KR20190040752A

KR20190040752A - 해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190040752A
Application number: KR1020170130796A
Authority: KR
Inventors: 김진오; 신제석
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-19
Also published as: KR102026245B1

Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 해상풍력발전단지 설계 방법은 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득하는 단계, 획득된 데이터를 기초로, 해상풍력발전단지의 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계, 탐색된 복수의 후보군을 기초로, 해상풍력발전단지의 복수의 풍력 터빈을 연결하는 적어도 하나의 케이블 종류 및 적어도 하나의 케이블의 연결 형태를 포함하는 내부 그리드를 설계하는 단계 및 설계된 내부 그리드 및 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DESIGNING OFFSHORE WIND FARM}

본 발명의 기술적 사상은 해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 해상 변전소 위치 선정과 내부 그리드 설계를 통합적으로 고려하는 해상풍력발전단지 설계 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

해상풍력발전은 풍력 터빈을 호수, 피오르드 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여, 그 곳에서 부는 바람의 운동 에너지를 회전 날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전 방식을 말한다.

이러한 해상풍력발전을 위한 해상풍력발전단지는 육상풍력발전단지에 비해서 개발 규모가 크며, 수십에서 수백 기의 풍력 터빈으로 구성된다.

해상풍력발전단지는 해상에 설치된 풍력 터빈에서 전력이 생산되고, 생산된 전력은 내부 그리드를 통해 취합된 후, 해상 변전소 및 외부 그리드를 통해 육상으로 전달된다.

따라서 해상풍력발전단지의 설계는 풍력 자원을 고려한 풍력 터빈의 최적 위치 선정 문제, 내부 그리드 내 케이블 선로의 최적 배치 선정 문제, 해상 변전소 최적 위치 및 구성 문제 및 외부 그리드의 최적 구성 문제 등과 같이 다양한 요소들이 고려되어야 한다.

