KR20160131588A - 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 - Google Patents

해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상 풍력 발전 단지에서 소비되는 모든 비용을 최소화하기 위한 해상 변전소 내 변압기의 개수 및 용량을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전자 장치는 해상 풍력 발전 단지에 대한 초기 투자비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정하는 목적 함수 결정부와, 상기 해상 풍력 발전 단지 내 해상 변전소의 여유도를 기반으로 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하고, 상기 적어도 하나의 개수 중에서 상기 목적 함수의 값이 최소가 되는 하나의 개수를 선택한 후, 상기 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량 및 상기 선택된 개수를 기반으로 각 변압기의 용량을 결정하는 변압기 개수 및 용량 결정부를 포함할 수 있다.

Description

해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체{ELECTRONIC DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING CAPACITY AND THE NUMBER OF TRANSFORMERS OF AN OFFSHORE SUBSTATIONS, RECORDING MEDIUM FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는, 해상 풍력 발전 단지에서 소비되는 모든 비용을 최소화하기 위한 해상 변전소 내 변압기의 개수 및 용량을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
바람의 세기는 해안으로부터 멀어질수록 증가하기 때문에, 해상 풍력 발전 단지 내 해상 풍력 터빈은 해안으로부터 수십 킬로미터 떨어진 곳에 설치된다. 해안으로부터 수십 킬로미터 떨어져 설치된 해상 풍력 터빈에서 생성된 전기 에너지가 육상으로 효율적으로 전송되기 위해서는 해상 변전소가 설치되어야 한다. 이때, 해상 변전소는 해상 풍력 터빈에서 생성된 전기를 수요자에게 전송하기 위해 전압이나 전류의 성질을 변환하기 위한 시설을 의미한다.
일반적으로, 변전소를 운용하기 위해서는 변전소 설치에 요구되는 비용인 초기 투자 비용, 변전소 운용에 필요한 비용인 운용 비용, 및 변전소 내 변압기 고장으로 발생되는 비용인 공급 지장 비용이 요구된다.
하지만, 해상에 설치되는 전력 설비는 육상에 설치되는 전력 설비에 비해 초기 투자 비용, 운용 비용 및 공급 지장 비용 등이 높다. 따라서, 비 효율적으로 설치된 전력 설비를 재설치하거나 혹은 고장이 발생한 전력 설비를 수리할때마다, 소비되는 비용이 기하급수적으로 증가하는 문제점이 존재한다.
본 발명의 실시 예는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 실시 예는 해상 변전소에서 소비되는 모든 비용을 최소화하기 위한 변압기의 개수 및 용량을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전자 장치는 해상 풍력 발전 단지에 대한 초기 투자비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정하는 목적 함수 결정부와, 상기 해상 풍력 발전 단지 내 해상 변전소의 여유도를 기반으로 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하고, 상기 적어도 하나의 개수 중에서 상기 목적 함수의 값이 최소가 되는 하나의 개수를 선택한 후, 상기 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량 및 상기 선택된 개수를 기반으로 각 변압기의 용량을 결정하는 변압기 개수 및 용량 결정부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전자 장치의 방법은 해상 풍력발전 단지에 대한 초기 투자비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정하는 단계와, 상기 해상 변전소의 여유도를 기반으로 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하는 단계와, 상기 적어도 하나의 개수 중에서 상기 목적 함수의 값이 최소가 되는 하나의 개수를 선택하는 단계와, 상기 해상 풍력발전 단지의 전체 용량 및 상기 선택된 개수를 기반으로 각 변압기의 용량을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 해상 풍력 발전 단지에 요구되는 초기 투자 비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 해상 풍력 발전 단지의 전체 비용을 결정하기 위한 목적 함수를 결정하고, 결정된 목적 함수에 대입 시, 최소 비용이 산출되는 변압기의 개수 및 용량을 결정함으로써, 해상 풍력 발전 단지에 소모되는 비용을 절감할 수 있다. 특히, 해상 구조물은 육상의 구조물에 비해 많은 비용이 소모되기 때문에, 상대적으로 큰 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 풍력 발전 단지의 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소 내 변압기의 고장 발생 상황을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소 내 제어기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍속의 확률 분포 및 풍력 터빈의 출력 특성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 풍력 발전 단지의 전체 출력에 대한 확률 밀도를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소에서 소모되는 모든 비용을 최소화하기 위해 변압기의 개수 및 용량을 결정하기 위한 절차를 도시하는 도면.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 문서에서, “가진다,” “가질 수 있다,”“포함한다,” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 문서에서, “A 또는 B,”“A 또는/및 B 중 적어도 하나,”또는 “A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상”등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, “A 또는 B,” “ A 및 B 중 적어도 하나,”또는 “ A 또는 B 중 적어도 하나”는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 풍력 발전 단지의 시스템을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 해상 풍력 발전 단지(100)는 해상 풍력 터빈(101), 해상 변전소(103), 송전 케이블(105), 공통 연결점(PCC: Point of Common Coupling)(107)을 포함한다.
