KR20120007783A

KR20120007783A - 풍력발전장치의 발전량 예측방법

Info

Publication number: KR20120007783A
Application number: KR1020100068482A
Authority: KR
Inventors: 송종화; 원종호; 박종수; 장현규
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-01-25

Abstract

본 발명은 풍력발전 장치의 발전량 예측방법으로서, 실측 발전량을 반영한 발전량 예측식을 통하여 보다 신뢰성 있는 발전량을 예측할 수 있는 발전량 예측방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전장치의 발전량 예측방법{An expectation method for generated power br an wind-power generator}

가정에서 사용되는 가전제품 또는 사무실에서 사용되는 사무기기등과 같은 전기제품이 작동하기 위한 전력은 일반적으로 한국전력공사에서 운영하는 전력발전소와, 송전선로, 그리고, 배선선로의 순서를 통하여 공급되는 것이 특징이다.

이는 분산전원이 아닌 중앙전원의 성격을 가지고 있으며, 중앙에서 주변부로 퍼져나가는 방사형구조이고, 수요자 중심이 아닌 단방향의 공급자 중심이라는 특징을 가지고 있다.

또한, 그 기술기반은 아날로그 또는 전자기계적이고, 사고시 수동적으로 복구되어야하고, 설비 또한 수동적으로 복구되어야 한다는 문제점이 있었다.

전기에 대한 가격의 정보도 실시간으로 알 수 있는 것이 아니라, 전력거래소를 통하여 제한적으로만 알 수 있었고, 가격제도 또한 사실상의 고정가격제이기 때문에 가격변화를 통한 수요자에 대한 인센티브와 같은 유인책을 사용할 수 없다는 문제점도 있었다.

이러한 문제점을 해결하고, 에너지의 효율성을 제고하기 위하여 최근에는 스마트 그리드(Smart Grid, 지능형 전력망)에 대한 연구가 활발하게 진행중이다.

스마트 그리드라 함은 현대화된 전력기술과 정보통신 기술의 융합과 복합을 통하여 구현된 차세대 전력시스템 및 이의 관리체제를 의미한다.

상술한 바와 같이, 현재의 전력망은 중앙에 집중되고 생산자가 통제하는 수직적, 중앙 집중적인 네트워크인 반면에, 스마트 그리드는 공급자에게 덜 집중되어 있고, 수요자와 공급자 간의 상호작용을 가능케 해주는 수평적, 협력적, 분산적 네트워크이다.

스마트 그리드에서는 모든 전기기기, 전력저장장치 및 분산된 전원이 네트워크로 연결되어 수요자와 공급자 간의 상호작용을 가능하게 하므로, 스마트 그리드를 "에너지 인터넷"으로 부르기도 한다.

특히, 이와 같은 스마트 그리드 하에서는 전력회사에서 공급되는 계통전원 이외에도 가정이나 사무실과 같은 수요처에서의 자가발전장치가 분산전원으로서 중요한 위치를 차지하고 있다.

자가발전장치는 통상 태양열 발전장치 또는 풍력발전장치를 포함하고 있는데, 이러한 자가 발전장치에서 발전된 전력량을 단순히 사용하는 것을 넘어서 기상상태 또는 날씨 예측정보에 따른 발전량을 예측하여, 전력공급의 안정성과 예측 가능성을 제고해야 한다는 필요성이 나타났다.

본 발명은 이와 같은 필요성을 충족하기 위한 것으로서, 풍력발전장치의 발전량을 예측하되, 보다 신뢰성 있는 예측 결과를 도출하여 분산전원으로부터 공급되는 전력의 예측 가능성을 도모할 수 있는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (A) 풍력발전장치를 동작시키는 단계와; (B) 소정 기간동안 상기 풍력발전장치에서의 발전량 실측 데이터 및, 상기 소정기간 동안의 풍속 및 풍향 예보 데이터를 축적하는 단계와; (C) 축적된 상기 발전량 실측 데이터 및 축적된 상기 풍속 및 풍향 예보 데이터를 근거로 풍속 및 풍향에 따른 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 예측하는 단계와; (D) 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 실측하고, 실측된 발전량이 소정 기준범위 내에 존재하는지 판단하여, 소정 기준범위내에 있는 실측된 발전량을, 향후 발전량 예측을 위한 변수로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법을 제공한다.

