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[스마트그리드 관련 전기설비기술기준 제정 방안] 가정용 연료전지 축소 모델 실험을 통한 계통연계 시 트러블 사례
2010년 11월 8일 (월) 10:20:17 |   지면 발행 ( 2010년 10월호 - 전체 보기 )



전기안전연구원(http://re.kesco.or.kr)
신재생연구부_한운기 책임연구원
(031)580-3052 / power@kesco.or.kr


개요

2008년 이후 현 정부는 그린홈 프로젝트와 연계해 2020년까지 연료전지 100만 호 보급사업을 실시하겠다는 계획을 발표했다. 국내 주택용 연료전지 시장에서 주택용(1㎾급) 연료전지 대상 호수는 1,100만 호, 상업용(5∼10㎾급) 연료전지 대상 호수는 540만 호다. 이는 전체 전력 시장 중 92.8%라는 높은 비율을 차지하고 있으며, 건물용 연료전지에 대해서는 2020년까지 정부의 지원 아래 200만 대 규모의 시장 형성이 예상된다.
최근 액화석유가스안전관리기준 통합고시가 일부개정되면서 연료전지의 제조 및 검사에 대한 규정이 신설, 가정용 연료전지 제품이 가스용품으로 안전검사를 받게 됐다. 가스사용량 20만㎉ 이하의 연료전지를 대상으로 하고 있는 이번 규정은 연료전지를 구성하는 핵심부품과 주변기기 등에 대한 제조기술기준과 생산품에 대한 설계 및 생산단계 안전검사를 가스분야에서 받도록 하고 있어 전기안전에 대한 사항이 미비한 실정이다.
연료전지 시스템은 지금까지 사용하던 전원들과는 매우 다른 형태의 전원으로 다학제(多學際)적 특징을 가졌으며, 복합적인 기술의 집합체로 가스안전 및 전기안전이 동시에 고려될 때에만 안전하게 운영될 수 있다. 이처럼 전기화학적 반응에 의해 발전하는 연료전지는 기존의 점검, 검사 기법으로는 전기안전, 전력품질 평가와 계통사고에 대한 효과적 제어 및 신뢰도 확보에 어려움이 따른다. 분산형 전원의 공급은 기후협약을 실천하고 CO₂발생 감소를 위한 에너지 정책의 주요 수단으로 그 필요성이 높아지고 있는 만큼 수용가용 설비의 사고 방지를 위해서는 전기적 안정성 평가 및 대책이 필수적이다. 또한 소규모 분산형 전원의 공급은 피크(Peak) 제어 및 에너지 운용방식에 있어 중요한 수단으로 이용이 가능하나 계통에 미치는 영향 및 점검기술 개발은 안정적 운영을 위해 연구가 요구되고 있으며, 가정용 연료전지 시스템의 전기적 안정성을 평가해 문제점을 도출하고 전기적 안전규격 및 표준의 확립이 시급하다.
연료전지 시스템은 기존의 에너지원과는 전혀 다른 형태의 발전기로서 저전압, 대전류 특성을 가진다. 하나의 분산전원인 연료전지는 인축(人畜)의 접촉 가능성이 높아 사전 연구를 통해 감전과 같은 안전사고를 미리 방지할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 가정용 연료전지를 대상으로 계통연계 시 발생하는 문제점을 축소 실험을 통해 검증했다. 먼저 데이터 취득을 위해 모니터링 시스템을 구축하고, 현장과 축소 실험장의 데이터는 웹망을 통해 DB 구축이 가능하도록 했다. 축소 실험장치는 IEC 60364에서 제시된 기법을 바탕으로 제작됐으며, 실제 가정용 연료전지가 설치되는 주택과 유사한 조건에서 계통의 단락, 지락, 과부하, 저전압 등 다양한 현상에 대해 연료전지에서 나타나는 형상과 계통에 기여하는 문제점을 알아봤다.
실험결과는 가정용 연료전지로 인해 발생할 수 있는 Maintenance 기술 개발 및 자료 DB 구축, 수용가 및 분산전원 연계에 의한 계통 운영방식에서 선진국 수준의 기술 향상, 연료전지 시스템을 신재생에너지원으로 활용하기 위한 연계 기술기준 근거확립, 연료전지의 기준안 제시를 통한 기능 향상 등으로 분산형 전원의 공급 확대 · 보급에 적극 활용하고자 한다.

