KR101093003B1 - 급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍속이 급격하게 변화하여 풍력발전단지의 증발률 또는 감발률이 전력망 연계기준(grid-code) 또는 이에 상응하는 기준을 충족하지 못하게 되는 경우에 풍력발전단지를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 풍속이 기준 속도의 상한을 초과하거나, 바람이 미약하여 하한 미만인 속도가 되는 경우 등 풍력발전 기준 속도 범위 밖으로 급격하게 풍속이 변화하여 풍력발전을 할 수 없는 경우 또는 풍력발전 기준 속도 범위 내에서 풍속이 급격하게 변화하여 풍력발전단지의 증발률 또는 감발률이 전력망 연계기준(grid-code)을 충족하지 못하게 되는 경우, 전력망 연계기준을 충족하는 상태에서 풍력발전단지를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것에 관한 것이다. 풍력발전단지 외부에서 풍속 및 풍향을 측정하여 급격하게 풍속이 변화하는 경우 바람이 풍력발전기까지 도달하는 시간을 고려하여 순차적으로 풍력발전기를 제어하며, 이 때 풍력발전단지가 전력망 연계기준(grid-code)을 만족할 수 있도록 함께 제어할 풍력발전기의 수를 정하고 그룹화하여 각 그룹의 제어 순서 및 제어 시간을 정하고 풍력발전기를 종료하는 경우에 있어서 연속하는 그룹간의 종료 시간이 중첩되는 경우 이를 조정하는 단계를 포함하는 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템이다.

Description

급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템{Ｍethod and Ｓystem for Ｃontrolling Ｗind Ｆarm Ｗhen Ｗind Ｓpeed Ｖaries Ｒapidly}

본 발명은 급격한 풍속 변화로 인하여 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준을 벗어난 경우에 풍력발전단지를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전단지 외부에서 측정된 풍황 정보를 이용하여, 풍력발전단지의 출력이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준에 명시된 증발률/감발률을 충족하기 위해 풍력발전단지 내의 풍력발전기의 제어 순서를 결정하고 상기 순서에 따라 풍력발전기를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

풍력발전기는 바람이 가진 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 풍력발전이 가능하기 위해서는 바람의 속도가 일정 범위 내에 있어야 한다. 바람이 풍력발전 기준 속도의 상한(ex. 25m/s)을 초과하는 경우에는 풍력발전기 보호를 위해 풍력발전기를 종료시켜야 하며, 하한(ex. 3m/s)미만인 경우에는 발전을 할 만큼 충분한 에너지를 가지지 못하여 풍력발전기는 종료된다.

풍력발전기를 종료시킬 때에는 피치제어를 통하여 피치각을 제어함으로써 입력에너지가 0이 되게 하여 종료하는데, 빠른 속도로 종료를 해야하는 경우에는 제동기(브레이크)를 사용한다. 그러나 제동기를 사용하는 경우 풍력발전기에 마모가 발생하여 수명이 단축될 수 있는 단점이 있다.

한편, 풍력발전기에서 생산되는 전기에너지는 변동이 심한 바람의 세기에 영향을 받으므로 항상 일정한 수준을 유지할 수 없어 기존 발전기에 비해 품질이 좋지 않다. 고품질의 전기에너지를 유지하기 위해서는 전력망의 발전기는 풍력발전기의 출력의 증가/감소량을 보상할 수 있도록 충분한 예비력을 보유하고 있어야 한다. 그런데, 풍력발전기 출력의 변동량이 크기 때문에, 대용량의 예비력이 필요하므로 전기에너지의 발전비용의 상승을 초래하게 된다. 대량의 풍력발전기가 전력망에 연계되는 경우에는 이러한 문제점이 심화되므로, 이를 해결하기 위하여 세계 각국에서는 전력망 연계기준(grid-code)을 제정하여 시행하고 있고, 우리나라도 2010년 6월에 이를 공표한 바 있다.

기존 전력망의 발전기는 유한한 크기의 증발률/감발률을 가지고 있으므로, 전력망 연계기준에서는 어떠한 경우에도 풍력발전단지 출력의 증발률/감발률을 일정 값 이하로 유지한 상태로 출력을 증가/감소하도록 하는 규정을 명시하고 있다. 만약 명시된 규정보다 큰 비율로 출력이 증가하거나 감소하게 되면, 기존 전력망 발전기들이 풍력발전단지 출력의 급격한 증가/감소를 보완할 수 없으므로, 전기에너지의 품질이 저하되게 된다.

