후 휴지 중

13

1.22

태양광

산지

조립식 패널

18.11.12

충전 후 휴지 중

14

4.16

태양광

산지

조립식 패널

18.11.21

충전 후 휴지 중

15

1.33

태양광

산지

조립식 패널

18.11.21

충전 후 휴지 중

16

9.32

피크 저감

산지

조립식 패널

18.12.17

충전 후 휴지 중

17

2.66

태양광

산지

지하 콘크리트

18.12.22

충전 후 휴지 중

18

3.29

피크 저감

공장지대

콘크리트

19.01.14

충전 후 휴지 중

19

5.22

태양광

산지

조립식 패널

19.01.14

충전 중 (충전말기)

20

2.5

태양광

산지

컨테이너

19.01.15

충전 후 휴지 중

21

46.76

피크 저감

공장지대

콘크리트

19.01.21

충전 후 휴지 중

22

3.66

태양광

산지

조립식 패널

19.05.04

충전 후 휴지 중

23

1.03

태양광

산지

조립식 패널

19.05.26

충전 후 방전 중

24

1.5

태양광

산지

조립식 패널

19.08.30

충전 후 휴지 중

25

21

풍력

산지

조립식 패널

19.09.24

충전 후 휴지 중

26

1.5

태양광

산지

조립식 패널

19.09.29

방전 초기

27

1.3

태양광

산지

조립식 패널

19.10.21

충전 후 휴지 중

28

2.2

태양광

평지

조립식 패널

19.10.27

충전 후 휴지 중

29

1.8

태양광

평지

조립식 패널

20.05.27

충전 후 휴지 중

30

1.8

피크 저감

공장지대

콘크리트

20.09.03

충전 후 휴지 중

31

4

태양광

산지

조립식 패널

21.03.11

충전 후 휴지 중

32

4

태양광

산지

조립식 패널

21.04.06

충전 후 휴지 중

33

50.1

피크 저감

공장지대

콘크리트

22.01.12

충전 중 (충전말기)

34

1.5

태양광

산지

조립식 패널

22.01.17

충전 후 휴지 중

35

2.12

태양광

산지

조립식 패널

22.05.01

충전 후 휴지 중 (예상)

36

4.16

태양광

산지

조립식 패널

22.05.02

충전 후 휴지 중 (예상)

37

103.5

피크 저감

공장지대

철골 구조

22.09.06

충전 후 휴지 중 (예상)

38

2.66

태양광

산지

판넬

22.09.06

충전 후 휴지 중 (예상)

39

2.51

태양광

산지

조립식 패널

22.12.08

충전 후 휴지 중 (예상)

40

9.1

태양광

산지

조립식 패널

22.12.27

충전 후 휴지 중(예상)

그림 1. ESS의 화재사고

Fig. 1. Fire accident cases of ESS

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig1-1.png../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig1-2.png

3. 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성 평가 방안

3.1 기존의 RPN 방식

위험 우선순위(RPN) 방식은 시스템의 안전성을 평가하기 위해 일반적으로 가장 많이 사용되는 방식으로, 설비를 구성하고 있는 다양한 요소들에 대한 위험성을 평가하며, 심각도(severity, S), 발생도(occurrence, O), 검출도(detection, D)를 고려하여 산정된다[13]. 여기서, 심각도는 고장 발생 시 고객에 미치는 심각성, 발생도는 시스템 고장에 대한 발생 가능성, 검출도는 잠재적 고장에 대한 발견 가능성을 나타낸다. 또한, 각 요소에 대한 위험등급은 그림 2와 같이 낮은 등급일수록 위험에서 안전하고, 높은 등급일수록 위험에 노출될 확률이 증가하는 것을 의미한다. 한편, 상기에서 제시한 평가 방안은 등급에 대한 분류 기준이 복잡하여, 본 논문에서는 그림 3과 같이 실제 운용조건을 고려한 위험등급으로 분류한다.

