KR102491085B1 - Apparatus and Method for Predicting Generated Power of Wind Power Generator based on Atmospheric Model Forecast - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기상 예보를 포함하는 기상 정보를 수집하는 기상 정보 수집부, 시공간적으로 저해상도의 기상 예보를 인가받아 풍력 발전기가 설치된 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화하는 대기 모형 적용부, 각각 기지정된 주기로 연속적으로 반복하여 증감하는 다수의 시간 변수를 생성하고, 생성된 다수의 시간 변수에 따른 시간 변수값을 다수의 고해상도화된 기상 예보를 포함한 기상 정보와 매칭하여 입력 데이터를 생성하는 시간 변수 적용부 및 이전 획득된 입력 데이터와 실제 생성된 발전량이 매칭된 학습 데이터를 기반으로 미리 학습되어, 학습된 방식에 따라 현재 인가되는 입력 데이터로부터 발전량을 추정하여 출력하는 발전량 예측부를 포함하여, 높은 정확도로 풍력 발전량을 예측할 수 있는 풍력 발전량 예측 장치 및 방법을 제공한다.The present invention is a meteorological information collection unit that collects meteorological information including meteorological forecasts, receives a meteorological forecast of low resolution temporally and spatially, and numerically analyzes the terrain altitude and surrounding environmental factors according to the installation location where the wind turbine is installed to reflect turbulence spread Atmospheric model application unit that applies an atmospheric model to generate high resolution by applying an atmospheric model that generates a plurality of time variables that continuously repeat and increase or decrease at a predetermined period, respectively, and generate time variable values according to the generated plurality of time variables into a plurality of high-resolution weather conditions A time variable application unit that generates input data by matching weather information including forecasts, and input data that is pre-learned based on learning data in which previously acquired input data and actually generated power generation are matched to generate input data, and is currently applied according to the learned method Provided is a wind power generation forecasting device and method capable of predicting wind power generation with high accuracy, including a power generation predictor for estimating and outputting the power generation amount from.
Description
본 발명은 풍력 발전량 예측 장치 및 방법에 관한 것으로, 인공 신경망을 이용한 대기모형 예보 기반 풍력 발전량 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting wind power generation, and relates to an apparatus and method for predicting wind power generation based on atmospheric model forecast using an artificial neural network.
세계적인 저탄소화 흐름에 따라 친환경 에너지원에 대한 요구가 급증하고 있으며, 이로 인해 풍력이나 태양광 발전과 같은 친환경 신재생 에너지에 대한 관심 또한 크게 높아지고 있다. 이러한 신재생 에너지 중 풍력 발전은 소규모로도 설치가 가능하고 발전 단가가 저렴하다는 장점이 있다. 다만 풍력 발전은 바람을 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이므로 바람의 세기, 즉 풍속에 따라 발전량이 상이하다.Demand for eco-friendly energy sources is rapidly increasing in accordance with the global trend of low-carbonization, and as a result, interest in eco-friendly renewable energy such as wind power and solar power generation is also greatly increasing. Among these new and renewable energies, wind power generation has advantages in that it can be installed on a small scale and has a low power generation cost. However, wind power generation is a power generation method that uses wind to produce power, so the amount of power generation varies depending on the strength of the wind, that is, the wind speed.
이와 같은 풍력 발전의 특성은 화력이나 원자력과 같이 발전량의 조절이 용이한 발전 방식에 비해, 발전량을 예측하거나 조절하기 어려워 전력을 효율적으로 운용하기 어렵게 하는 요인이 된다. 이에 기상 예보를 기반으로 풍력 발전량을 예측하기 위한 여러가지 연구가 수행된 바 있다. 그러나 기상 예보로 제공되는 풍향 및 풍속은 긴 시간 주기와 광범위한 영역에 대한 예측값으로 시공간 해상도가 낮아 풍력 발전기가 설치된 장소의 풍속을 대표하기 어려우며, 이로 인해 풍력 발전량 예측 시에 큰 오차를 유발한다는 한계가 있다.Such characteristics of wind power generation make it difficult to predict or control the amount of power generation compared to power generation methods in which the amount of power generation is easy to control, such as thermal power or nuclear power, making it difficult to efficiently manage power. Accordingly, various studies have been conducted to predict wind power generation based on weather forecasts. However, the wind direction and speed provided by the weather forecast are forecast values for a long time period and a wide area, and their spatio-temporal resolution is low, making it difficult to represent the wind speed at the place where the wind turbine is installed. there is.
본 발명의 목적은 인공 신경망에 입력되는 기상 예보 데이터에 입력 데이터에 시간적 연속성을 부여하기 위한 시간 변수를 적용하여 풍력 발전기의 발전량을 정확하게 예측할 수 있는 풍력 발전량 예측 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a wind power generation forecasting device and method capable of accurately predicting the power generation of a wind power generator by applying a time variable for imparting temporal continuity to weather forecast data input to an artificial neural network.
본 발명의 다른 목적은 낮은 시공간 해상도로 제공되는 다양한 기상 예보 데이터로부터 대기모형을 이용하여 높은 시공간 해상도의 풍속 정보를 획득하여 풍력 발전기의 발전량을 더욱 정확하게 예측할 수 있는 풍력 발전량 예측 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a wind power generation forecasting device and method capable of more accurately predicting the power generation of a wind power generator by obtaining wind speed information of high time and space resolution using an atmospheric model from various weather forecast data provided at low time and space resolution. there is.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 장치는 기상 예보를 포함하는 기상 정보를 수집하는 기상 정보 수집부; 시공간적으로 저해상도의 상기 기상 예보를 인가받아 풍력 발전기가 설치된 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화하는 대기 모형 적용부; 각각 기지정된 주기로 연속적으로 반복하여 증감하는 다수의 시간 변수를 생성하고, 생성된 다수의 시간 변수에 따른 시간 변수값을 다수의 고해상도화된 기상 예보를 포함한 기상 정보와 매칭하여 입력 데이터를 생성하는 시간 변수 적용부; 및 이전 획득된 입력 데이터와 실제 생성된 발전량이 매칭된 학습 데이터를 기반으로 미리 학습되어, 학습된 방식에 따라 현재 인가되는 입력 데이터로부터 발전량을 추정하여 출력하는 발전량 예측부를 포함한다.An apparatus for predicting wind power generation according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a weather information collection unit for collecting weather information including a weather forecast; Atmospheric model applicator for receiving the weather forecast of temporally and spatially low resolution and applying an atmospheric model that numerically analyzes the topographical altitude and surrounding environmental factors according to the installation location where the wind power generator is installed to the turbulence diffusion to achieve higher resolution; Time to generate input data by generating a plurality of time variables that continuously increase or decrease at predetermined intervals, and matching time variable values according to the generated plurality of time variables with weather information including a plurality of high-resolution weather forecasts. variable application unit; and a power generation prediction unit that is pre-learned based on previously obtained input data and actual generated power matching learning data, and estimates and outputs power generation from currently applied input data according to the learned method.
상기 시간 변수 적용부는 1년을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 날짜 변수와 1일을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 시간 변수를 생성하며, 발전량을 예측하고자 하는 시간에 대한 시간 변수값을 상기 기상 정보에 매칭할 수 있다.The time variable application unit generates two date variables having different offsets that continuously increase or decrease in a one-year cycle and two time variables that continuously increase or decrease in a one-day cycle and have different offsets, and calculates the amount of power generation. A time variable value for a time to be predicted may be matched with the weather information.
상기 대기 모형 적용부는 대기의 동적 안정도를 나타내는 지표인 벌크 리차드슨 수(Bib)를 계산하고, 상기 벌크 리차드슨 수(Bib)를 이용하여 대기 안정도(zr/L)를 계산하는 대기 안정도 계산부; 안정도 변수(β)를 계산하고, 측정으로 획득되는 지면 상의 장애물 높이인 캐노피 높이(h)를 기반으로 대기 모델에서 새롭게 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 계산하는 영면 변위 계산부; 바람이 로그 프로파일을 따른다고 가정할 때, 0이 되는 높이를 나타내는 거칠기 길이(z0)를 계산하는 거칠기 길이 계산부; 및 계산된 대기 안정도(zr/L)와 거칠기 길이(z0)를 이용하여 마찰 속도(u*)를 계산하고, 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C*)과 캐노피 높이(h) 이하에서의 풍속(C*)을 계산하여 연직 풍속 프로파일을 획득하는 연직 풍속 결정부를 포함할 수 있다.The atmospheric model applying unit calculates a bulk Richardson number (Bi b ), which is an indicator of the dynamic stability of the atmosphere, and an atmospheric stability calculation unit for calculating atmospheric stability (z r /L) using the bulk Richardson number (Bi b ). ; A zero-plane displacement calculation unit that calculates a stability variable (β) and a zero-plane displacement height (d t ), which is a ground height newly defined in the atmospheric model, based on a canopy height (h), which is a height of an obstacle on the ground obtained by measurement; a roughness length calculation unit that calculates a roughness length (z 0 ) representing a height that becomes 0 when it is assumed that the wind follows a logarithmic profile; and friction velocity (u * ) is calculated using the calculated atmospheric stability (z r /L) and roughness length (z 0 ), and the wind speed (C * ) above the canopy height (h) and the canopy height (h) A vertical wind speed determiner may be included to obtain a vertical wind speed profile by calculating the wind speed (C * ) below.
상기 대기 모형 적용부는 상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로 기지정된 크기의 아격자 규모의 산악(subgrid-scale orography) 형상에 대한 표준 편차를 획득하고, 특정 아격자를 중심으로 가로 및 세로 방향에 위치하는 주변 4개의 아격자와의 높이 관계에 기초하여 지형 고도의 라플라시안값을 획득하여, 아격자 규모의 산악 형상에 대한 표준 편차와 주변 지형과의 관계에 따른 지형 고도의 라플라시안값에 따라 서로 상이한 바람의 소산 수준을 상기 연직 풍속 결정부에서 획득된 연직 풍속 프로파일에 추가로 반영하는 지형 기반 풍속 교정부를 더 포함할 수 있다.The atmospheric model application unit obtains a standard deviation for a subgrid-scale orography shape of a predetermined size based on the location where the wind power generator is installed, and is located in the horizontal and vertical directions around a specific sub-grid. The Laplacian value of terrain elevation is obtained based on the height relationship with four surrounding sub-grids, and different winds are obtained according to the Laplacian value of terrain altitude according to the relationship between the standard deviation of the mountain shape of the sub-grid scale and the surrounding topography. It may further include a topography-based wind speed correction unit that additionally reflects the dissipation level of the vertical wind speed profile obtained by the vertical wind speed determining unit.
