물질흐름분석을 통한 수명 후 풍력발전시스템의 재활용 잠재성 산정

장미선 인하대학교 대학원 2022 국내석사

풍력발전은 대기오염이나 방사능 누출과 같은 환경오염을 유발하지 않아 친환경 신재생 에너지원으로 급부상하고 있다. 향후, 친환경 에너지 산업의 비중증가로 인해 전 세계적으로 풍력발전산업의 건설 및 폐기에 따라 폐기물의 양도 증가할 것으로 예상된다. 그러나 풍력발전에 투입되는 물질에 대한 종류 및 양에 대한 조사 연구사례가 많지 않고, 투입되는 희소한 물질에 대한 경제적 가치도 잘 알려지지 않아 폐기물의 발생량 또는 재활용 가능 여부에 대한 인식이 부족한 실정이다. 본 연구에서는 풍력발전 시스템의 건설부터 폐기 단계까지, 물질흐름분석기법을 통해 재이용 ·재활용 가능양을 파악하고, 수명 후 풍력발전시스템 폐기 시 재활용 잠재성을 평가하였다. 연구범위는 2002년부터 2020년까지 풍력발전시스템으로 설정하였으며, 평균 수명을 15년이라고 가정하였다. 2002년부터 2020년 말까지 설치된 풍력발전시스템은 총 106개 단지 739기(대)로, 용량에 따라 23종으로 분류된다. 물량적 관점에서 재활용 잠재성을 산출한 결과, 2017년부터 2035년까지 총 배출물질을 재활용량, 매립량, 소각량으로 분류한 결과 각각 247,000 ton, 627,247 ton, 22,507 ton으로 추정되었다. 연구의 한계는 국내 풍력발전시스템의 평균 수명에 대한 자료가 부족하였고, 국내 풍력발전시스템에 사용된 모든 부품을 연구할 수 없었다. 또한 제조사마다 물질의 종류와 비율의 차이를 보일 수 있기 때문에 향후 실제로 측정한 국내 풍력발전시스템 물질별 구성 데이터값에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다. 국내 풍력발전 부품 산업계가 더욱 활성화되고 있으므로 풍력발전시스템에서 재활용 가능한 부품 및 재료를 활용한 부가가치 사업을 성장하게 하는 원동력이 될 것이라 판단된다.

