2.1 PCS 및 이차전지 용량산정

리튬이온배터리를 이용한 에너지 저장장치의 구성은 PCS(Power Conditioning System), Battery와 EMS로 구성된다.

PCS의 회로구성방식에 따라서 상용주파 절연방식, 고주파 변압기 절연방식, 트랜스리스 방식으로 구분된다.

전기설비기술기준의 제72조 (비상용 예비전원시설)에 의하면 수용장소에 시설하는 비상용 예비전원은 사용전원이 정전되었을 때 수용장소 이외의 전로에 전력이 공급되지 않도록 시설하여야 한다’고 규정되어 있으며, 화재안전기준(NFSC)에는 비상전원의 종류와 설치대상이 규정되어 있다.

비상전원의 충족요건으로서 첫째 비상전원 설비에 설치되어 동시에 운전될 수 있는 모든 부하의 입력용량을 기준으로 정격출력을 선정하여야 하며, 다만 소방전원 보존형 발전기를 사용할 경우 그러지 않는다.

둘째 기동전류가 가장 큰 부하가 기동할 때에는 부하의 허용 최저 입력전압 이상의 출력전압을 유지하여야 하며, 셋째 단시간 과전류에 견디는 내력은 입력용량이 가장 큰 부하가 최종 기동할 경우에 견딜 수 있어야 한다고 규정되어 있다.

이차전지를 이용한 ESS는 PCS와 Battery로 크게 나눌 수 있으며, PCS는 대형전동기의 기동특성을 고려하여 선정하며, PCS는 디젤발전기와 다르게 전력용 반도체로 이루어져 있으며 소자의 효율에 따라서 출력이 변화되므로 이에 따른 수식의 변경이 필요하다.

2.2 비상발전기 계산 수식을 활용한 PCS용량 산정

Battery 및 PCS는 관련 화재안전규정(NFSC)에 따라서 규정된 시간동안 안정적으로 전원을 공급하여야 한다. 우선 상기 조건을 종합적으로 검토하여 PCS 계산식을 표현하면 다음과 같다.

2.3 이차전지용량 산정수식

관련 법적 유지시간에 의한 비상용 전원의 용량은 표 2.와 같으며 이차전지의 용량산정은 비상용부하의 사용용량과 법정 유지시간으로 계산할 수 있다.

Battery는 시간에 따른 용량변화가 발생하므로 경년변화율을 적용하여야 하며 부하의 효율을 고려하여 용량계산이 필요하다.

비상용전원은 화재시나 비상시에 소화활동을 지원하기 위한 전원설비이므로 적정한 안전율을 고려하여 용량을 산정할 것을 적극 권장한다.

일반적인 소화설비의 안전율은 1.3∼2.0으로 본 연구는 경제성을 고려하여 1.3으로 적용하였다.

상기내용을 종합하여 표현하면 다음과 같다.

$P_{LB}$ : 소방용 $ESS$ 이차전지용량(kWh)

$C$ :경년변화율 $P_{k}$ : 비상용부하의 입력(KW)

$t_{k}$ :법정유지시간(h)

$\eta_{L}$ :부하효율 $\alpha_{h}$: 안전율(1.3)

$\beta_{H}$ : 설치장소 보정계수(옥내 : 1.0, 옥외 : 1.3)

3.1 ESS용량산정

비상용 전원에 대한 시뮬레이션은 설비의 용량선정 및 기동방식에 따라서 산정용량의 결과 차이가 크게 발생한다. 따라서 시뮬레이션 용량산정의 신뢰성을 높이기 위해서 표 3처럼 실제 설치된 설비용량을 기준으로 하여 진행하였다.

ESS 용량산정은 상기에 제시하였던 식 (1),(2),(3)을 적용하여 PCS와 Battery용량은 식 (4)를 적용하여 계산하였다.

계산된 ESS를 기준으로 하여 비상시 ESS가 소방용펌프를 기동하였을 경우를 가정하여 선로의 전압을 시뮬레이션 하였다.

소방설비 중 가장 큰 용량의 전동기는 스프링클러용 펌프용으로서 3상 380V 41.6kW로 조사되었다. 소방설비는 정전시 부하와 화재시 부하로 구분할 수 있으며 계산 결과 각각 130.7KW와 161.KW로 조사되었다.

설비 중 가장 큰 용량은 승강기설비이며 용량은 51kW 정도였으며, 인버터 기동방식이었다.

소방설비는 화재 상황에서 신뢰성 높은 동작 특성을 유지하여야 하며, 미동작시 인명이나 물적 피해가 크게 발생할 우려가 있다.

