1. 서론

전력저장장치(ESS: Energy Storage System)는 유휴전력을 배터리 등에 저장하였다가 필요 시 사용할 수 있는 장치로써 에너지 소비효율 향상과 에너지비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 장점을 갖고 있다^[1].

이러한 추세는 정부의 ‘신재생 3020 이행계획’의 발표로 이어졌다. ‘신재생 3020 이행계획’이란 2030년까지 신재생에너지 발전량을 전체 계통의 20% 수준까지 끌어올린다는 계획으로써 전력계통의 안전성과 안정도에 영향을 주지 않는 범위에서 이 계획을 실현하기 위해서는 전력저장장치의 신재생 에너지원 적용이 필수적이어서 재생에너지 연계용 전력저장장치는 급속도로 증가하고 있는 추세이다^[2,3].

그러나 이처럼 급속하게 보급되던 전력저장장치는 어떤 전력시험센터에 설치된 전력저장장치의 화재를 시작으로 모 회사의 공장에서의 화재까지 총 21건의 화재가 잇따라 발생하면서 전력저장장치의 안전성에 대한 불안감을 초래하고 있는 실정이다^[4].

이에 따라 배터리 제조사와 정부에서는 이미 설치된 전력저장장치의 화재 예방을 위한 임시방편으로 배터리의 충전상태(SOC : state of charge)를 70%까지만 사용하도록 권고하면서 전력저장장치의 화재 예방을 위한 전기설비기술기준의 판단기준 개정안 발표 등 대책 마련에 분주하고 있다. 그러나 전력저장장치의 화재 사고가 계속 발생하자 결국 행정안전부는 전국 공공기관의 전력저장장치 가동중지 명령을 내렸으며 전기안전공사는 일반시설(빌딩, 상가 등)과 제조시설(공장, 제조업체 등)의 건물 내부에 설치된 전력저장장치에 대한 사용 전 검사를 보류하는 공문을 배포하는 등 전력저장장치의 설치를 전면 중단시키고 있는 실정이다^[5].

2019년 최근에 산업통상자원부 산하 국가기술표준원에서는 공인시험기관과 학계 전문가들을 중심으로 ESS 사고조사위원회를 출범시켰고 화재 원인을 분석하여 안전대책을 마련한다는 입장이다^[6]. 지금까지 발생한 전력저장장치의 화재를 살펴보면 대부분 배터리가 전소되었으며 현재 그 원인을 명확하게 규명하는 것이 향후 안전규정을 마련하기 위한 핵심 쟁점이 될 것으로 예상된다.

일반적으로 화재는 제품의 결함 때문이거나 아니면 설치 또는 운용상 문제로 발생하게 된다^[7,8]. 본 논문에서는 화재 원인이 전력저장장치의 핵심부품인 배터리나 PCS의 제조상 결함은 차치하고 이의 원인을 우선 운용상의 문제라고 정의하면서 전력저장장치의 최적 운용을 통해 화재 예방과 안전성을 도모하는 연구를 수행하였다.

따라서 본 논문에서는 전력저장장치를 설치 및 운용하는 과정에서 배터리 랙(Rack)의 병렬연결에 대한 문제점을 분석하고 이를 해결하기 위한 대안으로 전력저장장치의 배터리 랙 독립제어 및 균등화(equalizing) 운용 알고리즘을 새롭게 제시하였다. 이의 운용 알고리즘은 전지시스템의 각 랙을 독립적으로 제어하는 기법과 균등화 기법을 제안하여 랙 간 용량 불평형 문제를 해결하였다. 또한 서로 다른 용량의 랙, 이 기종 전지가 적용된 랙, 상이한 랙의 건전상태(stage of health ;SOH)도 서로 조합할 수 있는 운용방안을 제시하여 유지관리비용의 절감뿐만 아니라 배터리 수명연장 효과도 기대할 수 있게 하였다.

2. 배터리 랙 병렬연결의 문제점 도출

대부분의 전력저장장치의 배터리 랙 제작사들은 소용량의 셀을 2병렬 혹은 3병렬로 연결하여 대용량 배터리 랙을 제작하고 있다. 이렇게 구성된 단일 랙을 병렬로 연결하여 전력저장장치의 전지시스템을 구성하게 되며 이러한 전지시스템의 개념도를 그림. 1에 나타내었다.