풍력발전원의 수용성 확대를 위한 확률론적 풍력발전 출력 모델링 기법에 관한 연구

김선오 상명대학교 일반대학원 2020 국내석사

As the importance of renewable energy utilization has emerged around the world in an effort to reduce fossil fuel energy reliance and greenhouse gases, South Korea’s power industry has gradually shut down thermal power and nuclear power plants and increased the proportion of renewable energy resources in power generation. This policy aims to increase the rate of renewable energy generation from 7% to 20% by 2030 and plans to supply approximately 97% of new facility capacity, mainly in wind and solar power generation. Renewable energy resources are very intermittent and variable depending on meteorological factors. In particular, in wind power generation, the short-term pattern such as in solar power is difficult to predict and has large uncertainty because it is greatly affected by wind speed. In the future, if wind power generation can be integrated at a large scale to achieve policy goals, it will bring great uncertainty into the power system, which can lead to a massive curtailment of wind power output. To cope with this, we propose a probabilistic wind power output modeling method to expand the penetration of wind-generation resources. In this paper, a probabilistic security assessment of the power system is performed and a transmission network expansion plan is proposed to improve power system security through probabilistic analysis. According to the existing deterministic method, power system analysis cannot reflect the uncertainty of renewable energy resources, which increases errors and complexity when performing power flow calculations. This is a major problem currently faced by grid operators and planners and can be inefficient in power system analysis. Therefore, probabilistic wind power output modeling was performed in this study for efficient system operation and planning when large-scale wind generation resources are integrated into an existing system. Nine wind farms were integrated into Jeju Island's power system using their historical wind power output data. To take into account the seasonality of wind power output, time series analysis was performed based on historical data from the past three years to confirm the seasonality and Monte Carlo Simulation (MCS)-based output modeling was performed to reflect the uncertainty. MCS is a probabilistic simulation that can assist decision-making by randomly extracting random values as many times as a preset number of simulations for uncertain variables and presenting the probability of occurrences. Probabilistic indicators for decision-making are calculated through random numbers extracted based on probability distributions that represent past measured data. In this study, the extracted random numbers are used as power system input data for steady-state security analysis and a random number of repeated power flow calculations are performed. At this time, a Python-based PSS/E automation algorithm was implemented for the countless number of iterative power flow calculations. As a result of analyzing the security of the power system during steady-state and N-1 contingency through input data for integrating the Jeju power system, it is possible to evaluate the uncertainty of each transmission line and bus and the potential of overload and voltage violation. Through the probabilistic indicator, it was possible to determine what facilities were needed to reinforce the transmission capacities and input reactive power compensators. The transmission network reinforcement plan was proposed with plans to expand the capacity of the transmission lines of the Jeju power system and whether to adjust the reactive power compensators and transformer taps. The result of repeated power flow calculations after applying reinforcement plan confirmed that the security of the Jeju power system was improved. This paper proposes a modeling method for expanding the penetration of wind generating resources in Jeju power systems in South Korea based on the probabilistic power system analysis method to which power institutions with high levels of overseas renewable energy generation pay attention. Accordingly, it is hoped that the Korean power system will also reflect the uncertainty of renewable energy resources, contributing to more efficient and economical transmission network operation, expansion, and reinforcement plans. 화석에너지의 고갈문제와 온실가스 감축을 위한 방안으로 전 세계가 신재생에너지의 중요성이 대두됨에 따라, 국내 전력산업에서는 화력과 원전의 점진적 폐쇄와 동시에 재생에너지원의 발전 비중을 확대하고 있다. 국내 정책에 따르면 2030년 까지 재생에너지 발전량 비율을 7%에서 20%로 확대하는 것을 목표로 하고, 신규 설비용량 중 약 97%를 풍력과 태양광을 중심으로 공급할 예정이다. 재생에너지 발전원은 기상학적 요인에 따라 출력이 매우 간헐적이며, 변동성이 매우 큰 발전원이다. 특히 풍력발전의 경우 태양광과 같은 단기적인 시간 측면에서의 패턴을 예측할 수 없으며, 풍속에 큰 영향을 받기 때문에 불확실성 또한 매우 크다. 향후, 정책적 목표달성을 위해 풍력발전이 대규모로 연계될 경우, 전력계통에 큰 불확실성을 가져올 수 있으며, 이는 막대한 풍력발전의 출력 차단(Curtailment)으로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 이에 대응하기 위해 풍력발전원의 수용성 확대를 위한 확률론적 풍력발전 출력 모델링 기법을 제안하며, 이를 통해 전력계통의 정태 안전도 검토를 수행하고, 확률적 해석을 통해 안전도 및 수용성 향상을 위한 송전망 확장 계획을 제시하고자 한다. 기존 결정론적 방법에 따른 전력계통 해석은 재생에너지원의 불확실성을 반영하지 못하기 때문에 조류계산 수행 시 오류 및 복잡성을 증가시킨다. 이는 현재 계통 운영 및 계획자들이 직면한 주요 문제점으로, 전력계통 검토 및 해석에서는 비효율적일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 대규모 풍력 발전이 기존 계통에 연계될 경우에 대비하여 효율적인 계통 운영 및 계획을 위한 확률론적 풍력발전 출력 모델링을 수행하였다. 제주도 전력계통을 대상으로 9개소의 풍력발전단지를 연계하기 위해 9개소 풍력발전 단지에 대한 과거 풍력발전 출력 데이터를 활용하였다. 풍력발전 출력의 계절성을 고려하기 위해, 3년간의 과거 실측 데이터를 기반으로 시계열 분석을 수행하여 계절성을 확인하였으며, 불확실성을 반영하기 위해 Monte Carlo Simulation(MCS)기반의 출력 모델링을 수행하였다. MCS란 불확실한 변수들에 대한 값을 설정한 시뮬레이션 횟수만큼 난수들을 임의로 추출하여 발생 확률을 제시할 수 있어 의사결정에 도움을 줄 수 있는 확률적 모의실험을 의미한다. 과거 실측 데이터를 나타내는 확률분포를 기반으로 추출된 난수들을 통해 의사결정을 위한 확률적 지표를 계산한다. 본 연구에서는 추출된 난수들을 정태 안전도 해석을 위한 전력계통 입력 데이터로 활용하며, 난수의 수만큼 반복 조류계산을 수행하고, 확률적 지표를 계산하여 전력계통의 안전도를 평가한다. 이때 무수히 많은 횟수의 반복 조류계산을 위해 Python 기반의 PSS/E 자동화 알고리즘을 구현하였다. 계절에 따라 구분된 제주 전력계통과 풍력발전 연계를 위한 입력 데이터를 통해 정상상태와 N-1 상정고장 시 계통의 안전도를 해석한 결과, 선로 및 모선 별 불확실성과 과부하 및 전압위반 발생 가능성을 평가할 수 있었으며, 확률적 지표를 통해 선로 보강 및 조상설비를 통한 제어가 필요한 설비를 결정할 수 있었다. 이를 기반으로, 제주 전력계통의 송전 선로 확장 용량과 조상설비 및 변압기 Tap 조정 여부를 계획하여 송전망 보강 계획을 제안하였으며, MCS 기반 반복 조류계산을 다시 수행한 결과, 제주 계통의안전도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 해외 재생에너지 발전 수준이 높은 전력기관들이 주목하는 확률론적 기법 기반의 전력계통 해석방법을 기반으로 국내 제주 전력계통의 풍력발전 수용성 확대를 위한 모델링 기법을 제안하였다. 이에 따라 국내 전력계통 또한 재생에너지발전원의 불확실성을 반영하여, 보다 효율적이고 경제적인 송전망 운영 및 확장, 보강 계획 수립에 기여할 수 있기를 바란다.

