KR20140037504A

KR20140037504A - 해상변전소의 위치 선정 방법

Info

Publication number: KR20140037504A
Application number: KR1020120103729A
Authority: KR
Inventors: 박상호; 서철수; 윤기갑; 최영도; 김재철; 문원식
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-03-27

Abstract

본 발명은 해상 풍력발전단지의 조성에 있어서 케이블 비용과 더불어, 에너지 손실 비용과 무효전력 보상설비 비용을 고려한 최적의 해상변전소의 위치를 결정할 수 있도록 하는 해상변전소의 위치 선정 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 해상 풍력발전단지의 구축을 위해 풍력터빈의 위치가 결정되면, 내부망 그리드의 피더 수와, 해상변전소와 육상연계지점 사이의 외부 송전 케이블 회선 수를 각각 결정하는 단계, 상기 내부망 그리드 피더 터미널의 풍력터빈과, 상기 해상 변전소와 육상연계지점과의 위치좌표를 설정하고, 상기 위치 좌표에 근거하여 해상변전소의 예상 최대 구축 비용을 최소 비용 입력 변수로서 설정하는 단계, 상기 내부망 그리드의 피더수와, 상기 외부 송전 케이블의 회선수를 근거로 각 케이블의 거리를 계산하고, 각 케이블의 소요 비용을 계산하여 해상변전소의 위치에 따른 총 비용을 산출하는 단계 및, 상기 해상변전소의 위치에 따른 총 비용이 상기 최소 비용 입력 변수에 따른 예상 최대 구축 비용과 매칭되면, 상기 총 비용과, 상기 해상변전소의 위치 좌표값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해상변전소의 위치 선정 방법{Method for Selecting Location of Offshore Power Station}

본 발명은 해상변전소의 위치 선정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해상변전소의 최적 위치를 결정함으로써 해상변전소의 위치에 따라 변동되는 총 비용을 최소화하는 동시에 충분한 신뢰성을 갖는 해상풍력발전 단지의 조성이 가능하도록 하는 해상변전소의 위치 선정 방법에 관한 것이다.

최근, 풍력발전은 전력수요의 증가와, CO2 방출량 규제 등으로 인해 관심이 부각되고 있을 뿐만 아니라, 풍력발전 단지 운용상의 경제성을 인정받고 이미 기술수준이 상당한 수준으로 발전해 가고 있는 단계인 바, 세계적으로 육상 풍력발전은 건설 부지의 고갈과 설치에 대한 민원 등의 이유로 입지 확보가 어렵기 때문에 최근 해상 풍력발전의 개발이 급성장하고 있다.

통상, 해상 풍력발전은 초기 투자비용의 비율이 상당히 크고, 설비 건설 이후에 운영 비용 등이 매우 많이 소요되기 때문에, 에너지 효율과 높은 수준의 가용성을 요구할 뿐만 아니라 경제성 확보를 설계의 최우선 목표로 하고 있다.

일반적으로 풍력터빈은 설비 이용률(Capacity Factor)이 최대가 되는 지점을 적정 설치 위치로 선정하는데 비해서, 해상변전소의 경우에는 내/외부 그리드의 케이블 비용과, 케이블 길이에 따른 단지의 신뢰성, 해저 케이블 사용에 의한 무효전력 발생에 의한 무효전력 보상장치 설치 등과 같은 다양한 요소가 위치선정에 있어서 중요한 요소이며, 이를 종합적으로 고려한 위치결정은 매우 어려운 문제이다.

또한, 해상 풍력발전 관련 기술은 신기술이므로 관련 기술에 대한 수준이 상당히 미약하고 정보가 많이 부족하기 때문에, 현재의 해상풍력발전 기술은 일반화되어 있지 않음과 더불어, 이에 대한 트렌드가 시시각각 변화하고 있는 상황이으로서, 특히 우리나라의 경우에는 아직 해상변전소에 대한 개념이 전무한 실정이다.

관련 기술로는 국내공개특허 제2011-0092397호(해상 풍력 발전 시스템에서의 무효 전력 보상 장치 및 방법)(2011.08.18)가 있다.