상기 기상 정보 수집부는 상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로, 이후 기지정된 시간 간격의 기상 상태를 예측한 예보장을 수집하는 예보장 수집부; 상기 풍력 발전기의 나셀에 설치된 측정 장치를 이용하여 측정된 실시간 기상 정보를 수집하는 나셀 데이터 수집부를 포함할 수 있다.The weather information collection unit based on the location where the wind power generator is installed, a forecast guarantee collection unit for collecting a forecast report predicting a weather condition at a predetermined time interval thereafter; A nacelle data collection unit for collecting real-time meteorological information measured using a measurement device installed in the nacelle of the wind power generator may be included.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 방법은 기상 예보를 포함하는 기상 정보를 수집하는 단계; 시공간적으로 저해상도의 상기 기상 예보를 인가받아 풍력 발전기가 설치된 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화하는 단계; 각각 기지정된 주기로 연속적으로 반복하여 증감하는 다수의 시간 변수를 생성하고, 생성된 다수의 시간 변수에 따른 시간 변수값을 다수의 고해상도화된 기상 예보를 포함한 기상 정보와 매칭하여 입력 데이터를 생성하는 단계; 및 이전 획득된 입력 데이터와 실제 생성된 발전량이 매칭된 학습 데이터를 기반으로 미리 학습되어, 학습된 방식에 따라 현재 인가되는 입력 데이터로부터 발전량을 추정하여 출력하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a wind power generation prediction method according to another embodiment of the present invention includes collecting weather information including a weather forecast; Applying an atmospheric model that numerically analyzes the terrain altitude and surrounding environmental factors according to the installation location where the wind power generator is installed by receiving the weather forecast of low resolution in time and space to the turbulent spread to obtain high resolution; Generating a plurality of time variables that continuously increase or decrease at predetermined intervals, and generating input data by matching time variable values according to the generated plurality of time variables with weather information including a plurality of high-resolution weather forecasts. ; and pre-learning based on learning data in which previously obtained input data and actual generated power are matched, and estimating and outputting the power generation from currently applied input data according to the learned method.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 장치 및 방법은 낮은 시공간 해상도로 제공되는 다양한 기상 예보 데이터로부터 대기모형을 이용하여 높은 시공간 해상도의 풍속 정보를 획득하고, 획득된 고해상도의 풍속 정보에 시간적 연속성을 부여하기 위한 시간 변수를 적용하여 인공 신경망에 입력함으로써 높은 정확도로 풍력 발전량을 예측할 수 있다.Therefore, the apparatus and method for predicting wind power generation according to an embodiment of the present invention obtain wind speed information with high spatial-temporal resolution using an atmospheric model from various weather forecast data provided with low spatial-temporal resolution, and obtain temporal and temporal information on the obtained high-resolution wind speed information. Wind power generation can be predicted with high accuracy by applying a time variable for imparting continuity and inputting it to an artificial neural network.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 장치의 개략적 구성을 나타낸다.
도 2는 도 1의 기상 예보 수집부의 상세 구성의 일 예를 나타낸다.
도 3은 고도에 따른 행성 경계층을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 대기 모형 적용부에서 이용하는 수직 좌표계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 대기 모형 적용부의 상세 구성의 일 예를 나타낸다.
도 6은 대기 모형에 따른 연직 바람 프로파일의 일 예를 나타낸다.
도 7은 풍속에 영향을 미치는 지형 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 대기 모형 적용부에서 획득되는 고해상도 예보의 일 예를 나타낸다.
도 9는 도 1의 시간 변수 생성부에서 생성되는 시간 변수의 일 예를 나타낸다.
도 10은 발전량 예측부에 입력되는 입력 데이터의 일 예를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 방법을 나타낸다.1 shows a schematic configuration of a wind power generation prediction device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an example of a detailed configuration of the weather forecast collection unit of FIG. 1 .
3 is a diagram for explaining the planetary boundary layer according to altitude.
FIG. 4 is a view for explaining a vertical coordinate system used in the atmospheric model application unit of FIG. 1 .
5 shows an example of a detailed configuration of the atmospheric model application unit of FIG. 1 .
6 shows an example of a vertical wind profile according to the atmospheric model.
7 is a diagram for explaining a terrain effect affecting wind speed.
8 shows an example of a high-resolution forecast obtained by the atmospheric model application unit.
FIG. 9 shows an example of a time variable generated by the time variable generator of FIG. 1 .
10 shows an example of input data input to the generation amount prediction unit.
11 shows a wind power generation prediction method according to an embodiment of the present invention.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention and its operational advantages and objectives achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the described embodiments. And, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "... unit", "... unit", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and software.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 장치의 개략적 구성을 나타내고, 도 2는 도 1의 기상 예보 수집부의 상세 구성의 일 예를 나타낸다.1 shows a schematic configuration of an apparatus for predicting wind power generation amount according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an example of a detailed configuration of a weather forecast collection unit of FIG. 1 .
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 장치는 정보 수집부(100), 대기 모형 적용부(200), 시간 변수 적용부(300) 및 발전량 예측부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the apparatus for predicting wind power generation according to the present embodiment may include an
정보 수집부(100)는 풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 수집 가능한 각종 기상 정보를 수집한다. 본 실시예에서 정보 수집부(100)는 풍력 발전기의 위치 정보에 따른 기상 예보를 수집하여 획득할 뿐만 아니라, 추가적으로 현재 풍력 발전기에서 측정되는 기상 상태에 대한 정보 및 주변에서 이전 측정된 기상 상태에 대한 정보를 함께 수집할 수 있다.The
정보 수집부(100)는 풍력 발전량을 예측하기 위한 정보로서 기본적으로 기상 예보를 수집한다. 그러나 기상 정보가 더 많을수록 예측의 정확도를 향상시킬 수 있음은 자명하다. 이에 정보 수집부(100)는 현재 실측되는 기상 정보와 과거 실측된 기상 정보를 더 수집할 수 있다. 즉 미래 예측으로 획득된 기상 예보뿐만 아니라, 현재 및 과거 실측된 기상 정보를 추가로 수집하여 풍력 발전량 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.The
또한 정보 수집부(100)는 기상 정보와 더불어 현재 풍력 발전기에서 발전되는 발전량을 함께 수집한다.In addition, the
도 2를 참조하면, 정보 수집부(100)는 예보장 수집부(110), 나셀 데이터 수집부(120) 및 AWS 데이터 수집부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
예보장 수집부(110)는 기지정된 방식으로 제공되는 기상 예보를 수집한다. 예보장 수집부(110)는 일 예로 국립 환경 예측 센터(National Centers for Environmental Prediction: NCEP)의 글로벌 예측 시스템(Global Forecast System: GFS)에서 제공되는 예보장(이하 GFS 예보장)을 수집하여 획득할 수 있다.The
나셀 데이터 수집부(120)는 풍력 발전기의 나셀(nacelle)에서 측정되는 기상 정보를 수집한다. 풍력 발전기에서 바람에 의해 회전하는 로터(Rotor)가 결합되고, 내부에 로터의 회전축에 연결되어 전력을 생산하는 발전기가 배치되는 나셀에는 일반적으로 측정 장치로서 풍속계 및 풍향계 등이 구비되며, 이는 실제 풍력 발전기로 불어오는 바람의 세기 및 방향, 즉 풍속과 풍향을 가장 정확하게 실시간으로 측정할 수 있는 수단으로 이용된다. 따라서 나셀 데이터 수집부(120)는 발전량을 예측하고자 하는 풍력 발전기의 나셀에서 실시간으로 측정되는 기상 정보를 수집한다. 또한 나셀 데이터 수집부(120)는 풍력 발전기에서 실제로 생성되는 발전량을 감지하여 함께 수집한다.The nacelle
즉 나셀 데이터 수집부(120)는 풍력 발전기에 실제로 불어오는 풍속과 이에 따라 풍력 발전기에서 생성되는 발전량에 대한 정보를 수집할 수 있다.That is, the nacelle
한편, AWS 데이터 수집부(130)는 풍력 발전기로부터 가까운 거리에 위치하는 자동 기상 관측 장비(Automatic Weather Station: 이하 AWS)에서 측정된 기상 정보를 수집하여 획득한다. AWS는 미리 지정된 위치에 설치되어 해당 위치에서의 기상 변화를 상시적으로 관측하는 장치이다. 즉 AWS는 풍력 발전기 주변에서 실제 관측된 기상 정보를 획득할 수 있다. 다만 AWS에서 수집된 기상 정보는 실시간으로 제공되지 않고, 통상적으로 하루 전날 획득한 정보로 제공되므로, AWS 데이터 수집부(130)는 전날 획득된 주변의 기상 정보를 수집할 수 있다. 여기서 AWS 데이터 수집부(130)는 발전량 예측의 정확도를 향상시키기 위해 추가되는 구성으로 경우에 따라서는 생략될 수도 있다.Meanwhile, the AWS
한편 대기 모형 적용부(200)는 정보 수집부(100)에서 수집된 기상 정보 중 기상 예보를 시공간적으로 고해상도화한다. 통상적으로 기상 예보는 넓은 지역에 대해 긴 시간 간격 단위로 제공된다. 일 예로 상기한 GFS 예보장은 00, 06, 12, 18 UTC (09, 15, 21, 03 KST)에 예보가 제공되고, 3시간 간격의 이후 384시간까지 16일치의 기상 예보가 제공된다. 또한 GFS 예보장에서 제공하는 기상 예보의 공간 해상도는 대략 25Km 수준이다. 즉 GFS 예보장은 3시간의 시간 간격으로 25km 규모의 기상 정보를 제공하며, 이는 기상 예보가 시간적으로나 공간적으로 저해상도를 갖는 것으로 볼 수 있다.Meanwhile, the atmospheric
따라서 기상 예보는 풍력 발전기의 위치 및 발전량을 예측하는 시간에서의 실제 기상 상태와 상당한 오차를 갖게 되며, 이로 인해 풍력 발전량 예측 또한 매우 큰 오차를 나타내게 된다. 특히 풍력 발전기의 경우 대부분 산악 또는 해양 지역에 밀집하여 설치되므로, 예보의 오차가 더욱 크게 나타난다. 이에 대기 모형 적용부(200)는 기상 예보의 저해상도에 따른 예측 오차를 저감시키기 위해, 풍력 발전기가 설치된 위치 및 발전량을 예측하고자 하는 시간에 적합한 기상 예보를 획득할 수 있도록 대기 모형을 구성하여 저해상도의 기상 예보를 고해상도화한다.Therefore, the weather forecast has a significant error with the actual weather condition at the time of predicting the location and power generation of the wind turbine, and thus, the prediction of the wind power generation also has a very large error. In particular, since most of the wind power generators are installed densely in mountainous or marine areas, errors in forecasting appear even larger. Accordingly, the atmospheric
이때 대기 모형 적용부(200)는 풍력 발전기가 설치되는 높이에 따른 대기 상태와 주변 지형 등을 반영하는 대기 모형을 적용하여 저해상도의 기상 예보를 고해상도화할 수 있다. 일 예로 대기 모형 적용부(200)는 3시간의 시간 간격과 25km 규모 공간 간격을 갖는 기상 정보를 10분 간격 및 500m 수준의 공간 간격을 갖도록 고해상도화할 수 있다.At this time, the atmospheric
도 3은 고도에 따른 행성 경계층을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 대기 모형 적용부에서 이용하는 수직 좌표계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1의 대기 모형 적용부의 상세 구성의 일 예를 나타낸다. 그리고 도 6은 대기 모형에 따른 연직 바람 프로파일의 일 예를 나타낸다.3 is a diagram for explaining a planetary boundary layer according to altitude, FIG. 4 is a diagram for explaining a vertical coordinate system used in the atmospheric model application unit of FIG. 1, and FIG. 5 is a detailed configuration of the atmospheric model application unit of FIG. 1 indicate an example. And Figure 6 shows an example of a vertical wind profile according to the atmospheric model.