특히, 해상풍력발전단지는 해상이라는 지리적인 특성으로 인해, 초기 개발비용이 많이 소요되므로, 주로 초기 투자 비용 및 전력 손실 비용 등의 경제성 평가를 통해, 각 문제에 대해 최적의 대안을 도출할 필요가 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는, 해상변전소의 위치 선정과 내부 그리드 설계에 대해 통합적으로 고려한 해상풍력발전단지의 설계안을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 경제성, 신뢰도 평가 결과인 초기 투자 비용 및 전력 손실 비용, 공급 지장 비용의 합이 최소가 되는 해상 변전소의 위치, 내부 그리드 내 케이블 선로 배치 및 외부 그리드 구성에 대한 최적안을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 해상풍력발전단지 설계 방법은 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득하는 단계; 상기 획득된 데이터를 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계; 상기 탐색된 복수의 후보군을 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 복수의 풍력 터빈을 연결하는 적어도 하나의 케이블 종류 및 상기 적어도 하나의 케이블의 연결 형태를 포함하는 내부 그리드를 설계하는 단계; 및 상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계는 임의의 위치를 상기 해상 변전소의 초기 위치로 선정하는 단계와, 상기 선정된 초기 위치에 대해 복수의 방면으로, 기준 거리만큼 떨어진 위치를 상기 복수의 후보군으로 설정하는 단계와, 상기 복수의 후보군을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계는 비교 결과, 상기 복수의 후보군 중 하나의 위치를 선정하는 단계와, 상기 선정된 위치에 대해 상기 복수의 방면으로, 상기 기준 거리만큼 떨어진 위치를 다시 복수의 후보군으로 설정하는 단계와, 상기 다시 설정된 복수의 후보군을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 기준 거리는 상기 설정된 복수의 후보군을 설정하기 위한 탐색 과정에 따라 변동되는 거리일 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 내부 그리드를 설계하는 단계는 상기 복수의 풍력 터빈을 상기 획득된 데이터에 따른 피더(feeder)의 개수의 그룹으로 분류하는 단계와, 상기 분류된 그룹의 상기 복수의 풍력 터빈을, 상기 피더 내에 있는 풍력 터빈끼리 연결하는 케이블의 길이를 계산하는 단계와, 상기 계산된 길이의 케이블을 통해 흐르는 조류량을 계산하는 단계와, 상기 계산된 길이 및 조류량을 기초로, 상기 내부 그리드에 적용될 케이블을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 케이블의 길이를 계산하는 단계는 상기 분류된 그룹 중 하나의 피더 내의 복수의 풍력 터빈 중 상기 해상 변전소와 가장 가까운 거리에 위치하는 풍력 터빈을 상기 해상 변전소와 연결하는 단계와, 상기 하나의 피더 내의 복수의 풍력 터빈 중 이미 연결된 제1 풍력 터빈과 가장 가까운 거리에 위치하는, 연결되지 않은 제2 풍력 터빈을 탐색하는 단계와, 상기 탐색된 제2 풍력 터빈을 상기 제1 풍력 터빈과 연결하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는 상기 내부 그리드에 포함되는 케이블 선로의 설치 비용, 상기 케이블 선로에서 발생하는 전력 손실 및 상기 전력 손실에 따른 전력 손실 비용을 기초로, 상기 내부 그리드에 대한 경제성 비용을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는 상기 내부 그리드 내의 상기 복수의 풍력 터빈 중 적어도 하나에 발생할 수 있는 고장에 따른 공급지장전력량 및 상기 공급지장전력량에 따른 공급지장비용을 기초로, 상기 내부 그리드에 대한 신뢰도 비용을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는 상기 외부 그리드에 포함되는 케이블 선로의 설치 비용, 상기 케이블 선로에서 발생하는 전력 손실 및 상기 전력 손실에 따른 전력 손실 비용을 기초로, 상기 외부 그리드에 대한 경제성 비용을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는 상기 외부 그리드 내의 가용한 케이블의 전체 정격 용량 및 상기 내부 그리드 내의 가용한 복수의 풍력터빈의 출력을 기초로, 상기 외부 그리드에 대한 신뢰도 비용을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 평가된 내부 그리드 및 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용을 기초로, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 단계는 상기 평가된 상기 내부 그리드 및 상기 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용의 합이 최소인 설계를, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 해상풍력발전단지 장치는 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득하는 데이터 입력부; 상기 획득된 데이터를 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 해상 변전소 위치 대안 탐색부; 상기 탐색된 복수의 후보군을 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 복수의 풍력 터빈을 연결하는 적어도 하나의 케이블 종류 및 상기 적어도 하나의 케이블의 연결 형태를 포함하는 내부 그리드를 설계하는 내부 그리드 설계 대안 생성부; 상기 설계된 내부 그리드에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가하는 내부 그리드 설계 대안 평가부; 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가하는 외부 그리드 평가부를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 내부 그리드 설계 대안 평가부 및 상기 외부 그리드 평가부 각각의 경제성 및 신뢰도 평가 결과를 기초로, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 최종 설계안 선정부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 최종 설계안 선정부는 상기 내부 그리드 및 상기 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용의 합이 최소인 설계를, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계로 결정할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치 및 그 방법은 해상변전소의 위치 선정과 내부 그리드 설계에 대해 통합적으로 고려하여 해상풍력발전단지의 설계안을 제공할 수 있다.

본 발명은 경제성 및 신뢰도 평가 결과인 초기 투자 비용 및 전력 손실 비용, 공급 지장 비용의 합이 최소가 되는 해상 변전소의 위치, 내부 그리드 내 케이블 선로 배치 및 외부 그리드 구성에 대한 최적의 설계안을 도출할 수 있다.

본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 패턴 검색 기반의 해상 변전소 위치 탐색에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 내부 그리드 설계 동작에 대한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 그룹의 분류된 풍력 터빈에 대한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈 연결에 대한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 케이블의 최대 유효전력량 계산을 위한 실시예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈 사이의 케이블 고장에 대한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈의 출력 특성 곡선과 풍속의 확률 분포를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈의 감축된 출력 특성 곡선을 나타낸다.

본 발명의 기술적 사상은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 기술적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 기술적 사상을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 기술적 사상의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 프로세서(Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processor), 어플리케이션 프로세서(Application Processor), 마이크로 컨트롤러(Micro Controller), CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphics Processing Unit), APU(Accelerate Processor Unit), DSP(Digital Signal Processor), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등과 같은 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지의 구성을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 해상풍력발전단지(10)는 해상 변전소(100), 내부 그리드(200) 및 외부 그리드(300)를 포함할 수 있다.

해상 변전소(100)는 풍력 터빈에 의해 발전된 전력을 승압하고, 승압된 전력을 외부 그리드(300)로 전달할 수 있다.

내부 그리드(200) 내에는 복수의 풍력 터빈(Wind Turbine)이 포함되고, 복수의 풍력 터빈(WT)은 바람 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 그리고 생산된 전력은 내부 그리드(200)를 통해 해상 변전소(100)에 전달된다. 여기서 해상 변전소에 연계되는 각 그룹을 피더(feeder)라고 한다.