이에, 해상 풍력발전단지는 대용량화 및 육상과 원거리에 단지가 조성되는 추세로서, 이에 따라 대규모의 단지 용량 및 이에 따른 에너지 손실이 무시할 수 없는 요소로 작용하고 있으며, 단지와 육상 간의 거리가 멀어질수록 해저 케이블로 인한 무효전력 공급량이 증대되므로 무효전력 보상설비의 용량과 그에 따른 비용이 증가하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 해상 풍력발전단지의 조성에 있어서 케이블 비용과 더불어, 에너지 손실 비용과 무효전력 보상설비 비용을 고려한 최적의 해상변전소의 위치를 결정할 수 있도록 하는 해상변전소의 위치 선정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법은, 해상 풍력발전단지의 구축을 위해 풍력터빈의 위치가 결정되면, 내부망 그리드의 피더 수와, 해상변전소와 육상연계지점 사이의 외부 송전 케이블 회선 수를 각각 결정하는 제1단계, 상기 내부망 그리드 피더 터미널의 풍력터빈과, 상기 해상 변전소와 육상연계지점과의 위치좌표를 설정하고, 상기 위치 좌표에 근거하여 해상변전소의 예상 최대 구축 비용을 최소 비용 입력 변수로서 설정하는 제2단계, 상기 내부망 그리드의 피더수와, 상기 외부 송전 케이블의 회선수를 근거로 각 케이블의 거리를 계산하고, 각 케이블의 소요 비용을 계산하여 해상변전소의 위치에 따른 총 비용을 산출하는 제3단계 및, 상기 해상변전소의 위치에 따른 총 비용이 상기 최소 비용 입력 변수에 따른 예상 최대 구축 비용과 매칭되면, 상기 총 비용과, 상기 해상변전소의 위치 좌표값을 출력하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1단계에서, 상기 내부망 그리드의 피더 수는,

에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1단계에서, 상기 외부 송전 케이블의 회선 수는,

에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드 케이블의 거리는,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 외부 송전 케이블의 거리는,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계는, 각 케이블의 소요 비용으로서, 케이블의 총 비용과, 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용, 무효전력 보상설비 비용을 각각 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용 중에서 내부망 그리드의 케이블 총 비용은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용 중에서 외부 송전 케이블의 총 비용은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 해상변전소의 위치에 따라 변동되는 값은, 내부망 그리드의 각 피더와 해상변전소 사이의 케이블 길이(l_i,in)와, 해상변전소와 육상연계지점 사이의 케이블 길이(l_ex)이고, 각 케이블의 길이는 해상변전소와, 내부망 그리드 각 피더의 터미널 풍력터빈 및 육상연계지점의 (x,y) 좌표를 설정하여 구하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용은 상기 내부망 그리드의 총 비용(C_T,in)과, 상기 외부 송전 케이블의 총 비용(C_T,ex)을 각각 합산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용은, 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량과, 외부 송전 케이블고장으로 인한 에너지 손실량의 합산치를 에너지 단가와 곱하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 해상 풍력발전단지의 설비 이용률(CF)은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소를 연결하는 케이블 고장시 에너지 손실량(E_i,in)은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량(E_in)은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 무효전력 보상설비 비용은, 총 무효전력 공급량에 무효전력 보상설비 단위 용량당 비용을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 총 무효전력 공급량은,

에 의해 계산하고,

상기 내부망 그리드 측 케이블에서 공급되는 총 무효전력(Q_in)은,

에 의해 계산되고,

상기 외부 송전 케이블에서 공급되는 총 무효전력(Q_ex)은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 대규모 해상 풍력발전단지 구축시 경제성 및 신뢰성을 고려하여 해상변전소의 최적 위치를 결정할 수 있도록 함에 따라, 해상변전소의 위치에 따라 변동하는 다양한 비용 요소를 중심으로 총 비용을 최소화할 수 있는 최적 위치를 결정하는 것이 가능하게 되면서, 경제적이고 신뢰성을 고려한 해상 풍력발전단지의 구축이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법을 구현하기 위한 해상 풍력발전단지의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에서 내부망 그리드로부터 해상변전소와 육상연계 지점 간의 케이블 연결 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에서 케이블의 길이 계산을 위한 각 요소들 간의 위치 좌표를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법을 구현하기 위한 해상 풍력발전단지의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법을 구현하기 위한 해상 풍력발전단지는, 해상에 다수개가 일정 간격으로 분포되도록 설치되는 내부망 그리드(10)와, 해상에 설치되어 있고, 상기 각 내부망 그리드(10)로부터 생산되는 전력을 집전하여 육상으로 송전하기 위한 해상변전소(20), 육상에 설치되어 있고, 상기 해상변전소(20)와 송전 케이블(30)을 통해 연결되어, 상기 해상변전소(20)로부터 송전되는 전력을 PCC(Point of Common Coupling)에 공급하는 육상 연계지점(40)을 포함한다.