그림 2. 기존의 RPN 차트

Fig. 2. Existing RPN chart

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig2.png

그림 3. 제안한 RPN 차트

Fig. 3. Proposed RPN chart

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig3.png

3.2 제안한 RPN 방식

3.2.1 심각도

심각도는 ESS의 용도를 바탕으로 건물 형태와 사고 유형별 영향도, 사고전류 크기를 종합하여 평가한다. 먼저, ESS의 건물 형태는 표 2와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 패널 타입은 패널의 재질로 인한 연소의 확대로 피해의 규모가 커질 가능성이 있으므로 “high”로 평가한다. 또한, 콘테이너 타입의 경우 조립식 패널보다 상대적으로 화재에 강하므로 “medium”으로 평가하며, 콘크리트 구조는 난연 재질의 사용으로 화재 발생 시 연소의 확대 가능성이 낮아 “low”로 평가한다. 한편, 사고 유형별 영향도는 “1차 ESS 화재사고 원인조사 결과보고서”에서 제시한 실증 시험의 결과를 바탕으로, 그림 4표 3과 같이 평가한다. 즉, DC 전로 단락(Section A)은 배터리의 열폭주에 의하여 화재가 발생한 사례를 통해 “very high”로 평가하고, PCS 암 단락(Section B)은 연계계통과 배터리 랙에서 사고전류가 유입되어 PCS의 스위칭 소자의 소손이 발생한 사례를 바탕으로 “high”로 분류한다. 또한, 배터리 랙 단락(Section C)은 배터리 결선 케이블에 소손이 발생한 사례를 바탕으로 “medium”으로 평가하며, AC측 지락(Section D)은 사고 발생 시 배터리 랙용 MC에 소손이 발생한 사례를 통해 “medium”으로 분류한다. 한편, 사고전류 크기는 상기의 “원인조사 결과보고서”를 바탕으로 약 20[kA]의 사고전류에 의하여 배터리의 열폭주로 인해 화재가 발생한 사례를 바탕으로 20[kA] 이상이면 “high”로 평가하고, 사고전류가 20[kA]보다 작고 정격전류 이상이면 “medium”으로 정격전류 이하이면 “low”로 평가한다[14]. 또한, 상용화된 DC 차단기의 용량은 50[kA] 이상의 사고전류를 차단하기 어려운 상황이므로, “very high”로 평가한다.

표 2 건물 형태별 영향도 평가 기준

Table 2 Evaluation criteria by building type

건물 형태

평가 기준

영향도

패널

패널 재질에 의한 연소 확대로 피해 규모가 커질 수 있음

high

콘테이너

패널 구조보다 상대적으로 화재에 강함

medium

콘크리트

연소의 가능성이 낮고, 소방 설비 설치 의무 규정 시행

low

그림 4. 사고 유형별 영향도

Fig. 4. Type of fault cases

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig4.png

표 3 사고 유형별 영향도 평가 기준

Table 3 Evaluation criteria by fault cases

사고 유형

평가 기준

영향도

DC 전로 단락

배터리의 열폭주에 의한 화재 발생 사례가 있음

very high

PCS 암 단락

PCS 스위칭 소자의 소손이 발생한 사례가 있음

high

배터리 랙 단락

배터리 결선 케이블에 소손이 발생한 사례가 있음

medium

AC측 지락

배터리 랙용 MC에 소손이 발생한 사례가 있음

medium

3.2.2 발생도

운용환경 및 용도를 고려한 발생도는 ESS의 용도별 사고 발생률과 운용환경, 열화율을 종합적으로 고려하여 평가한다. 먼저, ESS의 사고 발생률은 용도별 형평성을 고려하여, 주파수 제어용 ESS의 운용을 중지한 시점까지 비교, 분석하며, 그림 5와 같이 설치 대비 사고 발생 용량의 비율에 따라 산정한다. 즉, 주파수 제어용 ESS는 100[MWh] 중 26.3[MWh]에서 화재가 발생하여, 26.3[%]의 사고 발생률을 가지므로 “very high”로 평가하며, 신재생에너지 연계용은 1,827[MWh] 중 59.28[MWh]의 화재로 3.24[%]의 사고 발생률로 “medium”, 피크 저감용은 2,897[MWh] 중 18[MWh]의 화재로 0.62[%]의 사고 발생률을 가지므로 “very low”로 분류한다. 또한, ESS의 운용환경은 산지, 해안가, 공장지대, 평지 등으로 분류할 수 있으며, 이를 고려한 평가 기준은 그림 6표 4와 같다. 여기서, 해안가는 높은 습도 및 염도와 큰 일교차로 결로가 발생하기 쉬운 환경에 의하여 배터리에 악영향을 미칠 수 있으므로 “high”, 산지에 설치된 ESS는 큰 일교차에 의하여 결로 발생이 높고, 곤충 등에 의한 절연파괴와 낙뢰 등의 발생 확률이 높아 “high”로 평가한다. 공장지대는 먼지 발생이 많고, 주변 부하에 의한 전기적 요인(기동전류, 순간 전압변동, 서지 발생, 누설전류 등)에 의해 배터리가 영향을 받을 수 있으므로 “medium”, 평지는 비교적 작은 일교차와 작고 먼지 발생이 적어 “low”로 분류한다. 한편, 배터리의 열화율은 사용 기간에 따라 증가하여, 운용 기간이 길수록 사고 발생 확률이 높아진다. 따라서, 열화율에 따른 영향도는 배터리 제조사에서 제시한 보장 수명인 SOH(state of health)를 1로 상정하여 표 5와 같이, ESS가 설치된 사이트의 운용 기간에 따라 적용한다. 여기서, 우리나라에 도입된 ESS의 사이트는 대부분 4~5년의 운용기간을 초과하지 않으므로, 가장 낮은 값인 “low”로 동등하게 평가한다.