강원 해안지역의 저속형 소형 풍력발전터빈의 블레이드의 공력특성에 관한 연구

장우식 강원대학교 대학원 2020 국내석사

Wind power is a type of renewable energy, rich in resources, renewable, distributed in a wide range of areas, and clean. In addition, it is a spotlight as a promising alternative energy source in case of exhaustion of fossil energy in that there is no greenhouse gas emission during operation. This study was conducted to investigate the cause of blade breakage of low speed small wind power generator developed by YEC Co., Ltd. For this purpose, 3D modeling of the wind power generator was made based on the data of the wind power generator production of YEC Co., Ltd. Ansys Fluent, a commercial software, was used to investigate the effect of fluid flow behavior on the blade structure of the blade manufactured by YEC Co., Ltd. In the case of a stationary rotor blade, the shape of the streamline around the blade is almost the same even if the incoming wind speed changes. At an angle of attack of 8°, vortices occur at the back of the blade, and at an angle of attack of 16°, there is a complex flow, but no vortex. When the rotor-blade was rotating, no vortices of rotational form occurred only at the angle of attack of 16°, and vortices of rotational form appeared at other angles of attack. The shape of the pressure distribution on the rotor-blade surface when the rotor-blade rotates is very similar to that when stationary, but the size is very large. When stationary, the acting force tends to increase exponentially as the incoming wind speed increases. Even when the rotor-blade is operating, it tends to increase exponentially with the increase of wind speed, and it can be confirmed that a greater force is applied than when the rotor-blade is stopped. However, there is a peculiar phenomenon that does not show an increase in force acting backward at 6~8 m/s wind speed. In the case of a normal wind turbine generator, in the case of 5 m/s, the wake of the blade rotation occurs, but the wake of the rotation form appears far from the blade periphery. In the case of wind speed of 10 m/s, the wake of the rotating form is strongly shown around the blade, there is a complex speed distribution around the wind turbine such as nacelle rather than around the blade. In the wind speed of 20 m/s, the speed change along the blade airfoil is shown largely, it can be seen that the influence of the incoming wind speed is greater than the effect of the blade rotation, this phenomenon is better shown when the 24 m/s. The pressure distribution on the surface of the wind power generator showed a very large change as the flow rate increased, but it was confirmed to be concentrated locally. In the future, the analysis of various wind speed conditions and angles of attack will be able to accurately identify the cause of the blade failure, it will be able to design the shape of the blade suitable for the low speed small wind turbine. □ keywords Wind Turbine, Angle of Attack, CFD, Blade, Sliding Mesh 풍력발전은 재생에너지의 일종으로 자원이 풍부하고 끊임없이 재생되며, 광범위한 지역에 분포되어 있고, 온실가스의 배출이 없는 무공해 청정에너지로서, 화석에너지 고갈에 대비할 수 있는 유망한 대체 에너지원이다. ㈜YEC사에서 제작한 소형 풍력발전기의 블레이드 파손에 대한 원인을 파악하고자 본 연구를 수행하였으며, 제작 데이터를 참고하여, 풍력발전기를 3D 모델링하였다. ㈜YEC가 제작한 블레이드가 회전할 때 발생하는 유체유동의 거동이 블레이드에 미치는 영향을 관찰하고자 상용 소프트웨어인 Ansys Fluent를 사용하였다. 정지되어있는 로터-블레이드의 경우 유입되는 풍속이 변하더라도 블레이드 주변에서 이루어지는 유선의 형태는 거의 동일하게 나타나고 있으며, 받음각 8°의 경우에는 블레이드 후면에 와류가 발생하며, 받음각 16°에서는 복잡한 흐름을 나타내지만, 와류는 발생하지 않는다. 받음각이 증가함에 따라 블레이드 표면에 나타나는 압력은 증가하여 나타나고 있으나, 국부적으로 최대 최소의 압력이 나타나고 있다. 유입되는 풍속이 증가함에 따라 로터 블레이드의 축방향으로 작용하는 힘은 점차적으로 증가하는 양상을 보이고 있으나, 받음각 변화에 따라서는 큰 변화가 나타나지 않는다. 그러나 받음각 변화에 따른 로터-블레이드에 작용하는 모멘트는 풍속과 받음각의 영향을 모두 받는 것으로 나타났다. 로터-블레이드가 회전운동을 하는 경우, 받음각 16°에서만 회전 형태의 와류가 발생하지 않고, 다른 받음각에서는 회전 형태의 와류가 나타났다. 로터-블레이드가 회전하는 경우의 로터-블레이드 표면의 압력 분포의 형태는 정지되어있는 경우와 매우 유사하게 나타나고 있으나, 그 크기는 매우 크게 나타나고 있다. 정지되어있는 경우에는 유입되는 바람의 속도가 증가함에 따라 작용하는 힘은 지수 함수적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 로터-블레이드가 운전하고 있는 경우에도 풍속의 증가에 따라 지수 함수적으로 증가하는 경향을 나타내며, 정지되어있는 경우보다 큰 힘이 작용하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 6~8m/s의 풍속에서는 후방향으로 작용하는 힘의 증가가 나타나지 않고 있는 특이점이 존재하고 있다. 풍력발전기가 정상적으로 발전하는 경우에 있어서 5m/s의 경우에는 블레이드 회전에 의한 후류가 발생하기는 하지만, 블레이드 주변에서 멀리 떨어진 곳까지 회전 형태의 후류가 나타나고 있다. 10m/s의 풍속인 경우 블레이드 주변에 회전 형태의 후류가 강하게 나타나며, 블레이드 주변보다는 나셀 등의 풍력터빈 주변에 복잡한 속도 분포가 존재하고 있다. 20m/s의 풍속에서는 블레이드의 익형을 따르는 속도변화가 크게 나타나고 있어 블레이드 회전에 의한 영향보다는 유입되는 풍속의 영향이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 현상은 24m/s인 경우에 더 잘 나타나고 있다. 풍력발전기 표면에 나타나는 압력 분포는 유속이 높아짐에 따라 매우 큰 변화를 나타내고 있으나, 국부적으로 집중적으로 나타난 것을 확인하였다. 향후, 다양한 풍속 조건 및 받음각에 대하여 분석을 수행하여 블레이드 파손원인을 정확하게 규명할 수 있을 것이며, 저속 소형 풍력발전기에 적합한 블레이드의 형상을 설계할 수 있을 것이다. □ 핵심주제어 풍력발전기, 받음각, 전산유체역학, 블레이드, 슬라이딩 메쉬