다음에, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에서 내부망 그리드로부터 해상변전소와 육상연계 지점 간의 케이블 연결 상태를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 기본적으로 내부망 그리드의 구성형태가 결정된 후에, 내부망 그리드(10)의 피더 수와 송전 케이블(30)의 회선 수를 정하고 해상변전소의 위치에 따라 변동되는 3가지 요소 즉, 내부망 그리드 피더 수 결정 요소와, 외부 송전 케이블 회선 수 결정 요소, 비용 요소를 고려하여 구성한다.

한편, 해상 풍력발전단지의 구성은 내부망 그리드(10), 해상변전소(20), 송전 케이블(30)이 단지 구축의 경제성 및 신뢰성을 결정하는 주요 구성요소로서 작용하게 되는데, 여기서 풍력터빈의 위치가 정해지게 되면, 내부망 그리드(10)의 구성 형태를 결정하게 되는데, 이는 풍력터빈들이 연결되는 스트링(String) 즉, 피더(Feeder)의 수를 결정하는데 주요한 요인으로 작용한다.

첫번째로, 내부망 그리드(10)의 피더 수는 다음과 같이 결정된다.

상기 내부망 그리드(10)의 피더 수는 하기한 수학식 1에 의해 결정된다.

여기서, 상기 "N_in"은 내부망 그리드의 피더 수이고, 상기 "P_WPP"은 해상 풍력발전단지의 용량[MW]이며, 상기 "P_in,cable"은 내부망 피더 터미널 터빈과 해상변전소를 연결하는 내부망 케이블의 용량[MW]에 해당된다. 단, 여기서 [x]는 가우스 기호로서 x를 넘지 않는 최대 정수를 의미한다.

그리고, 두번째로 외부의 송전 케이블(30)에 대한 회선 수는 다음과 같이 결정된다.

상기 송전 케이블(30)의 회선 수를 결정하는 것은 상기 내부망 그리드(10)의 피더 수를 결정하는 방식과 동일하게 진행될 수 있는데, 상기 외부 송전 케이블(30)의 회선 수는 하기한 수학식 2와 같이 결정된다.

여기서, 상기 "N_ex"는 외부 송전 케이블(30)의 회선 수이고, 상기 "P_ex,cable"는 육상 연계 지점(40)과 해상변전소(20)를 연결하는 송전 케이블의 용량[MW]이다. 단, [x]는 가우스 기호로서 x를 넘지 않는 최대 정수를 의미한다.

세번째로, 본 발명에서 고려해야 할 비용 요소는, 3가지로 구분할 수 있는데, 1) 케이블 비용과, 2) 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용, 3) 무효전력 보상설비 비용으로 구분된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 내부망 그리드(10)의 피더 수와 외부 송전 케이블(30)의 회선 수가 결정된 해상 풍력발전단지의 경우에는, 상기 3가지 비용 요소를 고려하여 총 비용이 최소화되는 지점을 해상변전소의 적정 위치로 결정하게 된다.

한편, 상기 3가지 비용요소 중에 첫번째 비용 요소로서 케이블 비용의 산정은 다음과 같이 이루어진다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에서 케이블의 길이 계산을 위한 각 요소들 간의 위치 좌표를 나타낸 도면이다.

상기 케이블 비용은, 해상변전소 위치에 따라 변동되는 비용 요소 중 총 비용에 대해 가장 민감도가 높은 요소로서, 내부망 그리드(10)와 외부 송전 케이블(30)의 비용의 합으로 이루어진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 내부망 그리드(10)와 상기 해상변전소(20) 사이의 케이블 비용은 하기한 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. 단, 여기서 케이블 비용은 케이블 제작비와 시공비가 포함된 총 비용을 의미한다.

여기서, 상기 "C_T,in"은 내부망 그리드(10) 케이블의 총 비용[억원]이고, 상기 "C_in"은 내부망 그리드(10)의 각 케이블 길이당 비용[억원/km]이며, 상기 "l_i,in"은 i번째 피더 터미널 풍력터빈에서 해상변전소(20)를 연결하는 케이블 길이[km]에 해당된다.