그런데, 앞서 언급한 바와 같이 강풍이 부는 경우 풍력발전기를 보호하기 위해 풍력발전기를 강제로 종료해야 하는데, 대용량 풍력발전단지의 경우 모든 풍력발전기를 동시에 종료하게 되면 풍력발전단지의 출력이 급격하게 감소하게 되고, 이는 전력망의 출력에 큰 영향을 미친다. 한편, 갑자기 바람이 불지 않는 경우 풍력발전기의 종료로 인해 풍력발전단지의 출력이 급격하게 줄어들기 때문에, 전력망에 큰 영향을 주게 되기 때문에 이를 줄이기 위해서는 강제종료해야 한다.

강풍이 부는 경우에 풍력발전단지를 강제종료하기 위한 종래의 기술은 풍력발전단지 외부에 설치된 풍황 측정탑의 정보로부터, 각 풍력발전기까지의 거리(s_ij)를 계산하고, 바람이 측정 장치로부터 풍력발전기까지의 오는데 소요되는 시간을 계산한다(s_ij/v). 이 방식에서는 개별 풍력발전기를 강제종료하는데 걸리는 시간을 t_down으로 가정하였다. 연산과 통신에 소요되는 시간을 무시하면, 각 풍력발전기는 t_ij(s_ij/v - t_down)에 강제종료를 시작하여 t_down동안 강제종료시킨다.

이 방법은 t_down시간 동안 강제종료하므로, 동시에 종료시키는 풍력발전기의 수가 달라져 풍력발전단지의 출력이 곡선 모양이 된다. 또한, 종료시키는 풍력발전기의 수가 적은 순간에는 감발률이 적으나, 수가 많은 경우에는 감발률이 커지므로, 전력망 연계기준을 초과할 수 있다.

따라서 본 발명은 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준을 벗어난 경우에 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나지 않도록 하며 전체 전력망의 전기에너지 품질/신뢰도를 향상시키도록 풍력발전단지를 제어하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 풍력발전단지를 제어하는 방법은 풍력발전단지 외부에서 풍속 및 풍향 특성을 측정하는 풍황측정 단계, 풍황측정 단계에서 측정한 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는지 여부 및 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위 내인지 여부를 판단하는 단계, 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어난 경우, 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 정하는 단계, 풍력발전기를 제 1 내지 제 N그룹으로 그룹화하는 단계, 상기 그룹화 단계를 통해 형성된 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 결정하는 단계, 상기 결정된 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 내에 각 그룹의 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함한다.

함께 제어할 풍력발전기의 수를 정하는 단계는 각 그룹내의 풍력발전기의 증발률/감발률의 합이 전력망 연계 기준의 증발률/감발률을 초과하지 않도록 함께 제어할 풍력발전기의 수를 결정하는 것을 포함하며, 상기 풍력발전기의 감발률은 각 풍력발전기 제동시 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 제동이 가능한 범위로 정한다.

상기 그룹화하는 단계는 측정한 풍향(α)을 이용하여 바람의 전면과 각 풍력발전기 사이의 거리(s_ij)를 계산하고, 계산한 거리(s_ij) 및 측정한 풍속(v)을 이용하여 각 풍력발전기에 바람이 도달하는 시간을 계산하여, 상기 도달 시간이 짧은 순서대로 풍력발전기의 제어 순서를 정렬하는 단계, 상기 제어 순서에 따라 함께 제어할 풍력발전기를 순차적으로 그룹화하는 단계를 포함한다.

각 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gn , end})은 각 그룹에서 바람의 전면이 가장 먼저 도달하는 풍력발전기까지 도달하는 데에 걸리는 시간으로 정하고, 상기 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start})은 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에서 상기 풍속의 변화로 인해 예상되는 각 그룹의 풍력발전량의 변화량을 전력망 연계기준(grid-code)의 증발률/감발률(R_GC)로 나누어 계산한 제어 소요 시간 (t_ctrl)을 뺀 값으로 정하는 것을 포함한다.