외부 그리드(300)는 해상 변전소(100)로부터 전달된 전력을 육상의 변전소로 전달할 수 있다. 외부 그리드(300)가 육상의 변전소, 육상의 전력 시설과 연결되는 지점을 그리드 연결 포인트(390)라고 할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치 및 방법은 상술한 해상풍력발전단지(10)의 해상 변전소 위치 선정, 내부 그리드 설계 및 외부 그리드 설계를 수행할 수 있다. 이하, 자세히 설명한다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 구성을 설명한다.

도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 해상풍력발전단지 설계 장치(400)는 데이터 입력부(410), 내부 그리드 생성 및 평가부(420), 외부 그리드 생성 및 평가부(430), 최종 설계안 선정부(440) 및 설계 알고리즘 종료 판단부(460)를 포함할 수 있다.

데이터 입력부(410)는 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 입력받을 수 있다.

예를 들면, 데이터 입력부(410)는 풍력 터빈 관련 데이터, 케이블 관련 데이터, 풍속 데이터, 경제성 평가 관련 데이터, 신뢰도 평가 관련 데이터, 해상 변전소 관련 데이터 및 내부 그리드 관련 데이터 중 적어도 하나를 입력 받을 수 있다.

풍력 터빈 관련 데이터는 풍력 터빈 개수 및 위치, 풍력 터빈의 용량 및 울력 특성 곡선에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

케이블 관련 데이터는 케이블 선종별 허용 용량, 단위 길이당 저항에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

풍속 데이터는 풍속 확률 분포에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

경제성 평가 관련 데이터는 풍력발전단지의 기대 수명 및 할인율에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

신뢰도 평가 관련 데이터는 케이블의 단위 길이 당 고장률 및 평균 수리 기간, 풍력 터빈의 가용률과 비가용률에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

해상 변전소 관련 데이터는 해상 변전소의 초기 위치와 관련된 데이터를 포함할 수 있다.

내부 그리드 관련 데이터는 피더(feeder)의 개수에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

내부 그리드 설계 및 평가부(420)는 내부 그리드 설계 대안 생성부(421) 및 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)를 포함할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 내부 그리드(200) 내 케이블 선로 배치에 대한 후보군을 생성할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)에서 설정되는 복수의 해상 변전소 위치에 대해 최적의 내부 그리드(200)를 설계할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)은 설계된 내부 그리드(200)에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다. 예를 들면, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 경제성 평가요소로 케이블 설치 비용, 전력 손실 비용을 평가할 수 있고, 신뢰도 평가요소로 공급지장비용을 산정할 수 있다.

외부 그리드 설계 및 평가부(430)는 외부 그리드 평가부(431) 및 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)를 포함할 수 있다.

외부 그리드 평가부(431)는 외부 그리드(300)에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다.

외부 그리드 평가부(431)는 해상 변전소의 위치 및 케이블 선로의 종류에 따른 외부 그리드의 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다.

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 해상 변전소(100)의 위치에 대한 후보군을 선정할 수 있다.

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 패턴 서치(pattern search) 기법을 기반으로, 현재 위치 주변을 탐색하여 현재 위치보다 나은 위치를 점진적으로 탐색함으로써 해상 변전소(100)의 최적의 위치를 탐색할 수 있다.

최종 설계안 선정부(450)는 내부 그리드 및 외부 그리드의 평가 결과를 기초로, 최적의 해상풍력발전단지 설계안을 선정할 수 있다. 예를 들면, 최종 설계안 선정부(450)는 내부 그리드 및 외부 그리드에 대한 평과 결과로써 경제성 비용 및 신뢰도 비용의 합이 최소가 되는 대안(해상 변전소 위치, 내부 그리드 내 케이블 선로 배치, 외부 그리드 케이블 종류 등)을 최적의 해상풍력발전단지 설계안으로 최종 선정할 수 있다.

설계 알고리즘 종료 판단부(460)는 내부 그리드, 외부 그리드 각각에 대해 반복적으로 수행되는 설계 알고리즘의 종료 여부를 판단할 수 있다.

상술한 해상풍력발전단지 설계 장치(400)의 구성은 프로세서, 메모리 등으로 구현될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 해상풍력발전단지 설계 장치(500)는 프로세서(510), 메모리(530) 및 입력 모듈(550)을 포함할 수 있다.

