1. 서 론

ESS용 PCS는 사용되는 용도, 에너지 구성 장치의 종류, 적용되는 전력 시스템에 따라 요구되는 PCS 구조가 다르고 국내외 표준을 충족해야 한다. 국제 표준 IEC 62109-2는 전력 컨버터의 안정성에 대한 기준이고 그중 인버터 시스템의 화재 위험성을 방지하고자 누설전류 크기에 대한 표준을 명시하고 있다^[1]. 주전원에 연결된 인버터 시스템은 작동하는 도중 누설전류 모니터링을 제공해야하며, 누설전류 모니터링은 누설전류의 rms를 측정해야한다. 또한, 연속 출력 정격이 30kVA 이하의 인버터인 경우 최대 300mA의 누설전류를 만족해야하고 30kVA의 용량을 초과하는 시스템의 경우 kVA당 최대 10mA의 누설전류 제한을 만족해야만 한다^[2]. 또한, BESS는 대지에 접지되는 PCS의 구조상 설치 구조로 인해 BESS와 접지 사이에 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)가 발생한다. 이러한 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스는 기후, 습도, 거리 등 여러 조건에 따라 수 nF에서 수 uF까지 크기가 변할 수 있다. 이러한 누설전류에 의한 사고를 방지하기 위해 3상 PCS 시스템에 접지를 사용하여 누설전류를 저감할 수 있으며, 접지는 지락 고장 시 건전상의 대지 전위 상승 억제와 지락계전기의 확실한 동작, 전선로 및 기기의 절연 레벨을 경감할 수 있다. 그러나, 접지를 통해 누설전류를 저감하더라도, PCS와 변압기 사이의 거리, PCS와 접지 사이의 거리에 따라 케이블의 길이가 달라지게 된다. 시스템에서 케이블의 길이가 길어지면, 케이블 임피던스가 증가하고 이로 인해 누설전류도 증가할 수 있다^[3]. 따라서, 본 논문에서는 접지방식에 따른 등가모델을 설명하고, 케이블 길이에 따른 누설전류에 대한 영향을 실험을 통해 검증하였다.

2. 접지방식 및 케이블 임피던스에 따른 PCS 구조

접지는 각각 종류와 목적에 따라 TN, IT, TT 접지 등으로 나눌 수 있다^[4]. TN 접지는 전원 공급측을 계통 접지하고 설비측은 PE로 연접시키는 시스템으로 과전류 차단기로 간접 접촉보호가 가능하다. 이러한 구조에서는 등전위 본딩이 되지 않았을 때 서지 전압이 인체에 그대로 걸리기 때문에 반드시 중성선과 기기 외함 사이의 전압 감소를 위해 등전위 본딩을 진행하여야 한다. PCS 시스템에서는 계통과 PCS 사이에 변압기를 적용하여 변압기의 절연 특성을 이용하여 누설전류를 저감할 수 있다. 그림 1과 같이 실험실 환경에서 변압기 사용에 따라 접지 방식을 TN, IT 시스템을 구현할 수 있으며, 두 접지방식의 구조는 다음과 같다.

그림 1. 접지방식에 따른 PCS 구조 (a)TN접지 구조 (b)IT접지 구조

Fig. 1. PCS structure according to grounding method (a)TN grounding PCS structure (b)IT grounding PCS structure