연속하는 그룹 간의 제어 시간이 중첩되는 경우 상기 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 도출하는 단계 이후에 해당 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 단계를 포함한다. 해당 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 단계는 먼저 제어를 시작하는 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 중첩하는 시간만큼 앞당겨 조정하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 풍력발전단지 제어 시스템은 외부에서 풍황 정보를 전달받아 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는지 여부 및 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위 내인지 여부를 판단하고, 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 정하여 풍력발전기를 제 1 내지 제 N그룹으로 그룹화하고 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 결정하는 연산부, 상기 연산부에서 도출한 풍력발전기의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에 따라 풍력발전기를 제어하는 제어부를 구비한다.

연산부는 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위를 벗어나는 경우 각 그룹내의 풍력발전기의 증발률/감발률의 합이 전력망 연계 기준의 증발률/감발률을 초과하지 않도록 함께 제어할 풍력발전기의 수를 결정하는 것을 포함하며, 각 풍력발전기 제동시 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 제동이 가능한 범위로 풍력발전기의 감발률을 정하는 것을 포함한다.

연산부는 측정한 풍향(α)을 이용하여 바람의 전면과 각 풍력발전기 사이의 거리(s_ij)를 계산하고, 계산한 거리 및 측정한 풍속(v)을 이용하여 각 풍력발전기에 바람이 도달하는 시간을 계산하여, 상기 도달 시간이 짧은 순서대로 풍력발전기의 제어 시작 순서를 정렬하고, 상기 제어 시작 순서에 따라 순차적으로 그룹화하는 연산을 수행하며, 각 그룹에서 바람이 가장 먼저 도달하는 풍력발전기까지 바람이 도달하는 데에 걸리는 시간을 제어 완료 시간(T_{Gn , end})으로 정하고, 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에서 상기 풍속의 변화로 인해 예측되는 각 그룹의 풍력발전량의 변화량을 전력망 연계기준(grid-code)의 증발률/감발률(R_GC)로 나누어 계산한 제어 소요 시간(t_ctrl)을 뺀 값으로 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 정하는 것을 포함한다.

연산부는 연속하는 그룹 간의 제어 시간이 중첩되는 경우 상기 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 도출하는 단계 이후에 해당 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하며, 상기 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 연산은 먼저 제어를 시작하는 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 중첩하는 시간만큼 앞당겨 조정하는 방식을 포함한다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 풍력발전단지 제어 시스템은 풍력발전단지 외부에서 풍속 및 풍향 특성을 측정하는 풍황 측정 장치가 부가된 것을 포함하며, 상기 풍황 측정 장치는 복수 개를 다각형의 형태로 배치한 것을 특징으로 하고 적어도 3개 이상을 풍력발전단지 외곽에 배치한 것을 특징으로 하는 것을 포함하며, 적어도 두 개 이상의 복수의 층으로 풍력발전단지 외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다. 또한, 상기 풍황측정장치는 풍력발전단지로부터 풍력발전단지의 용량과 해당 지역의 최대 풍속의 곱을 전력망 연계기준으로 나누어 계산한 수치 이상의 거리에 배치하는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.

본 발명에 의하면 전력망 연계기준에서 제시한 증발률/감발률을 만족시키면서 풍력발전단지의 출력을 종료, 증가, 감소시키는 제어를 할 수 있으므로 풍력단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에 전력망이 준비해야 하는 별도의 예비력이 요구되지 않는다. 또한 기존의 강제종료 방법에 비해 더 많은 에너지를 발전할 수 있으며, 풍력발전기를 종료하거나 감소시키는 경우 풍력발전기에 무리가 가지 않게 하는 풍력발전기의 감발률을 산정할 수 있다. 또한, 풍력발전단지의 출력의 변동폭을 감소시킬 수 있으므로, 풍력발전 에너지의 품질을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 성능 검증을 위한 풍력발전단지 구성도이다.
도 2는 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우의 본 발명에 따른 순서도이다.
도 3은 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 0°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 전력량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 0°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 감발률과 전력망 연계기준의 감발률을 비교한 그래프이다.
도 5는 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 45°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 전력량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 45°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 감발률과 전력망 연계기준의 감발률을 비교한 그래프이다.