상기 (C) 단계는, 축적된 상기 풍속 및 풍향 데이터 및 상기 발전량 실측데이터를 이용하여 발전량 예측식을 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 발전량 예측식은 풍속변화에 따른 발전량 예측식인 것을 특징으로 한다.

상기 발전량 예측식은 적어도 하나 이상의 풍향별 풍속변화에 따른 발전량 예측식인 것을 특징으로 한다.

상기 (C) 단계에서 상기 발전량을 예측하는 것은 외부로부터 풍향 및 풍속 정보를 받아서, 상기 발전량 예측식에 입력하여 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 예측하는 것을 특징으로 한다.

상기 (D) 단계에서, 상기 실측 발전량이 소정 기준범위 내에 있는 경우, 풍향 및 풍속, 그리고 실측 발전량을 상기 발전량 예측식에 반영하여 상기 발전량 예측식을 업데이트 또는 수정하는 것을 특징으로 한다.

상기 소정 기준범위는 각 풍속별 상기 풍력발전 장치에서의 기준 허용 최대 발전량과 기준 허용 최소 발전량에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 (D) 단계에서, 발전량의 실측은 단위 시간구간별로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (B) 단계에서, 상기 발전량 예측식은 각 풍향 및 풍속에 따라서 달라지는 복수의 발전량 분포값을 선형적으로 표현하는 최소좌승법 방식을 통하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하여, 풍력발전장치의 초기 설치 후, 초기의 실제 발전이력을 이용하여 발전량을 예측한 후, 실지 발전량 이력을 계속 누적하고, 이를 토대로 예측 알고리즘 식을 업데이트 할 수 있다.

따라서, 보다 신뢰성 있는 발전량 예측치를 구할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 전력공급량 계획이나, 수요계획 수립시 보다 예측 가능성을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

도1은 스마트 그리드의 전체적인 개요도이다.
도2는 전력공급원과 가정 간에 마련되는 전력관리네트워크의 개략도이다.
도3은 에너지 관리장치의 정면도이다.
도4은 전력공급원과 가정 간에 마련되는 전력관리네트워크의 제어블록도이다.
도5는 풍력발전장치의 개략도이다.
도6은 풍력발전 장치의 제어블록도이다.
도7는 발전량 예측 흐름도이다.
도8은 풍향별 풍속변화에 따른 발전량 예측 그래프이다. .

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 알아보도록 하겠다.

도1은 스마트 그리드의 개략도에 관한 것으로서, 스마트 그리드는 화력발전이나 원자력발전 또는 수력발전을 통하여 전력을 발생시키는 발전소와, 신재생에너지인 태양광 또는 풍력을 이용한 태양광 발전소와 풍력발전소를 포함한다.

그리고, 상기 화력발전 또는 원자력발전소 또는 수력발전소는 송전선을 통하여 전력소로 전력을 보내고, 전력소에서는 변전소로 전기를 보내어 전기가 가정이나 사무실 같은 수요처로 분배되도록 한다.

그리고, 신재생 에너지에 의하여 생산된 전기도 변전소로 보내져 각 수요처로 분배되도록 한다. 그리고, 변전소에서 송전된 전기는 전력저장장치를 거쳐서 삼무실이나 각 가정으로 분배된다.

가정용 전력네트워크(HAN, Home Area Network)를 사용하는 가정에서도 태양광이나 PHEV(하이브리드 전기자동차, Plug in Hrbrid Electric Vehicle)에 장착된 연료전지를 통하여 전기를 자체적으로 생산하여 전기를 자체공급할 수 있고, 남는 전기는 외부에 되팔수도 있다.

그리고, 사무실이나 가정에는 스마트 계측장치가 마련되어서 각 수요처에서 사용되는 전력 및 전기요금을 실시간을 파악할 수 있고, 이를 통하여 사용자는 현재 사용되는 전력량 및 전기요금을 인지하여 상황에 따라 전력소모량이나 전기요금을 줄이는 방안을 강구할 수 있다.