인버터의 출력전압은 정현파가 아닌 구형파 형태의 펄스성 전압으로 3상 교류 전원처럼 3상의 합이 0이되지 못하고 중성점에는 원하지 않는 공통모드 전압이 발생한다. 이로 인해, TN 접지의 경우 PCS에서 발생한 공통모드 전압 및 스위칭 주파수에 의해 발생하는 누설전류가 변압기를 거치지 않고 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스까지 흘러, 기생 커패시턴스 양단에 공통모드 전압이 인가되어 공통모드 전압에 대한 누설전류가 발생하고 이에 따른 누설전류 경로가 발생한다. 반면, IT 접지방식은 그림 1(b)와 같이 PCS 3상을 직접 접지하지 않고 변압기 2차측에 연결하여 띄워놓고, PCS에 연결된 배터리 뱅크 DCN은 기생 커패시턴스 $C_{P}$를 통하여 설비외함에 연결되어 변압기의 절연특성을 이용한 방식으로 IT 접지방식을 모의하였다. 이상적인 변압기를 사용한 경우 PCS에서 발생한 공통모드 전압이 변압기의 절연특성에 의해 차단되므로 배터리 뱅크 기생 커페시턴스에 의한 누설전류가 발생하지 않는다. 그러나, 실제 변압기의 중성점과 중성점 사이에는 변압기 내부 기생 커패시턴스가 존재하기 때문에 공통모드 전압이 변압기를 통해 흐를 수 있고 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스까지의 누설전류 경로가 발생하며, 이를 등가회로로 나타낼 수 있다. 등가회로의 $L/3$은 LCL필터의 $L_{1}+L_{2}$의 합의 영상분을 나타내며 $L_{1}+L_{2}$에 1/3을 곱하여 사용하였다^[5]. 수식 (1)의 $Z_{T}$는 변압기의 임피던스를 나타내며, $C_{T}$는 변압기의 내부 기생 커패시턴스, $C_{P}$는 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스를 의미한다. 따라서, 회로에서 발생하는 누설전류 크기는 공통모드 전압의 크기 및 주파수와 회로의 임피던스 크기에 의해 누설전류 크기가 정해진다.

그림 2. IT접지방식 등가모델

Fig. 2. IT grounding equivalent circuit

PCS 시스템은 PCS와 변압기 사이에 3상 케이블 임피던스가 존재하며 접지선인 중성선에도 케이블 임피던스가 존재하기 때문에 케이블 길이에 따른 케이블 임피던스의 영향을 고려해야 한다. 또한, 3상 케이블과 중성선 사이에는 케이블 $\pi$모델에서 알 수 있듯이 케이블 사이의 커패시턴스가 존재하며 이 커패시턴스를 통해 새로운 누설전류 경로가 발생하게 된다^[6]. IT 접지방식에서 변압기의 절연 특성을 이용하여, 누설전류를 저감하더라도, 케이블의 길이가 길어지면 케이블의 커패시턴스 성분으로 인해 누설전류 크기가 증가한다.

그림 3. 케이블 임피던스가 포함된 PCS 구조 (a)IT접지구조 (b)IT접지방식등가 모델

Fig. 3. PCS structure with cable impedance (a)IT grounding PCS structure (b)IT grounding equivalent circuit

따라서, PCS 회로에서 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스에 의한 누설전류 경로 이외에 케이블 임피던스를 고려해야 하며, 이를 그림으로 나타내면 그림 3과 같다. 그림 3(b)에서 $Z_{C}$는 케이블 임피던스를 나타낸다.

3. 변압기 및 케이블 임피던스 측정방법

누설전류 경로에 흐르는 공통모드 전압은 스위칭 주파수에 의해 영향을 받기 때문에 등가회로 및 실험에 사용되는 변압기의 영상분 임피던스를 측정하였다^[7]. 변압기의 임피던스 측정 방법은 LCR 미터를 사용하여 변압기의 1차측은 개방한 상태에서 변압기의 2차측을 단락시켜 2차측으로부터 중성점까지의 임피던스를 측정하고 변압기 내부 기생 커패시턴스는 1차측과 2차측을 단락시킨 상태에서 양 중성점의 사이를 측정하여 커패시턴스를 측정하였다.

그림 4. 변압기 임피던스 측정방법 (a)직렬 저항, 인덕터 측정방법 (b)병렬 커패시턴스, 컨덕턴스 측정방법

Fig. 4. Transformer impedance measurement method (a)Series resistance, inductor measurement method (b)Parallel capacitance, conductance measurement method

마찬가지로, 시뮬레이션 및 실험에 사용된 케이블을 시뮬레이션 모델에 사용하기 위해 케이블의 영상분을 측정하였으며 $L1$, $L2$, $L3$의 양 끝단을 단락시킨 후 3개의 3상 선과 중성선을 단락하여 직렬 저항과 직렬 인덕턴스를 측정하였으며, 개방한 상태에서 커패시턴스와 컨덕턴스를 측정하였다. 케이블의 길이에 따른 누설전류의 크기 영향을 확인하기 위해 케이블은 IEC 60227-3 450/750V 25mm2 케이블을 사용하였으며, 길이는 16m 케이블과 50m 케이블을 사용하였다.