이하에서는 본 발명에 따른 풍속이 급격하게 변화하여 풍력발전단지(풍력발전단지는 적어도 1개 이상의 풍력발전기로 구성되며 일반적으로 복수 개의 풍력발전기로 구성되나 본 발명은 1개의 풍력발전기의 제어에도 적용 가능하다.)의 증발률/감발률이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준을 벗어나는 경우 풍력발전단지를 제어하는 방법 및 시스템의 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 풍력발전단지의 증발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에는 전력망의 연계기준에 맞도록 풍력발전기의 발전량을 증가시키는 제어를 수행하며, 풍력발전단지의 감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에는 전력망의 연계기준에 맞도록 풍력발전기의 발전량을 감소시키는 제어를 수행한다. 또한, 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위를 벗어나는 경우에는 전력망의 연계기준에 맞도록 풍력발전기를 종료시키는 제어를 수행한다.

도 1은 본 발명의 성능 검증을 위한 풍력발전단지 구성도를 나타낸 도면이고, 도 2는 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 초과하는 경우의 본 발명에 따른 순서도이다. 한편, 풍력발전단지는 사각형뿐만 아니라 다양한 형태로 구성될 수 있으며 풍황 측정 지점은 다각형의 형태로 배치되어 풍력발전단지의 형태에 따라 다양한 위치에 존재할 수 있다. 다만 발명을 보다 용이하게 설명하기 위하여 도 1과 같이 풍력발전단지가 사각형으로 배치되고 풍황 측정 지점이 풍력발전단지와 동일한 형태이며 강풍으로 인하여 급격하게 풍속이 변화한 경우를 일 실시예로 하여 기술한다.

풍력발전단지 외부에서 풍속(v) 및 풍향(α)을 측정하며, 측정 방법은 다양하게 존재할 수 있다. 일 실시 예로서 풍황측정장치를 풍력발전단지 외부에 배치하여 측정한다. 측정한 풍속(v) 및 풍향(α)에 대한 정보를 연산부로 전달한다.

연산부에서는 풍력발전단지 외부에서 측정한 풍속(v) 정보를 통해 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는지 여부 및 풍력 발전 기준 속도 범위 내인지 여부를 판단하고, 풍속의 변화가 급격하여 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준의 증발률/감발률(R_GC)을 충족하지 못하는 경우, 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 결정한다.

측정된 풍속이 풍력발전 기준 속도를 벗어나 상한을 초과하거나 하한 미만인 속도(현재는 3m/s 미만이거나 25m/s를 초과하는 경우 풍력발전이 불가능하나, 이는 추후 기술의 발전에 따라 달라질 수 있다.)에 이르는 경우에 함께 종료시킬 풍력발전기의 수(N_WT)를 정하는 것은 여러가지 방법이 있을 수 있으며 본 발명에서는 일 실시예로써 풍력발전기 제동시 풍력발전기에 무리를 주지 않도록 하는 범위 내에서 각 풍력발전기의 감발률(R_WT)을 정하며 일례로써 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 풍력발전기의 제동이 가능한 범위 내에서 각 풍력발전기의 감발률(R_WT)을 정하고 각 그룹 내의 풍력발전기의 감발률의 합이 전력망 연계 기준의 감발률을 초과하지 않도록 함께 종료시킬 풍력발전기의 수(N_WT)를 정한다. 피치제어를 통해 풍력발전기를 제동할 수 있는 범위 내에서 풍력발전기의 감발률(R_WT)을 결정하는 것은 풍력발전기를 브레이크로 제동함에 따라 풍력발전기에 마모가 생겨 풍력발전기의 수명이 감축되는 것을 방지하기 위함이며, 전기제어에 의하는 경우 피치제어보다 세밀한 제어가 가능하므로 풍속의 변화 정도가 작은 경우 전기제어 또는 전기제어와 피치제어를 동시에 수행하는 것이 효율적이므로 이를 고려하여 함께 종료시킬 풍력발전기의 수(N_WT)를 정한다.

한편, 측정된 풍속이 풍력 발전 기준 속도 범위 내에 있으나 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준의 증발률/감발률을 벗어나는 경우에는 각 그룹내의 풍력발전기의 증발률/감발률의 합이 전력망 연계 기준의 증발률/감발률을 넘지 않도록 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 결정한다. 풍속이 감소하여 풍력발전단지의 감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에는 풍력발전기의 감발률을 풍력발전기 제동시 풍력발전기에 무리를 주지 않도록 하는 범위 내에서 각 풍력발전기의 감발률(R_WT)을 정하며 일 실시예로써 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 풍력발전기의 제동이 가능한 범위 내에서 결정한다. 이는 브레이크 제동으로 인한 풍력발전기의 마모를 방지하기 위해서이다.