해상 풍력 터빈(101)은 바람의 운동 에너지인 풍력 에너지를 기계적 에너지인 전력으로 변환시키는 회전 기구를 의미한다. 본 발명의 실시 예에 따른 해상 풍력 발전 단지(100)는 적어도 하나의 해상 풍력 터빈(101)을 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 배열 형태로 배치된 다수 개의 해상 풍력 터빈(101)을 포함할 수도 있다. 해상 풍력 터빈(101)은 바람의 운동 에너지인 풍력 에너지를 기계적 에너지인 전력으로 변환시킨 후, 변환된 전력을 해상 변전소(103)로 전송할 수 있다.
해상 변전소(103)는 해상 풍력 터빈(101)으로부터 수신된 전력을 송전 케이블(105)을 통해 공통 연결점(107)으로 전송하기 위한 장치를 포함하는 시설을 의미한다. 해상 변전소(103)는 해상 풍력 터빈(101)으로부터 수신된 전력이 공통 연결점(107)으로 전송되는 동안 발생되는 전력 손실이 최소화되도록 전압 및 전류를 변환시킬 수 있다. 본 발명의 실시 에에 따른 해상 변전소(103)는 해상 변전소(103)에서 소모되는 모든 비용을 최소화하기 위한 용량을 가지는 적어도 하나의 변압기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 해상 변전소(103)는 해상 변전소(103)에서 소모되는 모든 비용을 최소화하기 위해, 용량이 100%인 하나의 변압기를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 해상 변전소(103)는 해상 변전소(103)에서 소모되는 모든 비용을 최소화하기 위해, 용량이 50%인 두 개의 변압기를 포함할 수 있다.
공통 연결점(107)은 적어도 하나의 전력 수요자에게 전력을 공급하기 위한 네트워크 지점으로써, 해상 변전소로부터 수신된 전력을 송전 케이블(105)을 통해 전력 수요자에게 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소 내 변압기의 고장 발생 상황을 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 해상 변전소 내 변압기(200)는 두 개의 코일(제 1 코일(201) 및 제 2 코일(203))을 포함한다. 만약, 변압기(200)에 포함된 두 개의 코일 중 하나의 코일이 고장으로 인해 사용이 불가능한 경우, 해상 변전소 내 변압기(200)는 고장으로 인해 사용이 불가능한 코일을 제외한 나머지 코일을 통해서만 전류를 전송하게 되므로, 변압기의 전송 가능한 용량이 감소될 수 있다. 예를 들어, 변압기(200)에 포함된 제 1 코일(201) 및 제 2 코일(203) 중에서, 제 2 코일(203)이 고장으로 인해 사용이 불가능한 경우, 해상 변전소 내 변압기(200)는 제 1 코일(201)만을 통해 전류를 전송할 수 있으므로, 제 1 코일(201) 및 제 2 코일(203)을 통해 전류를 전송하는 경우에 비해 전체 전송 용량이 감소될 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 변압기 고장에 따른 영향 및 해상 변전소 설치에 대한 초기 투자 비용을 함께 고려한 해상 변전소의 변압기의 최적 개수 및 최적 용량을 결정하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소 내 제어기의 블록 구성을 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 해상 변전소 내 제어기(300)는 초기 투자 비용 결정부(301), 운영 비용 결정부(303), 신뢰도 비용 결정부(305), 목적 함수 결정부(307), 변압기 개수 및 용량 결정부(309)를 포함할 수 있다.