한편, 상기 발전소, 전력소, 저장장치 및 수요처는 양방향 통신이 되기 때문에 수요처에서 일방적으로 전기를 받도록 하는 것만을 떠나서, 수요처의 상황을 저장장치, 전력소, 발전소로 통지함으로써 수요처의 상황에 맞게 전기 생산 및 전기분배를 수행할 수 있게 된다.

한편, 상기 스마트 그리드에서는 수요처의 실시간 전력통신 및 소요전력의 실시간 예측을 담당하는 에너지관리장치(EMS, Energr Management Srstem) 및 전력의 소모량을 실시간으로 계측하는 계측장치(AMI,Advanced Metering infrastructure)가 중추적인 역할을 담당한다.

여기서 스마트 그리드 하에서의 계측장치는 오픈 아키텍쳐를 근거로 하여 소비자를 통합하려는 기반기술로서 소비자에게는 전기를 효율적으로 사용하도록 하고, 전력공급자에게는 시스템상의 문제를 탐지하여 시스템을 효율적으로 운영할 수 있는 능력을 제공한다.

여기서, 오픈아키텍쳐란 일반적인 통신망과는 달리 스마트 그리드 시스템에서 전기기구가 어느 제조업체에서 제조되었는지 상관없이 모든 전기기구가 서로 연결될 수 있도록 하는 기준을 의미한다.

따라서, 상기 스마트 그리드에서 사용되는 계측장치는 "가격 대 장치(Prices to Devices)" 와 같은 소비자 친화적인 효율성 개념을 가능케 한다.

즉, 전력시장의 실시간 가격신호가 각 가정에 설치된 에너지관리장치(EMS)와 스마트 미터를 통하여 중계되며, 에너지관리장치(EMS)와 스마트 미터는 각 전기제품와 통신을 하며 이를 제어하므로 사용자는 에너지관리장치(EMS) 또는 상기 스마트 미터를 보고 각 전기제품의 전력정보를 인식하고 이를 기초로 소모전력량이나 전기요금 한계설정 등과 같은 전력정보처리를 수행함으로써 에너지 및 비용을 절약할 수 있다.

한편, 상기 각 전기제품에도 각 전기제품의 운전모드에 대한 상태정보를 취합하고, 상기 에너지관리장치(EMS) 또는 상기 스마트 미터로부터 전달받은 전력정보나 온도 또는 습도와 같은 환경정보를 수신하여 이를 전기제품의 운전제어에 반영하는 제어부가 마련된다.

이러한 제어부와, 상기 에너지관리장치(EMS), 그리고, 상기 스마트 미터간의 통신에 의하여 각 전기제품에 대한 제어가 수행될 수 있다.

여기서 에너지관리장치(EMS)는 사무실이나 가정에서 사용되는 로컬 에너지관리장치(Local EMS)와, 상기 로컬 에너지관리장치(Local EMS)와 양방향 통신을 하여 로컬 에너지관리장치(EMS)에서 취합된 정보를 처리하는 중앙 에너지관리장치(Central EMS)로 구성되는 것이 바람직하다.

스마트 그리드에서 공급자와 수요자간의 전력정보에 관한 실시간 통신이 가능하게 되기 때문에, "실시간 전력망 반응"을 현실화 시킬 수 있고, 이에 따라서, 피크 수요(peak demand)를 맞추는데 소요되는 높은 비용을 줄일 수 있다.

도2는 스마트 그리드의 주요 수요처인 가정에서의 전력통신네트워크(10)를 도시한 것이다.

상기 전력통신네트워크(10)는 각 가정에 공급되는 전력 및 전력요금과 같은 전력정보를 외부에서 받을 수 있고, 가정 내에서의 사용전력 및 전력요금을 실시간으로 측정할 수 있는 스마트 미터(20)와, 상기 스마트 미터(20)와 연결되며 하나 이상의 전기제품과 통신하고 이들의 동작을 제어하는 에너지관리장치(EMS)(30)을 구비한다.

이와 같이 상기 전력통신 네트워크(10)를 구성하는 스마트 미터(20), 에너지관리장치(EMS)(30), 그리고 전기제품을 포괄하여 통신 컴포넌트라고 할 수 있다.