소형 풍력발전 시스템의 계통연계 인버터에 기반한 MPPT 제어

박민기 인하대학교 대학원 일반대학원 2015 국내석사

세계적으로 에너지 효율을 높이거나 새로운 에너지 자원을 활용하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔다. 특히 친환경 요소를 활용하는 신재생 에너지 발전에 관심이 높아졌고, 국내에서는 현재의 자연환경에 적용하기 적합한 풍력 에너지원 발전 시스템이 각광을 받고 있다. 실제로 국내의 심각한 전력난을 해결하기 위해 해상풍력단지 건축을 추진하고 있으며, 2020년 해상풍력 세계 시장을 선점하겠다는 비전을 밝히고 있다. 더불어 소규모 산업용 및 가정용을 위한 도시형 풍력발전 시스템도 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 전력 공급이 어려운 산간 지방에 자립형 소형 시스템이 많이 적용되고 있다. 또한, 기술의 발전과 경제적 이득을 고려하여 소형 풍력발전에 의한 전력을 계통에 공급 및 거래하는 시스템도 구축되고 있다. 본 논문에서는 소형 풍력발전에 적합한 시스템에 대해 분석 및 적용하고, 매 풍속에서 발전기가 최대 전력을 출력할 수 있도록 MPPT 제어를 수행한다. 본 시스템은 발전기 속도 제어를 위한 컨버터를 3상 다이오드 정류기로 대체하여 간단하게 구성한다. 계통연계형의 시스템을 구축하여 발전 전력을 최대의 효율로 계통에 공급할 수 있도록 제어한다. MPPT 제어는 P&O 알고리즘을 응용하고, 계통연계 인버터의 기반하여 수행된다. 본 연구는 Power SIM tool을 통해 시뮬레이션하며 실제 실험을 통해 신뢰성을 검증했다. 실험에서는 농형 유도전동기를 활용하여 터빈 시뮬레이터를 구현하고, 모든 제어 시스템은 디지털 프로세서에 의해 수행됐다. 고정 풍속과 가변 풍속 조건 하에 DC-link 전압이 가변됨에 따라 발전기의 발전 전력량의 변화를 관찰했고, 최종적으로 최대 전력점에 도달함을 확인했다. 발전기의 전력과 계통으로 전달되는 전력을 비교해 효율을 분석해본 결과, 기존의 시스템보다 높은 효율을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 소형 풍력발전 시스템에 실제로 적용 가능한 간단한 시스템과 알고리즘을 구축하는데 성공했고, 나아가 여러 기술로서의 응용 가능성을 내포하고 있다.