상기 내부망 그리드(10)의 케이블 비용은 각 피더의 터미널 풍력터빈에서 해상변전소(20) 간을 각각 연결하는 케이블 비용의 합을 의미한다.

다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부 송전 케이블(30)의 비용은 하기한 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

여기서, 상기 "C_T,ex"는 외부 송전 케이블(30)의 총 비용[억원]이고, 상기 "C_ex"는 외부 송전 케이블(30)의 길이당 비용[억원/km]이며, 상기 "l_ex"는 육상 연계 지점(40)과 해상변전소(20)를 연결하는 송전 케이블(30)의 길이[km]에 해당된다.

이 때, 상기 해상변전소(20)의 위치에 따라 변동되는 값은 내부망 그리드의 각 피더와 해상변전소(20) 사이의 케이블 길이(l_i,in)와, 해상변전소(20)와 육상연계 지점(40) 사이의 케이블 길이(l_ex)이다.

각 케이블의 길이는 도 3에 도시된 바와 같이, 해상변전소(20)와, 내부망 그리드(10) 각 피더의 터미널 풍력터빈 및 육상연계지점의 (x,y) 좌표를 설정하여 구할 수 있다.

우선, 내부망 그리드 케이블 길이인 l_i,in은 하기한 수학식 5와 같이 구할 수 있다.

여기서, 상기 "x_i"는 i번째 피더 터미널 풍력터빈의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_i"는 i번째 피더 터미널 풍력터빈의 y 좌표[km]이며, 상기 "x_OSS"는 해상변전소(20)의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_OSS"는 해상변전소(20)의 y 좌표[km]에 해당된다.

다음으로 외부 송전 케이블(30) 길이인 l_ex는 하기한 수학식 6과 같이 구할 수 있다.

여기서, 상기 "x_CP"는 육상연계지점(40)의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_CP"는 육상연계지점(40)의 y 좌표[km]에 해당된다.

최종적으로 총 케이블 비용은 상기 내부망 그리드(10) 및 외부 송전 케이블(30)의 비용의 합으로 구해지며 그 결과는 하기한 수학식 7과 같이 구할 수 있다.

여기서, 상기 "C_T,cable"은 총 케이블 비용[억원]에 해당된다.

또한, 상기 3가지 비용 요소중에 두번째 비용 요소로서 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용의 산정은 다음과 같이 이루어진다.

해상 풍력발전단지를 운영하는 상태에서는, 다양한 원인들로 인해 구성 컴포넌트들의 고장이 발생하여 에너지 공급에 지장을 주는 경우가 발생할 수 있다.

이러한 측면에서 설계시 신뢰도, 즉 케이블의 고장률을 고려하여 에너지 공급 지장의 확률을 줄일 수 있다. 본 발명에서는 해상변전소의 위치에 따라 변동되는 케이블의 길이에 따른 전체 케이블 고장률의 변화를 고려하여 에너지 공급 지장으로 인해 발생되는 손실 비용을 최소화한다.

우선, 내부망 그리드(10)에서의 1개의 단위 피더당 용량은 하기한 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 "P_{Feeder i}"는 i번째 피더의 총 용량[MW]에 해당된다.

한편, 상기 내부망 그리드의 모든 풍력터빈이 정격값을 출력한다고 가정했을 때, i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소(20)를 연결하는 케이블의 고장시 에너지 손실량은 하기한 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 "λ_in,cable"은 내부망 그리드(10)의 케이블 고장률[회/년·㎞]이고, 상기 "MTTR_in,cable"은 내부망 그리드(10)의 케이블 고장 수리시간[시간/회]이며, 상기 "l_i,in"은 i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소(20) 간의 연결 케이블 길이[km]에 해당된다.

또한, 풍력발전의 경우에는 풍력을 이용하는 특성상 풍황에 따라 출력값이 달라지게 되고, 이로 인해 운전 간에 항시 정격출력이 불가하기 때문에 실제적인 출력량에 대한 계산을 위한 지표가 필요하게 된다. 설비 이용률(Capacity Factor)은 정격출력으로 운전했을 때의 에너지량에 대한 실제 출력된 에너지량의 비를 나타내며, 이는 하기한 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 "CF"는 해상 풍력발전단지의 설비 이용률(Capacity Factor)[%]이고, 상기 "P_actual"은 풍력터빈의 실제 출력값[MW]이며, 상기 "P_rated"는 풍력터빈의 정격 출력값[MW]에 해당된다.

