[논문]해상풍력발전단지의 해상변전소 변압기 적정 용량에 관한 연구

문원식; 조아라; 허재선; 배인수; 김재철

doi:10.5207/jieie.2015.29.8.083

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This study suggests the methodology to decide the number and adequate capacity of substation transformer in a large-scale offshore wind farm (OWF). The recent trend in transformer capacity of offshore substation is analyzed in many European offshore wind farm sites prior to entering the studies. In ...

This study suggests the methodology to decide the number and adequate capacity of substation transformer in a large-scale offshore wind farm (OWF). The recent trend in transformer capacity of offshore substation is analyzed in many European offshore wind farm sites prior to entering the studies. In order to carry out the economic evaluation for the transformer capacity we present the cost models which consist of investment, operation, and expected energy not supplied (EENS) cost as well as the probabilistic wind power model of wind energy that combines the wind speed with wind turbine output characteristics for a exact calculation of energy loss cost. Economic assessment includes sensitivity analysis of parameters which could impact the 400-MW OWF: average wind speed, availability, discount rate, energy cost, and life-cycle.

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문제 정의

본 논문에서는 해상변전소의 투자비용과 운영비용, 그리고 변압기의 고장률을 통한 신뢰도 비용을 고려하여 해상변전소를 구성하는 모든 비용이 최소화되는 적정 변압기 용량 및 설치 개수에 관한 방법을 제시한다. 또한 풍속 특성을 반영하기 위한 확률론적 풍력발전 모델을 적용하였으며, 우리나라에서 계획 중인 400MW 시범단지의 사례연구를 통해 실질적인 연구 결과를 제시하였다.
본 연구는 대규모 해상풍력발전단지의 해상변전소를 구성하는 변전소의 적정 설치 용량 및 개수를 결정하는 방안을 제시하였다. 구체적 연구에 앞서 유럽 중심의 해외 사례를 통해 해상변전소 변압기의 동향을 분석하였다.
본 절에서는 앞서 제시한 해상변전소 변압기 비용모델을 400MW급 해상풍력발전단지에 적용하여 변압기의 적정 수량을 결정하는 사례연구를 제시한다. 모의 해상풍력발전단지에 관한 데이터는 표 3과 같으며, 해상변전소를 구성하는 변압기의 예비율을 고려한 CASE 분류를 표 4에서 제시하였다.

제안 방법

경제성기반의 해상변전소 변압기 용량 산출을 위해 비용 모델을 제시하였으며, 신뢰성을 고려한 분석을 위해 풍속에 따른 풍력단지의 출력에 대한 확률론적 모델을 적용하여 변압기의 고장률에 따른 공급지장비용을 산출하였다. 400MW 모의 해상풍력발전단지의 사례 연구를 통해 변압기의 적정 용량을 제시하였고, 파라미터의 변화가 미치는 영향을 분석하고자 민감도 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 향후 국내 대규모 해상풍력발전단지 건립 시 해상변전소 변압기의 적정 용량 및 개수를 설계하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
구체적 연구에 앞서 유럽 중심의 해외 사례를 통해 해상변전소 변압기의 동향을 분석하였다. 경제성기반의 해상변전소 변압기 용량 산출을 위해 비용 모델을 제시하였으며, 신뢰성을 고려한 분석을 위해 풍속에 따른 풍력단지의 출력에 대한 확률론적 모델을 적용하여 변압기의 고장률에 따른 공급지장비용을 산출하였다. 400MW 모의 해상풍력발전단지의 사례 연구를 통해 변압기의 적정 용량을 제시하였고, 파라미터의 변화가 미치는 영향을 분석하고자 민감도 분석을 수행하였다.
본 연구는 대규모 해상풍력발전단지의 해상변전소를 구성하는 변전소의 적정 설치 용량 및 개수를 결정하는 방안을 제시하였다. 구체적 연구에 앞서 유럽 중심의 해외 사례를 통해 해상변전소 변압기의 동향을 분석하였다. 경제성기반의 해상변전소 변압기 용량 산출을 위해 비용 모델을 제시하였으며, 신뢰성을 고려한 분석을 위해 풍속에 따른 풍력단지의 출력에 대한 확률론적 모델을 적용하여 변압기의 고장률에 따른 공급지장비용을 산출하였다.
본 논문에서는 해상변전소의 투자비용과 운영비용, 그리고 변압기의 고장률을 통한 신뢰도 비용을 고려하여 해상변전소를 구성하는 모든 비용이 최소화되는 적정 변압기 용량 및 설치 개수에 관한 방법을 제시한다. 또한 풍속 특성을 반영하기 위한 확률론적 풍력발전 모델을 적용하였으며, 우리나라에서 계획 중인 400MW 시범단지의 사례연구를 통해 실질적인 연구 결과를 제시하였다.
불확실성을 내포하고 있는 프로젝트의 발생 가능한 결과를 추정하는 대표적 방법으로 민감도 분석을 사용한다. 본 분석 단계에서는 앞서 파라미터 변동 시 사용했던 할인율, 전력판매단가, 가용률, 수명 이외에 변압기 고장율, 평균 풍속을 고려하였다. 사례연구의 최종 결과인 CASE 1을 대상으로 민감도 분석을 수행하였으며, 현재 관심의 대상인 입력변수를 기본사례의 값을 기준으로 -15%에서 +15%까지의 범위 내에서 5%씩 변화시키면서 각 파라미터 변화에 따른 결과를 기록하여 그림 3에 나타내었다.
풍력단지 지역의 풍속에 관한 확률분포와 풍속에 대한 풍력터빈의 출력특성을 통해 발전 출력에 대한 풍력발전단지 출력에 대한 확률밀도 함수를 도출한다. 발전단지의 출력에 대한 확률밀도함수는 발전단지의 평균 전력생산과 변전소 변압기의 고장에 따른 신뢰도 비용 산출에 응용된다[11].
해상변전소 내 변압기 뱅크 구성 결정과 용량 산정 시 고려되는 비용요소를 추기투자비용과 변전소 운영비용, 공급지장비용 등 세 가지로 구분하였다.