즉, 상기 전력통신 네트워크(10) 내에서 특정 요소가 다른 요소들과 통신하여 정보를 주고 받을 수 있고, 그 정보에 따라서 특정 요소가 다른 요소를 제어할 수 있거나 제어 받을 수 있기 때문이다.

여기서, 상기 에너지관리장치(EMS)(30)는 현재의 전력 소모상태 및 외부의 환경(온도, 습도)를 표시하는 화면(31)을 구비하고, 사용자의 조작이 가능한 입력부(32) 등을 구비한 단말기 형태로 마련되는 것이 바람직하다.

상기 에너지관리장치(EMS)(30)는 다시 가정 내부의 네트워크망을 통하여 냉장고(101), 세탁기 및 건조기(102), 에어컨(103), TV(105) 또는 조리기기(104)와 같은 전기제품(100)과 연결되어, 이들과 양방향 통신을 하게 된다.

집안 내부에서의 통신은 무선 또는 PLC와 같은 유선을 통하여 이루어질 수 있다.

그리고, 각 전기제품들도 다른 전기제품들과 연결되어 통신이 가능해지도록 배치하는 것이 바람직하다.

상기 가정에 전력을 공급하는 전력공급원(50)은 일반적인 발전장비(화력, 원자력, 수력)을 구비하거나 신재생에너지(태양광, 풍력, 지열)등을 이용한 발전장비등을 구비한 계통전원(51)이 될 수 있으며, 대표적으로는 한국전력과 같은 전력회사가 그 예가 될 것이다.

이외에도, 각 가정에 마련되는 풍력발전장치와 같은 자가발전시설(52)이나, 또한 가정이나 차량에 비치되는 연료전지(53)도 다른 전력공급원이 될 수 있다.

통상적으로 상기 전력공급원(50)은 상기 스마트 미터(20)와 상기 에너지관리장치(30)와 연결되어 전력정보를 이들에게 제공하고, 이렇게 제공된 정보들은 다시 각 전기제품의 제어를 위한 기본정보로 쓰이게 된다.

도3은 에너지관리장치(EMS)의 일 실시예를 도시하고 있는데, 상기 에너지관리장치(EMS)는 터치패널(33)을 구비한 단말기 형태를 띠고 있다.

상기 터치패널(33)에는 현재 전기사용량, 및 전기요금, 그리고 누적된 히스토리에 의하여 예상되는 예상요금 및 이산화 탄소 발생량과 같은 정보와, 현재 시간 구간의 전기요금 및, 다음 시간구간의 전기요금 그리고, 전기요금이 변하는 시간대를 포함하는 실시간 에너지 정보 및 날씨정보가 디스플레이되는 화면(31)이 표시된다.

상기 날씨 정보에는 현재 전력수요처(가정 또는 사무실) 외부의 풍속과 풍향이 나타난다.

그리고, 상기 화면(31)에는 자가 발전정보가 표시되는데, 여기서 자가 발전정보는 가정이나 건물에 풍력발전장치나 태양광 발전장치가 설치되는 경우, 현시간 구간에서의 발전량을 예측한 값과, 현 시간구간에서의 발전량을 실측한 값이 나타난다.

한편, , 터치패널의 화면(31)은 각 가전기기의 시간대별 전력소모량 및 그 변화를 나타내는 그래프를 포함하고 있다.

그리고, 제품별 전력공급 여부에 관한 사항도 ON/OFF 상태로 디스플레이 된다.

이러한 화면(31)의 일측에는 사용자가 필요에 따라 전기제품의 동작 등을 설정할 수 있는 입력부(32)가 마련된다.

이러한 입력부(32)를 이용하여 사용자는 자기가 사용하고자하는 전력량 또는 전기요금의 한계를 설정할 수 있고, 이러한 설정에 따라 에너지관리장치(EMS)(30)는 각 전기제품의 동작을 제어할 수 있게 되는 것이다.

도4는 스마트 그리드 하에서의 전력공급원(50)과, 가정 내의 전기제품에 대한 전력공급을 담당하는 전력통신네트워크의 제어블록도를 도시한 것이다.