상기 내부망 그리드(10)에서 각 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소(20)를 연결하는 케이블의 고장으로 인한 에너지 손실량은 하기한 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 "E_in"은 내부망 그리드(10)의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량[MWh]에 해당된다.

다음으로 외부 송전 케이블(30)의 경우에는 풍력터빈에서 출력되는 에너지 전부를 감당하게 되는데, 외부 송전 케이블(30)의 고장으로 인한 에너지 손실량 또한 상기 내부망 그리드(10)와 같은 방법으로 구할 수 있으며 이는 하기한 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 "E_ex"는 외부 송전 케이블(30)의 고장으로 인한 에너지 손실량 [MWh]이고, 상기 "λ_ex,cable"은 외부 송전 케이블(30)의 고장률[회/년·㎞]이며, 상기 "MTTR_ex,cable"는 외부 송전 케이블(30)의 고장 수리시간[시간/회]이고, 상기 "l_ex"는 해상변전소(20)와 육상연계지점(40) 간에 연결되는 송전 케이블(30)의 길이[km]에 해당된다.

한편, 상기 수학식 12와 같이 구해진 에너지 손실량에 에너지 단가를 곱하게 되면, 하기한 수학식 13과 같이 최종값인 총 손실 비용을 구할 수 있다.

여기서, 상기 "C_loss"는 총 손실 비용[억원]이고, 상기 "C_E"는 에너지 단가[억원/MWh]에 해당된다.

또한, 상기 3가지 비용요소 중에 세번째 비용요소로서 무효전력 보상설비 비용은 다음과 같이 산정할 수 있다.

해상 풍력발전단지에서는 해저 케이블을 통해 전력 전송을 하게 되는데, 해저 케이블은 그 특성상 정전 용량이 크기 때문에, 이로 인한 충전전류가 발생하여 무효전력을 생산(즉, 공급)하게 된다.

무효전력으로 인해 전압이 상승하게 되면 PCC(Point of Common Coupling)에서의 그리드 코드를 준수하기 어려우며 충전전류로 인한 손실 또한 발생하게 되는데, 이에 대한 해결책으로 무효전력 보상설비가 필요하게 된다.

케이블에서 발생되는 무효전력의 크기는 케이블의 길이에 따라 변동하게 되며, 결국 해상변전소의 위치에 따라 무효전력 보상설비의 용량이 결정됨을 알 수 있다. 무효전력은 각 내부망 그리드(10)의 케이블과 외부 송전 케이블(30)에서 발생되는 무효전력으로 구분할 수 있으며, 이는 각각 수학식 14와, 수학식 15와 같이 계산된다.

여기서, 상기 "Q_in"은 내부망 그리드(10) 측 케이블에서 공급되는 총 무효전력[kVar]이고, 상기 "V_in"은 내부망 그리드(10)의 전압 레벨[kV]이며, 상기 "f"는 계통 주파수[Hz]이고, 상기 "C_in,cap"는 내부망 그리드(10) 측 케이블의 정전용량 [uF/km]에 해당된다.

여기서, 상기 "Q_ex"는 외부 송전 케이블(30)에서 공급되는 총 무효전력[MVar]이고, 상기 "V_ex"는 외부 송전 전압 레벨[kV]이며, 상기 "C_ex,cap"는 외부 송전 케이블(30)의 정전용량[uF/km]에 해당된다.

또, 해상 풍력발전단지의 해저 케이블로 인한 총 무효전력 공급량은 하기한 수학식 16과 같이 계산할 수 있다.

여기서, 상기 "Q_T"는 총 무효전력 공급량[MVar]이고, 상기 "Q_in"은 내부망 그리드(10) 측 케이블에서 공급되는 총 무효전력[kVar]이며, 상기 "Q_ex"는 외부 송전 케이블(30)에서 공급되는 총 무효전력[MVar]에 해당된다.

최종적으로, 무효전력 보상설비의 용량과 그에 따른 비용은 상기 총 무효전력 공급량(Q_T)에 의해 결정되고, 이를 감안한 무효전력 보상설비 비용은 하기한 수학식 17과 같이 계산된다.

여기서, 상기 "C_T,Q"는 무효전력 보상설비 비용[억원]이고, 상기 "C_Q"는 무효전력 보상설비 단위용량당 비용[억원/MVar]에 해당된다.