도 3을 참조하면, 지표면으로부터 약 1 ~ 2Km 높이로 대기권의 최하층을 이루어 기류가 지면과의 마찰로 인해 상호 작용하는 대기층을 행성 경계층(Planetary Boundary Layer: 이하 PBL)이라 하고, PBL에서도 하부 10% 정도(약 100 ~ 200m)의 높이는 지면과 직접적으로 상호 작용을 하는 지표면 경계층(Surface layer: 이하 SL)(또는 표층이라고 함)이라고 한다. SL은 마찰력, 대기 가열 및 수분 공급 등과 같은 지면의 영향력이 직접 가해지는 대기 모델링에서 매우 중요한 영역으로, PBL이나 SL에 대한 대기 모델은 기존에도 제안된 바가 있다.Referring to FIG. 3, the lowermost layer of the atmosphere at a height of about 1 to 2Km from the ground surface, and the atmospheric layer in which air currents interact due to friction with the ground is called the Planetary Boundary Layer (PBL), and the lower 10% in PBL The height of the degree (about 100 ~ 200m) is called the surface boundary layer (SL) (or referred to as the surface layer) that directly interacts with the ground. SL is a very important area in atmospheric modeling where ground influences such as friction, atmospheric heating and moisture supply are directly applied, and atmospheric models for PBL or SL have been previously proposed.
그리고 SL은 다시 도 3에 도시된 바와 같이, 상부의 관성 아층(Inertial Sublayer: 이하 ISL)과 하부의 거칠기 아층(Roughness Sublayer: 이하 RSL)으로 구분된다. 이중 상부에 위치하는 ISL의 경우, SL에서 정상(stationary) 난류 상태에 있는 바람과 기온의 연직 분포를 기술하는 경험적 상사 관계식(similarity relation)을 나타내는 MOST 이론(Monin-Obukhov Similarity Theory)이 적용되어 난류의 영향이 고려된 대기 상태가 용이하게 모델링될 수 있다. 그에 반해, 하부에 위치하는 RSL의 경우, 지면의 장애물에 의한 영향을 직접적으로 받으므로, 기존의 MOST 이론만으로는 대기 상태, 즉 풍속을 정밀하게 모델링할 수 없다. 그러나 실제 풍력 발전기는 RSL에 위치하므로, 기존의 방식으로는 풍력 발전기에 가해지는 풍속을 모의할 수 없다는 한계가 있다. And, as shown in FIG. 3 again, the SL is divided into an upper inertial sublayer (hereinafter referred to as ISL) and a lower roughness sublayer (hereinafter referred to as RSL). In the case of the ISL located in the upper part of the two, the MOST theory (Monin-Obukhov Similarity Theory), which describes the vertical distribution of wind and temperature in the stationary turbulent state in the SL, is applied to The atmospheric state considering the influence of can be easily modeled. On the other hand, since the RSL located at the bottom is directly affected by obstacles on the ground, the existing MOST theory alone cannot accurately model the atmospheric state, that is, the wind speed. However, since the actual wind turbine is located at the RSL, there is a limitation that the wind speed applied to the wind turbine cannot be simulated in the conventional method.
이에 본 실시예의 대기 모형 적용부(200)는 RSL에서의 대기 상태, 즉 난류 확산을 새로운 모델링 기법으로 모수화(parameterization)함으로써, 실제 풍력 발전기에 가해지는 풍속을 시공간적으로 고해상도로 정확하게 모의할 수 있도록 한다. 본 실시예의 대기 모형 적용부(200)는 기존에 NCAR(National Center for Atmospheric Research)에서 대기를 수치적으로 해석하기 위해 개발한 중규모 모델인 WRF(Weather Research and Forecasting) 모델이 더욱 정확한 풍속을 나타낼 수 있도록 수정하여 대기 모형으로 이용한다.Accordingly, the atmospheric
도 4를 참조하면, 본 실시예의 대기 모형 적용부(200)는 RSL의 대기 상태를 수치 해석하기 위해 (b)와 같이 제안한 수직 좌표계를 (a)와 같이 재수정한 수직 좌표계를 사용한다. Referring to FIG. 4 , the atmospheric
도 4에서 지표면은 = 0로 표현되고 d0 는 기존에 WRF 모델 내부의 MM5 SL 체계에서 정의된 영면 변위 높이(zero-plane displacement height)를 나타내며, z0는 장애물에 의한 거칠기 길이(roughness length), h는 장애물 높이를 나타내는 캐노피 높이(canopy height), zr은 기존 WRF 모델의 좌표계에서 최하 계층(여기서는 RSL)의 길이로서, 영면 변위 높이(d0)로부터의 거칠기 길이를 나타낸다.In Figure 4, the ground surface is = 0, d 0 represents the zero-plane displacement height previously defined in the MM5 SL system inside the WRF model, z 0 is the roughness length due to the obstacle, and h is the height of the obstacle The canopy height representing , z r is the length of the lowest layer (here, RSL) in the coordinate system of the existing WRF model, and represents the roughness length from the zero plane displacement height (d 0 ).
(a)와 (b)를 비교하면, 본 실시예에 따른 대기 모형 적용부(200)는 (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 수직 좌표계()에서 영면 변위 높이( = d0)를 수직 좌표계(z)의 원점으로 설정하여 대기 모형을 적용한다. 따라서 영면 변위 높이( = d0)가 수직 좌표계(z)의 원점으로 적용됨에 따라, 본 실시예에서 수직 좌표계(z)는 z = - d0 이다. 그리고 수정된 수직 좌표계(z)를 기반으로 하만 및 피니간(Harman and Finnigan(2007): 이하 HF)에 의해 재정의된 영면 변위 높이(dt)는 캐노피 높이(h)에서 기존 영면 변위 높이(d0)를 차감한 값(dt = h - d0)으로 계산될 수 있다. 이하에서는 도 4에서 (a)의 수직 좌표계를 이용하는 것으로 가정한다.Comparing (a) and (b), the atmospheric
도 5를 참조하면 대기 모형 적용부(200)는 대기 안정도 계산부(210), 영면 변위 계산부(220), 나무 높이 측정부(230), 거칠기 길이 계산부(240), 연직 풍속 결정부(250) 및 지형 기반 풍속 교정부(260)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the atmospheric
대기 안정도 계산부(210)는 연직 풍속 계산에 필요한 변수 중 하나로 대기 안정도(zr/L)를 계산한다. 대기 안정도 계산부(210)는 대기 안정도(zr/L)를 계산하기에 앞서 벌크 리차드슨 수(Bulk Richardson Number)(Bib)를 계산한다. 벌크 리차드슨 수(Bib)는 대기의 동적 안정도를 나타내는 지표로서 난류 발생 여부를 판단하기 위해 사용되며, 연직 풍속 차이에 의한 난류 손실량 대비 부력에 의한 난류 손실량을 나타낸다. 벌크 리차드슨 수는 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.The
여기서 g는 중력 가속도이고, θa 는 수치해석 모델의 기존 WRF 모델(MM5 SL)의 좌표계에서 모델의 최하 계층(lowest model layer)(여기서는 RSL)의 높이(zr)에서 온위(Potential temperature)를 나타내고, θva 와 θvg 는 각각 SL과 지표면에서의 가온위(virtual potential temperature)를 나타낸다. 그리고 u(zr)은 최하 모델층 높이(zr)에서의 풍속을 나타내고, z는 기존의 WRF 모델(MM5 SL)에서 정의된 영면 변위 높이(d0)를 원점으로 하는 수직 좌표값이다.where g is the gravitational acceleration, and θ a is the potential temperature at the height (z r ) of the lowest model layer (here, RSL) in the coordinate system of the existing WRF model (MM5 SL) of the numerical model , and θ va and θ vg represent the virtual potential temperature at SL and ground surface, respectively. And u(z r ) represents the wind speed at the height of the lowest model layer (z r ), and z is a vertical coordinate value with the zero plane displacement height (d 0 ) defined in the existing WRF model (MM5 SL) as the origin.
벌크 리차드슨 수가 계산되면, 대기 안정도 계산부(210)는 계산된 벌크 리차드슨 수를 적용하여 대기 안정도(zr/L)를 계산한다. 대기 안정도(zr/L)는 모델 최하층 높이(zr)와 오부코프 길이(L)의 비로서, 오부코프 길이(L) 자체가 안정도를 나타내지만, 여기서는 모델 최하층 높이(zr)를 반영하여 무차원으로 스케일링하며, 수학식 2에 따라 계산된다.When the bulk Richardson number is calculated, the
여기서 u* n-1 은 이전 스텝(n-1)에서 획득된 마찰 속도(friction velocity)를 나타내고, ψm, ψh 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 상사 함수(similarity function)를 나타내며, , 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 RSL 함수를 나타낸다. 그리고 ρ는 공기 밀도이고, cp 는 공기에 대한 정압비열(Specific heat for air)이며, cs 는 열 전달 효율 계수(Effective heat transfer coefficient)를 나타낸다. z0, zl 은 각각 거칠기 길이와 비스커스 아층 깊이(Viscous sublayer depth)이고, k는 본 카르만 상수(von Kㅱrmㅱn constant)(여기서는 0.4)이다.where u * n-1 represents the friction velocity obtained in the previous step (n-1), ψ m and ψ h represent the integrated similarity function for momentum and heat, respectively, , denotes the integrated RSL function for momentum and heat, respectively. And ρ is the air density, c p is the specific heat for air, and c s represents the effective heat transfer coefficient. z 0 and z l are the roughness length and the viscous sublayer depth, respectively, and k is the von Karman constant (here 0.4).