그림. 1. 대용량 전지시스템의 구성

Fig. 1. Configuration of large scale battery system

그림. 1의 전지시스템은 N개 랙의 병렬연결로 구성되어 있으며 각 랙은 3p n개의 구조로 n개의 유닛(3p)을 직렬연결한 구조로 되어있다. 이러한 구조에서 현재 BMS(Battery Management System)는 3p로 병렬 연결된 유닛의 전압을 모니터링 하고 있으며 각각의 단일 셀에 대한 전압은 일반적으로 모니터링 하지 않는다.

따라서 유닛을 구성하는 셀 간 용량의 편차는 알 수 없는 상황이며 밸런싱 기능 역시 수행할 수 없는 실정이며 셀 제조사의 기술향상과 철저한 품질관리로 셀 간 편차는 오차범위 내에 있다고 간주하고 있다.

본 논문에서 제시하고자 하는 것은 셀 간 밸런싱이 아닌 랙 간 밸런싱에 대한 필요성이다. 즉 그림. 1의 전지시스템에서 어떠한 원인에 의해 N번째 랙의 2번 유닛에 문제가 생겨 위의 그림. 2와 같은 상황이 발생했다고 가정한다. 이 경우 랙 N의 용량은 2Ah가 되며 전체 전지시스템의 용량은 (N × 2)Ah가 될 것이다. 랙 N을 제외하면 모두 3Ah의 용량을 사용할 수 있으나 랙 N의 문제로 인해 (N-1)×1Ah의 용량을 사용하지 못하는 상황이 발생하게 된다.

그림. 2. N번째 랙에 문제 발생한 전지시스템

Fig. 2. Battery system with the problem in Nth rack

이러한 상황이 발생할 경우 랙 N을 차단하고 나머지 랙1~랙(N-1)까지만 사용할 수 있도록 알고리즘에 적용되어 있긴 하나 랙 N을 차단할 경우 랙 N이 담당하던 전력을 나머지 랙1~랙(N-1)이 분담해야 하므로 C-rate가 상승하게 되며 랙의 건전상태(SOH : Stage of health)에 영향을 미칠 수 있게 된다. 랙의 개수가 많을수록 이 영향은 적으나 10년 이상을 사용해야 하는 전지시스템의 경우 그 피로가 누적될 수 있으며 이는 전체 전지시스템의 성능 및 안전에 영향을 미치게 된다.

이 때문에 한국전지협회에서는 배터리 에너지저장용 리튬 이차 전지시스템-성능 및 안전 요구사항(SPS-C KBIA- 10104-03-7312)을 제정하였으나 전지시스템 전체에 대한 성능 및 안전 인증을 단일 랙에 대한 시험으로 대체하는 문제가 있을 수 있다. 또한 최근에는 ‘고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정 개정안’에서 전력저장장치(ESS)에 대한 적용 범위와 시험방법이 기재되어 있는데 전지 시스템의 효율은 단일 랙의 효율을 이용해 산술식으로 산출하는 방식을 취하고 있어 전체 전지시스템을 구성하여 시험할 필요가 없도록 되어 있다. 식 (1)은 이러한 ‘고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정 개정안’에서 제시하고 있는 전지시스템에 대하여 다중 랙에 대한 효율 계산식을 나타내고 있다.

즉 이러한 문제점의 상황이 발생할 경우 랙 N을 차단한다면 랙 N이 담당하던 전력을 나머지 랙1~랙(N-1)이 분담해야 하므로 전체 전지시스템의 SOH 및 성능과 안전에 영향을 미치게 됨에도 불구하고 전력저장장치 사용자가 스스로가 최적의 운용을 해야만 하는 문제점이 존재하게 된다.

3. 전력저장장치의 독립제어 및 균등화 운용 알고리즘

3.1 제약조건의 문제해결 모델링

본 논문에서는 전지시스템의 안전한 사용을 위한 새로운 운용 알고리즘을 제안한다. 그림. 3은 제안하는 알고리즘의 시스템 구성을 나타낸 개념도이다. 이러한 전력저장장치를 구성하는 전지시스템은 서로 병렬로 구성되어 있지 않으며 각각의 랙은 전력변환장치(power conditioning system; PCS)의 DC측 출력단과 1:1로 연결되어 있다.