각 그룹의 함께 제어하는 풍력발전기의 수(N_WT)를 결정한 이 후에는 풍력발전기를 그룹화하는 단계를 진행한다. 연산부에서는 풍력발전단지 외부에 있는 풍황측정장치에서 전달받은 풍속(v) 및 풍향(α)을 토대로 바람의 전면과 각 풍력발전기 사이의 거리(s_ij)를 연산한다. 풍황측정장치를 연결한 외곽선과 바람의 전면이 이루는 각 중 작은 각의 크기를 α라하고, 풍력발전단지 내에서 가장 바깥쪽에 위치한 풍력발전기와 풍황측정장치를 연결한 외곽선 사이의 거리를 d_m이라 하면 바람과 가장 가까운 곳에 위치한 풍력발전기까지의 거리 s₁₁는 다음과 같다.

[수학식 1]

s ₁₁ = d _m * (1 + tan α) * cos α

인접한 풍력발전기 사이의 거리를 d라 할 때 바람과 가장 가까운 곳에 위치한 풍력발전기와 같은 열에 있는 풍력발전기와 바람의 전면과의 거리(s_1j)는 다음과 같다.

[수학식 2]

s _1j = s ₁₁ + d * (j - 1) * sin α 단, j = 1,··· , n

2열 이후의 각 풍력발전기와 풍황 바람의 전면과의 거리(s_ij)는 다음과 같다.

[수학식 3]

s _ij = s _{(i-1) j} + d * cos α 단, i = 2,···, n

상기 연산부에서는 바람의 전면과 각 풍력발전기까지의 거리(s_ij)를 바람의 속도(v)로 나누어 바람이 각 풍력발전기에 도달하는 시간(s_ij/v)을 구하고 상기 시간(s_ij/v) 값이 작은 값으로부터 큰 값의 순서로 배열하여, 수열(WT_i)를 정한다. 바람이 각 풍력발전기에 도달하는 시간의 수열 WT_i에서 N_WT개의 풍력발전기를 한 그룹으로 하여 그룹화하면, N개의 그룹(G₁, G₂,··· G_N)이 생성된다.

풍력발전단지 내의 풍력발전기를 그룹화하는 단계가 완료되면 연산부에서는 각 그룹의 풍력발전기의 제어 시작 시간(T_{GN , start}) 및 제어 완료 시간(T_{GN , end})을 도출하는 단계를 진행한다.

제어 시작 시간(T_{GN , start}) 및 제어 완료 시간(T_{GN , end})을 도출하는 일 실시 예로써 본 발명에서는 제어 완료 시간(T_{GN , end})은 바람이 도달하기 전에 각 그룹의 풍력발전의 제어가 완료되어야 하는 점을 고려하여 각 그룹 내에서 바람이 풍력발전기까지 도달하는 시간(s_ij/v) 중 가장 짧은 시간으로 설정한다. 제어 시작 시간(T_{GN , start})을 도출하기 위해서는 제어 소요 시간(t_ctrl)을 계산해야 한다.

제어 소요 시간(t_ctrl)은 각 그룹의 풍력발전량의 변화량을 전력망 연계기준의 증발률/감발률(R_GC)로 나누어 정한다.

[수학식 4]

t _ctrl = 각 그룹의 풍력발전량의 변화량 / R _GC

상기 연산을 통하여 제어 소요 시간(t_ctrl)을 계산하면, 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{GN , start})은 제어 완료 시간(T_{GN , end})에서 제어 소요 시간(t_ctrl)을 뺀 시간(T_{GN , end}-t_ctrl)으로 결정된다. 이러한 연산을 통하여 각 그룹의 제어 시간을 도출할 수 있으며 연산부는 제어 시작 시간(T_{GN , start}) 및 제어 완료 시간(T_{GN , end}) 정보를 제어부로 전달한다.

제어부에서는 연산부로부터 전달받은 제어 시작 시간(T_{GN , start}) 및 제어 완료 시간(T_{GN , end})에 대한 정보를 통해 풍력발전기를 제어한다. 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위를 벗어나는 경우에는 풍력발전단지 내의 풍력발전기를 종료시키는 제어를 수행하고, 풍력발전단지의 증발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에는 풍력발전기의 발전 속도를 증가시키는 제어를 수행하며, 풍력발전단지의 감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우에는 풍력발전기의 발전 속도를 감소시키는 제어를 수행한다.