한편, 본 발명에서는 상기 3가지의 비용 요소 이외에도 완경으로 인한 제약 조건이 발생하게 되는데, 해상변전소 설치로 인한 풍력터빈으로의 영향을 최소화하고 헬리콥터 등의 접근성을 높이기 위해 해상변전소와 각 풍력터빈 간에는 최소 이격거리가 존재한다. 결국, 내부망 그리드(10)의 피더 터미널 풍력터빈과 해상변전소(20)를 연결하는 모든 케이블의 길이는 최소 이격거리 이상이어야 한다.

따라서, 상기 3가지 비용 요소들을 고려한 해상변전소 위치에 따른 최종 비용은 하기한 수학식 18과 같이 구할수 있으며, 상기 환경적 제약조건을 만족하면서 총 비용이 최소화되는 지점이 적정 해상변전소의 위치로 결정된다.

여기서, 상기 "C_T"는 해상변전소(20)의 위치에 따른 최종 비용[억원]이고, 상기 "C_T,cable"은 3가지 비용 요소중에서 첫번째 비용 요소인 총 케이블 비용[억원]이며, 상기 "C_loss"는 3가지 비용요소 중에서 두번째 비용 요소인 총 손실 비용[억원]이고, 상기 "C_T,Q"는 3가지 비용 요소 중에서 세번째 비용 요소인 무효전력 보상설비 비용[억원]에 해당된다.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에 대한 동작을 도 4의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 해상변전소의 위치 선정 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.

먼저, 해상 풍력발전단지의 구축을 위한 해상변전소의 위치 선정을 위해, 해상에 설비되는 내부망 그리드(10)의 케이블 피더 수를 상기 수학식 1의 계산에 따라 결정하고, 해상변전소(20)로부터 육상연계지점(40)까지 연결되는 외부 송전 케이블(30)의 회선 수를 상기 수학식 2의 계산에 따라 결정한다(S10).

상기 내부망 그리드(10)의 케이블 피더수와, 상기 외부 송전 케이블(30)의 회선 수가 결정되면, 해상변전소(20)의 위치에 따라 변동되는 비용 요소를 고려하기 위해, 내부망 그리드(10) 각 피더의 터미널 풍력 터빈과, 육상연계지점(40)의 (x, y) 좌표계를 설정하고(S11), 각 피더 터미널의 풍력 터빈과, 육상연계지점(40)에 대한 위치 좌표를 각각 설정하게 된다(S12).

그 상태에서, 해상 풍력발전단지의 구축을 위한 해상변전소 설비에 소요되는 예상 최대 구축비용(Cost)을 최소 비용 입력 변수(Min)에 맞추어 설정하게 되고(S13), 상기 해상변전소(20)에 대한 x, y축의 위치 가능 좌표 개수(k)를 고려하여, 상기 위치 가능 좌표 개수(k)값에 대한 변수(j)를 1개씩 증가시킨 다음에(S14), 상기 변수(j)의 값이 상기 위치 가능 좌표 개수(k)의 값보다 큰지를 판단한다(S15).

상기 판단 결과, 상기 변수(j)의 값이 상기 위치 가능 좌표 개수(k)의 값보다 크지 않다고 판단되면, 상기 변수(j)의 값을 고려하여 j번째 위치 좌표를 구하고, 각 피더 터미널 풍력터빈까지의 거리를 상기 수학식 5와 같이 계산한다(S16).

그 상태에서, 상기 수학식 5에 따라 계산된 내부망 그리드(10)의 각 피더 터미널 풍력터빈까지의 계산 거리가, 헬리콥터 등의 접근성 등과 같은 환경적 제약 조건에 따라 설정되는 케이블 길이의 최소 이격 거리보다 큰 지의 여부를 판단한다(S17).

상기 판단 결과, 상기 수학식 5에 따라 계산된 거리가 상기 최소 이격 거리보다 크다고 판단되면, 상기 내부망 그리드의 1 ∼ i 번째 피더까지의 해상변전소(20) 연결 케이블에 대한 비용 즉, 내부망 그리드의 모든 피더와 해상변전소(20) 사이를 연결하는 모든 케이블의 비용을 상기 수학식 3에 따라 계산하여 구하게 된다(S18).

그 다음에, 상기 해상변전소(20)로부터 육상연계지점(40)까지 연결되는 송전 케이블(30)의 비용을 상기 수학식 4에 따라 계산하게 되고, 상기 수학식 3에서 구한 피더 케이블 비용과, 상기 수학식 4에 따라 계산된 송전 케이블(30)의 비용을 합산하여 상기 수학식 7과 같이 총 케이블 비용을 계산하게 된다(S19).