초기 투자 비용 결정부(301)는 변압기 설비 및 설치 비용, 주변 설비 비용, 해상 변전소 구조물(플랫폼) 비용을 기반으로 초기 투자 비용을 결정할 수 있다. 초기 투자 비용을 결정하는 구체적인 방법에 대해서는 이하 도 6에서 자세히 설명하도록 한다.
운영 비용 결정부(303)는 변압기의 손실 비용 및 유지 보수 비용을 기반으로 운영 비용을 결정할 수 있다. 이때, 유지 보수 비용은 변압기 고장에 따른 수리 비용 및 점검 비용을 포함할 수 있다. 운영 비용을 결정하는 구체적인 방법에 대해서는 이하 도 6에서 자세히 설명하도록 한다.
신뢰도 비용 결정부(305)는 해상 변전소의 변압기 고장으로 인한 손실 비용 및 변압기 교체 기간 동안 전송하지 못한 공급 지장 에너지 비용을 기반으로 신뢰도 비용을 결정할 수 있다. 신뢰도 비용을 결정하는 구체적인 방법에 대해서는 이하 도 6에서 자세히 설명하도록 한다.
목적 함수 결정부(307)는 초기 투자 비용 결정부(301)에서 결정된 초기 투자 비용, 운영 비용 결정부(303)에서 결정된 운영 비용, 신뢰도 비용 결정부(305)에서 결정된 신뢰도 비용을 기반으로 해상 풍력 발전 단지의 전체 비용을 결정하기 위한 목적 함수를 결정할 수 있다. 목적 함수를 결정하는 방법에 대해서도 이하 도 6에서 자세히 설명하도록 한다.
변압기 개수 및 용량 결정부(309)는 변전소에 미리 설정된 여유도(redundancy)를 고려하여, 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하고, 결정된 개수 중에서 목적 함수 대입 시, 최소 비용이 산출되는 개수를 최적의 변압기 개수로 결정할 수 있다.
또한, 변압기 개수 및 용량 결정부(309)는 각각의 변압기 용량을 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량을 기준으로 결정할 수 있다. 이때, 변압기 개수 및 용량 결정부(309)는 각각의 변압기 용량의 합이 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량과 동일하도록 결정할 수 있다.
상술한 제어기(300)는 설계 방법에 따라, 해상 변전소 내에 구비되거나 혹은 해상 변전소의 영역이 아닌 다른 영역에 별도의 장치로 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍속의 확률 분포 및 풍력 터빈의 출력 특성을 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 해상 풍력 단지 지역 내 풍속의 확률 분포 및 해상 풍력 단지 내 풍력 터빈의 출력 특성은 그래프에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
일반적으로, 해상 풍력 발전 단지에서의 출력의 크기는 일정하지 않으며, 풍속에 따라 출력의 크기가 결정될 수 있다. 다시 말해. 해상 풍력 발전 단지의 출력은 풍속에 따라 결정될 수 있고, 해상 풍력 발전 단지의 전체 출력의 분포는 풍속의 분포에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 풍속에 대한 확률 분포를 결정해야 하며, 풍속에 대한 확률 분포는 와이불(Weibull) 분포 함수를 이용하여 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
이때, Prob(v)는 풍속 v의 확률을 의미하고, k는 무차원 형상 파라미터의 분포(Dimensionless shape parameter of distribution)를 의미하고, A는 크기 파라미터(Scale parameter)를 의미한다.