그림. 3. 제안하는 ESS시스템의 구성 개념도

Fig. 3. Configuration of proposed ESS System

그림. 3의 구성에서는 각 랙의 SOC와 SOH를 고려한 개별제어를 통하여 전지시스템의 효율과 안전을 제고함과 동시에 기존의 전력저장장치와 동일한 사용방법을 적용할 수 있어 사용자들이 느낄 수 있는 새로운 사용 환경에 적용할 수 있으며 전력저장장치의 본 독립제어 운용 알고리즘을 적용할 경우 전력저장장치 운용에 관련된 여러 가지 문제점의 해결이 가능하다.

여기서,

$P_ {k} (t)$ : $t$시간의 $k$번째 랙 충·방전 전력 ($k=1, 2, \cdots, n$) [$kW$]

$P$ : $t$시간의 에너지저장장치 총 충·방전 전력 [$kW$]

$Q_ {k}$ : $SOH_ {k} (t) = 100 %$일 때 $k$번째 랙의 용량 ($k=1, 2, \cdots, n$) [$kWh$]

$Q$ : $t$시간의 전지 시스템 용량 [$kWh$]

$SOC_ {k} (t)$ : $t$시간의 $n$번째 랙 충전상태 ($k=1, 2, \cdots, n$) [%]

$SOH_ {k} (t)$ : $t$시간의 $n$번째 랙 건강상태 ($k=1, 2, \cdots, n$) [%]

$\alpha_ {n} (t)$ : $t$시간의 $n$번째 랙 전력량계수

이며, 그림. 3의 전력저장장치는 다음의 식 (2)와 식 (3)을 만족해야 한다.

(2)

$Q_{T o t a l}(t)=\sum_{k=1}^{n} Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}=Q_{1} \cdot \frac{S O H_{1}(t)}{100}+Q_{2} \cdot \frac{S O H_{2}(t)}{100}+\dots+Q_{n} \cdot \frac{S O H_{n}(t)}{100}$

(3)

$P_{T o t a l}(t)=\sum_{k=1}^{n} P_{k}(t)=P_{1}(t) \cdot \alpha_{1}(t)+P_{2}(t) \cdot \alpha_{2}(t)+\cdots+P_{n}(t) \cdot \alpha_{n}(t)$

식 (2)는 전력저장장치 전체 용량은 각 랙 용량의 합과 같아야 한다는 의미이고 식 (3)은 전체 충·방전 전력은 각 랙에 할당된 DC/DC 변환기의 충·방전 전력 합과 같아야 한다는 의미이다.

이의 제안하는 방법은 랙의 SOH에 따라 연속으로 각각의 DC/DC 변환기의 입·출력량을 조절하므로 항상 식 (3)을 만족해야 안정적인 총 충·방전 전력을 확보할 수 있다. 각 랙의 충·방전 전력은 식 (3)을 만족해야 하며 다음의 식 (4)와 같이 계산한다.

(4)

$P_{k}(t)=\frac{Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{Q}$

또한 식 (3)에서 $\alpha _{k} (t)$의 초기값은 1이며 충전 및 방전 중 랙간 용량 불평형이 발생할 경우 SOC 및 SOH에 따라 식 (3)을 만족하는 전력량계수 $\alpha _{k} (t)$를 계산하여 충·방전 전력의 크기를 설정한다. 전력량계수 $\alpha _{k} (t)$는 다음의 식 (5)를 만족해야 한다.

(5)

$\frac{\sum_{k=1}^{n} \alpha_{k}(t)}{n}=1$

식 (5)는 $P _{k} (t)$의 충·방전 전력이 줄어들거나 늘어날 경우 이 변화분을 다른 랙의 충·방전 전력을 늘리거나 줄여서 $P$의 값을 일정하게 유지해야 한다는 의미를 나타내는 상징적인 계수이다.

3.2 균등화 전력의 계산

식 (2), 식 (3)의 제약조건을 만족하는 범위 내에서 전력저장장치를 운용할 경우 개별 랙을 독립적으로 제어할 수 있어 앞서 언급한 랙 병렬연결로 인해 발생 가능한 문제점을 해결할 수는 있으나 사용 환경에 따라 랙간 용량 불평형이 발생할 수도 있다. 기존 전력저장장치의 경우에도 이러한 문제를 해결하기 위해 능동적/수동적 밸런싱 기법을 적용할 수 있다. 그러나 제안하는 기법의 경우 특정 랙만을 제어하는 것이 아닌 전체 랙 모두의 용량을 맞추는 방식이므로 이의 밸런싱 개념과는 다른 균등화의 개념에 더욱 가깝다. 따라서 본 논문에서는 균등화의 개념을 도입·제안하였으며 이의 균등화 전력의 계산기법을 제시한다. 균등화가 필요한 경우는 충·방전 시 모두 일어날 수 있으며 균등화 전력의 계산법은 다음과 같이 구분하여 수식화 할 수 있다.