한편 풍력발전단지를 제어하는 데에 있어서 위와 같은 방법으로 제어 시작 시간 및 제어 완료 시간을 산정하는 경우 연속하는 그룹 간의 제어 시간이 겹치는 경우가 발생할 수 있다. k번째 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gk , end})이 k+1번째 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gk +1, start})보다 늦으면, k번째 그룹의 제어가 진행되는 중에 k+1번째 그룹의 제어가 시작되므로 동시에 제어하는 풍력발전기의 수가 N_WT보다 많아지게 되고 이로 인해 풍력발전단지가 연계기준의 증발률/감발률(R_GC)을 초과하게 되어 발명의 목적을 달성할 수 없다. 그러므로 각 그룹의 제어 시간 간에 중첩이 발생하는 지 여부를 확인하여 조정하는 과정을 거쳐야 한다. k+1번째 그룹의 제어 시작 시간을 지연시키는 경우 바람이 도달한 이후에도 제어하는 과정을 수행하는 결과를 초래하므로 k번째 그룹의 제어 시작 시간을 앞당겨야 한다. 연속하는 그룹간의 제어 시간이 중첩되는 것을 피하기 위한 제어 시간 조정 방법은 다양하게 존재할 수 있으며 본 발명에서는 일 실시예로서 N번째 그룹부터 첫 번째 그룹까지 역순으로 제어 시간의 중첩여부를 확인하는 과정을 거쳐 중첩되는 시간 만큼(T_{Gk , end} - T_{Gk +1, start}) 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{GN , end}) 및 제어 완료 시간(T_{GN , end})을 앞으로 당겨 제어 시간을 조정한다.

조정된 제어 시작 시간 및 제어 완료 시간 내에 각 그룹별로 풍력발전기를 제어하면 전력망 연계기준을 만족시키면서 풍력발전단지를 제어하는 것이 가능하다.

본 발명의 풍력발전단지 제어 시스템은 기본적으로 위에서 설명한 연산부와 제어부를 구성요소로 하며 여기에 풍황 측정 장치를 부가한 것을 포함할 수 있다. 상기 풍황측정장치는 여러가지 형태로 제작될 수 있으며 일 실시 예로서 탑의 형태로 제작되어 풍속 및 풍향 특성 등을 측정한다.

풍황 측정 장치는 풍력발전단지가 해안에 설치되는지 육상에 설치되는지 여부 또는 다양한 설치 환경에 따라 여러가지 형태로 배치 가능하다. 풍황 정보를 더욱 효율적으로 파악하기 위해서는 복수 개의 풍황 측정 장치를 풍력발전단지 외부에 배치하는 것이 유리하다. 풍황 측정 장치의 개수가 늘어날수록 지표면 마찰로 인한 풍속 또는 풍향의 변화 내지 오차 등을 더욱 용이하게 판단하고 분석할 수 있으므로 본 명세서에서 일 실시 예로 제시한 사각형의 형태 외에도 풍력발전단지의 구성 형태에 따라 다양하게 풍황 측정 장치를 배치하는 것이 가능하다. 또한, 풍황 측정 장치를 적어도 두 개 이상의 복수의 층으로 풍력발전단지 외곽에 배치하는 경우 풍속의 변화 추이 등을 측정가능하게 되며 이를 통하여 풍력발전단지에 영향을 미치는 풍황정보를 보다 정확하게 측정할 수 있다.

한편, 풍황 측정 장치를 풍력 발전 단지로부터 일정 거리 이상의 위치에 배치하는 경우, 풍력발전단지의 제어를 위한 연산 시간 및 제어하는 데에 소요되는 시간의 부족으로 인하여 풍력발전단지를 실시간으로 제어하는 것이 불가능해지는 문제를 피할 수 있게 되는데, 그 거리를 계산하는 방법은 다양하게 존재할 수 있으며 본 발명에서는 일 실시 예로서 풍력발전단지의 용량과 해당 지역의 최대풍속을 곱한 값을 전력망 연계기준의 증발률/감발률로 나누어 계산한다.