해상 풍력 터빈은 풍속의 범위에 따라 서로 다른 출력 특성을 나타낼 수 있다. 풍속의 범위에 따른 출력 특성은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
이때, PWT(v)는 풍속 v에서의 출력(MW)을 의미하고, ρ는 공기 밀도(Air density)(kg/m3)를 의미하며, As는 회전 날 면적(Blade sweep area)(m2)을 의미하고, CP는 풍력 터빈의 성능 계수(Coefficient of performance of the turbine)를 의미한다. 또한,
Figure pat00003
은 전송 효율(Transmission efficiency)을 의미하며,
Figure pat00004
는 발전기 효율을 의미한다. 더하여, Vc는 시동 풍속(Cut in wind speed)(m/s)을 의미하고, Vf는 종단 풍속(Cut out wind speed)(m/s)을 의미하며, Vr은 정격 풍속(rated wind speed)(m/s)을 의미한다. 여기서, 시동 풍속이란 풍력 터빈이 발전을 개시할때의 풍속을 의미한다. 종단 풍속이란 풍력 터빈이 과부하되지 않도록 하기 위해, 발전을 정지해야하는 시점의 풍속을 의미한다. 또한, 정격 풍속이란 풍력 모터에 설계 동력을 발생시킬 수 있는 최소 풍력을 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 풍력 터빈이 시동 풍속 미만의 풍속의 영향을 받거나 혹은 종단 풍속 이상의 풍속의 영향을 받는 경우, 풍력 터빈의 출력은 0이 되고, 정격 풍속 이상, 종단 풍속 이하의 풍속의 영향을 받는 경우, 풍력 터빈은 정격 출력을 발생시킬 수 있다. 만약, 해상 풍력 단지 내 모든 풍력 터빈이 동일한 풍속의 영향을 받는다면, 해상 풍력 발전 단지의 전체 출력은 풍력 터빈 하나의 출력에 풍력 터빈의 전체 개수를 곱하여 결정할 수 있다.
이를 고려한 해상 풍력 발전 단지 전체 출력의 확률 밀도는 도 5에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 해상 풍력 발전 단지의 출력이 이산적인 특징을 나타내는 경우는, 해상 풍력 발전 단지의 출력이 0인 경우와 정격 출력(Rated output)인 경우이다. 예를 들어, 풍속이 시동 풍속(cut-in wind speed) 미만이거나 혹은 종단 풍속(cut-out wind speed) 이상인 경우, 출력이 발생하지 않고(출력=0), 풍속이 정격 풍속과 종단 풍속 사이의 범위에 포함되는 경우, 정격 출력이 발생할 수 있다. 상술한 두 가지의 경우에 대한 확률이 상대적으로 높게 나타날 수 있다. 이때, 두 확률 사이에 존재하는 연속적인 확률은 시동 풍속과 정격 풍속 사이에서 발생하는 해상 풍력 단지의 출력을 나타낸다. 특히, 두 확률 사이의 범위에서는 풍력 터빈의 출력 특성에 따라 해상 풍력 단지의 출력이 결정될 수 있다. 이와 같은 특징을 기반으로 풍력 발전 단지의 평균 출력은 아래의 수학식 3을 이용하여 결정할 수 있다.
Figure pat00005
이때, Pavg는 풍력 발전 단지의 평균 출력(MW)를 의미하고, PWT는 풍력 발전 단지의 정격 용량(MW)을 의미한다. 또한, x는 풍력 터빈의 출력(MW)을 의미하고 fp(x)는 출력 x의 확률을 의미한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상 변전소에서 소모되는 모든 비용을 최소화하기 위해 변압기의 개수 및 용량을 결정하기 위한 절차를 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 제어기는 601단계에서 초기 투자 비용을 결정할 수 있다. 이때, 초기 투자 비용은 해상 풍력 발전 단지의 해상 변전소 구성에 대한 비용을 의미하며, 변압기 설비 및 설치 비용, 주변 설비 비용, 해상 변전소 구조물(플랫폼) 비용 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 초기 투자 비용(Cinv)은 아래의 수학식 4를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00006
이때, αN은 다수의 변압기 설치에 대한 조정률을 나타낸다. 예를 들어, 변압기 2개를 설치할 경우, 조정률은 130%일 수 있다. 다른 예를 들어, 변압기 3개를 설치할 경우, 조정률은 160%일 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 변압기 개수와 조정률은 상술한 예에 제한되지 않고, 서로 다르게 매칭될 수도 있다. 또한, CostTR은 변압기 설비 비용을 나타내고, CostOP는 해상 변전소 내 구조물 비용을 의미한다.
본 발명의 실시 예에 따른 변압기 설비 비용(CostTR)은 아래의 수학식 5를 이용하여 결정할 수 있다.
Figure pat00007
이때, At는 오프셋 상수(offset constant) 값 -1.5244 ×108을 의미하고, Bt는 슬로프 상수(slop constant) 값 2.7043 ×105을 의미한다. 또한, α는 지수(exponent) 값으로 0.4473을 의미하고, Srated는 변압기의 총 정격용량(VA)을 의미한다.