해상풍력발전단지의 확률론적 전력망 계획을 위한 최적화 방안

문원식 숭실대학교 대학원 2016 국내박사

해양의 바람에너지를 전기에너지로 변환하는 해상풍력발전은 온실가스로 인한 지구온난화의 문제를 해결할 수 있는 중요한 신재생에너지원이다. 해상풍력발전은 입지확보가 비교적 쉽고, 대형 풍력터빈의 설치가 가능하여 대단위 풍력발전단지를 조성하기에 유리한 장점을 지닌다. 그러나 해상 구조물로 이뤄진 해상풍력발전단지는 건설과 유지보수 비용이 많이 소요되어 육상풍력발전에 비해 경제성에서 불리한 것이 사실이다. 해상풍력발전의 보급을 확대하기 위해서는 무엇보다도 경제성 확보가 가장 시급하며, 해상풍력발전단지의 전체 투자비용 중 30~40 %의 비중을 차지하는 전력망은 경제성뿐만 아니라 적절한 수준의 신뢰성도 함께 확보되어야 한다. 본 논문에서는 해상풍력발전단지의 전력망 설계에 있어서 경제적이고 신뢰성을 갖춘 설계 기술을 제시하고자 발전단지의 특성을 반영하고 발전단지 운영기간을 고려한 확률론적 전력망 계획의 최적화 방안을 제시한다. 이를 위해 풍속과 전력설비 고장 발생의 불확실성을 반영한 확률론 기반의 전력망 구성 방안을 제시하였으며, 풍력터빈의 위치와 육상연계지점에 따라 다양한 전력망을 구성하고, 이에 대한 경제성 및 신뢰성 평가를 통한 최적의 전력망 구성을 도출하기 위해 유전알고리즘을 적용한 최적화 과정을 제시하였다. 전력망 구성은 풍력발전단지의 풍력터빈이 나열되는 조합에 따라 다양한 구성이 생성될 수 있도록 Open-multiple traveling salesman problem (omTSP) 알고리즘을 적용하였고, 풍력터빈 용량과 전력망 구조에 따른 해저케이블 선종을 선택할 수 있도록 하여 전력망 구성에 대한 가중치로 활용하였다. 기존의 연구에서는 내부 전력망을 중심으로 전력망 최적화를 진행하였으나 본 논문에서는 육상연계지점을 고려하고 해상변전소 위치 변화에 따른 내‧외부 전력망 전체에 대한 최적화 연구를 수행하였다. 특히 풍속과 풍력터빈의 용량에 따른 출력특성을 이용한 평균전력모델을 공급지장비용에 반영하였으며, 해저케이블 교차에 대한 제약과 해상변전소와 풍력터빈의 최소 이격 제약을 최적화 제약 조건에 반영하였다. 논문에서 제안한 해상풍력발전단지의 확률론적 전력망 계획에 관한 최적화 방안은 해상풍력발전의 특성을 반영하여 전력망 설계 기술을 향상시키고 현실적인 문제를 고려함으로써 현재 국내에서 진행되고 있는 해상풍력발전단지에 유용한 연구가 될 것으로 기대한다. 60 MW와 100 MW의 해상풍력발전단지를 대상으로 참고문헌에서 제시한 연구 결과와의 비교를 담은 사례연구를 통해 본 논문에서 제안한 방법이 좋은 결과를 얻었고, 480 MW의 대용량 풍력발전단지에도 적용이 가능하기 때문에 다양한 해상풍력발전단지에 대한 전력망 계획에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다. The Offshore wind power plant (OWPP), which converts the kinetic energy of the offshore wind into electrical energy, is one of the most important renewable energy sources to potentially solve global warming caused by greenhouse effect. An OWPP is a large-scale power system consisting of wind turbines, grid connection systems, an offshore substation, and a transmission system to transfer electrical power to the onshore power grid. The power grid planning for OWPP refers to an optimal design of a system that not only connects the wind turbines with each other using submarine cables, but also interconnects the OWPP with an offshore substation and an onshore point of interconnection. The development of an offshore power grid consisting of various elements entails a considerably higher cost compared with that of an onshore power grid. Therefore, it is important to plan the power grid of OWPP in a manner that can minimize the total system costs. This paper presents an optimal method for probabilistic power grid planning of the offshore wind power plant to develop a layout design with consideration of wind farm characteristics and operation period. A probabilistic method is presented to develop the grid layout of offshore wind power and reflect an uncertainty of wind speed and the faulty characteristics of electricity equipment in offshore. Positions of wind turbines, offshore substation, and point of common coupling are considered when designing various types of layouts. A genetic algorithm for optimization of the probabilistic grid planning is applied to generate a diverse layout combination by the open multiple traveling salesman problem (omTSP) algorithm. In power grid design, the omTSP is particularly suitable for combinatorial optimization and choosing the size of submarine cable. Consequently, a novel optimal method of grid design for offshore wind power plant is proposed based on probabilistic planning to evaluate economic and reliability analysis. On the basis of this method, case studies are conducted to compare the proposed method with other existing methods by simulating 60 MW, 100 MW, and 480 MW offshore wind power plants.