또한, 상기 내부망 그리드(10)의 각 피더당 용량을 상기 수학식 8에 따라 계산하고, 케이블 고장시의 에너지 손실량과 해상 풍력발전단지의 설비 이용률을 각각 상기 수학식 9와, 수학식 10, 수학식 11, 수학식 12에 따라 계산한 다음에, 상기 케이블 손실량에 에너지 단가를 곱하여 손실 비용을 상기 수학식 13과 같이 계산하게 된다(S20).

다음에, 해상 풍력발전단지의 특성상 해저케이블을 이용함에 따라 발생되는 무효전력을 상기 수학식 14와, 수학식 15에 따라 계산하고서, 그 총 무효전력 공급량을 상기 수학식 16에 따라 계산하고, 상기 총 부효전력 공급량에 무효전력 단위 용량당 비용을 곱하여 무효전력 보상설비의 비용을 상기 수학식 17에 따라 계산한다(S21).

상기 케이블 비용과, 손실 비용, 무효전력 보상설비 비용의 계산이 완료되면, 해상변전소(20)의 위치에 따른 최종적인 총 비용을 상기 수학식 18에 따라 합산 처리하게 되고(S22), 상기 합산 처리된 총 비용이 상기 S13 단계에서 설정된 최소 비용 입력 변수(Min)보다 작은지의 여부를 판단하게 되는데(S23), 상기 총 비용이 상기 최소 비용 입력 변수(Min)보다 작다고 판단되면, 상기 총 비용을 최소 비용 입력 변수(Min)와 동일한 액수로 매칭시키고 상기 변수(j)를 1만큼 더 증가시켜서(S25), 상기 S15의 단계로부터 다시 진행한다.

한편, 상기 S17 단계에서의 판단 결과에 따라, 상기 수학식 5에 따라 계산된 거리가 상기 최소 이격 거리보다 크지 않다고 판단되면, 상기 S25의 단계로 진행하여 상기 변수(j)를 1개만큼 더 증가시키고, 상기 S15의 단계부터 다시 진행한다.

상기 S15의 단계에서는, 상기 변수(j)의 값이 상기 x,y축 해상변전소(20)의 위치 가능 좌표 개수(k) 값보다 크다고 판단되면, 상기 최소 비용 입력 변수(Min)와, 상기 케이블 거리값 및 최종 산출 비용을 고려한 해상변전소(20)의 위치 좌표값을 출력하게 된다(S26).

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10:내부망 그리드 20:해상변전소
30:송전 케이블 40:육상연계지점

Claims

해상 풍력발전단지의 구축을 위해 풍력터빈의 위치가 결정되면, 내부망 그리드의 피더 수와, 해상변전소와 육상연계지점 사이의 외부 송전 케이블 회선 수를 각각 결정하는 제1단계;
상기 내부망 그리드 피더 터미널의 풍력터빈과, 상기 해상 변전소와 육상연계지점과의 위치좌표를 설정하고, 상기 위치 좌표에 근거하여 해상변전소의 예상 최대 구축 비용을 최소 비용 입력 변수로서 설정하는 제2단계;
상기 내부망 그리드의 피더수와, 상기 외부 송전 케이블의 회선수를 근거로 각 케이블의 거리를 계산하고, 각 케이블의 소요 비용을 계산하여 해상변전소의 위치에 따른 총 비용을 산출하는 제3단계; 및
상기 해상변전소의 위치에 따른 총 비용이 상기 최소 비용 입력 변수에 따른 예상 최대 구축 비용과 매칭되면, 상기 총 비용과, 상기 해상변전소의 위치 좌표값을 출력하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 내부망 그리드의 피더 수는,

(단, 상기 "P_WPP"은 해상 풍력발전단지의 용량[MW]이고, 상기 "P_in,cable"은 내부망 피더 터미널 터빈과 해상변전소를 연결하는 내부망 케이블의 용량[MW]에 해당됨)
에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 외부 송전 케이블의 회선 수는,

(단, 상기 "P_WPP"은 해상 풍력발전단지의 용량[MW]이고, 상기 "P_ex,cable"는 육상연계지점과 해상변전소를 연결하는 송전 케이블의 용량[MW]에 해당됨)
에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드 케이블의 거리는,