수학식 2는 기존의 MOST 이론을 RSL에 적용하기 위해 RSL 함수(, )를 추가한 구성으로, RSL 함수(, )는 HF에 의해 관측을 기반으로 경험적으로 획득된 알려진 함수이다.
영면 변위 계산부(220)는 지면상의 장애물 요소를 고려하여 새로이 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 계산한다.The zero plane
이때 영면 변위 계산부(220)는 나무 높이 측정부(230)가 라이다(Lidar) 등을 이용하여 측정한 나무 높이를 캐노피 높이(h)로 인가받아 획득할 수 있다. 일반적으로 풍력 발전기는 바람이 상시적으로 불어올 수 있어야 하므로, 고지대나 해상에 설치되므로, 주변 장애물로는 건축물보다는 나무가 대부분이다. 따라서 여기서는 나무 높이 측정부(230)에서 측정된 나무 높이를 캐노피 높이(h)로 이용하는 것으로 가정한다. 경우에 따라서 주변 나무 높이가 이미 측정되어 영면 변위 계산부(220)에 미리 저장될 수도 있으며, 이 경우, 나무 높이 측정부(230)는 생략될 수도 있다.At this time, the zero plane
영면 변위 계산부(220)는 수학식 3에 따라 영면 변위 높이(dt)를 계산할 수 있다.The zero
여기서 lm은 운동량에 관한 혼합 길이(Mixing length for momentum)이고 β는 안정도 변수이며, Lc는 캐노피 투과 깊이(canopy penetration depth)이다.Here, l m is the mixing length for momentum, β is the stability parameter, and L c is the canopy penetration depth.
수학식 3에서 캐노피 투과 깊이(Lc)와 안정도 변수(β)는 각각 수학식 4 및 5에 따라 계산된다.In
여기서 cd 는 잎 스케일에서의 공기 저항 계수(drag coefficient at the leaf scale)이고, a는 잎 면적 밀도이며, LAI는 잎 면적 지수(Lear Area Index)이다.where c d is the drag coefficient at the leaf scale, a is the leaf area density, and LAI is the leaf area index.
여기서 Φ m은 운동량에 관한 상사 함수, βN은 자연 상태에서의 안정도값(=0.374)을 나타낸다.Here, Φ m is a similar function related to momentum, and β N represents the stability value in the natural state (=0.374).
즉 영면 변위 계산부(220)는 지표면의 장애물 요소인 나무 높이를 고려하여 대기 모델에서 새롭게 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 계산하여 획득한다.That is, the zero-plane
다만 안정도 변수(β)는 RSL 함수(, )에도 영향을 미치는 변수이다. 따라서 대기 안정도 계산부(210)와 영면 변위 계산부(220)는 안정도 변수(β)와 RSL 함수(, )의 변화가 기지정된 기준값 이하가 될 때까지 상호 반복하여 대기 안정도(zr/L)와 안정도 변수(β)를 교대로 계산한 후, 영면 변위 높이(dt)를 계산할 수 있다.However, the stability variable (β) is the RSL function ( , ) is also a variable that affects Therefore, the
거칠기 길이 계산부(240)는 바람이 도 6과 같은 로그 프로파일을 따른다고 가정할때, 0이 되는 높이를 나타내는 거칠기 길이(z0)를 계산한다. 도 4에 도시된 거칠기 길이(z0)는 수학식 6에 따라 계산될 수 있다.The roughness
여기서 은 운동량에 관한 RSL 상사 함수를 나타낸다.here denotes the RSL similar function for momentum.
연직 풍속 결정부(250)는 수직 좌표값(z)에 따른 마찰 속도(Friction velocity)(u*)를 수학식 7에 따라 계산하여 연직 바람 프로파일을 결정한다.The vertical
풍속(u)이나 온도(T) 등은 연직 프로파일로 계산 시 변수(C)로 치환되어 계산될 수 있다. 다만 변수(C)에 대한 연직 프로파일은 캐노피 높이(h)와 HF에 의해 재정의된 영면 변위 높이(dt = h - d0) 사이의 상대 거리에 따라 캐노피 높이(h)를 기준으로 위와 아래를 구분되어 캐노피 높이(h) 이상은 수학식 8로 계산되고, 캐노피 높이(h) 미만은 수학식 9로 계산될 수 있다.Wind speed (u) or temperature (T) may be calculated by substituting a variable (C) when calculating the vertical profile. However, the vertical profile for variable (C) moves up and down based on the canopy height (h) according to the relative distance between the canopy height (h) and the height of the zero plane displacement (d t = h - d 0 ) redefined by HF. Separately, the canopy height (h) or more is calculated by Equation 8, and the canopy height (h) or less can be calculated by Equation 9.
여기서 C* 은 변수(C)의 스케일 값이고, C0는 거칠기 길이(z0)에서의 변수(c)의 값이고, 는 변수(c)의 적분 상사 함수(integrated similarity function)이며, 는 변수(C)의 RSL 함수이다.where C * is the scale value of variable (C), C 0 is the value of variable (c) at the roughness length (z 0 ), is the integrated similarity function of the variable (c), is the RSL function of the variable (C).
여기서 Ch는 캐노피 높이(h)에서의 변수(c)의 값이고, f는 스칼라 프로파일의 깊이 스케일과 관련된 매개 변수이다.where C h is the value of variable (c) at canopy height (h), and f is a parameter related to the depth scale of the scalar profile.
본 실시예에서 변수(C)가 풍속일 때, 연직 풍속 프로파일은 도 6에 도시된 바와 같이, 캐노피 높이(h)를 기준으로 위와 아래로 서로 다르게 구분된 패턴의 연직 풍속 프로파일을 획득할 수 있다.In this embodiment, when the variable C is the wind speed, as shown in FIG. 6, the vertical wind speed profile of a pattern divided differently from top to bottom based on the canopy height (h) can be obtained. .
이는 기존의 MOST 이론을 적용하는 경우에 비해, 풍력 발전기가 위치하는 RSL에서 지형 고도에 따른 풍속을 더욱 정확하게 표현할 수 있다.Compared to the case where the conventional MOST theory is applied, the wind speed according to the terrain altitude can be more accurately expressed in the RSL where the wind turbine is located.
수학식 8 및 9에 따라 연직 풍속 프로파일이 획득되면, 지형 기반 풍속 교정부(260)는 풍력 발전기가 설치된 위치의 지형 특성을 반영하여 풍속을 추가 보정한다. 연직 풍속 프로파일에 따른 풍속은 지형에 따라 경향성을 나타낸다. 일반적으로 산악 정상에서는 풍속이 과소 모의되는 경향성을 나타내는 반면, 평야나 계곡에서는 과대 모의되는 경향성을 나타낸다.When the vertical wind speed profile is obtained according to Equations 8 and 9, the terrain-based wind
따라서 풍력 발전기에 가해지는 바람의 풍속을 더욱 정확하게 계산하기 위해 지형 기반 풍속 교정부(260)는 지형 특성에 따라 연직 풍속 프로파일에서 획득되는 풍속을 추가로 보상한다.Therefore, in order to more accurately calculate the wind speed of the wind applied to the wind power generator, the terrain-based
여기서 풍속 보정은 기지정된 크기의 아격자 규모의 산악(subgrid-scale orography) 형상에 대한 표준 편차(σsso)를 획득하고, 특정 아격자를 중심으로 가로 및 세로 방향에 위치하는 주변 4개의 아격자와의 높이 관계를 수학식 10에 따라 계산하여 지형 고도의 라플라시안값(Δ2hi,j)을 획득한다.Here, the wind speed correction obtains the standard deviation (σ sso ) for a subgrid-scale orography shape of a predetermined size, and four surrounding sub-grids located in the horizontal and vertical directions centered on a specific sub-grid A height relationship with is calculated according to
그리고 지면의 마찰에 의한 풍속, 즉 연직 풍속 프로파일에 따른 풍속에 수학식 11과 같이 소산 수준을 반영하여 보상한다.In addition, the wind speed due to the friction of the ground, that is, the wind speed according to the vertical wind speed profile, is compensated by reflecting the dissipation level as shown in Equation 11.
이때, 소산 수준을 나타내는 소산 팩터(ct)는 아격자 규모의 산악 형상에 대한 표준 편차(σsso)와 주변 지형과의 관계에 따른 지형 고도의 라플라시안값(Δ2h)을 기반으로 수학식 12에 따라 획득된다.At this time, the dissipation factor (c t ) representing the dissipation level is based on the standard deviation (σ sso ) of the mountain topography of the sub-grid scale and the Laplacian value (Δ 2 h) of the terrain elevation according to the relationship with the surrounding topography. Equation Obtained according to 12.
수학식 12에서 소산 팩터(ct)는 평야 위치일수록 위쪽의 1의 값을 갖게 되어 풍속이 크게 줄도록 함으로써 과대 모의된 풍속을 감소시키는 반면, 산악 정상인 경우에는 0이 되어 풍속이 줄어들지 않도록 하여 과소 모의되는 것을 방지한다.In Equation 12, the dissipation factor (c t ) has a value of 1 at the top at the plain location, so that the wind speed is greatly reduced, thereby reducing the excessively simulated wind speed, whereas at the top of the mountain, it becomes 0 and the wind speed is not reduced. prevent mocking
또한 산악 지형에서 산 정상이나 햇빛이 도달하는 경사면은 태양열로 인해 가열되는 반면, 산의 그림자에 의해 평야나 계곡에서는 음지가 형성되어 상대적으로 낮은 온도를 유지하게 되며, 이로 인해 지형에 따른 바람의 변화가 추가로 발생한다.In addition, in mountainous terrain, the top of a mountain or the slope where sunlight reaches is heated by the sun's heat, while the shadow of the mountain forms a shaded area in the plain or valley to maintain a relatively low temperature, resulting in wind changes according to the terrain additionally occurs.
