[논문]국내 해상풍력발전단지 낙뢰피해 영향 분석에 관한 연구

서진규; 김규호

doi:10.5370/kiee.2016.65.2.247

[국내논문] 국내 해상풍력발전단지 낙뢰피해 영향 분석에 관한 연구
A Study on the Analysis of Lightning Damage Impact in Domestic Offshore Wind Farm 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.2, 2016년, pp.247 - 252

서진규 (Dept. of Electrical Engineering, Hankyong National University) , 김규호 (Dept. of Electrical Engineering, Hankyong National University, IT Fusion Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

The latest offshore wind turbines are easily exposed to lightning strikes because they are designed with longer blades and taller height to satisfy the growing capacity demands. The generation facilities and elements of the offshore wind farm are more vulnerable to lightning damage because of more severe, unpredictable weather conditions. Therefore, this paper presents the analysis of measure for lightning overvoltage mitigation in offshore wind farm planned in South Korea southwest seashore. The sensitivity analysis includes the steady state and transient state characteristics of offshore wind farm and proposes the countermeasure for mitigation of transient overvoltage by considering earth resistivity of the offshore environment.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내 서남해안에 계획 중인 2.5GW 해상풍력발전단지의 데이터를 바탕으로 내부전력망의 정상상태 전압 및 해상풍력터빈에 낙뢰가 떨어졌을 경우의 과도상태를 분석하고, 해상풍력발전단지의 안정적인 운영을 위해 해상환경을 고려한 뇌 과전압 저감방안을 제시하였다.

제안 방법

시뮬레이션 결과는 해상풍력발전단지의 정상상태 전압 및 내부전력망 9개의 풍력터빈 중 해상변전소에서 가장 가까운 거리에 위치한 그림 1의 WT4에 뇌격전류를 인가하였을 때 뇌격으로 인한 과도상태를 분석한다. 또한 해저지반의 대지저항률을 고려하여 새롭게 산정한 접지저항에서 뇌 과전압의 변화를 분석하였다.
시뮬레이션 결과는 해상풍력발전단지의 정상상태 전압 및 내부전력망 9개의 풍력터빈 중 해상변전소에서 가장 가까운 거리에 위치한 그림 1의 WT4에 뇌격전류를 인가하였을 때 뇌격으로 인한 과도상태를 분석한다. 또한 해저지반의 대지저항률을 고려하여 새롭게 산정한 접지저항에서 뇌 과전압의 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 3장의 해상 풍력터빈 접지저항 산정방법을 이용하여 Monopile 타입 해상 풍력터빈의 접지저항을 해상환경의 토양 종류, 수분함유량에 따른 대지저항률을 이용하여 계산하였으며, 환경적인영향으로 인한 접지저항 상승을 고려해 해상풍력단지 내부전력망 통합 접지저항을 5∼8Ω으로 산정하였다. 그 결과 통합 접지저항 8Ω 및 5Ω에서 뇌 과전압 파형이 그림 8 및 그림 9와 같이 나타났으며, 낙뢰보호를 위한 공통접지 기술규정의 접지저항 10Ω과 비교하였을 때 그림 10과 같이 나타났다.

대상 데이터

본 논문에서는 서남해안에 계획중인 2.5GW 해상풍력발전단지의 데이터를 바탕으로 내부전력망의 정상상태 전압 및 해상 풍력터빈에 낙뢰가 떨어졌을 경우의 과도상태를 분석하고, 뇌 과전압을 저감시키기 위한 방안을 제시하였다. 일반적인 국내의 낙뢰의 경우 해상풍력 발전단지 뇌격지점 내부전력망에 약 100kV의 과전압을 발생시켰다.

성능/효과

일반적인 국내의 낙뢰의 경우 해상풍력 발전단지 뇌격지점 내부전력망에 약 100kV의 과전압을 발생시켰다. 그러나 대지저항률에 큰 영향을 미치는 토양의 종류, 수분함유량을 고려해 해상풍력발전단지의 접지저항을 산정하여 감소시킨 결과, 통합접지저항이 8Ω일 때 약 20%, 5Ω일 때 약 40%의 뇌 과전압이 감소되었다. 따라서 수온 및 해저지반 토양의 종류와 같은 해상환경을 고려하면 해상풍력발전단지의 통합접지저항을 낮출 수 있으며, 낙뢰에 의한 피해를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있었다.
그러나 대지저항률에 큰 영향을 미치는 토양의 종류, 수분함유량을 고려해 해상풍력발전단지의 접지저항을 산정하여 감소시킨 결과, 통합접지저항이 8Ω일 때 약 20%, 5Ω일 때 약 40%의 뇌 과전압이 감소되었다. 따라서 수온 및 해저지반 토양의 종류와 같은 해상환경을 고려하면 해상풍력발전단지의 통합접지저항을 낮출 수 있으며, 낙뢰에 의한 피해를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