전력시스템 신뢰도 향상을 위한 시계열 기반의 확률론적 풍력발전 예측모형 개발

김덕호 상명대학교 일반대학원 2018 국내석사

풍력과 태양광을 포함한 신재생에너지는 향후 전력계통의 주요 전원으로 각광 받으며 급격히 성장하고 있다. 국내에서도 재생에너지 3020 정책에 따라 대규모 신재생에너지의 전력계통 연계가 계획되고 있다. 제8차 전력수급기본계획에 따르면, 2031년 발전량 비중 20%를 태양광 및 풍력 등 재생에너지로 공급하기 위해 약 58.5GW의 대규모 신재생 발전설비를 수용할 것으로 계획되어 있다. 이와 같은 변동성전원의 확대는 기존의 전력공급에 대한 불확실성 확대로 이어질 수 있기 때문에 전력계통의 신뢰도 유지 및 향상을 위해서는 풍력, 태양광 등 변동성전원에 대한 고도화된 출력 예측 기술이 필요하다. 본 논문에서는 신재생에너지 연계 전력계통의 신뢰도 향상을 위한 방안 중 하나로 시계열 기반의 확률론적 풍력발전 예측모형 개발에 대해 기술하였다. 확률론적 예측모형에는 다양한 모델이 존재하지만, 본 연구에서는 풍력의 시계열 특성과 공간적 특성을 모두 고려한 앙상블(ensemble) 기법을 개발하였다. 앙상블 기법은 3개의 예측 모델이 포함된 시계열 앙상블과 2개의 예측 모델이 포함된 공간 앙상블로 구성되어 있다. 공간 앙상블은 풍력발전단지 지점에 대한 풍속 예측 향상을 목적으로 크리깅 기법과 Deacon 방정식이 적용된다. 기존의 풍속 예측은 수치예보모델을 통해 도출되는 값을 그대로 이용하거나, 일부 보정하여 적용하는 경우가 일반적이다. 다만, 이 방법은 수치예보모델의 격자 간격 한계로 인해 지점에 대한 정확한 예측이 어렵다는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 인근의 지점별 풍속 예측데이터, 지리 정보를 기반으로 풍력발전단지와의 공간적 상관성을 분석하여 풍력발전단지에 대한 포인트 예측(point forecasting)을 수행하는 크리깅 기법을 적용하였다. 또한 Deacon 방정식을 통해 발전단지에 설치된 풍력터빈 높이의 풍속으로 보정함으로써 실측값에 가까운 최적의 풍속을 예측하고자 하였다. 3개의 통계 기반의 예측모델로 구성된 시계열 앙상블은 다중자귀회귀모형인 ARIMAX, 다중회귀모형, 통계 기반 확률론적 예측 모델인 Analog Ensemble 기법이 포함된다. 통계 기반의 예측 모델은 수학적 관계식을 통해 입력과 출력의 결과가 결정되기 때문에, 단일 모델을 통해 예측을 수행할 경우 모델 특성에 따라 결과가 편향되어 나타날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2개의 결정론적 예측 모델(ARIMAX, 다중회귀모델)에서 도출한 결과를, Analog Ensemble 모델을 통해 다시 재정리하고 보정하여 하나의 결정론적 값을 도출하고, 추가적으로 확률론적 예측 값도 도출할 수 있는 방법론을 수립하였다. 본 연구에서는 개발한 모형에 대해 기 운영 중인 제주도 풍력발전단지에 적용하여 하루 전 풍력발전예측을 수행함으로써 예측모델에 대한 평가를 수행하였다. 제주도는 국내에서 풍력발전단지가 가장 많이 설치된 지역이며, 전력 수요 대비 풍력발전량 비율이 높아 풍력발전예측 모형을 평가하기 가장 적합한 지역이다. 연구에서는 2016년 2월과 5월에 대해 하루 단위 예측을 수행하였으며, 수행결과 단일 예측모델 대비 앙상블 예측 모델이 더 나은 예측 성능이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 예측된 값을 제주 전력계통에 적용하여 해당 일자의 풍력발전량 변동이 전력계통 영향에 미치는 영향을 분석하였다. 제주계통의 경우 2016년 부하수준 대비 전력계통의 송전 여유 량이 크기 때문에 본 연구에서는 N-1 상정고장 시 전력계통 영향을 살펴보았다. 분석 결과, 피크부하 시간 뿐 아니라 중간 부하시점에 대해서도 풍력발전량 변동에 따라 송전선로 제약이 발생할 수 있음을 확인하였으며, 사전에 전력계통 운영자가 이를 확인하고 사전에 대응할 경우 전력계통의 신뢰도를 유지 및 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 국내 대규모 신재생에너지의 전력계통 연계가 예상됨에 따라 안정적이고 경제적인 전력계통 운영을 위해서는 신재생에너지 출력에 대한 예측 기술을 기반으로 하는 운영 계획이 반드시 필요할 것으로 사료된다. 본 논문에서 제안하는 풍력발전 앙상블 예측 기법이 국내 전력계통의 신뢰도 향상에 조금이나마 기여할 수 있기를 기대한다. 주제어: 풍력발전 예측, 전력계통, 신재생에너지