모니터링 시스템 구축

1. 모니터링 시스템 구성도
본 연구에서는 연료전지 및 수용가 측 설비의 전기적 안전성 평가를 목적으로 <그림 1>과 같이 모니터링 시스템을 구축했다. 데이터 수집 및 이벤트 해석을 위해 인터넷망을 구축하고 연구실 내에서 데이터를 분석할 수 있도록 했다.

본 연구에서는 PCC(Point of Common Coupler) 위치 선정을 통해 가정용 연료전지, 전력계통 및 수용가의 데이터를 취득해 전력품질 분석, 이벤트 분석 및 보호협조를 분석한다. 그리고 이를 바탕으로 가정용 연료전지 연계 시 수용가 측 설비와 연료전지의 전기안전 문제 분석 및 안전도 평가기술을 개발하고자 한다. <그림 3>은 데이터 수집을 위한 PCC 위치 선정을 나타낸다.

PCC 위치에 설치할 데이터 수집장치는 <그림 4>와 같이 설치해 연료전지 연계로 인한 상태 변화, 수용가 측 설비의 영향 및 전력계통의 영향을 동시에 분석했다. 그리고 향후 개발될 연료전지 평가 시스템과 동기화 시켜 연료전지 상태에 따른 영향을 분석할 예정이다.
이러한 데이터 취득은 가정용 연료전지를 기존 전력계통에 연계 시 수용가 측 설비와 가정용 연료전지의 전기안전 및 안전도 향상을 도모하기 위한 기초단계로 구축했다.

축소 모델 장치 구성 및 실험결과

1. 축소 모델 실험장치 구성
가정용 연료전지의 현장 운영 시 발생하는 문제점분석 및 대안을 알아보기 위해 실제 현장 설치 및 연료전지의 모니터링에 의한 데이터 분석이 요구된다. 분석 및 대안을 알아보기 위해 실제 현장 설치 및 연료전지의 모니터링에 의한 데이터 분석이 요구된다.
IEC 60364를 적용해 저압 전기설비와 유사한 방식의 시뮬레이터를 제작했다. 시뮬레이터는 크게 전원부와 1층 부하부, 2층 부하부로 구성되며 지락 사고전류, 인체 감전전류, 접촉전압 및 차단기 동작 특성 등을 측정할 수 있는 DAQ 장비가 설치되어 있다. 시뮬레이터의 외형적 모습을 <그림 5>에 나타냈다.
<그림 5>는 가정용 연료전지 실증 실험장치이다. 실험장치는 실제 축소 모델을 이용해 연료전지에서 계통에 전력을 공급한 것과 동일한 시스템을 구축해 외부 단락, 지락 등의 사고를 모의했다.

2. 계통 부하사고 및 인버터 반응 특성

⑴히터지락
<그림 6>은 계통연계 시 대용량 히터 3㎾를 연계한 후 히터 연계 접속부에서 지락사고를 모의한 것이다. 외부 사고가 발생했을 때 연료전지의 인버터로 부터 사고 시 발생하는 반응을 나타낸다. 전력공급이 차단됐으나, 인버터에 순간적으로 3배의 전류가 흘렀고 계통으로부터 사고전류가 약 50A 유입됐다. 인버터 반응전류는 외부 전압요소와 관계가 있는 것으로 판단되며 향후 분석이 요구된다.

⑵ 리셉터클 내부 지락사고
<그림 7>은 인버터가 접속되는 리셉터클(Receptacle)부의 사고 시 발생하는 인버터 및 계통의 영향 분석결과이다. 실험결과 대형 히터 사고 부분의 영향과 유사한 결과를 보였다.