[수학식 5]

d _m = 풍력발전단지의 용량 * 해당 지역의 최대풍속 / R _GC

도 3은 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 0°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 전력량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다. 파란색 점선은 종래의 방법의 결과를 나타내고, 빨강색 실선은 본 발명을 적용한 경우의 결과이다. 본 발명에 의하는 경우 감발률이 일정하며, 종래의 방법은 감발률이 변하게 되는데, 이는 동시에 종료하는 풍력발전기의 수가 달라지기 때문이다. 이 경우 제안한 방법의 전력생산량은 기존 방법의 102%로 거의 비슷함을 알 수 있다.

도 4는 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 0°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 감발률과 전력망 연계기준의 감발률을 비교한 그래프이다. 파란색 점선은 종래 방법의 감발률이고, 빨강색 실선은 본 발명을 적용한 경우의 감발률이다. 종래 방법의 경우, 전력망 연계기준(0.83MW/s)를 초과하는 시간은 335초이고, 풍력발전단지의 최대 감발률은 1.44MW/s이다. 한편, 본 발명의 경우, 전력망 연계기준을 초과하는 시간은 없다. 또한, 종래 방법은 풍력발전단지의 발전량이 급격하게 감소하므로 이로 인한 부족분을 전력망에서 공급하기 위해 114.35MW 별도의 예비력을 가지고 있어야 한다. 하지만 본 발명에 의하는 경우 전력망 연계기준을 초과하지 않으므로 급격하게 감소하는 경우를 대비한 별도의 예비력을 요구하지 않는다.

도 5는 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 45°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 전력량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이며, 도 6은 바람의 속도가 30m/s, 입사각이 45°인 경우 종래 기술과 본 발명에 따른 풍력발전단지의 감발률과 전력망 연계기준의 감발률을 비교한 그래프이다. 도 5에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 의하는 경우 종래 방법에 비해 1.23배의 에너지를 공급할 수 있다. 도 6에서 나타난 바와 같이, 종래 방법의 경우, 전력망 연계기준을 초과하는 시간은 340초이고, 최대 감발률은 1.0019MW/s이다. 그러나 본 발명은 항상 전력망 연계기준을 만족한다. 또한, 종래 방법은 풍력발전단지의 발전량이 급격하게 감소하므로 이로 인한 부족분을 전력망에서 공급하기 위해 44.77MW 별도의 예비력을 가지고 있어야 하지만, 본 발명에 의하는 경우 별도의 예비력을 요구하지 않는다.

Claims (20)