따라서 실제 설계 시에는 신뢰성 향상을 위해서 안전율을 적용함으로써 여유 있게 선정해야 할 필요성이 있다.(표 3 참조)

3.2 PCS 용량산정

상기와 같은 실제 비상설비용량을 기초로 하여 PCS 및 Battery 용량산정을 수행하였으며, ESS 설계 흐름도를 그림 1과 같이 도시하였다.

컴퓨터 시뮬레이션에 필요한 데이터는 설치된 소방 대상물을 기준으로 하여 조사하여 표 4에 정리하였다.

PCS용량을 식 (1)~식 (3)을 이용하여 다음과 같이 산출 하였다.

$PE_{1}=\dfrac{\sum P}{\eta\times COS\Phi\times\epsilon_{pcs}}=\dfrac{161}{0.9\times 0.8\times 0.95}=235.3(k W)$

$PE_{2}=\dfrac{P_{M}}{\eta\times COS\Phi_{M}\times K\times\triangle E\times\epsilon_{PCS}}=\dfrac{41.6}{0.9\times 0.8\times 0.3\times 0.95}=202(k W)$

$\begin{aligned} PE_{3}&=[\dfrac{\sum P - P_{M}}{\eta}+(P_{M}\times COS\Phi_{M}\times K)]\times\dfrac{1}{\epsilon_{PCS}\times\cos\Phi}\\ &=[\dfrac{(161-41.6)}{0.9}+(41.6\times 0.8\times 1.5)]\times(\dfrac{1}{0.95\times 0.8})= 250(k W) \end{aligned}$

상기식에서 $PE_{1}$∼$PE_{3}$ 중 가장 큰값인 250kW로 PCS용량을 산정하였다.

3.3 ESS 배터리 용량산정

ESS 배터리 용량은 식 (4) 이용하여 아래와 같이 계산하였다.

$\begin{aligned} P_{EB}&=\dfrac{1}{C}\sum_{k=1}^{n}P_{k}t_{k}\circ\dfrac{1}{\eta}\circ\alpha_{h}\\ &=\dfrac{1}{0.8}\times(138.5)\times\dfrac{1}{0.9}\times 1.3 = 250.7(kwh) \end{aligned}$

상기식에서 소방용 2차전지 용량값은 251kWh로 산정하였다.

3.4 사례연구 및 결과분석

LIB ESS와 대형 유도전동기의 기동특성을 분석하기위해서 시뮬레이션을 통하여 적정한 ESS용량 산정과 기동방식에 따른 ESS특성을 파악하였다. 시뮬레이션 프로그램은 ETAP(Electrical Transient Analyzer Program)을 사용하였다. 시뮬레이션 회로도를 도시하면 그림 2와 같으며, 전동기 기동 시 국제기준 IEEE 399 표 5에서는 전동기 기동 시 단자전압에서 발생하는 전압강하의 허용범위를 정격전압의 80%로 제한하고 있다. 그림 3은 직입기동으로서 기동중에 단자전압이 54%로 계산되었으며 기동이 끝나는 약 6초 후에는 50% 미만으로 IEEE 399에 제시한 80% 미만이므로 기동에 실패하였다.

그림 4Y-△기동의 경우에도 기동 후 전압이 50% 미만 이므로 직입기동과 마찬가지로 기동에 실패하였으며 이는 기동중에 발생하는 급격한 역률저하로 피상전력이 급격히 증가하여 PCS의 공급용량을 초과함으로써 계통전압을 유지할 수 없으므로 전동기의 운전을 계속할 수 없게 되었다.

인버터를 이용한 기동의 경우 그림 5와 같이 기동중에도 비교적 계통전압이 안정되었으며 기동중과 기동후에도 단자전압이 94% 이상을 유지하므로 기동에 성공하였다.

상기 사례연구를 통하여 ESS의 PCS용량산정 시 대용량 모터의 기동에 따른 피상전력의 급격한 증가를 고려하여야 한다는 것을 알 수 있었다.

IEEE 399 제시된 전압 시뮬레이션 결과 표 5와 그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이 직입기동과 Y-△기동방식으로 유도전동기 기동의 경우 단자전압이 50% 미만으로서 요구전압인 80%를 만족하지 못하므로 전동기가 기동하지 않았다.

그림 5의 경우는 인버터 기동시 약 94%로 요구전압인 80% 이상을 만족하여 전동기가 원활하게 기동하였으며 그 결과를 표 6에 정리하였다.