데이터처리

본 분석 단계에서는 앞서 파라미터 변동 시 사용했던 할인율, 전력판매단가, 가용률, 수명 이외에 변압기 고장율, 평균 풍속을 고려하였다. 사례연구의 최종 결과인 CASE 1을 대상으로 민감도 분석을 수행하였으며, 현재 관심의 대상인 입력변수를 기본사례의 값을 기준으로 -15%에서 +15%까지의 범위 내에서 5%씩 변화시키면서 각 파라미터 변화에 따른 결과를 기록하여 그림 3에 나타내었다. 그 결과 평균 풍속, 발전단지의 가용률의 순서로 비용 결과에 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 결과에 미치는 영향이 큰 순서대로 데이터 관리에 주의가 필요하다는 것을 분석할 수 있었다.

이론/모형

불확실성을 내포하고 있는 프로젝트의 발생 가능한 결과를 추정하는 대표적 방법으로 민감도 분석을 사용한다. 본 분석 단계에서는 앞서 파라미터 변동 시 사용했던 할인율, 전력판매단가, 가용률, 수명 이외에 변압기 고장율, 평균 풍속을 고려하였다.

성능/효과

사례연구의 최종 결과인 CASE 1을 대상으로 민감도 분석을 수행하였으며, 현재 관심의 대상인 입력변수를 기본사례의 값을 기준으로 -15%에서 +15%까지의 범위 내에서 5%씩 변화시키면서 각 파라미터 변화에 따른 결과를 기록하여 그림 3에 나타내었다. 그 결과 평균 풍속, 발전단지의 가용률의 순서로 비용 결과에 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 결과에 미치는 영향이 큰 순서대로 데이터 관리에 주의가 필요하다는 것을 분석할 수 있었다.
7MW 풍력터빈 57기로 구성된 해상풍력발전단지에서는 풍력발전단지 용량의 50% 용량 변압기 2대로 구성한 CASE 1에서 최소비용이 산출되었다. 변압기의 예비율이 높을수록 공급지장비용이 감소하는 경향이 나타났으나, 변압기 수량에 따른 전체 비용 변화는 초기설치비용이 변압기의 예비율 비용보다 더 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 즉 400MW 해상풍력 발전단지의 경우 발전단지 용량 대비 예비율없이 50% 용량의 변압기 2대로 구성하는 것이 가장 경제적인 것으로 분석되었다.
변압기의 예비율이 높을수록 공급지장비용이 감소하는 경향이 나타났으나, 변압기 수량에 따른 전체 비용 변화는 초기설치비용이 변압기의 예비율 비용보다 더 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 즉 400MW 해상풍력 발전단지의 경우 발전단지 용량 대비 예비율없이 50% 용량의 변압기 2대로 구성하는 것이 가장 경제적인 것으로 분석되었다.