1. 풍속의 급격한 변화로 인하여 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준을 벗어난 경우에 풍력발전단지를 제어하는 방법으로서,
   풍력발전단지 외부에서 풍속 및 풍향 특성을 측정하는 풍황측정 단계;
   상기 풍황측정 단계에서 측정한 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는지 여부 및 측정한 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위 내인지 여부를 판단하는 단계;
   풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어난 경우, 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 정하는 단계;
   풍력발전기를 제 1 내지 제 N그룹으로 그룹화하는 단계;
   상기 그룹화 단계를 통해 형성된 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 결정하는 단계;
   상기 결정된 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 내에 각 그룹의 풍력발전기를 제어하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
2. 제 1항에 있어서, 함께 제어할 풍력발전기의 수를 정하는 단계는 각 그룹내의 풍력발전기의 증발률/감발률의 합이 전력망 연계 기준의 증발률/감발률을 초과하지 않도록 함께 제어할 풍력발전기의 수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
3. 제 2항에 있어서, 상기 풍력발전기의 감발률은 각 풍력발전기 제동시 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 제동이 가능한 범위로 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 그룹화하는 단계는 측정한 풍향(α)을 이용하여 바람과 각 풍력발전기 사이의 거리(s_ij)를 계산하고, 계산한 거리 및 측정한 풍속(v)을 이용하여 각 풍력발전기에 바람이 도달하는 시간을 계산하여, 상기 도달 시간이 짧은 순서대로 풍력발전기의 제어 순서를 정렬하는 단계;
   상기 제어 순서에 따라 함께 제어할 풍력발전기를 순차적으로 그룹화하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
5. 제 1항에 있어서, 상기 제어 완료 시간(T_{Gn , end})은 각 그룹에서 바람이 가장 먼저 도달하는 풍력발전기까지 바람이 도달하는 데에 걸리는 시간으로 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
6. 제 1항에 있어서, 상기 제어 시작 시간(T_{Gn , start})은 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에서 풍속의 변화로 인해 예상되는 각 그룹의 풍력발전량의 변화량을 전력망 연계기준(grid-code)의 증발률/감발률(R_GC)로 나누어 계산한 제어 소요 시간(t_ctrl)을 뺀 값으로 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
7. 제 1항에 있어서, 연속하는 그룹 간의 제어 시간이 중첩되는 경우 상기 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 도출하는 단계 이후에 각 그룹의 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
8. 제 7항에 있어서, 상기 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 단계는 먼저 제어를 시작하는 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 중첩하는 시간만큼 앞당겨 제 N그룹부터 제 1그룹까지 역순으로 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 방법
9. 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준 또는 이에 상응하는 기준을 벗어난 경우에 풍력발전단지를 제어하는 시스템으로서,
   외부에서 풍황 정보를 전달받아 풍속의 변화로 인한 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는지 여부 및 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위 내인지 여부를 판단하고, 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어나는 경우 함께 제어할 풍력발전기의 수(N_WT)를 정하여 풍력발전기를 제 1 내지 제 N그룹으로 그룹화하고 각 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 결정하는 연산부;
   상기 연산부에서 도출한 풍력발전기의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에 따라 풍력발전기를 제어하는 제어부;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
10. 제 9항에 있어서, 상기 연산부는 풍속이 풍력발전 기준 속도 범위를 벗어나는 경우 각 그룹내의 풍력발전기의 증발률/감발률의 합이 전력망 연계 기준의 증발률/감발률을 초과하지 않도록 함께 제어할 풍력발전기의 수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
11. 제 10항에 있어서, 상기 연산부는 각 풍력발전기 제동시 피치제어 및/또는 전기제어를 통하여 제동이 가능한 범위로 풍력발전기의 감발률을 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
12. 제 9항에 있어서, 상기 연산부는 측정한 풍향(α)을 이용하여 바람과 각 풍력발전기 사이의 거리(s_ij)를 계산하고, 계산한 거리 및 측정한 풍속(v)을 이용하여 각 풍력발전기에 바람이 도달하는 시간을 계산하여, 상기 도달 시간이 짧은 순서대로 풍력발전기의 제어 시작 순서를 정렬하고, 상기 제어 시작 순서에 따라 순차적으로 그룹화하는 연산을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
13. 제 9항에 있어서, 상기 연산부는 각 그룹에서 바람이 가장 먼저 도달하는 풍력발전기까지 바람이 도달하는 데에 걸리는 시간을 제어 완료 시간(T_{Gn , end})으로 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
14. 제 9항에 있어서, 상기 연산부는 제어 완료 시간(T_{Gn , end})에서 각 그룹의 풍력발전량의 변화량을 전력망 연계기준(grid-code)의 증발률/감발률(R_GC)로 나누어 계산한 제어 소요 시간(t_ctrl)을 뺀 값으로 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
15. 제 9항에 있어서, 상기 연산부는 연속하는 그룹 간의 제어 시간이 중첩되는 경우 상기 제어 시작 시간(T_Gn,start)을 도출하는 단계 이후에 각 그룹의 제어 완료 시간(T_Gn,end) 및 제어 시작 시간(T_Gn,start)을 조정하는 연산을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
16. 제 15항에 있어서, 상기 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 연산은 먼저 제어를 시작하는 그룹의 제어 시작 시간(T_{Gn , start}) 및 제어 완료 시간(T_{Gn , end})을 중첩하는 시간만큼 앞당겨 제 N그룹부터 제 1그룹까지 역순으로 제어 완료 시간(T_{Gn , end}) 및 제어 시작 시간(T_{Gn , start})을 조정하는 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
17. 제 9항에 있어서, 풍력발전단지 외부에서 풍속 및 풍향 특성을 측정하는 풍황 측정 장치가 부가된 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
18. 제 17항에 있어서, 상기 풍황 측정 장치는 3개 이상을 다각형의 형태로 배치한 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
19. 제 17항에 있어서, 상기 풍황 측정 장치는 적어도 두 개 이상의 복수의 층으로 풍력발전단지 외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
20. 제 17항에 있어서, 상기 풍황 측정 장치는 풍력발전단지로부터 풍력발전단지의 용량과 해당 지역의 최대 풍속의 곱을 전력망 연계기준으로 나누어 계산한 수치 이상의 거리에 배치한 것을 특징으로 하는 풍력발전단지 제어 시스템
    

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