도 7은 풍속에 영향을 미치는 지형 효과를 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for explaining a terrain effect affecting wind speed.
지형 기반 풍속 교정부(260)는 도 7에 도시된 바와 같이, 시간에 따른 태양의 위치와 산악 지형을 기반으로 그림자 영역에는 태양 복사가 0이 되도록 하고, 태양이 비치는 경사 영역에서는 지형 기울기에 따른 태양 복사량이 수학식 1의 가온위(θva, θvg) 각각에 반영되도록 한다.As shown in FIG. 7 , the terrain-based wind
지형 기반 풍속 교정부(260)는 경사 영역에서의 가온위(θva, θvg) 각각에 경사 대비 태양 고도에 의한 각도(θ)에 따른 태양 복사량이 반영되도록 수학식 13을 가중할 수 있다.The topography-based
여기서 φ는 지구 위도, δ는 적위(편각), β는 지표 경사, γ는 방위각, ω는 자오선과 천체가 이루는 각도인 시각 및 θ는 입사각을 나타낸다.Here, φ is the earth's latitude, δ is the declination (declination), β is the inclination of the earth's surface, γ is the azimuth angle, ω is the angle formed by the meridian and the celestial body, and θ is the angle of incidence.
상기한 바와 같이, 대기 모형 적용부(200)는 수치 해석 모델인 대기 모형을 이용하여 시공간적으로 저해상도를 갖는 기상 예보로부터 고해상도의 기상 예보를 추출할 수 있다.As described above, the atmospheric
도 8은 대기 모형 적용부에서 획득되는 고해상도 예보의 일 예를 나타낸다.8 shows an example of a high-resolution forecast obtained by the atmospheric model application unit.
도 8에서는 (a)와 (b)는 각각 1월과 2월에 수집된 예보장(GFS)과 대기 모형 적용부(200)가 대기 모형을 적용하여 예보장(GFS)을 풍력 발전소의 위치에 기반으로 고해상도화한 결과(WRF-GFS) 및 예보된 시간에 실제 측정된 풍속(observed)을 비교한 결과를 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 대기 모형 적용부(200)에 의해 고해상도화된 풍속(WRF-GFS)은 예보장(GFS)에 비해 실제 측정된 풍속에 매우 가까운 패턴으로 나타남을 알 수 있다.In FIG. 8, (a) and (b) show the GFS collected in January and February, respectively, and the atmospheric
한편 시간 변수 적용부(300)는 정보 수집부(100)에서 수집된 기상 정보와 대기 모형 적용부(200)에서 고해상도화된 기상 예보에 연속하는 시간의 변화를 반영하기 위한 시간 변수를 기지정된 방식으로 생성하여 적용하여 입력 데이터를 생성한다. 시간 변수 적용부(300)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.Meanwhile, the time
발전량 예측부(400)는 미리 학습된 인공 신경망으로 구현되어, 시간 변수가 적용된 기상 정보인 입력 데이터를 인가받고, 학습된 방식에 따라 발전량을 추정하여 출력한다.The power
기상 데이터 베이스(500)는 발전량 예측부(400)를 학습하기 위한 학습 데이터가 저장된다. 기상 데이터 베이스(500)는 정보 수집부(100)에서 이전 획득되어 시간 변수 적용부(300)에 시간 변수가 적용된 입력 데이터와 시간 변수에 따른 시간에 실제 발전량이 학습 데이터로서 미리 누적 저장된다.The
이에 발전량 예측부(400)는 기상 데이터 베이스(500)에 누적 저장된 입력 데이터를 인가받아 발전량을 추정하고, 추정된 발전량과 기상 데이터 베이스(500)에 입력 데이터에 대응하여 저장된 실제 발전량 사이의 차이가 손실로서 역전파됨으로써 입력 데이터에 대응하는 발전량을 정확하게 추정하도록 학습될 수 있다.Accordingly, the power
도 9는 도 1의 시간 변수 생성부에서 생성되는 시간 변수의 일 예를 나타내고, 도 10은 발전량 예측부에 입력되는 입력 데이터의 일 예를 나타낸다.FIG. 9 shows an example of a time variable generated by the time variable generator of FIG. 1 , and FIG. 10 shows an example of input data input to the generation amount predictor.
시간 변수 적용부(300)는 도 9에 도시된 바와 같이, 월과 일의 날짜를 나타내는 2개의 날짜 변수(var1, var2)와 시와 분의 시간을 나타내는 2개의 시간 변수(var3, var4)를 생성할 수 있다.As shown in FIG. 9, the time
각종 기상 정보는 수집되는 시간이 존재하며 기상 예보의 경우, 예보되는 시간 또한 존재한다. 상기한 바와 같이, 예보장 수집부(110)에서 수집되는 S 예보장의 경우, 00, 06, 12, 18 UTC에 3시간 간격의 이후 384시간까지 16일치의 기상 예보가 제공된다. 그러나 기상 예보는 더 먼 미래를 예측할수록 오차가 커지게 되므로, 대기 모형 적용부(200)가 제공되는 전체 예보를 고해상도화하는 것은 무의미하다. 이에 대기 모형 적용부(200)는 기지정된 기간(이후 24시간)까지의 예보에 대해서만 고해상도화할 수도 있다.Various weather information has a time to be collected, and in the case of a weather forecast, a forecasted time also exists. As described above, in the case of the S forecast report collected by the forecast
한편 기상 예보와 달리 나셀 데이터 수집부(120) 및 AWS 데이터 수집부(130)에서 수집되는 측정값은 지정된 시간 간격으로 현재 또는 이전 측정된 풍속 데이터를 주기적으로 수집할 수 있다. 따라서 예보장 수집부(110)에서 수집되는 기상 정보와 나셀 데이터 수집부(120)에서 수집되는 기상 정보 및 AWS 데이터 수집부(130)에서 수집되는 기상 정보가 서로 다른 시간에 대한 기상 정보를 나타낼 수 있다.Meanwhile, unlike a weather forecast, measurement values collected by the nacelle
그러나 본 실시예에서 시간 변수 적용부(300)는 도 9와 같은 시간 변수를 생성하여 서로 대응하는 시점에 수집된 기상 정보들을 발전량을 예측하고자 하는 시간에 매칭시켜 도 10과 같은 입력 데이터를 생성할 수 있다. 즉 수집된 기상 정보에 포함된 기상 정보가 나타내는 시간에 무관하게, 현재 수집되는 기상 정보를 발전량을 예측하고자 하는 시간 변수에 매칭시켜 입력데이터를 생성할 수 있다. 이때 저해상도의 기상 예보의 경우, 대기 모형 적용부(200)에 의해 고해상도화된 기상 예보를 시간 변수에 매칭시켜 입력 데이터를 생성한다.However, in this embodiment, the time
다만, 실제 사람들이 이용하는 시간 정보로 시간 변수로 그대로 이용하는 경우, 발전량 예측부(400)의 학습이 용이하게 수행되지 않을 뿐만 아니라, 학습된 이후에도 발전량 예측에 오차가 발생할 가능성이 높게 나타난다. 이는 일반적으로 사용되는 시간 표시 체계에 따른 시간 정보가 불연속적으로 표현되기 때문인 것으로 확인되었다. 즉 년 단위에서 12월 이후 1월, 그리고 월 단위에서 30일 또는 31일 이후 1일이 되고, 시간 및 분단위에서도 각각 12시 이후 1시, 60분 이후 1분으로 불연속하게 반복되어 인공 신경망이 시간에 대한 정보를 용이하게 처리하지 못하여 오차가 발생할 수 있다.However, when the time information used by actual people is used as a time variable, learning of the
이에 본 실시예에서 시간 변수 적용부(300)는 도 9에 도시된 바와 같이, 1년을 주기로 반복적으로 증감하는 날짜 변수와 하루를 주기로 반복적으로 증감하는 시간 변수를 생성하여 입력 데이터에 매칭시킴으로써, 인공 신경망으로 구현되는 발전량 예측부(400)가 용이하게 시간 정보를 수용할 수 있도록 한다. 다만, 날짜 변수와 시간 변수를 각각 하나씩의 변수로 구현하는 경우, 날짜와 시간의 연속성은 제공할 수 있으나, 증감하는 과정에서 중복되는 값을 가지게 됨에 따라 날짜나 시간을 정확하게 구분하지 못하는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 방지하기 위해 시간 변수 적용부(300)는 동일한 주기로 증감되는 2개의 날짜 변수(var1, var2)와 2개의 시간 변수(var3, var4)를 생성하고, 2개의 날짜 변수(var1, var2)가 서로 다른 오프셋 값을 가지고 2개의 시간 변수(var3, var4) 또한 서로 다른 오프셋 값을 갖도록 함으로써, 시간의 연속성을 보장하면서도 날짜와 시간을 용이하게 구분할 수 있도록 한다.Accordingly, in this embodiment, as shown in FIG. 9 , the time
따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 발전량 예측부(400)에 입력되는 입력 데이터는 기상 정보에 발전량을 예측할 날짜 및 시간을 나타내는 시간 변수((var1, var2), (var3, var4))가 매칭되어 획득되고, 이때 기상 정보에는 고해상도 예보 데이터와 함께 나셀 데이터 및 AWS 데이터 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 10, the input data input to the power
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 방법을 나타낸다.11 shows a wind power generation prediction method according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 실시예에 따른 풍력 발전량 예측 방법을 설명하면, 우선 각종 기상 정보와 발전량 정보를 수집한다(S10). 이때 기상 정보는 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로 기상 예보와 이외 수집 가능한 다양한 기상 정보를 수집한다. 기상 예보는 이후 기지정된 기간(여기서는 일 예로 24시간)까지의 예보장을 수집할 수 있으며, 이외 기상 정보로는 풍력 발전기의 나셀에 설치된 측정 장치에서 현재 측정된 풍속과 인접한 ASW가 이전 측정한 풍속 등이 포함될 수 있다. Referring to FIGS. 1 to 10, the wind power generation prediction method according to the present embodiment is described. First, various weather information and power generation information are collected (S10). At this time, the weather information collects a weather forecast and other collectable weather information based on the location where the wind power generator is installed. Weather forecasts can then be collected up to a predetermined period of time (24 hours as an example in this case), and other weather information includes the wind speed currently measured by the measuring device installed in the nacelle of the wind power generator and the wind speed previously measured by the adjacent ASW. etc. may be included.