후속연구

400MW 모의 해상풍력발전단지의 사례 연구를 통해 변압기의 적정 용량을 제시하였고, 파라미터의 변화가 미치는 영향을 분석하고자 민감도 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 향후 국내 대규모 해상풍력발전단지 건립 시 해상변전소 변압기의 적정 용량 및 개수를 설계하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 최적화 방법을 적용하여 해상풍력발전단지의 해상변전소 변압기 적정 용량을 산정할 수 있는 연구를 진행하고자 한다.
본 연구를 통해 향후 국내 대규모 해상풍력발전단지 건립 시 해상변전소 변압기의 적정 용량 및 개수를 설계하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 최적화 방법을 적용하여 해상풍력발전단지의 해상변전소 변압기 적정 용량을 산정할 수 있는 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유럽에 설치된 풍력발전기의 전력 생산량은 어떠한가?	2013년까지 유럽에 설치된 풍력발전기는 117GW에 이르며, 연간 생산되는 전기에너지는 257TWh인데 이는 유럽 전체 에너지 사용량의 8%에 이르는 양이다[1]. 2030년까지 유럽은 육상풍력의 경우 250GW, 해상풍력의 경우 150GW 용량의 풍력단지 설치를 목표로 하고 있다[2].
	해상풍력발전단지 설치에 있어 발생할 수 있는 문제점을 방지하기 위하여 무엇을 해야하는가?	해상풍력발전단지는 바다에 설치된 다수의 풍력터 빈에서 전기에너지를 생산하고 이를 육상계통으로 전송하기 위한 발전시설로써 육상의 풍력발전단지과 비교하여 많은 설치 투자뿐만 아니라 유지보수와 설비 폐기까지 많은 비용이 소요된다. 따라서 모든 요소에 있어서 비용을 절감하도록 설계하는 것이 필수적이며, 필요한 시스템 가용성의 달성과 자본 투자 및 운전비용의 절감 사이에서 균형을 찾아야 한다[5].
	유럽은 2030년까지 어느정도의 풍력단지 설치를 목표로 하고 있는가?	2013년까지 유럽에 설치된 풍력발전기는 117GW에 이르며, 연간 생산되는 전기에너지는 257TWh인데 이는 유럽 전체 에너지 사용량의 8%에 이르는 양이다[1]. 2030년까지 유럽은 육상풍력의 경우 250GW, 해상풍력의 경우 150GW 용량의 풍력단지 설치를 목표로 하고 있다[2]. 특히 2050년까지 북유럽에서 남유럽 바다에 이르는 거대 해상풍력발전단지를 메시 형태의 거대 발전단지로 연계할 목표를 두고 적극적인 기술개발을 진행하고 있다[3].

참고문헌 (15)

A breath of fresh air-EWEA 2007 Annual Repoert, European Wind Energy Association (EWEA), 2007.
Building a stable future-EWEA 2013 Annual Repoert, European Wind Energy Association (EWEA), 2013.
Strategic research agenda / market deployment strategy, European Wind Energy Technology Platform, European Wind Energy Association (EWEA), 2014.
J. Won, W. Moon, J. Huh, and J. Kim, "A study on Siting of HVAC Offshore Substation for Wind Power Plant using Submarine Cable Cost Model," KIEE, Vol. 62, No. 4, pp. 451-456, 2013.
CIGRE, Working Group B3.26, Guidelines for the Design and Construction of AC Offshore Substations for Wind Power Plants, GIGRE Documents 483, Dec. 2011.
John Twidell and Gaetano Gaudiosi, "Offshore Wind Power", Independent Pub Group, 2009.
G. Gerdes, A. Tiedmann, and S. Zeelenberg, "Case study: European offshore wind farms - a survey for the analysis of the experiences and lessons learnt by developers of offshore wind farms," DENA, 2007.
T. Sulawa, I. Jami, and R. Pound, "Balancing Availability, Reliability and Future Regulatory Impact Against Overall Project Capex for Offshore Wind Farms", 2009 CIGRE/IEEE PES Joint Symposium, Integration of Wide-Scale Renewable Resources Into the Power Delivery System, Jul. 2009.
R. Billington and R. N. Allan, Reliability Evaluation of Power Systems, Second Edition, Plenum Publishing Corporation, 1984.
Y. Zang, A. A. Chowdhury, and D. O. Koval, "Probabilistic wind energy modeling in electric generation system reliability assessment", IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 47, No. 3, pp. 1507-1514, May/June 2011.

상세보기
M. Lee, G. Kim, S. Jeong, D. Ko, and K. S. Kang, "Assessment of offshore wind energy at Younggwang in Korea", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 21, pp. 131-141, May 2013.

상세보기
W. Moon, A. Jo, and J. Kim, "Economic evaluation of power gird interconnection between offshore wind power plants", KIEE, Vol. 63P, No. 4, pp. 339-344, 2014.
W. Moon, J. Kim, and J. Won, "Transformer Capacity Evaluation of Offshore Wind Farm Substation Applied to Korean site," T&D Conference and Exposition, 2014 IEEE PES, pp.1-5, April 2014.
S. Lundberg, "Performance comparison of wind park configurations", Dept. Elect. Power Eng., Chalmers Univ. Technol., 2003, Tech. Rep. 30R.
A. R. Henderson, L. Greedy, F. Spinato, C. A. Morgan, "Optimising redundancy of offshore electrical infrastructure assets by assessment of overall economic cost," European Offshore Wind Energy Conference 2009 Stockholm, Sweden, Sep. 14-16, 2009.

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