본 발명의 실시 예에 따른 변압기 설치 및 주변 설비 비용은 상술한 수학식으로 계산된 변압기 설비 비용의 50%로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 해상변전소 구조물 비용(CostOP)은 아래의 수학식 6을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00008
이때, AP는 오프셋 상수(offset constant) 값 2.5238 ×109을 의미하고, BP는 슬로프 상수(slop constant) 값 88.333을 의미한다.
이후, 제어기는 603단계로 진행하여 운영 비용을 결정할 수 있다. 이때, 운영 비용은 변압기의 손실 비용 및 유지 보수 비용 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 유지 보수 비용은 변압기 고장에 따른 수리 비용 및 점검 비용 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 운영 비용(Costoperation)은 아래의 수학식 7과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00009
이때, Closs는 변압기 손실 비용을 의미하고, Cr/m은 유지 보수 비용을 의미한다. 본 발명의 실시 예에 따른 변압기 손실 비용(CostTR)은 풍력 터빈에서 생산된 전력이 변압기를 통과하며 발생되는 손실을 의미하며, 아래의 수학식 8을 이용하여 결정될 수 있다.
이때, Ce는 전력의 판매 단가를 의미하고, N은 변압기의 개수를 의미한다. 또한, Sn은 변압기 정격용량을 의미하고, Sin은 변압기 입력 전력을 의미한다. 더하여, P0는 무부하 손실 파라미터(pu)를 의미하고, P1은 부하 손실 파라미터(pu)를 의미하며, P0와 P1은 아래의 수학식 9 및 10과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
본 발명의 실시 예에 따른 유지 보수 비용(Costr/m)은 변압기 고장에 따른 수리 비용 및 점검 비용을 포함하며, 아래의 수학식 11을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00013
이때, Crepair는 변압기 1회 고장시 예상되는 수리 비용(억원/회)을 의미하고, Cmt는 변압기에 대한 연간 점검 비용(억원/회)을 의미하며, λ는 변압기 고장률(회/년)을 의미한다.
이후, 제어기는 605단계로 진행하여 신뢰도 비용을 결정할 수 있다. 이때, 신뢰도 비용은 해상 변전소의 변압기 고장으로 인한 수리 비용, 변압기 고장으로 인한 손실 비용 및 변압기 교체 기간 동안 전송하지 못한 공급 지장 에너지 비용 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 변압기 고장 시, 변압기 용량이 송전 가용량에 미치지 못하기 때문에, 풍력 터빈에서 전기를 생산하더라도 생산된 전기를 육상으로 전송하지 못하는 상황이 발생되게 되어, 변압기 고장으로 인한 손실 비용이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 신뢰도 비용(CostEENS)은 아래의 수학식 12를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00014
이때, Punavail은 변압기 i개의 비가용 확률을 의미하며, 변압기의 비가용 확률 Punvail(i)은 아래의 수학식 13을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00015
여기서, λi는 변압기 i개의 고장률(회/년)을 의미하고, μi는 변압기 i개의 수리율(회/년)을 의미한다.
이후, 제어기는 607단계로 진행하여, 결정된 초기 투자 비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정할 수 있다. 특히, 제어기는 운영 비용 및 신뢰도 비용 결정 시, 해상 풍력 발전 단지의 수명과 할인율을 고려하여, 초기 투자 비용이 발생하는 시점을 기준으로 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 목적 함수는 아래의 수학식 14를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00016
이때, L은 해상 풍력 발전 단지의 수명(년)을 의미하고, R은 할인율(%)을 의미한다.
이후, 제어기는 609단계로 진행하여, 결정된 목적 함수를 기반으로 변압기의 개수 및 용량을 결정할 수 있다.