그리고 수집된 기상 정보 중 시공간적으로 저해상도의 기상 예보에 풍력 발전기의 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화한다(S20).Then, among the collected meteorological information, an atmospheric model that numerically reflects the topographical altitude and surrounding environmental factors according to the installation location of the wind power generator to the turbulence spread is applied to the weather forecast with low spatial and temporal resolution to achieve high resolution (S20).
고해상도화하는 단계에서는 우선 대기의 동적 안정도를 나타내는 지표인 벌크 리차드슨 수(Bib)를 수학식 1에 따라 계산하고, 계산된 벌크 리차드슨 수(Bib)를 이용하여 대기 안정도(zr/L)를 수학식 2에 따라 계산한다(S21).In the step of upgrading the resolution, first, the bulk Richardson number (Bi b ), which is an indicator of the dynamic stability of the atmosphere, is calculated according to
안정도 변수(β)와 라이다 등을 이용하여 측정된 나무 높이인 캐노피 높이(h)를 기반으로 대기 모델에서 새롭게 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 수학식 3에 따라 계산한다(S22). 그리고 대기 안정도(zr/L)의 RSL 함수(, ) 또는 안정도 변수(β)의 변화가 기지정된 기준값 이하인지 판별한다(S23). 만일 대기 안정도(zr/L)의 RSL 함수(, ) 또는 안정도 변수(β)의 변화가 기준값을 초과하는 것으로 판별되면, 계산된 안정도 변수(β)를 기반으로 RSL 함수(, )를 업데이트하여 대기 안정도(zr/L)를 다시 계산하고(S21), 영면 변위 높이(dt)를 업데이트한다(S22).Based on the stability variable (β) and the canopy height (h), which is the height of trees measured using LIDAR, the height of the ground displacement (d t ), which is newly defined in the atmospheric model, is calculated according to Equation 3 ( S22). And the RSL function of atmospheric stability (z r /L) ( , ) or whether the change in the stability variable (β) is less than or equal to a predetermined reference value (S23). If the RSL function of atmospheric stability (z r /L) ( , ) or if it is determined that the change in the stability variable (β) exceeds the reference value, the RSL function ( , ) is updated to recalculate the atmospheric stability (z r /L) (S21), and the zero plane displacement height (d t ) is updated (S22).
그러나 대기 안정도(zr/L)의 RSL 함수(, ) 또는 안정도 변수(β)의 변화가 기준값 이하이면, 바람이 로그 프로파일을 따른다고 가정할때, 0이 되는 높이를 나타내는 거칠기 길이(z0)를 수학식 6에 따라 계산한다(S24). 그리고 계산된 대기 안정도(zr/L)와 거칠기 길이(z0)를 이용하여 마찰 속도(u*)를 수학식 7에 따라 계산한다(S25).However, the RSL function of atmospheric stability (z r /L) ( , ) or if the change in the stability variable (β) is less than or equal to the reference value, assuming that the wind follows a logarithmic profile, the roughness length (z 0 ) representing the height of 0 is calculated according to Equation 6 (S24). Then, the friction speed (u * ) is calculated according to Equation 7 using the calculated atmospheric stability (z r /L) and the roughness length (z 0 ) (S25).
이후, 캐노피 높이(h)를 기준으로 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C*)과 캐노피 높이(h) 이하에서의 풍속(C*)을 각각 수학식 8 및 9에 따라 계산하여 연직 풍속 프로파일을 획득한다(S26). 그리고 계산된 연직 프로파일의 지형 고도에 따른 풍속을 풍력 발전기가 설치된 지형의 효과에 따라 보정한다(S27). 여기서 지형 효과에 따른 보정은 아격자 규모의 산악 형상에 대한 표준 편차(σsso)와 주변 지형 고도의 라플라시안값(Δ2hi,j)을 획득하여, 지형에 따른 풍속의 소산 수준을 수학식 11과 같이 반영하여 보상할 수 있다.Then, based on the canopy height (h), the wind speed (C * ) above the canopy height (h) and the wind speed (C * ) below the canopy height (h) are calculated according to Equations 8 and 9, respectively, and the vertical wind speed A profile is acquired (S26). In addition, the wind speed according to the terrain elevation of the calculated vertical profile is corrected according to the effect of the terrain where the wind turbine is installed (S27). Here, the correction according to the terrain effect obtains the standard deviation (σ sso ) of the mountain topography on a sub-grid scale and the Laplacian value (Δ 2 h i,j ) of the altitude of the surrounding terrain, and calculates the dissipation level of the wind speed according to the terrain by the equation 11 can be reflected and compensated.
경우에 따라서는 풍력 발전기가 설치된 지형의 경사도와 양지인지 음지인지에 따른 태양 복사량의 가중치를 벌크 리차드슨 수(Bib)를 계산할 때, 사전에 반영하여 풍속을 보상할 수도 있다.In some cases, when calculating the bulk Richardson number (Bi b ), the weight of solar radiation according to the slope of the terrain where the wind turbine is installed and whether it is sunny or shaded is reflected in advance to compensate for wind speed.
한편, 기상 정보가 획득되고 저해상도의 기상 예보를 대기 모델에 적용하여 고해상도화하면, 고해상도화 된 기상 예보와 나머지 기상 정보를 발전량을 예측하고자 하는 시간에 대응하여 생성된 시간 변수와 매칭하여 입력 데이터를 획득한다(S30). 이때 시간 변수는 1년을 주기로 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 날짜 변수(var1, var2)와 1일을 주기로 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 시간 변수(var3, var4)로 생성될 수 있다.On the other hand, when weather information is obtained and the low-resolution weather forecast is applied to the atmospheric model to achieve high resolution, the input data is obtained by matching the high-resolution weather forecast and the remaining weather information with time variables generated in response to the time to predict the amount of power generation. Obtain (S30). At this time, the time variable can be created as two date variables (var1, var2) with different offsets that increase or decrease in a cycle of one year and two time variables (var3, var4) with different offsets that increase or decrease in a cycle of one day. .
그리고 획득된 입력 데이터를 미리 학습된 인공 신경망에 입력하여, 시간 변수로 지정된 시간에서 풍력 발전기의 발전량을 예측한다. 여기서 인공 신경망은 이전 누적 획득된 기상 정보에 시간 변수가 매칭된 입력 데이터와 이에 대응하여 실제로 풍력 발전기에서 생성되어 측정된 발전량을 포함하는 학습 데이터를 기반으로 미리 학습된다. 인공 신경망은 학습 데이터의 입력 데이터를 인가받아 추정한 발전량과 실제 풍력 발전기에서 생성되어 측정된 발전량 사이의 오차를 손실로 역전파되어 학습될 수 있다.Then, the obtained input data is input to the pre-learned artificial neural network to predict the amount of power generation of the wind power generator at a time specified as a time variable. Here, the artificial neural network is pre-learned based on input data in which time variables are matched to previously accumulated weather information and learning data including the amount of power actually generated and measured by the wind power generator in response thereto. The artificial neural network may be learned by backpropagating as a loss an error between the amount of power generation estimated by receiving the input data of the learning data and the amount of power generation actually generated and measured by the wind power generator.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution on a computer. Here, computer readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, including read-only memory (ROM) dedicated memory), random access memory (RAM), compact disk (CD)-ROM, digital video disk (DVD)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 정보 수집부 200: 대기 모형 적용부
210: 대기 안정도 계산부 220: 영면 변위 계산부
230: 나무 높이 측정부 240: 거칠기 길이 계산부
250: 연직 풍속 결정부 260: 지형 기반 풍속 교정부
300: 시간 변수 적용부 400: 발전량 예측부
500: 기상 데이터 베이스100: information collection unit 200: atmospheric model application unit
210: Atmospheric stability calculation unit 220: Zero plane displacement calculation unit
230: tree height measurement unit 240: roughness length calculation unit
250: vertical wind speed determination unit 260: terrain-based wind speed correction unit
300: time variable application unit 400: power generation estimation unit
500: weather database
Claims (20)
시공간적으로 저해상도의 상기 기상 예보를 인가받아 풍력 발전기가 설치된 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화하는 대기 모형 적용부;
각각 기지정된 주기로 연속적으로 반복하여 증감하는 다수의 시간 변수를 생성하고, 생성된 다수의 시간 변수에 따른 시간 변수값을 다수의 고해상도화된 기상 예보를 포함한 기상 정보와 매칭하여 입력 데이터를 생성하는 시간 변수 적용부; 및
이전 획득된 입력 데이터와 실제 생성된 발전량이 매칭된 학습 데이터를 기반으로 미리 학습되어, 학습된 방식에 따라 현재 인가되는 입력 데이터로부터 발전량을 추정하여 출력하는 발전량 예측부를 포함하는 풍력 발전량 예측 장치.a weather information collection unit that collects weather information including weather forecast;
Atmospheric model applicator for receiving the weather forecast of temporally and spatially low resolution and applying an atmospheric model that numerically analyzes the topographical altitude and surrounding environmental factors according to the installation location where the wind power generator is installed to the turbulence diffusion to achieve higher resolution;
Time to generate input data by generating a plurality of time variables that continuously increase or decrease at predetermined intervals, and matching time variable values according to the generated plurality of time variables with weather information including a plurality of high-resolution weather forecasts. variable application unit; and
Wind power generation forecasting device including a power generation estimation unit that is pre-learned based on learning data in which previously obtained input data and actually generated power generation are matched, and estimates and outputs power generation from input data that is currently applied according to the learned method.
1년을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 날짜 변수와 1일을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 시간 변수를 생성하며, 발전량을 예측하고자 하는 시간에 대한 시간 변수값을 상기 기상 정보에 매칭하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 1, wherein the time variable applying unit
Create two date variables with different offsets that increase or decrease continuously in a cycle of one year and two time variables with different offsets that increase or decrease in a continuous cycle of one day and increase or decrease continuously in a cycle of one day. Wind power generation prediction device for matching the time variable value to the weather information.