상술한 바와 같이 전력공급원(50)은 계통전원(51)나 풍력발전 장치와 같은 자가발전시설(52), 또는 연료전지(53)가 될 수 있다.

이러한 전력공급원(50)은 상기 스마트미터(20)와 연결되거나, 상기 에너지관리장치(EMS)(30)와 연결될 수 있다.

여기서, 상기 에너지관리장치(EMS)(30)의 구성을 보면, 제어부(35) 및 입력부(38), 통신부(34), 표시부(39)를 포함하고 있다.

상기 통신부(34)는 가정내의 전기제품(100), 즉, 냉장고(101), 세탁기 또는 건조기(102), 그리고, 공기조화기(103), 조리기기(104) 등과 통신을 하며, 이들의 전력정보 및 구동정보를 송수신하는 역할을 한다.

상기 제어부(35)는 상기 입력부(38)에 의하여 사용자가 입력한 설정정보 및 기존에 누적된 전기제품의 동작 및 전력사용 히스토리 정보, 그리고 외부에서 공급되는 전력량을 실시간으로 파악하고 이들 정보를 실시간으로 처리하여 전기제품들의 동작을 제어하고, 이들 전기제품에 공급되는 전력을 제어한다.

도5는 자가발전장치 중 하나인 풍력발전장치(52)의 개략도를 도시한 것이도, 도6은 풍력발전장치의 제어블록도를 도시한 것이다.

도5에서 도시한 바와 같이, 풍력발전장치는 타워(2) 위에 장착되는 너셀(40)과, 상기 너셀(40) 위에 마련되는 풍속계(50)와, 풍향계(60)를 포함한다.

상기 너셀(40)의 전방에는 로터(110)와, 블레이드(120)가 마련되고, 상기 너셀(40)의 내부에는 로터(110)에 연결된 회전축에 마련되는 증속기(140)와, 발전기 (150)가 마련된다.

또한, 너셀(40)의 내부 다른 부분에는 피치각 제어기구(170)와, 요각 제어기구(180) 및 이들을 제어하는 제어장치(200)가 마련된다.

상기 로터(110)에 설치된 블레이드(120)가 풍력 에너지를 받아서 상기 로터(110)와 함께 회전하고, 상기 증속기(140)에 의해 증속된 후, 상기 발전기(150)를 구동시켜 발전을 수행함으로써 풍력에너지를 전기 에너지로 전환하고 있다.

본 발명에서 풍력발전장치(52)는 가변속 회전 제어 방식의 풍력 발전 장치로 구성되는 것이 바람직하며, 발전기로서 권선형 유도 발전기 또는 동기 발전기를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 동기 발전기를 이용한 구성에서는 발전기의 출력을 일단 직류로 변환하여 다시 인버터에 의하여 교류로 변환하는 AC-DC-AC 방식을 사용한다.

다만, 직류로 변환된 전력을 저장하는 축전지(70)가 마련되어, 가정이나 건물에 직류 전원을 공급할 수 있다.

상기 풍속계(50) 및 상기 풍향계(60)는 상기 너셀(40)의 위에 마련되어 실제 풍속과 풍향을 측정한다.

한편, 상기 피치각 제어기구(170)는 상기 제어장치(20)에 마련되는 피치각 제어부(도6참조, 220)로부터 피치각 조절명령(θp)을 기초로 상기 블레이드(120)의 피치각을 제어한다.

또한, 상기 요각 제어기구(180)는 상기 제어장치(20)의 요각 제어부(도2참조, 23)로부터 요각 조절명령(θr)을 기초로 너셀(3)의 방위를 제어하는 것이다.

도6에서 도시한 바와 같이, 상기 제어장치(200)는 운전제어부(300)와, 유입 풍속 추정부(240)와, 데이터 축적부(250)와, 분석부(260), 풍향 보정 테이블(270)을 주도니 구성으로 한다.

상기 운전 제어부(300)는 발전기 출력 제어부(210), 피치각 제어부(220) 및 요각 제어부(230)를 주된 구성으로 한다.