그림 5. 용도별 ESS의 사고 발생 용량

Fig. 5. Capacity of ESS for fire cases by applications

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig5.png

그림 6. ESS의 운용환경별 영향도

Fig. 6. Type of operation environments in ESS

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig6.png

표 4 운용환경별 영향도 평가 기준

Table 4 Evaluation criteria by operation environments

내역

운용환경

영향도

해안가

일교차, 습도, 염도, 결로

high

산지

일교차, 결로, 곤충, 번개

high

공장

먼지, 전기적 위해요인

(기동전류, 순간 전압변동, 서지 발생, 누설전류 등)

medium

평지

결로, 먼지

low

표 5 열화율에 따른 영향도 평가 기준

Table 5 Evaluation criteria of degradation rates

SOH

평가 기준

1/3 ~ 0

high

2/3 ~ 1/3

medium

1 ~ 2/3

low

3.2.3 검출도

검출도는 배터리의 용량과 보호기기의 운용 기술력을 고려하여 평가한다. 먼저, 배터리의 용량에 따른 평가 지표는 ESS의 용량이 클수록 배터리의 설치 개수가 증가하여, 사고 또는 화재 발생 지점의 정확한 검출이 어려우므로, 단위 설치 용량을 기준으로 용도별로 평가한다. 즉, 용도별 ESS의 설치 용량과 개소는 그림 7표 6과 같으며, 주파수 제어용 ESS의 단위 설치 용량은 6.94[MWh]/[개소]이므로 “high”, 피크 저감용은 4.51[MWh]/[개소]이므로 “medium”, 신재생에너지 연계용은 3.23[MWh]/[개소]이므로 “low”로 평가한다. 또한, ESS의 보호기기 운용은 시공 및 운용 업체의 기술력에 의하여 상대적으로 평가한다. 여기서, 기술력은 여러 지표에 의해 좌우되지만, 본 연구에서는 업체의 규모로 판단한다. 따라서, 신재생에너지 연계용 ESS는 소규모 민간 업자에 의하여 설치되는 경우가 많아서, 시공 및 운용의 기술력 부족으로 사고 검출의 정확도가 떨어질 가능성이 있으므로 “high”로 평가하며, 피크 저감용은 비교적 대규모 민간 업자에 의하여 설치되어, 상대적으로 높은 기술력에 의하여 검출의 정확도가 높아질 가능성이 있으므로 “medium”으로 평가한다. 한편, 주파수 제어용 ESS는 공기업에 의하여 설치, 운용되어, 검증된 기술력에 의하여 “medium”으로 분류한다.

그림 7. 용도별 ESS의 설치 용량 및 개소

Fig. 7. Installation capacity and number of ESS by applications

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig7.png

표 6 ESS의 용량을 고려한 평가 기준

Table 6 Evaluation criteria by capacity of ESS

용도

설치 용량

[MWh]

설치 개소

단위 설치 용량

[MWh]/[개소]