대기의 동적 안정도를 나타내는 지표인 벌크 리차드슨 수(Bib)를 계산하고, 상기 벌크 리차드슨 수(Bib)를 이용하여 대기 안정도(zr/L)를 계산하는 대기 안정도 계산부;
안정도 변수(β)를 계산하고, 측정으로 획득되는 지면 상의 장애물 높이인 캐노피 높이(h)를 기반으로 대기 모델에서 새롭게 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 계산하는 영면 변위 계산부;
바람이 로그 프로파일을 따른다고 가정할 때, 0이 되는 높이를 나타내는 거칠기 길이(z0)를 계산하는 거칠기 길이 계산부; 및
계산된 대기 안정도(zr/L)와 거칠기 길이(z0)를 이용하여 마찰 속도(u*)를 계산하고, 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C*)과 캐노피 높이(h) 이하에서의 풍속(C*)하여 연직 풍속 프로파일을 획득하는 연직 풍속 결정부를 포함하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 1, wherein the atmospheric model application unit
an atmospheric stability calculation unit that calculates a bulk Richardson number (Bi b ), which is an indicator of atmospheric dynamic stability, and calculates atmospheric stability (z r /L) using the bulk Richardson number (Bi b );
A zero-plane displacement calculation unit that calculates a stability variable (β) and a zero-plane displacement height (d t ), which is a ground height newly defined in the atmospheric model, based on a canopy height (h), which is a height of an obstacle on the ground obtained by measurement;
a roughness length calculation unit that calculates a roughness length (z 0 ) representing a height that becomes 0 when it is assumed that the wind follows a logarithmic profile; and
The friction velocity (u * ) is calculated using the calculated atmospheric stability (z r /L) and the roughness length (z 0 ), and the wind speed (C * ) above the canopy height (h) and below the canopy height (h) A wind power generation estimation device including a vertical wind speed determiner for obtaining a vertical wind speed profile by wind speed (C * ) in.
대기의 동적 안정도를 나타내는 지표로서 난류 발생 여부를 판단하기 위해 사용되는 벌크 리차드슨 수(Bib)를 수학식
(여기서 g는 중력 가속도이고, θa 는 수치해석 모델의 기존 WRF 모델(MM5 SL)의 좌표계에서 모델의 최하 계층(lowest model layer)(여기서는 RSL)의 높이(zr)에서 온위(Potential temperature)를 나타내고, θva 와 θvg 는 각각 SL과 지표면에서의 가온위(virtual potential temperature)를 나타낸다. 그리고 u(zr)은 최하 모델층 높이(zr)에서의 풍속을 나타내고, z는 기존의 WRF 모델(MM5 SL)에서 정의된 영면 변위 높이(d0)를 원점으로 하는 수직 좌표값이다.)
에 따라 계산하고,
상기 대기 안정도(zr/L)를 수학식
여기서 u* n-1 은 이전 스텝(n-1)에서 획득된 마찰 속도(friction velocity)를 나타내고, ψm, ψh 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 상사 함수(similarity function)를 나타내며, , 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 RSL 함수를 나타낸다. 그리고 ρ는 공기 밀도이고, cp 는 공기에 대한 정압비열(Specific heat for air)이며, cs 는 열 전달 효율 계수(Effective heat transfer coefficient)를 나타낸다. z0, zl 은 각각 거칠기 길이와 비스커스 아층 깊이(Viscous sublayer depth)이고, k는 본 카르만 상수(von Kㅱrmㅱn constant)(여기서는 0.4)이다.
에 따라 계산하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 3, wherein the atmospheric stability calculator
As an indicator of the dynamic stability of the atmosphere, the bulk Richardson number (Bi b ) used to determine whether turbulence occurs is calculated by the equation
(Where g is the gravitational acceleration, and θ a is the potential temperature at the height (z r ) of the lowest model layer (here, RSL) in the coordinate system of the existing WRF model (MM5 SL) of the numerical model) , where θ va and θ vg represent the virtual potential temperature at the SL and ground surface, respectively, and u(z r ) represents the wind speed at the lowest model layer height (z r ), and z represents the conventional It is a vertical coordinate value whose origin is the zero plane displacement height (d 0 ) defined in the WRF model (MM5 SL).)
calculated according to
The atmospheric stability (z r /L) is expressed by the equation
where u * n-1 represents the friction velocity obtained in the previous step (n-1), ψ m and ψ h represent the integrated similarity function for momentum and heat, respectively, , denotes the integrated RSL function for momentum and heat, respectively. And ρ is the air density, c p is the specific heat for air, and c s represents the effective heat transfer coefficient. z 0 and z l are the roughness length and the viscous sublayer depth, respectively, and k is the von Karman constant (here 0.4).
wind power generation forecasting device that calculates according to
상기 영면 변위 높이(dt)를 수학식
(여기서 lm은 운동량에 관한 혼합 길이(Mixing length for momentum)이고 β는 안정도 변수이며, Lc는 캐노피 투과 깊이(canopy penetration depth)이다.)
(여기서 cd 는 잎 스케일에서의 공기 저항 계수(drag coefficient at the leaf scale)이고, a는 잎 면적 밀도이며, LAI는 잎 면적 지수(Lear Area Index)이다.)
(여기서 Φ m은 운동량에 관한 상사 함수, βN은 자연 상태에서의 안정도값(=0.374)을 나타낸다.)
에 따라 계산하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 4, wherein the zero plane displacement calculator
The zero plane displacement height (d t ) is expressed by the equation
(Where l m is the mixing length for momentum, β is the stability parameter, and L c is the canopy penetration depth.)
(Where c d is the drag coefficient at the leaf scale, a is the leaf area density, and LAI is the leaf area index.)
(Here, Φ m is a similar function for momentum, and β N represents the stability value in the natural state (=0.374).)
wind power generation forecasting device that calculates according to
상기 거칠기 길이(z0)를 수학식
(여기서 은 운동량에 관한 RSL 상사 함수를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 5, wherein the roughness length calculator
The roughness length (z 0 ) is calculated by the equation
(here represents the RSL similar function for momentum.)
wind power generation forecasting device that calculates according to
상기 마찰 속도(u*)를 수학식
에 따라 계산하고,
상기 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C)을 수학식
(여기서 C* 은 풍속(C)의 스케일 값이고, C0는 거칠기 길이(z0)에서의 변수(c)의 값이고, 는 풍속(C)의 적분 상사 함수(integrated similarity function)이며, 는 변수(C)의 RSL 함수이다.)
에 따라 계산하며,
상기 캐노피 높이(h) 미만에서의 풍속(C)을 수학식
(여기서 Ch는 캐노피 높이(h)에서의 변수(c)의 값이고, f는 스칼라 프로파일의 깊이 스케일과 관련된 매개 변수이다.)
에 따라 계산하여 지면 고도에 따른 연직 풍속 프로파일을 획득하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 6, wherein the vertical wind speed determiner
The frictional speed (u * ) is calculated by the equation
calculated according to
The wind speed (C) above the canopy height (h) is expressed by the equation
(Where C * is the scale value of the wind speed (C), C 0 is the value of the variable (c) in the roughness length (z 0 ), is the integrated similarity function of the wind speed (C), is the RSL function of the variable (C).)
calculated according to
The wind speed (C) below the canopy height (h) is expressed as
(Where C h is the value of variable (c) at canopy height (h), and f is a parameter related to the depth scale of the scalar profile.)
A wind power generation forecasting device that obtains a vertical wind speed profile according to ground altitude by calculating according to.
상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로 기지정된 크기의 아격자 규모의 산악(subgrid-scale orography) 형상에 대한 표준 편차를 획득하고, 특정 아격자를 중심으로 가로 및 세로 방향에 위치하는 주변 4개의 아격자와의 높이 관계에 기초하여 지형 고도의 라플라시안값을 획득하여, 아격자 규모의 산악 형상에 대한 표준 편차와 주변 지형과의 관계에 따른 지형 고도의 라플라시안값에 따라 서로 상이한 바람의 소산 수준을 상기 연직 풍속 결정부에서 획득된 연직 풍속 프로파일에 추가로 반영하는 지형 기반 풍속 교정부를 더 포함하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 3, wherein the atmospheric model application unit
A standard deviation for a subgrid-scale orography shape of a predetermined size based on the location where the wind turbine is installed is obtained, and four neighboring subgrid-scale orography shapes located in the horizontal and vertical directions centered on a specific sub-grid are obtained. The Laplacian value of topographical altitude is obtained based on the height relationship with the grid, and different wind dissipation levels are calculated according to the standard deviation of the mountain topography on a sub-grid scale and the Laplacian value of topographical elevation according to the relationship with the surrounding topography. Wind power generation forecasting device further comprising a terrain-based wind speed correction unit that additionally reflects the vertical wind speed profile obtained by the vertical wind speed determination unit.
상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로, 이후 기지정된 시간 간격의 기상 상태를 예측한 예보장을 수집하는 예보장 수집부;
상기 풍력 발전기의 나셀에 설치된 측정 장치를 이용하여 측정된 실시간 기상 정보를 수집하는 나셀 데이터 수집부를 포함하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 1, wherein the weather information collecting unit
Based on the location where the wind power generator is installed, a forecast collection unit for collecting a forecast report predicting a meteorological condition at a predetermined time interval thereafter;
A wind power generation forecasting device comprising a nacelle data collection unit for collecting real-time weather information measured using a measuring device installed in the nacelle of the wind power generator.
상기 학습 데이터를 획득하기 위해, 상기 풍력 발전기에서 현재 생산되는 발전량을 추가로 수집하는 풍력 발전량 예측 장치.The method of claim 9, wherein the nacelle data collection unit
In order to obtain the learning data, the wind power generation amount predicting device for additionally collecting the amount of power currently produced by the wind power generator.
시공간적으로 저해상도의 상기 기상 예보를 인가받아 풍력 발전기가 설치된 설치 위치에 따른 지형 고도와 주변 환경 요인을 수치 해석적으로 난류 확산에 반영하는 대기 모형을 적용하여 고해상도화하는 단계;
각각 기지정된 주기로 연속적으로 반복하여 증감하는 다수의 시간 변수를 생성하고, 생성된 다수의 시간 변수에 따른 시간 변수값을 다수의 고해상도화된 기상 예보를 포함한 기상 정보와 매칭하여 입력 데이터를 생성하는 단계; 및
이전 획득된 입력 데이터와 실제 생성된 발전량이 매칭된 학습 데이터를 기반으로 미리 학습되어, 학습된 방식에 따라 현재 인가되는 입력 데이터로부터 발전량을 추정하여 출력하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.Collecting weather information including weather forecasts;
Applying an atmospheric model that numerically analyzes the terrain altitude and surrounding environmental factors according to the installation location where the wind power generator is installed by receiving the weather forecast of low resolution in time and space to the turbulent spread to obtain high resolution;
Generating a plurality of time variables that continuously increase or decrease at predetermined intervals, and generating input data by matching time variable values according to the generated plurality of time variables with weather information including a plurality of high-resolution weather forecasts. ; and
A method for predicting wind power generation including the step of pre-learning based on learning data in which previously obtained input data and actual generated power are matched, and estimating and outputting the power generation from the currently applied input data according to the learned method.