3.2.1 충전시 균등화 전력의 계산기법

각 랙에 연결되어 있는 DC/DC 변환기는 동시에 충전이 종료되어야 하므로 각 랙의 남은 충전량을 이용해 충전 종료시간을 계산한 뒤 이 시간을 기반으로 충전 전력량 $P _{k} (t)$를 계산한다. 충전 종료시간은 다음의 식 (6)과 같이 계산한다.

(6)

$T=\frac{\sum_{k=1}^{n}\left(1-\frac{S O C_{k}(t)}{100}\right) \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P}$

앞에서 언급한 대로 모든 DC/DC 변환기는 동시에 충전이 종료되어야 하므로 각 랙은 남은 용량을 식 (6)에서 계산된 시간 안에 충전 완료 하여야 한다. 이를 식으로 나타낸 것이 다음의 식 (7)이다.

(7)

$T=\frac{\left(1-\frac{S O C_{k}(t)}{100}\right) \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P_{k}(t) \cdot \alpha_{k}(t+1)}$

$\alpha _{k} (t+1)$만 변수이므로 식 (7)을 $\alpha _{k} (t+1)$에 대해 정리하면 식 (8)과 같다.

(8)

$\alpha_{k}(t+1)=\frac{\left(1-\frac{S O C_{k}(t)}{100}\right) \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P_{k}(t) \cdot T}$

따라서 충전 시 균등화 전력 $P _{k} (t+1)$을 계산하면 다음의 식 (9)와 같다.

(9)

$P_{k}(t+1)=P_{k}(t) \cdot \alpha_{k}(t+1)$

식 (9)로 계산된 균등화 전력으로 충전 시 각 랙은 동시에 충전이 끝남과 동시에 용량 불평형 문제가 해소되게 된다.

3.2.2 방전 시 균등화 전력의 계산기법

충전 시와 마찬가지로 방전 시 역시 각 랙에 연결되어 있는 DC/DC 변환기가 동시에 방전이 종료되어야 하므로 각 랙의 남은 방전량을 이용해 방전 종료시간을 계산한 뒤 이 시간을 기반으로 방전 전력량 $P _{k} (t)$를 계산한다. 방전 종료시간은 다음의 식 (10)과 같이 계산한다.

(10)

$T=\frac{\sum_{k=1}^{n} \frac{S O C_{k}(t)}{100} \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P}$

앞에서 언급한 대로 모든 DC/DC 변환기는 동시에 방전이 종료되어야 하므로 각 랙은 현재 충전용량을 식 (10)에서 계산된 시간 안에 방전 완료 하여야 한다. 이를 식으로 나타낸 것이 다음의 식 (11)이다.

(11)

$T=\frac{\frac{S O C_{k}(t)}{100} \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P_{k}(t) \cdot \alpha_{k}(t+1)}$

$\alpha _{k} (t+1)$만 변수이므로 식 (11)을 $\alpha _{k} (t+1)$에 대해 정리하면 식 (12)와 같다.

(12)

$\alpha_{k}(t+1)=\frac{\frac{S O C_{k}(t)}{100} \cdot Q_{k} \cdot \frac{S O H_{k}(t)}{100}}{P_{k}(t) \cdot T}$

따라서 방전 시 균등화 전력 을 계산하면 다음의 식 (13)과 같다.

(13)

$P_{k}(t+1)=P_{k}(t) \cdot \alpha_{k}(t+1)$

그림. 4는 지금까지 설명한 개별 랙의 독립제어 알고리즘을 적용한 전력저장장치의 운용 순서도를 나타낸 것이다.

그림. 4. 제안된 전력저장장치의 운용 순서도

Fig. 4. Operation flowchart of the proposed ESS

4. 제안 알고리즘의 적용 범위

4.1 랙 균등화(rack equalizing)

그림. 5는 랙 간에 용량 불평형이 발생했을 경우 본 전력저장장치의 독립제어 운용 알고리즘을 이용하여 이를 해결하는 랙 균등화에 대한 개념도를 나타낸다.