평가 기준

주파수 제어

118

17

6.94

high

피크 저감

4,309

958

4.5

medium

신재생에너지

5,407

1,759

3.23

low

3.2.4 제안한 RPN 방식의 평가 방법

상기에서 제시한 평가기준을 바탕으로, RPN에 의한 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성은 심각도, 발생도, 검출도의 위험등급을 결정하고, 이를 바탕으로 정량화하여 종합적으로 판단한다. 여기서, 심각도의 위험등급은 “low”, “medium”, “high”, “very high”로 분류되므로 정량적인 값을 2~5로 수치화하고, 발생도의 위험등급은 “very low”, “low”, “medium”, “high”, “very high”로 분류되므로 정량적인 값은 1~5, 검출도의 위험등급은 “low”, “medium”, “high”로 분류되므로 2~4로 나타낸다. 따라서, RPN 방식에 의한 안전성 평가는 그림 8과 같이, “very low risk”, “low risk”, “medium risk”, “high risk”, “very high risk” 영역으로 나타낼 수 있다. 여기서, “very low risk” 영역은 1 ~ 20점, “low risk”는 21 ~ 40점, “medium risk”는 41 ~ 60점, “high risk”는 61 ~ 80점, “very high risk”는 81 ~ 100점으로 분류된다.

그림 8. RPN 방식을 이용한 안전성 평가 모델링

Fig. 8. Modeling of safety evaluation with RPN method

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig8.png

4. PSCAD/EMTDC를 이용한 ESS의 사고 특성 모델링

4.1 배전계통부

PSCAD/EMTDC를 이용하여 배전계통부의 모델링을 수행하면 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 배전용변전소의 주변압기는 3권선 Yg-Yg-△ 결선방식이며, 3차 권선은 제 3고조파를 제거하기 위하여 델타 결선방식을 채용한다. 또한, 고압 배전선로는 3상 4선식의 π형 등가회로이며, 선종은 ACSR 160[mm2]로 상정한다.

그림 9. 배전계통부 모델링

Fig. 9. Modeling of distribution system

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig9.png

4.2 ESS부

ESS부는 PCS와 배터리로 구성된다. 먼저, PCS는 그림 10과 같이, DC 전로, 퓨즈, DC-Link 커패시터, IGBT 모듈, L-C 필터 등으로 구성되며, 비례 적분 제어기와 d-q 변환을 이용하여 유효전력과 무효전력을 제어한다. 이때, 목표로 하는 출력값을 얻기 위하여, ESS의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류($I_{d,\: ess}$, $I_{q,\: ess}$)를 산정한다. 즉, ESS의 목표 전력($P_{d}$, $Q_{q}$)과 측정값($P_{d}(t)$, $Q_{q}(t)$)을 비교하여 오차를 구한 후, 이를 비례 적분하여 목표로 하는 d-q축의 기준전류를 결정한다. 따라서, 기준전류는 식 (1), 식 (2)와 같이 나타낼 수 있고, 음의 값을 가질 때 ESS가 충전하며, 양의 값을 가지면 방전한다[15,16].

(1)
$I_{d,\: ess}=(K_{p}+\dfrac{K_{i}}{s})(P_{d}-P_{d}(t))$
(2)
$I_{q,\: ess}=(K_{p}+\dfrac{K_{i}}{s})(Q_{q}-Q_{q}(t))$

여기서, $I_{d,\: ess}$ : ESS 출력을 위한 d축 기준전류, $I_{q,\: ess}$ : ESS 출력을 위한 q축 기준전류, $P_{d}$: d축 유효전력 기준값, $P_{d}(t)$: d축 유효전력 출력값, $Q_{q}$: q축 무효전력 기준값, $Q_{q}(t)$: q축 무효전력 기준값, $K_{p}$: 비례제어기 게인 값, $K_{i}$: 적분제어기 게인 값

그림 10. PCS부 모델링

Fig. 10. Modeling of PCS section

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig10.png

한편, 배터리부를 모델링하면 그림 11과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 배터리부는 배터리 랙이 병렬로 연결되며, 하나의 배터리 랙은 125[kWh]의 용량을 가지고, 전압원과 내부저항, 랙 퓨즈, S/G 임피던스로 구성된다.

그림 11. 배터리부 모델링

Fig. 11. Modeling of battery section

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig11.png

4.3 사고발생 장치부

ESS의 사고 특성을 모의하기 위한 사고발생 장치부는 그림 12와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 단락저항은 10[mΩ]으로 상정하며, 사고 지점별로 DC측의 단락 및 AC측의 지락을 모의한다.

그림 12. 사고발생 장치부 모델링

Fig. 12. Modeling of fault device section

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig12.png

4.4 전체 시스템

상기의 구성요소를 바탕으로, PSCAD/EMTDC를 이용하여 전체 시스템을 모델링하면 그림 13과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, Section A는 배전계통부로 주변압기, 고압 배전선로, 등으로 구성되며, Section B는 고객 수용가부로 고객측 연계용 변압기, 구내 배전선로, Section C는 ESS용 연계용 변압기, PCS와 배터리, 등으로 구성된다.