먼저, 제어기는 변전소의 여유도를 고려하여 변전소 내에 설치 가능한 변압기 개수를 적어도 하나 제안하고, 제안된 적어도 하나의 개수 중에서 목적 함수 대입 시, 최소 비용이 산출되는 개수를 최적의 변압기 개수로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 변전소의 여유도 고려 시, 변전소 내에 설치 가능한 변압기의 개수가 1개, 2개 및 3개인 경우, 변압기 개수를 1개로 설정했을 때의 목적 함수 비용을 결정하고, 변압기 개수를 2개로 설정했을 때의 목적 함수의 비용을 결정하고, 변압기의 개수를 3개로 설정했을 때의 목적 함수 비용을 결정한 후, 결정된 세 개의 목적 함수 비용 중에서 최소 비용이 산출되는 변압기 개수를 최적의 변압기 개수로 결정할 수 있다. 다른 예를 들어, 제어기는 변전소의 여유도 고려 시, 변전소 내에 설치 가능한 변압기의 개수가 3개 및 4개인 경우, 변압기 개수를 3개로 설정했을 때의 목적 함수의 비용을 결정하고, 변압기의 개수를 4개로 설정했을 때의 목적 함수 비용을 결정한 후, 결정된 두 개의 목적 함수 비용 중에서 최소 비용이 산출되는 변압기 개수를 최적의 변압기 개수로 결정할 수 있다.
또한, 제어기는 각각의 변압기 용량을 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량 및 변압기의 개수를 기준으로 결정할 수 있으며, 변압기의 수량은 3대 이하로 결정할 수 있다. 제어기는 변압기 용량 결정 시, 변압기 제조사 혹은 전력 회사의 표준 용량에 가장 가까운 용량을 참고하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 변압기 개수 및 용량을 아래의 표 1과 같이 결정할 수 있다.
case 변압기 개수 및 각 변압기의 용량 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량
1 변압기 1개, 100% 용량 100%
2 변압기 2개, 50% 용량 100%
3 변압기 2개, 60% 용량 120%
4 변압기 2개, 70% 용량 140%
5 변압기 2개, 80% 용량 160%
6 변압기 2개, 100% 용량 200%
7 변압기 3개, 34% 용량 102%
8 변압기 3개, 40% 용량 120%
9 변압기 3개, 50% 용량 150%
예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 100%이고, 변압기의 개수가 1개인 경우, 변압기의 용량은 100%일 수 있다. 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 100%이고, 변압기의 개수가 2개인 경우, 2개의 변압기 각각의 용량은 50%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 120%이고, 변압기의 개수가 2개인 경우, 2개의 변압기 각각의 용량은 60%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 140%이고, 변압기의 개수가 2개인 경우, 2개의 변압기 각각의 용량은 70%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 160%이고, 변압기의 개수가 2개인 경우, 2개의 변압기 각각의 용량은 80%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 200%이고, 변압기의 개수가 2개인 경우, 2개의 변압기 각각의 용량은 100%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 102%이고, 변압기의 개수가 3개인 경우, 3개의 변압기 각각의 용량은 34%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 120%이고, 변압기의 개수가 3개인 경우, 3개의 변압기 각각의 용량은 40%일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량이 150%이고, 변압기의 개수가 3개인 경우, 3개의 변압기 각각의 용량은 50%일 수 있다.