(단, 상기 "x_i"는 i번째 피더 터미널 풍력터빈의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_i"는 i번째 피더 터미널 풍력터빈의 y 좌표[km]이며, 상기 "x_OSS"는 해상변전소의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_OSS"는 해상변전소의 y 좌표[km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 외부 송전 케이블의 거리는,

(단, 상기 "x_OSS"는 해상변전소의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_OSS"는 해상변전소의 y 좌표[km]이며, 상기 "x_CP"는 육상연계지점의 x 좌표[km]이고, 상기 "y_CP"는 육상연계지점의 y 좌표[km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제3단계는, 각 케이블의 소요 비용으로서, 케이블의 총 비용과, 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용, 무효전력 보상설비 비용을 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용 중에서 내부망 그리드의 케이블 총 비용은,

(단, 상기 "C_in"은 내부망 그리드의 각 케이블 길이당 비용[억원/km]이고, 상기 "l_i,in"은 i번째 피더 터미널 풍력터빈에서 해상변전소를 연결하는 케이블 길이[km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용 중에서 외부 송전 케이블의 총 비용은,

(단, 상기 "N_ex"는 외부 송전 케이블의 회선 수이고, 상기 "C_ex"는 외부 송전 케이블의 길이당 비용[억원/km]이며, 상기 "l_ex"는 육상연계지점과 해상변전소를 연결하는 송전 케이블의 길이[km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 해상변전소의 위치에 따라 변동되는 값은, 내부망 그리드의 각 피더와 해상변전소 사이의 케이블 길이(l_i,in)와, 해상변전소와 육상연계지점 사이의 케이블 길이(l_ex)이고,
각 케이블의 길이는 해상변전소와, 내부망 그리드 각 피더의 터미널 풍력터빈 및 육상연계지점의 (x,y) 좌표를 설정하여 구하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 케이블의 총 비용은 상기 내부망 그리드의 총 비용(C_T,in)과, 상기 외부 송전 케이블의 총 비용(C_T,ex)을 각각 합산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 구성 컴포넌트의 고장에 따른 손실 비용은,
내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량과, 외부 송전 케이블고장으로 인한 에너지 손실량의 합산치를 에너지 단가와 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량은,

(단, 상기 "CF"는 해상 풍력발전단지의 설비 이용률(Capacity Factor)[%]이고, 상기 "E_i,in"는 i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소를 연결하는 케이블 고장시 에너지 손실량이며, 상기 "E_in"은 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량[MWh]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 해상 풍력발전단지의 설비 이용률(CF)은,

(단, 상기 "P_actual"은 풍력터빈의 실제 출력값[MW]이고, 상기 "P_rated"는 풍력터빈의 정격 출력값[MW]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소를 연결하는 케이블 고장시 에너지 손실량(E_i,in)은,

(단, 상기 "λ_in,cable"은 내부망 그리드의 케이블 고장률[회/년·㎞]이고, 상기 "MTTR_in,cable"은 내부망 그리드의 케이블 고장 수리시간[시간/회]이며, 상기 "l_i,in"은 i번째 피더의 터미널 풍력터빈과 해상변전소 간의 연결 케이블 길이[km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 내부망 그리드의 케이블 고장으로 인한 에너지 손실량(E_in)은,

에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 무효전력 보상설비 비용은,
총 무효전력 공급량에 무효전력 보상설비 단위 용량당 비용을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 총 무효전력 공급량은,

(단, 상기 "Q_in"은 내부망 그리드 측 케이블에서 공급되는 총 무효전력[kVar]이고, 상기 "Q_ex"는 외부 송전 케이블에서 공급되는 총 무효전력[MVar]에 해당됨)
에 의해 계산하고,
상기 내부망 그리드 측 케이블에서 공급되는 총 무효전력(Q_in)은,

(단, 상기 "V_in"은 내부망 그리드의 전압 레벨[kV]이고, 상기 "f"는 계통 주파수[Hz]이며, 상기 "C_in,cap"는 내부망 그리드 측 케이블의 정전용량 [uF/km]에 해당됨)
에 의해 계산되고,
상기 외부 송전 케이블에서 공급되는 총 무효전력(Q_ex)은,

(단, 상기 "V_ex"는 외부 송전 전압 레벨[kV]이고, 상기 "C_ex,cap"는 외부 송전 케이블의 정전용량[uF/km]에 해당됨)
에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 해상변전소의 위치 선정 방법.