그림 5. 케이블 임피던스 측정방법 (a)직렬 저항, 인덕터 측정방법 (b)병렬 커패시턴스, 컨덕턴스 측정방법

Fig. 5. Cable impedance measurement method (a)Series resistance, inductor measurement method (b)Parallel capacitance, conductance measurement method

그림 6. 실험에 사용된 케이블 (a)16m 케이블 (b)50m 케이블

Fig. 6. Cables used in the experiment (a)16m cable (b)50m cable

4. 시뮬레이션 결과 및 실험결과

4.1 시뮬레이션 구성 및 실험구성

시뮬레이션 및 실험에서 IT 접지방식의 등가회로 및 실험을 구성하였으며, 케이블의 길이에 따른 누설전류의 영향을 확인하기 위해 케이블 임피던스가 없는 경우와 16m 케이블을 사용한 경우, 50m 케이블을 사용한 경우를 각각 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다. PCS는 그림 1과 같이 5kVA 용량의 3상 3레벨 PCS 구조와 LCL 필터를 사용하였으며, Y-Y 방식의 변압기를 사용하고, 스위칭 주파수 10kHz, DC-링크 전압은 500V를 사용하였다.

표 3 실험 파라미터

Table 3 Experiment parameters

Parameter	Value
DC Voltage(VDC)	500V
Switching frequency	10kHz
L1 filter	1.179mH
L2 filter	0.343mH
Parasitic capacitance(Cp)	1.5uF
Transformer capacitance(CT)	1nF
Grid voltage(Vg)	220V, 60Hz

그림 7. IT접지방식 PCS 시뮬레이션 구조

Fig. 7. PCS simulation structure for IT grounding system

그림 8. 실험 시스템 구성 (a)PCS 구조 (b)Y-Y변압기

Fig. 8. Experiment system configuration (a)PSC structure (b)Y-Y transformer

그림 7과 같이 3상 3레벨 PCS에서 배터리 뱅크 기생 커패시턴스에 따라 발생하는 누설전류는 이상적인 Y-Y변압기를 사용하면, 변압기의 절연특성으로 인해 영상분 성분이 제거되어 누설전류가 발생하지 않아야 한다. 그러나, 실제 변압기에는 변압기 내부 기생 커패시턴스가 존재하고 이를 통해 공통모드 전압이 흘러 누설전류 경로가 발생하여 누설전류가 흐르게 된다. 따라서, 변압기를 통해 흐르는 누설전류는 입력단 모듈과 접지 사이에 존재하는 배터리 뱅크 기생 커패시턴스까지 흐르게 된다. IT 접지방식에서 케이블이 없는 경우 시뮬레이션에서 발생하는 누설전류의 크기는 36.6mA로 실험결과인 43.3mA와 비슷한 크기의 누설전류가 흐르는 것을 확인하였다. 발생한 오차는 누설전류의 크기는 공통모드 전압과 회로의 임피던스에 의해 결정되나, 실제 PCS 동작 중 스위칭 노이즈에 의한 영향으로 추정된다. 또한, 공통모드 전압과 누설전류 파형 비교시 누설전류 파형은 공통모드 전압의 발생 주기와 동일하게 흐르는 것을 확인할 수 있으며, 스위칭 주파수인 10kHz의 역수인 100usec의 주기를 갖는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실제 입력단 모듈과 접지 사이에 존재하는 배터리 뱅크 기생 커패시턴스 양단에 공통모드 전압이 걸리면서 누설전류가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 누설전류의 한 주기 확인 시 누설전류의 발생 주기는 스위칭 주파수에 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.