소형 풍력발전시스템의 직·병렬 해석 및 운전방안에 관한 연구

손영득 부산대학교 대학원 2015 국내박사

풍력발전은 이미 중국, 미국, 유럽 등에서 대규모의 상업용 발전기와 더불어 가정단위의 소용량의 소형 풍력발전시스템에 대한 기술 개발과 투자가 활발하게 이루어지고 있으나 국내의 경우 초기시장으로 최근 도시나 농어촌 마을에서 자가발전을 통해 분산전원을 풍력발전으로 진행하고자 하는 움직임이 늘고 있다. 소형풍력발전의 경우 대형풍력발전의 단점인 설치 시 환경문제를 일으키지 않으며, 소음이 작아 사람이 거주하는 주거 공간 및 주변 공간에 설치 가능한 장점이 있다. 이런 장점들 때문에 최근에는 도시형 소형 풍력발전시스템에 대한 기술 개발 및 투자가 활발하며 건물 일체형에서부터 도로 가로등용 전원, 일반 주택용 독립형 발전에 이르기까지 일상에서 적용 가능성이 무한하다. 본 논문에서 제안하는 풍력발전시스템의 운전방식은 학교, 공원, 초고층 빌딩 등에 다 수개의 소형 풍력발전시스템 설치에 대해 소형 블레이드, 영구자석 동기발전기(PMSG), 3상 다이오드 정류기, DC/DC Buck 컨버터를 사용하여 배터리에 효율적으로 충전하는 것이다. 전기적 고장 발생에 대한 대비와 시동풍속 이하에서도 발전이 가능한 것으로 간단한 개폐기 조작으로 전력변환장치를 공유하는 직·병렬운전방식이다. 병렬운전방식의 경우 시동풍속 초과 영역에서 전기적 고장 발생으로 최대 충전량이 직렬운전방식에 비해 평균 풍속차 1.5[m/s]이내에서 8.2[%], 최대 풍속차 3.0[m/s]이내에서 9.6[%] 이상의 성능 향상을 가진다. 또한 개별운전방식에 비해 개별 성능대비 평균 풍속차 1.5[m/s]이내에서 96[%], 최대 풍속차 3.0[m/s]이내에서 93[%]이상의 성능을 가지며 가동율 향상과 배터리 수명저하 방지 등의 장점을 가지고 있다. 시동풍속 이하 영역에서 MPPT 제어가 불가능하며 블레이드 파워가 출력이 되어도 전기적 손실 등으로 충전되지 못한다. 이러한 경우 직렬운전방식의 MPPT 제어에 의해 충전이 가능하고 풍속차 0.5[m/s] 이하의 경우 출력비(Power ratio)가 9.2[%]까지 상승한다. 본 연구에서 소형풍력발전시스템의 수학적 모델을 바탕으로 개별운전방식과 직·병렬 운전방식에 대해 수식적 해석과 계산, 충전량 MPPT 제어 시뮬레이션을 통해 성능을 비교·분석하였다. 직·병렬운전의 효용성을 검증하기 위하여 블레이드 파워를 1/5 축소시켜 정격출력인 100[W], M/G 3세트를 구성하고 여기에 블레이드 특성을 인가시켜 실험을 통해 타당성과 유용성을 검증하였다.

풍력발전기 출력 안정화를 위한 BESS 운영에 관한 연구

류기환 숭실대학교 일반대학원 2012 국내석사

The renewable energy sources have huge advantages which are infinite and clean. For these reasons, development of the renewable energy sources has shown rapid growth over the world and the connection of large capacity of the renewable energy sources to existing network has been getting increase. However, the renewable energy sources have characteristics that are intermittent and low quality of power and those disadvantages have an effect on disturbance of renewable energy sources spread. Introduction of energy storage system has been started to solve many problems which occur by connecting renewable energy sources to existing system. It shows that high quality of power from renewable energy sources can be supplied through charge and discharge operation of energy storage system. In this thesis, effectively ESS(Energy Storage System) application method is studied to operate existing system connected renewable energy sources which has been shown fastest growth among the renewable energy sources in the world with stable condition. First, this thesis introduces output smoothing method to mitigate unstable system with renewable energy sources and then simple average method is proposed to set target output. Output smoothing algorithm considering constraint of BESS is presented and coded by MATLAB. Also the result of renewable energy sources output smoothing is analyzed through application of proposed operation algorithm which is considering constraint of BESS. 신재생에너지원은 무한정한 청정에너지라는 장점을 가진다. 이러한 이유로 최근에는 신재생에너지원은 세계적으로 빠르게 성장하고 있고, 기존의 계통에 대용량 신재생에너지원의 연계가 계속해서 증가하고 있다. 그러나 신재생에너지원은 출력의 간헐성 및 생산되는 전력의 품질이 낮다는 단점은 보급 확대에 장애요소로 작용하고 있다. 기존의 계통에 많은 신재생에너지원이 연결됨에 따라서 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 에너지저장장치의 도입이 시작 되었다. 에너지저장장치의 충․방전을 통해서 신재생에너지원의 불안정한 출력을 안정화하여 고품질의 전력공급을 할 수 있다. 본 논문에서는 신재생에너지원 중에서 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 풍력발전기를 안정적으로 기존의 계통에 연계하여 운영할 수 있도록 BESS를 도입하여 운영하는 방법을 연구하였다. 풍력발전기를 연계하였을 때 불안정한 출력을 완화시키기 위한 출력 안정화기법을 소개하고, 목표 출력을 설정하기 위한 방법론을 제시하였다. BESS의 제약조건을 고려한 출력 안정화 알고리즘을 제시하고, 이를 프로그래밍 언어인 MATLAB으로 구현하였다. 또한 BESS의 제약조건을 고려한 운영 알고리즘의 적용 유, 무에 따른 출력변동률에 따른 풍력발전기 출력 안정화의 효과를 분석하였다.