상기 유입 풍속 추정부(240)는 별도로 행하는 보정 결과를 사용하여 상기 풍속계(50)에 의하여 계측된 풍속(Vw)를 보정하고, 보정 후의 풍속을 유입 풍속(Ws)로 출력한다.

상기 데이터 축적부(250)는 상기 풍력 발전 장치의 운전에 있어서의 발전출력(P), 풍속계(50)에 의하여 측정된 풍속(Vw)을 기초로 추정되는 유입풍속( Ws), 상기 풍향계(60)에 의해 측정된 풍향(θw)과 상기 너셀(30)의 방위 차인 풍향 편차의 데이터 세트를 순차적으로 축적한다.

상기 분석부(260)는 상기 데이터 축적부(250)에 의한 축적 데이터에 대하여 통계 해석을 행하여, 각 풍향에서 풍속 변화에 따른 발전량(P) 변화를 분석한다. 여기서 풍향은 소정 기준점을 기준으로 하여 회전각도로 표현된다.

또는, 상기 분석부(260)는 상기 데이터 축적부(25)에 의한 축적 데이터에 대하여 통계 해석을 행하여 각 유입풍속(Ws)에 있어서의 발전 출력(P)의 풍향 편차에 대한 분포곡선을 구하고 상기 분포 곡선이 피크가 되는 풍향 편차를 풍향계(60)의 보정값(θd)으로 하여 각 유입풍속(Ws)마다의 풍향계(60)의 보정값(θd)을 풍향 보정 테이블(270)에 기억할 수 도 있다.

상기 발전 출력 제어부(210)는 피드백 제어나, 피드 포워드 제어 등을 사용하면서, 발전기의 출력을 제어하는데, 예를 들어 공기 밀도를 기초로 최적 게인(gain)을 구하여, 최적 게인을 구하여 상기 최적 게인 및 발전기 회전속도를 기초로 발전량을 지시하는 발전 출력 명령(Pd)를 발전기로 출력한다.

상기 피치각 제어부(220)의 경우, 유입 풍속(Ws)에 대하여 최대 출력을 부여하는 피치각을 구하여 공기 밀로도 이를 보정하고, 보정후의 피치각을 피치각 지령(θp)으로 하여 피치각 제어기구(170)로 출력한다.

상기 요각 제어부(230)는 상기 풍향계(60)에 의해 계측된 풍향(θw)과 상기 너셀(30)의 방위차인 풍향 편차에 유입 풍속(Ws) 마다의 풍향계의 보정값(θd)을 더한 보정 풍향 편차에 근거하는 요각 지령(θr)을 생성하고, 상기 요각 지령(θr)을 상기 요각 제어기구(170)로 출력한다.

일반적으로, 풍력발전 장치에서는 풍향의 변동에 대서 상기 너셀(30)의 방위를 제어(요각 제어)하고 풍속의 변동에 대해서는 회전속도를 제어함으로써 안정적이면서 효율적인 발전이 수행되도록 한다.

또한, 상기 풍력발전장치에서는 발전능력(정격 출력)이 한정되어 있기 때문에 일정 속도를 초과하는 바람이 불었을 때는 발전 출력을 제어할 필요가 있다. 따라서, 상기 블레이드(120)의 피치각의 제어로 회전속도를 제어하고 있다.

즉, 정격 출력에 미치지 않는 약풍시에는 발전 효율이 향상될 수 있도록 하고, 정격 출력에 도달할 수 있는 강풍시에는 발전효율이 저하되도록 피치각을 제어하여 발전출력을 행한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 발전량 예측방법의 흐름에 대해서 알아보도록 하겠다.

우선, 도7에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 풍력발전장치가 작동을 하면(S1)을 풍력에너지가 상기 블레이드를 회전시켜, 회전축에 연결된 발전기를 회전시켜 전기에너지를 생성하는 발전작용이 시작된다(S2).

그리고, 그 상태에서 상기 에너지관리장치의 제어부 또는 상기 풍력발전장치의 제어장치는 지역 기상청이나 기타 날씨 정보 서버로 부터 해당 지역에서의 풍향 및 풍속 예보에 관한 정보를 입수하여 인식한다.