향 후 연구에서는 Monopile 타입보다 깊은 수심에서 이용되는 Jacket 및 Multipile 타입의 하부구조물을 갖는 해상 풍력터빈의 접지저항을 고려하여, 다양한 종류의 풍력터빈의 뇌격시 과도과전압에 대해 분석할 필요성이 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력에너지의 주목받고 있는 장점은?	최근 자원의 고갈, 환경오염 및 지구온난화 문제 등으로 신재생에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 풍력에너지는 무한한 자원과 저렴한 발전단가 및 기술개발을 통한 대용량화가 가능하다는 점에서 주목을 받고 있다[1]. 그러나 육상풍력발전은 개발할 수 있는 부지가 제한되어 있으며 소음 및 경관문제 등으로 인해 설치에 제약이 따른다.
	육상풍력발전의 한계점은?	그 중 풍력에너지는 무한한 자원과 저렴한 발전단가 및 기술개발을 통한 대용량화가 가능하다는 점에서 주목을 받고 있다[1]. 그러나 육상풍력발전은 개발할 수 있는 부지가 제한되어 있으며 소음 및 경관문제 등으로 인해 설치에 제약이 따른다. 해상풍력발전의 경우 육상풍력발전에 비해 대용량 터빈 설치가 가능하고 단지규모 확장성이 높으며, 연관 산업에 대한 파급효과가 커서 경제 활성화 수단으로 유력하다.
	풍력발전단지에 낙뢰가 미치는 영향에 대해 연구가 많이 행해지는 이유는?	그러나 해상의 예측 불가능한 기후적인 요인과 점점 대용량화 되는 해상풍력터빈으로 인해 육상풍력발전에 비해 해상풍력발전이 낙뢰에 노출될 가능성이 상당히 높다. 낙뢰는 풍력발전 전자기기 고장, 블레이드 손상을 초래할 수 있으며, 해상풍력발전단지 내·외부전력망에 과전압 및 과전류를 발생시켜 전력품질에 영향을 줄 수 있으므로, 해상풍력발전단지는 낙뢰와 같은 해상 조건에 의한 요소를 고려하여 설계하여야 하며 이를 위한 기반기술 확보가 중요하다. 이러한 이유로 각국에서 풍력발전단지에 낙뢰가 미치는 영향에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.

참고문헌 (10)

R. van de Sandt, J. Lowen, J. Paetzold, I. Erlich, "Neutral earthing in off-shore wind farm grids", PowerTech, 2009 IEEE Bucharest, pp. 1-8, 2009.
D. Romero, J. Montanya, A. Candela, "Behavior of the wind turbines under lightning strikes including nonlinear grounding system", International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ), 2004.
Y. Yasuda, T. Hara, T. Funabashi, "Analysis of Lightning Surge Propagation in Wind Farm", Electrical Engineering in Japan, Vol. 162, No. 2, pp. 30-38, 2008.

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A. B. Ebrahim, E. M. R. Mohammad, H. A. R. Mansour, "Analysis and Suppression of Back-Flow Lightning Surge in Onshore Wind Farms, Journal of Lightning Research", Journal of lightning research, Vol. 3, pp. 1-9, 2011.
Y. Yasuda, T. Funabashi, "Transient analysis on wind farm suffered from lightning", UPEC 39th International. IEEE, Vol. 1, pp. 202-206, 2004.
N. Malcolm, RK. Aggarwal, "The impact of multiple lightning strokes on the energy absorbed by MOV surge arresters in wind farms during direct lightning strikes", The International Journal of Renewable Energy, Vol. 83, pp. 1305-1314, 2015.

상세보기
T. Zhang, Y. Zhang, X. Tan, "Study on overvoltage of signal line in wind turbine by lightning strike", International Conference on Lightning Protection (ICLP), pp. 1516-1519, 2014.
C. Damir, P. Dragan, D. Vicko, G. Ranko, "Transient analysis of grounding systems for wind turbines", The International Journal of Renewable Energy, Vol. 43, pp. 284-291, 2012.

상세보기
K. Yamamoto, S. Sumi, "EMTP models of a Wind Turbine Grounding System", International Conference on Lightning Protection(ICLP), pp. 845-849, 2014.
W. Shi, J. H. Han, C. W. Kim, D. Y. Lee, H. K. Shin, H. C. Park, "Feasibility study of offshore wind turbine substructures for southwest offshore wind farm project in Korea", The International Journal of Renewable Energy, Vol. 74, pp. 406-413, 2015.

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