풍력발전단지 입지선정을 위한 발전량 예측에 관한 연구 : 풍력발전단지 입지선정 계획은 풍속이 우수한 지역중심으로

최창용 경상국립대학교 융합과학기술대학원 2021 국내석사

This paper deals with the prediction of generation output essential for verifying the feasibility of installed offshore wind power generators. So it is derived a new probabilistic output expression that combines a wind generator output with a generator output characteristic curve. It also explains how wind speeds measured on the ground can be corrected to wind speeds at the height of the wind generator, as the wind speed change depending on the location. This derived output prediction method is applied to the planned wind farms in Joguri and Dapori areas in southern Geoje Island to predict the output. The results and methods in this study are expected to be useful for profitability evaluation of planning new wind farm.

풍력발전기 나셀 내부의 소방시설 최적화에 관한 연구

정광민 가천대학교 산업환경대학원 2022 국내석사

최근 지구 온난화로 인한 화석연료의 대체로 신재생에너지의 사용 비율이 높아지고 있다. 신재생에너지는 신에너지와 재생에너지를 합한 복합적 의미를 내포하고 있다. 신에너지는 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지 등이 있고, 재생에너지는 태양광, 태양열, 바이오매스, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등이 있다. 우리나라의 풍력발전기 설치 현황은 해상과 해양으로 크게 2가지 유형으로 설치되어 있으며, 풍력발전기에 대한 수요는 늘어나는 추세이다. 우리나라는 1975년 3월 22일 한국과학원에서 경기도 화성군 송산면 어도에 세운 2 KW급 풍력발전기가 공식적인 국내 최초 풍력발전기로 기록되어 있고, 국내 최초 산업용 풍력발전단지인 제주 행원풍력발전단지는 1997년 600 KW급 풍력발전기 2기를 설치해 1998년 8월 상업운전을 시작했다. 이후 한국풍력산업협회 2020년 6월 기준 풍력발전기는 750기, 106단지, 1,641.615 MW급 설비용량을 설치하였고, 이는 2019년 기준 우리나라 전체 발전설비용량 125,338 MW중 신재생에너지 발전설비 비중은 전체의 13%이며, 이중 풍력발전기는 신재생에너지의 10% 전체로는 약 1,3% 정도이며, 정부는 2030년 재생에너지의 발전량기준을 20%, 2050년 재생에너지의 발전량기준을 40%로 풍력발전기에 대한 수요는 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상된다. 2010년 기준 설치된 226기 풍력발전기는 소방시설이 설치되어 있지 않고, 2011년∼2015년 사이에 설치된 206기는 제조사별로 법적인 규정없이 자체적으로 설치하였다. 2016년 이후에 설치된 318기는 산업통산자원부 공고 전기설비기준의 판단기준을 근거로 제21조 “500 KW 이상의 풍력터빈의 나셀 내부의 화재 발생 시 이를 감지하고 소화할 수 있는 화재방호설비를 시설하여야 한다.” 라고만 표기되어 있는 실정이다. 본 연구는 풍력발전기에 적합한 소방시설에는 어떠한 것이 있는지 다음과 같이 분석하였다. 1. 먼저 풍력발전기의 기본원리와 구성에 대해 이해 2. 화재에 취약한 설비가 집중되어 있는 나셀, 변압기, 타워하부 등에 대한 조사 3. 기존에 설치된 풍력발전기 나셀 내부에 소방시설 설치사례 제시 및 문제점 분석 4. 풍력발전기 화재사례를 통한 문제점 분석 이에 분석한 결과를 토대로 소방법적인 부분에 대한 조사 및 적합한 소방시설에 대한 방안을 제안하였다. 1. 국내 법적인 기준 및 해외 기준 조사 2. 풍력발전기 나셀 내부에 적합한 소화약제, 제어부, 감지기, 통합관리시스템 제안 3. 설치된 소방시설에 대한 운영 매뉴얼 정립 이를 통하여 풍력발전기 나셀에 적합한 최적의 소방시설은 나셀 화재 특성상 유류, 전기화재로 가스계소화설비 또는 고체에어로졸소화설비가 적응성이 있는 것으로 분석되나, 설치 후 유지관리, 방호체적당 소화약제량, 온도 적응성, 나셀내부가 복잡하여 내부공간이 적은 점을 감안하여 고체에어로졸소화설비가 적응성 있는 것으로 판단된다. 감지기는 나셀 내부의 환경이 기류의 영향과 온도차가 심한 것을 감안하여 공기흡입형감지기, 불꽃감지기로 적용하였으며, 일반감지기는 적응성이 현저히 떨어졌음을 확인하였다. 또한, 통합관리실에서는 실시간으로 영상을 통해 현장을 감시하는 기능이 있는 영상일체형 불꽃감기를 설치함으로서 화재 전·후 녹화, 감시, 문자전송을 받음으로서 초기화재에 신속한 대응을 할 수 있을 것으로 판단된다. 풍력발전기 나셀 내부를 소방법에 적용시켜 적합한 최적의 소방시설을 설치 후 유지관리를 철저히 함으로서 화재사고를 미연에 방지하여야 함을 법과 제도의 보완적인 측면에서 정리하였다.