그림. 5. 랙 용량 불평형시의 균등화 구성

Fig. 5. Equalizing configuration of unbalanced rack

랙 균등화의 경우 기존 밸런싱의 방법과는 달리 랙간 별도의 충·방전 전력을 인가할 수 있고 랙간 용량 불평형 문제를 해결하기 위해 특정 랙을 차단하지 않아도 되므로 랙에 가해지는 스트레스를 최소화 할 수 있다. 이는 전지의 수명에 영향을 줄 수 있는 원인을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

4.2 이 기종 랙 조합

그림. 6은 다양한 전지시스템을 적용한 전력저장장치 개념도를 나타낸 것이다. 그림. 6(a)는 동일 종류의 배터리를 사용하나 용량이 서로 다른 랙으로 구성된 전지시스템을 적용한 전력저장장치를 그림. 6(b)는 다른 종류의 전지로 구성된 전지시스템을 적용한 전력저장장치의 개념도를 나타낸다.

그림. 6. 다양한 전지시스템을 적용한 전력저장장치 개념도

Fig. 6. Concept of energy storage system with various battery system

이의 구성은 랙간 독립제어가 가능하므로 랙간 영향이 없어 그림. 6과 같은 다양한 전지시스템을 이용해 전력저장장치를 구성할 수 있다.

4.3 상이한 SOH의 랙 조합

그림. 7은 서로 상이한 SOH의 랙으로 구성된 전지시스템을 적용한 전력저장장치의 개념도를 나타낸다. 이 역시 랙간 독립제어가 가능하므로 이러한 전력저장장치를 운용할 수 있는 것이며, 이 경우 고장나거나 노후된 랙만 교체 가능하여 10년 이상을 사용해야 하는 전력저장장치의 경우 유지관리 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 기술이다.

그림. 7. 상이한 SOH의 전지시스템을 적용한 ESS 구성

Fig. 7. Configuration of energy storage system with the different SOH battery system

이와 같은 모든 경우를 적용해 전력저장장치를 구성하면 다음의 그림. 8과 같다. 실제로 전력저장장치를 그림. 8과 같이 설계하는 경우에는 전력저장장치 시장이 더욱 확대되고 보급이 늘어나면 사용연수에 따른 유지보수가 필요할 것이며 그 경우 기존에 설치된 랙과 동일한 모델의 구매가 가능하면 다행이나 단종 등의 이유로 구매가 불가능할 경우 다른 모델로 교체할 수 밖에 없을 것이다.

그림. 8. 다양한 상태의 랙이 적용된 ESS 구성

Fig. 8. Configuration of energy storage system with rack of various states

이는 또한 동일 모델을 구매했다고 하더라도 서로 SOH가 다르기 때문에 충·방전을 정상적으로 동시에 끝낼 수 없는 상황이 발생하게 된다. 따라서 제안한 기술은 이론상으로 그림. 8과 같은 랙의 조합이 가능하여 10년 이상 사용해야 하는 전력저장장치의 유지관리 비용의 절감과 전지시스템 수명연장을 기대할 수 있게 된다.

5. 결 론

전력저장장치 ESS는 유휴전력을 배터리 등에 저장하면서 에너지 소비효율 향상과 전력계통 예비력 증대 및 에너지비용 절감을 목적으로 하면서 근래에 도입이 급증하고 있으나 이에 대한 화재도 동시에 증가되고 있다. 이에 따라 화재예방의 방안 일환으로 본 논문에서는 다양한 연구를 수행하였다.

즉 전지시스템을 구성하는 배터리 랙의 병렬연결에 대한 문제점을 도출하여 화재의 가능성을 제시하였으며, 이를 극복하기 위한 새로운 방법으로써 랙의 독립제어 및 균등화 운용 알고리즘을 제안하였다. 제안된 전력저장장치의 운용 알고리즘은 전지시스템의 각 랙을 독립적으로 제어하여 랙 병렬연결에 대한 문제를 해결하였으며, 이를 균등화 기법에 적용하여 랙간 용량 불평형 문제 해결 및 배터리 랙 간 용량 불평형이 발생에서의 균등화 전력의 계산 기법을 수식화 하였다.

또한 본 논문에서는 제안하는 알고리즘을 적용할 경우 서로 다른 용량의 랙, 이 기종 전지가 적용된 랙, 상이한 SOH의 랙도 서로 조합할 수 있는 적용범위를 제시하여 전력저장장치를 운용하는 동안 유지관리비용의 절감 뿐 만 아니라 배터리 수명연장 효과도 기대할 수 있도록 하였다. 향후 제안된 알고리즘에 대한 시제품을 구현하여 보다 정량적인 검증을 수행할 계획이다.