그림 13. 전체 시스템 모델링

Fig. 13. Modeling of entire system

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig13.png

5. 시뮬레이션 결과 및 분석

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

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig14.png

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

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/fig15.png

6. 결 론

본 논문에서는 40건의 ESS 화재사고 사례를 바탕으로, 운용환경, 건물 형태, 사고 유형별 영향도, 사고전류 크기 등의 평가 기준을 고려하여, 심각도, 발생도, 검출도로 구성된 RPN 방식에 의한 안전성 평가 방안을 제안한다. 또한, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 ESS의 사고 특성 모델링을 수행하며, 이를 바탕으로 운용환경 및 용도를 고려한 ESS의 안전성 평가를 수행한다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) ESS의 건물 형태, 사고 유형별 영향도와 사고전류 크기를 바탕으로 RPN의 심각도를 종합적으로 평가하면, 신재생에너지 연계용 > 주파수 제어용 > 피크 저감용 순으로 산정됨을 알 수 있다. 즉, 40건의 화재사고 중에 31건을 차지한 신재생에너지 연계용의 위험도가 가장 높게 평가되어, 실제 사고 사례와 유사한 동향을 가지는 것을 알 수 있다.

(2) 운용환경과 사고 발생률, 열화율, 보호장치 운용 및 배터리 용량을 바탕으로 RPN 방식의 발생도와 검출도를 종합적으로 평가하면, 주파수 제어용 > 신재생에너지 연계용 > 피크 저감용 ESS 순으로 산정됨을 알 수 있다. 여기서, RPN 방식의 심각도 평가와 달리, 주파수 제어용 ESS의 위험도가 가장 높게 산정됨을 알 수 있다.

(3) 상기의 심각도, 발생도, 검출도의 RPN 값을 바탕으로 종합적으로 평가하면, 주파수 제어용 > 신재생에너지 연계용 > 피크 저감용 ESS 순으로 사고 발생 가능성이 높게 산정됨을 알 수 있다. 즉, 현재 운행을 중지한 주파수 제어용을 제외하면, 실제 사고 발생 비율이 가장 큰 신재생에너지 연계용, 피크 저감용 ESS 순으로 위험도가 평가되어, 본 논문에서 제시한 안전성 평가 방안의 유효성을 알 수 있다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) grant funded by the Korea government (MOTIE) (20224000000160) and this research was supported the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) grant funded by the Korea government(MOTIE) (20213030160080, Development of Demonstration Technology of Renewable Energy Based Hybrid Community Micro-grid for 50% Replacement Rate of Energy Consumer).

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저자소개

이예빈 (Ye-Bin Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/au1.png

She received her B.S. degree in Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education in 2023. She is currently pursuing the M.S. degree at Korea University of Technology and Education. She is interested in distribution system, energy storage system, renewable energy resources and power quality.

김지명 (Ji-Myung Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/au2.png

He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education in 2020 and 2022, respectively. He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education. He is interested in power and distribution system, energy storage system and renewable energy sources.

이민행 (Min-Haeng Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/au3.png

He received her B.S. degree in Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education in 2023. He is currently pursuing the M.S. degree at Korea University of Technology and Education. He is interested in energy storage system, renewable energy resources and DC distribution system

노성은 (Seong-Eun Rho)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/au4.png

She received her B.S degree in Information Communications Engineering from Hankuk University of Foreign Studies in 2022. She is currently pursuing the M.S degree in Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education. She is interested in energy storage system, power and distribution system, and micro-grid.

김세진 (Se-Jin Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.5.773/au5.png

He received his B.S. degree in Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education in 2024. He is currently pursuing the M.S. degree at Korea University of Technology and Education. He is interested in distribution system, power quality, coordination of protection devices and renewable energy resources.

노대석 (Dae-Seok Rho)
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He received the B.S. degree and M.S. degree in Electrical Engineering from Korea University in 1985 and 1987, respectively. He earned a Ph.D. degree in Electrical Engineering from Hokkaido University, Sapporo, Japan in 1997. He has been working as a professor at Korea University of Technology and Education since 1999. His research interests include operation of power distribution systems, dispersed storage and generation systems and power quality.