1년을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 날짜 변수와 1일을 주기로 연속적으로 반복하여 증감하며 서로 다른 오프셋을 갖는 2개의 시간 변수를 생성하는 단계; 및
발전량을 예측하고자 하는 시간에 대한 시간 변수값을 상기 기상 정보에 매칭하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.12. The method of claim 11, wherein generating the input data comprises:
generating two date variables with different offsets that continuously increase or decrease with a cycle of one year and two time variables with different offsets that continuously increase or decrease with a cycle of one day; and
A method for predicting the amount of wind power generation comprising the step of matching a time variable value for a time to predict the amount of power generation with the weather information.
대기의 동적 안정도를 나타내는 지표인 벌크 리차드슨 수(Bib)를 계산하고, 상기 벌크 리차드슨 수(Bib)를 이용하여 대기 안정도(zr/L)를 계산하는 단계;
안정도 변수(β)를 계산하고, 측정으로 획득되는 지면 상의 장애물 높이인 캐노피 높이(h)를 기반으로 대기 모델에서 새롭게 정의하는 지면 높이인 영면 변위 높이(dt)를 계산하는 단계;
바람이 로그 프로파일을 따른다고 가정할 때, 0이 되는 높이를 나타내는 거칠기 길이(z0)를 계산하는 단계; 및
계산된 대기 안정도(zr/L)와 거칠기 길이(z0)를 이용하여 마찰 속도(u*)를 계산하고, 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C*)과 캐노피 높이(h) 이하에서의 풍속(C*)하여 연직 풍속 프로파일을 획득하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.The method of claim 11, wherein the step of high resolution
Calculating a bulk Richardson number (Bi b ), which is an indicator of atmospheric dynamic stability, and calculating atmospheric stability (z r /L) using the bulk Richardson number (Bi b );
Calculating a stability variable (β) and calculating a zero plane displacement height (d t ), which is a ground height newly defined in the atmospheric model, based on a canopy height (h), which is a height of an obstacle on the ground obtained by measurement;
Calculating a roughness length (z 0 ) indicating a height at which the wind becomes 0 when it is assumed that the wind follows a logarithmic profile; and
The friction velocity (u * ) is calculated using the calculated atmospheric stability (z r /L) and the roughness length (z 0 ), and the wind speed (C * ) above the canopy height (h) and below the canopy height (h) A wind power generation prediction method comprising the step of obtaining a vertical wind speed profile by wind speed (C * ) at .
대기의 동적 안정도를 나타내는 지표로서 난류 발생 여부를 판단하기 위해 사용되는 벌크 리차드슨 수(Bib)를 수학식
(여기서 g는 중력 가속도이고, θa 는 수치해석 모델의 기존 WRF 모델(MM5 SL)의 좌표계에서 모델의 최하 계층(lowest model layer)(여기서는 RSL)의 높이(zr)에서 온위(Potential temperature)를 나타내고, θva 와 θvg 는 각각 SL과 지표면에서의 가온위(virtual potential temperature)를 나타낸다. 그리고 u(zr)은 최하 모델층 높이(zr)에서의 풍속을 나타내고, z는 기존의 WRF 모델(MM5 SL)에서 정의된 영면 변위 높이(d0)를 원점으로 하는 수직 좌표값이다.)
에 따라 계산하는 단계; 및
상기 대기 안정도(zr/L)를 수학식
여기서 u* n-1 은 이전 스텝(n-1)에서 획득된 마찰 속도(friction velocity)를 나타내고, ψm, ψh 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 상사 함수(similarity function)를 나타내며, , 는 각각 운동량과 열에 관한 적분된 RSL 함수를 나타낸다. 그리고 ρ는 공기 밀도이고, cp 는 공기에 대한 정압비열(Specific heat for air)이며, cs 는 열 전달 효율 계수(Effective heat transfer coefficient)를 나타낸다. z0, zl 은 각각 거칠기 길이와 비스커스 아층 깊이(Viscous sublayer depth)이고, k는 본 카르만 상수(von Kㅱrmㅱn constant)(여기서는 0.4)이다.
에 따라 계산하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.14. The method of claim 13, wherein the step of calculating the atmospheric stability (z r /L)
As an indicator of the dynamic stability of the atmosphere, the bulk Richardson number (Bi b ) used to determine whether turbulence occurs is calculated by the equation
(Where g is the gravitational acceleration, and θ a is the potential temperature at the height (z r ) of the lowest model layer (here, RSL) in the coordinate system of the existing WRF model (MM5 SL) of the numerical model) , where θ va and θ vg represent the virtual potential temperature at the SL and ground surface, respectively, and u(z r ) represents the wind speed at the lowest model layer height (z r ), and z represents the conventional It is a vertical coordinate value whose origin is the zero plane displacement height (d 0 ) defined in the WRF model (MM5 SL).)
calculating according to; and
The atmospheric stability (z r /L) is expressed by the equation
where u * n-1 represents the friction velocity obtained in the previous step (n-1), ψ m and ψ h represent the integrated similarity function for momentum and heat, respectively, , denotes the integrated RSL function for momentum and heat, respectively. And ρ is the air density, c p is the specific heat for air, and c s represents the effective heat transfer coefficient. z 0 and z l are the roughness length and the viscous sublayer depth, respectively, and k is the von Kårmån constant (here 0.4).
Wind power generation prediction method comprising the step of calculating according to.
상기 영면 변위 높이(dt)를 수학식
(여기서 lm은 운동량에 관한 혼합 길이(Mixing length for momentum)이고 β는 안정도 변수이며, Lc는 캐노피 투과 깊이(canopy penetration depth)이다.)
(여기서 cd 는 잎 스케일에서의 공기 저항 계수(drag coefficient at the leaf scale)이고, a는 잎 면적 밀도이며, LAI는 잎 면적 지수(Lear Area Index)이다.)
(여기서 Φ m은 운동량에 관한 상사 함수, βN은 자연 상태에서의 안정도값(=0.374)을 나타낸다.)
에 따라 계산하는 풍력 발전량 예측 방법.15. The method of claim 14, wherein the step of calculating the zero plane displacement height (d t )
The zero plane displacement height (d t ) is expressed by the equation
(Where l m is the mixing length for momentum, β is the stability parameter, and L c is the canopy penetration depth.)
(Where c d is the drag coefficient at the leaf scale, a is the leaf area density, and LAI is the leaf area index.)
(Here, Φ m is a similar function for momentum, and β N represents the stability value in the natural state (=0.374).)
Wind power generation forecasting method to calculate according to.
상기 거칠기 길이(z0)를 수학식
(여기서 은 운동량에 관한 RSL 상사 함수를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 풍력 발전량 예측 방법.16. The method of claim 15, wherein calculating the roughness length (z 0 )
The roughness length (z 0 ) is calculated by the equation
(here represents the RSL similar function for momentum.)
Wind power generation forecasting method to calculate according to.
상기 마찰 속도(u*)를 수학식
에 따라 계산하는 단계;
상기 캐노피 높이(h) 이상에서의 풍속(C)을 수학식
(여기서 C* 은 풍속(C)의 스케일 값이고, C0는 거칠기 길이(z0)에서의 변수(c)의 값이고, 는 풍속(C)의 적분 상사 함수(integrated similarity function)이며, 는 변수(C)의 RSL 함수이다.)
에 따라 계산하는 단계; 및
상기 캐노피 높이(h) 미만에서의 풍속(C)을 수학식
(여기서 Ch는 캐노피 높이(h)에서의 변수(c)의 값이고, f는 스칼라 프로파일의 깊이 스케일과 관련된 매개 변수이다.)
에 따라 계산하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.17. The method of claim 16, wherein obtaining the vertical wind speed profile comprises:
The frictional speed (u * ) is calculated by the equation
calculating according to;
The wind speed (C) above the canopy height (h) is expressed by the equation
(Where C * is the scale value of the wind speed (C), C 0 is the value of the variable (c) in the roughness length (z 0 ), is the integrated similarity function of the wind speed (C), is the RSL function of the variable (C).)
calculating according to; and
The wind speed (C) below the canopy height (h) is expressed as
(Where C h is the value of variable (c) at canopy height (h), and f is a parameter related to the depth scale of the scalar profile.)
Wind power generation prediction method comprising the step of calculating according to.
상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로 기지정된 크기의 아격자 규모의 산악(subgrid-scale orography) 형상에 대한 표준 편차를 획득하는 단계;
특정 아격자를 중심으로 가로 및 세로 방향에 위치하는 주변 4개의 아격자와의 높이 관계에 기초하여 지형 고도의 라플라시안값을 획득하는 단계;
아격자 규모의 산악 형상에 대한 표준 편차와 주변 지형과의 관계에 따른 지형 고도의 라플라시안값에 따라 서로 상이한 바람의 소산 수준을 상기 연직 풍속 프로파일에 추가로 반영하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.The method of claim 13, wherein the high-resolution step
obtaining a standard deviation for a subgrid-scale orography shape having a predetermined size based on a location where the wind turbine is installed;
Obtaining a Laplacian value of topographic elevation based on a height relationship with four neighboring sub-grids located in horizontal and vertical directions around a specific sub-grid;
A wind power generation prediction method further comprising the step of additionally reflecting different wind dissipation levels to the vertical wind speed profile according to the Laplacian value of topographical altitude according to the relationship between the standard deviation of the mountain topography on a sub-grid scale and the surrounding topography. .
상기 풍력 발전기가 설치된 위치를 기준으로, 이후 기지정된 시간 간격의 기상 상태를 예측한 예보장을 수집하는 단계; 및
상기 풍력 발전기의 나셀에 설치된 측정 방법을 이용하여 측정된 실시간 기상 정보를 수집하는 단계를 포함하는 풍력 발전량 예측 방법.12. The method of claim 11, wherein collecting weather information comprises:
Collecting a forecast report predicting a weather condition at a predetermined time interval thereafter based on the location where the wind power generator is installed; and
Wind power generation prediction method comprising the step of collecting real-time meteorological information measured using a measurement method installed in the nacelle of the wind power generator.
상기 학습 데이터를 획득하기 위해, 상기 풍력 발전기에서 현재 생산되는 발전량을 추가로 수집하는 풍력 발전량 예측 방법.The method of claim 11, wherein the method for predicting the amount of wind power generation
To obtain the learning data, the wind power generation amount prediction method of additionally collecting the amount of power currently produced by the wind power generator.
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