프로세서(510)는 해상풍력발전단지 설계 장치(500)의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 수행할 수 있다.

프로세서(510)는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 복수의 프로세서로 구성될 수도 있다.

메모리(530)는 해상풍력발전단지 설계 장치(500)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다.

입력 모듈(550)은 다양한 정보, 데이터를 입력 받을 수 있다.

해상풍력발전단지 설계 장치(500)는 상술한 프로세서(510) 및 메모리(530)에 의해 구동되는 인스트럭셜들로, 해상풍력발전단지 설계와 관련된 동작을 수행할 수 있다.

따라서, 상술한 해상풍력발전단지 설계 장치(400)에 포함된 구성들이 수행하는 동작을 프로세서(510) 및 메모리(530)에 의해 실행되는 인스트럭셜들로 수행할 수 있다.

한편, 해상풍력발전단지 설계 장치(500)는 상술한 구성 이외에도 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 해상풍력발전단지 설계 장치(500)는 유무선 통신을 위한 통신 모듈을 포함할 수 있다.

도 4를 참조하여, 해상풍력발전단지 설계 장치의 동작에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득할 수 있다(S110).

해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)의 데이터 입력부(410) 또는 입력 모듈(550)은 해상풍력발전단지 설계와 관련된 다양한 데이터를 입력받을 수 있다.

예를 들면, 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 상술한 풍력 터빈 관련 데이터, 케이블 관련 데이터, 풍속 데이터, 경제성 평가 관련 데이터, 신뢰도 평가 관련 데이터, 해상 변전소 관련 데이터 및 내부 그리드 관련 데이터 중 적어도 하나를 입력 받을 수 있다.

해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 해상 변전소 위치 대안을 탐색할 수 있다(S120).

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 패턴 검색(pattern search) 기법을 기반으로, 현재 위치 주변을 탐색하여, 현재 위치보다 나은 위치를 점진적으로 탐색할 수 있다. 여기서 현재 위치는 후보군으로 설정된 해상 변전소의 위치를 의미할 수 있다.

이에 따라, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 해상 변전소의 최적 위치를 탐색할 수 있다.

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)의 패턴 검색 기반의 해상 변전소 위치 탐색에 대해 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 패턴 검색 기반의 해상 변전소 위치 탐색에 대한 개념도이다.

도 5a를 참조하면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 해상 변전소의 최초 위치인 A(301)를 중심으로, 8개의 방향에 대해, 동일한 거리로 떨어진 위치들을 해상 변전소 위치에 대한 후보군으로 설정할 수 있다.

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 8개의 후보군 각각에 대해 경제성 및 신뢰도 평가를 수행할 수 있고, 현재 위치, 위치 A(301)보다 나은 위치가 있는지 비교할 수 있다.

예를 들면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 비교 결과를 기초로, 현재 위치, 위치 A(301)보다 위치 B(302)가 나은 위치로 판단할 수 있다. 그리고 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 위치 B(302)를 주변 탐색의 새로운 기준 위치로 설정할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 새로운 기준 위치, 위치B(302)를 중심으로 동일하게 8개 방향에 대해 후보군을 설정할 수 있다. 이 때, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 위치 B(302)를 중심으로 이전보다 2배의 거리를 갖는 탐색 거리로 8개 방향에 대해 후보군을 설정할 수 있다. 그리고 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 8개의 후보군에 대해 경제성 및 신뢰도 평가를 수행하고, 현재 위치, 위치 B(302)보다 나은 위치 후보가 없다면, 탐색 거리를 줄여서 다시 탐색할 수 있다. 이렇게 탐색 거리 조절 후 주변 탐색을 수행하는 과정은 반복될 수 있다.

여기서 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)은 후보군의 평가 결과를 기초로, 탐색 거리를 조절할 수 있다. 예를 들면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 후보군의 평가 결과, 결과를 찾지 못하면 탐색 거리를 줄일 수 있고, 결과를 찾게 되면 탐색 거리를 늘릴 수 있다. 그리고 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)가 탐색 거리를 조절하는 거리, 배율 등은 다양하게 설정될 수 있다.

도 5c를 참조하면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 현재 위치, 위치 B(302)를 중심으로, 탐색 거리를 줄인 8개의 후보군을 설정할 수 있다. 그리고 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 현재 위치, 위치 B(302)보다 나은 위치인 위치 C(303)을 발견할 수 있다. 그리고 위치 C(303)는 다음 탐색의 위치 후보군 선정의 기준이 될 수 있다.