그림 9. IT접지방식의 PCS 누설전류 파형(100mA/div) (a)시뮬레이션 결과 (b)실험결과 (c)시뮬레이션 누설전류 주기 확인 (d)실험 누설전류 주기 확인

Fig. 9. IT grounding PCS leakage current waveform (100mA/div) (a)Simulation result (b)Experiment result (c)IT grounding simulation leakage current (d)IT grounding experiment leakage current

4.2 케이블 길이에 따른 시뮬레이션 및 실험결과

케이블 길이에 따른 누설전류의 영향을 확인하기 위해 16m 케이블과 50m 케이블을 사용하여, 시뮬레이션 및 실험을 진행하였으며, 시뮬레이션과 실험의 누설전류 결과를 비교하였다. IT 접지방식의 16m 케이블 임피던스를 적용한 경우 시뮬레이션 및 실험결과에서 배터리 뱅크의 기생 커패시턴스에 흐르는 누설전류를 측정하면 77.4mA, 84.2mA로 비슷한 크기의 누설전류가 흐르는 것을 확인할 수 있으며, 케이블 추가 전 PCS 시스템에 비해 누설전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 LCL 필터 및 변압기 내부 기생 커패시턴스. 배터리 뱅크 기생 커패시턴스 이외에 케이블에 의한 임피던스가 추가로 존재하기 때문이다. 3상 4선식 케이블에는 3상선과 중성선 사이에 커패시턴스가 존재하고 이로 인해 새로운 누설전류 경로가 만들어진다는 것을 확인할 수 있다.

그림 10. 16m케이블 적용시 PCS 누설전류 결과(250mA/div) (a)시뮬레이션 결과 (b)실험결과

Fig. 10. 16m cable PCS leakage current results(250mA/div) (a)Simulation result (b)Experiment result

또한, 케이블의 길이가 더 증가한 경우 PCS 시스템의 누설전류 증가를 확인하기 위해 50m 케이블을 추가하여 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다.

그림 11. 50m케이블 적용시 PCS 누설전류 결과(250mA/div) (a)시뮬레이션 결과 (b)실험결과

Fig. 11. 50m cable PCS leakage current results(250mA/div) (a)Simulation result (b)Experiment result

표 4 IT접지방식의 누설전류 시뮬레이션 및 실험결과

Table 4 IT grounding method simulation and experiment results

	Simulation	Experiment
Non cable	36.6mA	43.3mA
16m cable	84.2mA	77.4mA
50m cable	159mA	159.8mA

50m 케이블 시뮬레이션 및 실험 진행 결과 누설전류는 각각 159.8mA, 159mA로 동일한 결과를 확인하였으며, 16m 케이블에 비해 누설전류가 더 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, PCS 시스템과 변압기 사이의 케이블 길이, 중성선의 길이에 따라 누설전류가 증가하므로, BESS 시스템 구성 시 PCS와 변압기 사이의 케이블 길이, 중성선과 접지 사이의 케이블 길이를 고려해야한다.

5. 결 론

BESS 시스템은 안전사고 방지를 위해 PCS와 배터리에 접지가 필요하다. 접지는 지락 고장 시에 대지 전위상승의 억제와 지락계전기의 확실한 동작에 도음울 준다. 그러나, PCS의 용도, 에너지 저장장치의 종류, 전력시스템에 따른 구조상의 특징과 구조로 인해 BESS와 접지 사이에 발생하는 배터리 뱅크 기생 커패시턴스에 공통모드 전압이 흐르면, 누설전류가 발생한다. 누설전류는 EMI를 증가시키고 계통과 컨버터 설치 및 분리 과정에서 작업자에게 안전문제가 생길 수 있어 반드시 저감이 필요하다. 그러나, 대부분의 BESS 시스템은 3상 4선식으로 구성되며, 케이블의 길이는 충분히 고려되지 않고 설계된다. 시뮬레이션과 실험결과에서와 같이 PCS의 필터 및 변압기의 임피던스, 배터리 뱅크 기생 커패시턴스 이외에 케이블 임피던스에 의한 누설전류 경로가 존재하며, 케이블의 길이에 따라 누설전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 케이블 임피던스를 미적용한 경우 43.3mArms의 누설전류가 흐르지만, 50m 케이블을 적용한 경우 누설전류 크기는 159.8mArms로 케이블 임피던스에 따라 누설전류가 3.7배 증가하는 것을 확인하였다. 따라서, BESS 시스템 설계시 케이블의 길이 또한 충분한 고려사항이며, 접지방식과 케이블의 길이를 고려하여 시스템을 설계하여야한다.