또한, 상기 발전량에 관한 데이터와 풍향계와 풍속계를 이용하여 풍향/풍속 데이터를 실제로 측정하고, 이를 축적한다.

그리하여, 소정 기간동안의 실측발전량이 데이터로 축적되고, 그에 대응하여 월별, 일별, 단위시간별 풍향의 변화 및 풍속의 변화에 관한 데이터도 축적된다(S3).

이후, 축적된 발전량 데이터 및 풍향/풍속 데이터가 소정 기간 동안 축적되었는지 판단하여, 풍향에 따른 풍속별 발전량 예측식을 산출한다(S5).

즉, 특정한 풍향별 풍속상태에 따른 발전량을 실측하게 되면, 일정한 규칙성을 가지고 분포를 하게 된다. 일반적으로 특정풍향에서 풍속이 증가할수록 발전량이 증가하게 될 것이다.

이와 같이 실측된 발전량의 상태의 경우, 다양한 기상상황의 변화에 의하여 하나의 풍속에 대하여 실측된 여러 값이 도출되어 분포되기 때문에, 이러한 분포경향을 고려하여 하나의 식으로 도출하는 것이 바람직하며, 이 때 사용되는 것이 최소좌승법(least square)이다.

즉, 풍속에 따라 달라지는 실측 발전량의 분포 상황을 반영할 수 있도록 각 풍속에서의 발전량의 평균값(기하평균 또는 산술평균) 등을 이용하여 실측 발전량 분포상황의 경향 또는 특징을 반영할 수 있도록 발전량 예측식을 도출할 수 있는 것이다.

여기서 상기 발전량 예측식은, 상기 실측 발전량의 분포상태의 특성을 반영한 선형 그래프로부터 도출되는 풍력-발전량의 관계식이다.

한편, 현재 기상청의 풍속분류는 8가지(동서남북, 남동, 남서, 북동, 북서)이기 때문에, 8가지의 풍향별 풍속변화에 따른 발전량 그래프 및 그에 따른 풍향별 풍속 - 발전량 예측식을 도출할 수 있다.

도8은 각 풍향별 풍속 변화에 따른 예측 발전량의 그래프이다.

여기서 상기 발전량 예측식은, 특정풍향과 다른 풍향에서 달라질 수 있다.

제1풍향에서의 발전량 예측식을 제1식이라고 하고, 제2풍향에서의 발전량 예측식을 제2식이라고 한 경우, 각각의 식에서 변수는 풍향이 될 것이고, 결과물은 발전량이 될 것이다.

따라서, 제1시간동안 제1풍향으로 바람이 부는 경우에는 그 바람의 풍속과 제1시간을 고려하여 제1식을 이용하여 발전량을 예측하고, 제1시간 종료 이후 제2시간에서 제2풍향으로 바람이 부는 경우에는 그 바람의 풍속을 고려하여 제2식을 이용하여 발전량을 예측할 수 있는 것이다.

이와 같이 발전량 예측식이 만들어 지게 되면, 이후, 외부로 부터 풍향 및 풍속 예보를 인식하고(S6), 이러한 풍향 및 풍속 예보 자료를 상기 발전량 예측식에 대입하여 소정시간동안의 발전량을 예측한다.

만약에 풍향 및 풍속예보가 24시간 동안의 것이라면, 24시간 동안의 발전량을 예측하는 것이 바람직하다(S7).

한편, 발전량 예측과 더불어, 발전량의 실측도 이루어지는데, 발전량의 실측은 단위 시간구간 별로 이루어지는 것이 바람직한데, 본 실시예에서 단위 시간 구간은 5분으로 설정되었으나, 이에만 한정되는 것이 아니라 더 늘어날 수도 있고 줄어들 수도 있다.

상기 발전량을 실측하는 것은, 예보에 따른 풍향/풍속과 실측 발전량을 발전량 예측식에 반영하여 발전량 예측식을 수정하거나 업데이트 하기 위함이다.

다만, 풍력발전장치는 발전능력에 한계가 있기 때문에 그 한계를 넘는 발전량에 실측된 경우에는 이를 바탕으로 발전량 예측식을 수정하거나 업데이트 하면 예측시에 큰 오류가 발생할 수 있다.