도 5d를 참조하면, 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 위치 C(303)를 기준으로, 8개 방향에 대해 후보군을 설정할 수 있다. 여기서 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 최소 탐색 시의 탐색 거리로 후보군을 설정하고, 탐색을 반복할 수 있다. 그리고 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 탐색 결과에 따라 탐색 거리를 조절하여 다시 탐색을 수행할 수 있다.

해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)는 더 나은 위치를 탐색하기 위해 탐색 간격을 줄여서, 최소 탐색 거리까지 탐색을 수행했음에도 더 나은 위치를 발견할 수 없으면, 탐색 과정을 종료하고, 해당 위치를 해상 변전소의 최적 위치로 판단할 수 있다.

상술한 해상 변전소 위치 대안 탐색은 후술할 내부 그리드 설계 대안 생성 및 평가 과정과 동시에 수행될 수 있다. 그래서, 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 후술할 내부 그리드 설계를 상술한 해상 변전소 위치에 대한 후보군들에 대해 각각 내부 그리드를 설계하고 평가하여, 최종 대안을 선정할 수 있다. 이하, 다시 설명하기로 한다.

다시 도 4를 참조한다.

도 4를 참조하면, 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 해상 변전소 위치 대안 탐색부(433)가 설정한 각 위치 후보군에 대해, 내부 그리드 설계 대안을 생성할 수 있다(S130).

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 복수의 풍력 터빈들을 입력된 피더(feeder)의 개수만큼의 그룹으로 분류할 수 있는 경우들을 탐색할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 분류된 풍력 터빈들에 대해, 각 피더 내에 있는 풍력 터빈끼리 케이블 길이가 최소가 되도록 연결하고, 연결된 케이블 선로를 통해 흐를 수 있는 조류량을 계산하여, 계산된 조류량에 적합한 케이블을 선정할 수 있다.

이에 대해 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 내부 그리드 설계 동작에 대한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 해상 변전소의 위치 및 복수의 풍력 터빈의 위치에 대한 정보를 획득하고, K-클러스터링 방법(K-clustering method)을 적용하여, 복수의 풍력 터빈을 입력된 피더(feeder)의 개수(k)만큼의 그룹으로 분류할 수 있다. 그리고 분류된 그룹은 풍력 터빈 분류에 대한 다양한 경우를 생성하는데 초기 상태로 고려될 수 있다.

여기서 K-클러스터링 방법은 아래 식으로 표현할 수 있다.

위 식에서, FD_i는 i번째 피더에 속해 있는 풍력터빈들을 포함하는 집합이고, k는 피더의 개수, θ_j는 해상 변전소의 우측을 기준으로 산정된 j번째 풍력 터빈의 각도,

는 i번째 피더에 속하는 풍력 터빈들의 각도의 평균값을 의미한다.

일 실시예를 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 그룹의 분류된 풍력 터빈에 대한 예시도이다.

도 7을 참조하면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더의 개수가 3개이고, 각 피더의 풍력 터빈의 개수가 4개인 조건에서, 제1 풍력 터빈(WT 1) 내지 제12 풍력 터빈(WT 12)의 12개의 풍력 터빈을 3개의 그룹으로 분류할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 제1 풍력 터빈(WT 1), 제2 풍력 터빈(WT 2), 제3 풍력 터빈(WT 3) 및 제4 풍력 터빈(WT 4)는 제1 피더로 분류하고, 제5 풍력 터빈(WT 5), 제6 풍력 터빈(WT 6), 제7 풍력 터빈(WT 7) 및 제8 풍력 터빈(WT 8)는 제2 피더로 분류하고, 제9 풍력 터빈(WT 9), 제10 풍력 터빈(WT 10), 제11 풍력 터빈(WT 11) 및 제12 풍력 터빈(WT 12)는 제3 피더로 분류할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 분류된 풍력 터빈들을 제네틱 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여, 배열 형태를 설계할 수 있다.

예를 들면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 아래 표 1에 도시된 바와 같이, 각 피더에 속한 풍력 터빈에 대한 정보 테이블을 생성할 수 있다.

피더의 길이	1	2	3	4	5	6
피더1	1	2	3	4	0	0
피더2	5	6	7	8	0	0
피더3	9	10	11	12	0	0

위 표 1에서, 피더의 길이는 케이블의 정격 용량과 풍력 터빈에 의해 아래 수식으로 결정되며, 0은 비어져 있는 공간을 의미한다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 제네틱 알고리즘(genetic algorithm)의 크로스 오버 오퍼레이터(crossover operator)를 적용할 수 있다.