⑶ 누전차단기 2차 지락사고
<그림 8>은 누전차단기 부분에 연계된 지락사고 시 발생하는 가정용 연료전지의 인버터 동작 특성이다. 누전차단기 하단부에서 발생한 지락사고 시 인버터 영향으로, 실험결과 누전차단기 2차 측의 사고 시 차단기 동작으로 인버터에는 영향이 없는 것으로 나타났다.

⑷ 인버터 외부 단락사고
<그림 9>는 인버터 외부에서 계통 단락사고 시 인버터 동작 특성이다. 계통에서 대형 단락사고 발생 시 실험결과에서는 2~3배의 인버터 고장전류가 흘렀다. 이는 계통에 영향을 가하는 정도의 기여분은 아니었으나 인버터에 큰 전류가 흐름을 알 수 있다.

⑸부하변동실험
<그림 10>은 외부 부하변동 시 인버터 다이내믹 특징이다. 계통의 부하량이 변할수록 인버터 출력전류가 증가함을 알 수 있다. 향후 인버터 계통연계에서 부하 가변 다이내믹 특성 시 인버터 출력 변화에 따른 대응속도를 알아볼 필요가 있다.

결론 및 향후 계획

현재 국내에서는 가정용 연료전지 시스템에 대해 인증을 위한 성능시험 · 평가가 이루어지고 있지만 이에 관한 KS 규격은 전무하다. 연료전지의 안전성을 담보하기 위해서는 관련 법령 및 안전기준 등이 제정돼야 하며, 국제규격에 적절히 대응할 수 있도록 자국 기준 및 규약이 있어야 국익을 보호할 수 있다.
국내 실정에 맞는 안전규격을 개발하기 위해서는 보다 실질적인 데이터가 뒷받침될 필요성이 있다. 따라서 향후 실제 현장 데이터 수집 및 관련 실험을 통해 보다 실질적인 사항들을 보완해 진행할 예정이다.
저압 주택을 모의한 시뮬레이터를 기반으로 축소모델을 실험한 결과, 계통의 고장전류가 인버터에서 기여한 것으로 나타났으나 기여분은 계통에 미소한 영향을 가했다. 누전차단기 2차 측의 사고는 정상적으로 계통을 분리해 인버터를 정상적으로 동작시켰다. 따라서 전기안전 확보를 위해서는 누전차단기의 사용이 필수적이다. 인체사고 및 접지 부분은 축소 모델 부분에서 검토가 요구된다. 현장의 이벤트 발생에 의한 가정용 연료전지의 문제점은 구축 완성된 실계통의 모니터링으로 데이터 분석할 예정이다.
에너지 사업의 한 축으로 미래 성장동력이 될 연료전지는 2020년까지 3,000조 원 규모의 세계 분산전원(태양광, 풍력, 연료전지 등) 산업 시장 진출에 대비한 기반기술 구축이 요구된다. 연료전지 시스템의 안전을 위한 규격 및 표준의 제정은 온실가스 저감을 실천하는 교토의정서 만족을 위한 기반 확보와 300만㎾ 보급 시 2,103,706[ton-CO₂/year] 이산화탄소 삭감효과, 원유환산 시 약 794,325TOE의 에너지 절감효과 등 유 · 무형의 산업 · 기술 · 경제적 이익을 확보할 것으로 판단된다.

 
연료전지
연료전지는 수소에너지를 전기에너지와 열로 변환시키는 전기화학적 장치를 말한다. 이론적으로는 수소와 산소를 양극과 음극에 공급, 연속적으로 전기를 생산하는 기술이다. 작동온도와 연료의 형태에 따라 다양하며, 흔히 알칼리형, 인산염형, 용융탄산염형, 고체전해질형, 고분자 전해질형 등으로 구분된다. 이산화탄소나 질소가스 배출이 없어 무공해 청정에너지 장치로 불리고 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄가스 등 수소를 함유하고 있는 다양한 재료를 연료로 사용할 수 있다는 게 장점이다.

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