즉, 발전량 예측식의 신뢰성을 도모하기 위해서 정상적인 발전 상태에서의 발전량 데이터 값이 발전량 예측식의 업데이트 또는 수정의 기초가 되어야 한다.

따라서, 실측 발전량이 소정 기준값 범위 내인지 판단하는데, 상기 기준값이란, 기준 허용 최대 발전량과 기준 허용 최소 발전량에 의하여 정해지게 된다.

기준 허용 최소 발전량 ≤ 실측 발전량 ≤ 기준 허용 최대 발전량의 관계가 성립되면 신뢰성 있는 실측 발전량으로 인식이 되는 것이다.

따라서, 상기 실측 발전량이 상기 소정기준 범위내라고 판단되면, 상기 실측 발전량과 풍향 및 풍속에 관한 데이터 간의 관계를 발전량 예측식에 반영하여 발전량 예측식이 더욱더 실측 발전량에 가까운 예측 발전량을 도출할 수 있도록 한다(S10).

다만, 실측 발전량이 상기 기준 범위를 벗어나는 경우, 이는 신뢰성이 떨어지는 예외적인 데이터로 판단되므로, 이 데이터는 폐기 시켜 발전량 예측식에 반영하지 않는다(S10).

52: 풍력발전장치 60: 풍향계
110: 로터 120: 블레이드
140: 증속기 150: 발전기
170: 피치각 제어기구 180: 요각 제어기구
200: 제어장치 210: 발전기 출력제어부
220: 피치각 제어부 230: 요각 제어부
240: 유입 풍속 추정부 250: 데이터 축적부
260: 분석부

Claims

(A) 풍력발전장치를 동작시키는 단계와;
(B) 소정 기간동안 상기 풍력발전장치에서의 발전량 실측 데이터 및, 상기 소정기간 동안의 풍속 및 풍향 예보 데이터를 축적하는 단계와;
(C) 축적된 상기 발전량 실측 데이터 및 축적된 상기 풍속 및 풍향 예보 데이터를 근거로 풍속 및 풍향에 따른 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 예측하는 단계와;
(D) 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 실측하고, 실측된 발전량이 소정 기준범위 내에 존재하는지 판단하여, 소정 기준범위내에 있는 실측된 발전량을, 향후 발전량 예측을 위한 변수로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법.
제1항에 있어서,
상기 (C) 단계는,
축적된 상기 풍속 및 풍향 데이터 및 상기 발전량 실측데이터를 이용하여 발전량 예측식을 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법.
제2항에 있어서,
상기 발전량 예측식은 풍속변화에 따른 발전량 예측식인 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치의 발전량 예측방법.
제3항에 있어서,
상기 발전량 예측식은 적어도 하나 이상의 풍향별 풍속변화에 따른 발전량 예측식인 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치의 발전량 예측방법.
제2항에 있어서,
상기 (C) 단계에서 상기 발전량을 예측하는 것은
외부로부터 풍향 및 풍속 정보를 받아서, 상기 발전량 예측식에 입력하여 상기 풍력발전 장치에서의 발전량을 예측하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법.
제1항에 있어서,
상기 (D) 단계에서,
상기 실측 발전량이 소정 기준범위 내에 있는 경우, 풍향 및 풍속, 그리고 실측 발전량을 상기 발전량 예측식에 반영하여 상기 발전량 예측식을 업데이트 또는 수정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법.
제6항에 있어서,
상기 소정 기준범위는 각 풍속별 상기 풍력발전 장치에서의 기준 허용 최대 발전량과 기준 허용 최소 발전량에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치의 발전량 예측방법.
제1항에 있어서,
상기 (D) 단계에서, 발전량의 실측은 단위 시간구간별로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치의 발전량 예측방법.
제2항에 있어서,
상기 (B) 단계에서,
상기 발전량 예측식은 각 풍향 및 풍속에 따라서 달라지는 복수의 발전량 분포값을 선형적으로 표현하는 최소좌승법 방식을 통하여 산출되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 발전량 예측방법.