상술한 기술들은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 해상 풍력 발전 단지에 대한 초기 투자 비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정하는 목적 함수 결정부와,
    상기 해상 풍력 발전 단지 내 해상 변전소의 여유도를 기반으로 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하고, 상기 적어도 하나의 개수 중에서 상기 목적 함수의 값이 최소가 되는 하나의 개수를 선택한 후, 상기 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량 및 상기 선택된 개수를 기반으로 각 변압기의 용량을 결정하는 변압기 개수 및 용량 결정부를 포함하는 전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    초기 투자 비용 결정부를 더 포함하며,
    상기 초기 투자 비용 결정부는 변압기 설비 비용, 다수의 변압기 설치에 대한 조정률, 변압기 설치 비용, 주변 설비 비용, 및 해상 변전소 구조물 비용 중 적어도 하나를 기반으로 초기 투자 비용을 결정하며,
    상기 변압기 설비 비용은 제 1 오프셋 상수(Offset constant), 제 1 슬로프 상수(Slop constant), 지수(Exponent), 변압기의 전체 정격 용량 중 적어도 하나를 기반으로 결정하고,
    상기 해상 변전소 구조물 비용은, 제 2 오프셋 상수, 제 2 슬로프 상수, 변압기의 전체 정격 용량 중 적어도 하나를 기반으로 결정하는 전자 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    운영 비용 결정부를 더 포함하며,
    상기 운영 비용 결정부는 변압기 손실 비용, 유지 보수 비용 중 적어도 하나를 기반으로 운영 비용을 결정하며,
    상기 변압기 손실 비용은, 전력판매 단가, 변압기 수, 변압기 정격 용량, 변압기 입력 전력, 무부하 손실 파라미터, 및 부하 손실 파라미터 중 적어도 하나를 기반으로 결정하고,
    상기 유지 보수 비용은 변압기 수리 비용 및 점검 비용 중 적어도 하나를 기반으로 결정하는 전자 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    신뢰도 비용 결정부를 더 포함하며,
    상기 신뢰도 비용 결정부는 변압기 비가용 확률, 전력 판매 단가, 해상 풍력 발전 단지의 평균 출력 중 적어도 하나를 기반으로 신뢰도 비용을 결정하며,
    상기 해상 풍력 발전 단지의 평균 출력은, 해상 풍력 발전 단지의 정격 용량, 풍력 터빈의 출력, 상기 풍력 터빈의 출력에 대한 확률 중 적어도 하나를 기반으로 결정하고,
    상기 변압기 비가용 확률은 변압기의 고장률 및 수리율 중 적어도 하나를 기반으로 결정하는 전자 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 목적 함수 결정부는 상기 초기 투자비용, 상기 운영 비용, 상기 신뢰도 비용, 상기 해상 풍력 발전 단지의 수명, 및 순현재가치(net present value) 중 적어도 하나를 기반으로 목적 함수를 결정하는 전자 장치.
  6. 해상 풍력 발전 단지에 대한 초기 투자 비용, 운영 비용 및 신뢰도 비용을 기반으로 목적 함수를 결정하는 단계와,
    상기 해상 풍력 발전 단지 내 해상 변전소의 여유도를 기반으로 설치 가능한 변압기의 적어도 하나의 개수를 결정하는 단계와,
    상기 적어도 하나의 개수 중에서 상기 목적 함수의 값이 최소가 되는 하나의 개수를 선택하는 단계와,
    상기 해상 풍력 발전 단지의 전체 용량 및 상기 선택된 개수를 기반으로 각 변압기의 용량을 결정하는 단계를 포함하는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치의 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 초기 투자 비용은 변압기 설비 비용, 다수의 변압기 설치에 대한 조정률, 변압기 설치 비용, 주변 설비 비용, 및 해상 변전소 구조물 비용 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 변압기 설비 비용은, 제 1 오프셋 상수, 제 1 슬로프 상수, 지수, 변압기의 전체 정격 용량 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 해상 변전소 구조물 비용은, 제 2 오프셋 상수, 제 2 슬로프 상수, 변압기의 전체 정격 용량 중 적어도 하나를 기반으로 결정되는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치의 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 운영 비용은 변압기 손실 비용, 유지 보수 비용 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 변압기 손실 비용은, 전력판매 단가, 변압기 수, 변압기 정격 용량, 변압기 입력 전력, 무부하 손실 파라미터, 및 부하 손실 파라미터 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 유지 보수 비용은 변압기 수리 비용 및 점검 비용 중 적어도 하나를 기반으로 결정되는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치의 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 신뢰도 비용은 변압기 비가용 확률, 전력 판매 단가, 해상 풍력 발전 단지의 평균 출력 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 해상 풍력 발전 단지의 평균 출력은, 해상 풍력 발전 단지의 정격 용량, 풍력 터빈의 출력, 상기 풍력 터빈의 출력에 대한 확률 중 적어도 하나를 기반으로 결정되며,
    상기 변압기 비가용 확률은, 변압기의 고장률 및 수리율 중 적어도 하나를 기반으로 결정되는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치의 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 목적 함수는 상기 초기 투자 비용, 상기 운영 비용, 상기 신뢰도 비용, 상기 해상 풍력 발전 단지의 수명, 및 순현재가치(net present value) 중 적어도 하나를 기반으로 결정되는 해상 변전소의 변압기 개수 및 용량을 결정하기 위한 전자 장치의 방법.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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