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 랜덤하게, 인근의 두 개의 피더를 선정하고, 풍력 터빈 정보 테이블에서, 선정된 두 개의 피더의 원소 중 랜덤하게 하나씩 선정할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 랜덤하게 선정된 두 풍력 터빈의 위치를 바꿀 수 있다.

예를 들면, 아래 표 2를 참조하면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더 1과 피더 2를 선정하고, 피더별 풍력 터빈 정보 테이블에서 각각 (1,4)와 (2,2)에 해당하는 원소, 4번 풍력 터빈과 6번 풍력 터빈을 선정할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 선정된 4번 풍력 터빈과 6번 풍력 터빈의 위치를 서로 바꿀 수 있다. 이에 따라, 피더 1에서는 1, 2, 3, 6번 풍력 터빈들이 속하고, 피더 2에는 4, 5, 7, 8번 풍력 터빈들이 속하는 경우가 생성될 수 있다.

피더의 길이	1	2	3	4	5	6
피더1	1	2	3	4→6	0	0
피더2	5	6→4	7	8	0	0
피더3	9	10	11	12	0	0

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 제네틱 알고리즘(genetic algorithm)의 변형 오퍼레이터(mutation operation)를 적용할 수 있다.

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 랜덤하게, 인근의 두 개의 피더를 선정하고, 풍력 터빈 정보 테이블에서, 선정된 두 개의 피더 중 먼저 선정된 피더의 원소 중 하나를 랜덤하게 선정할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 랜덤하게 선정된 풍력 터빈을, 추후에 선정된 피더의 빈 공간에 삽입할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 추후에 선정된 피더에 빈 공간이 없으면, 변형 오퍼레이터 동작을 종료할 수 있다.

표 3을 참조하여, 일 실시예를 설명한다.

아래 표 3을 참조하면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더 2와 피더 3을 선정할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 풍력 터빈 정보 테이블에서, 선정된 피더 2와 피더 3 중 먼저 선정된 피더 3에 해당하는 원소 중 (3,1)에 해당하는 9번 풍력 터빈을 선정할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더 2의 빈 공간에 9를 입력할 수 있다.

피더의 길이	1	2	3	4	5	6
피더1	1	2	3	4	0	0
피더2	5	6	7	8	0→9	0
피더3	9	10	11	12	0	0

이와 같이, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 K-클러스터링 기법을 적용하여 얻은 풍력 터빈 분류 결과를 기반으로, 제네틱 알고리즘을 적용할 수 있고, 풍력 터빈의 분류에 대한 다양한 경우를 생성할 수 있다.

다시 도 6을 참조한다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 분류된 풍력 터빈에 대해, 피더 내의 풍력 터빈들을 최소 케이블 길이로 연결할 수 있다(S133).

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 아래 수식을 이용하여, 케이블 선로의 길이가 최소가 되도록 풍력 터빈들을 연결할 수 있다.

여기서, L_ij는 k번째 피더에 속해있는 i번, j번 풍력 터빈 사이의 거리를 의미한다.

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 k번 피더 내에서 해상 변전소(100)와 가장 가까이 위치한 풍력 터빈을 해상 변전소(100)와 연결할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 k번 피더 내에 남아있는 풍력 터빈 중 이미 연결된 풍력 터빈들과 가장 가까운 거리를 갖는 풍력 터빈을 탐색하고, 탐색된 두 풍력 터빈을 서로 연결할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 k번 피더 내에 남아있는 풍력 터빈이 없을 때까지, 풍력 터빈 탐색과 연결을 반복할 수 있다. 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 모든 피더에 대해 상술한 과정을 반복 수행할 수 있다. 이와 같은 과정을 최소 스패닝 트리(minimum spanning tree)라고 할 수 있다.

도 8을 참조하여 구체적인 연결 사례를 설명한다.

도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈 연결에 대한 예시도이다.

도 8(a)를 참조하면, 상술한 표 2에서 나타낸 풍력 터빈 분류 결과에 대해, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)가 상술한 최소 스패닝 트리를 적용하여, 풍력 터빈 및 해상 변전소(100)를 연결한 결과를 확인할 수 있다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더 1, 피더 2 및 피더 3 각각에서, 풍력 터빈들을 케이블로 연결한 결과를 확인할 수 있다. 이는 아래 표 4로 나타낼 수 있다.

피더1		피더2		피더3
0	4	0	8	0	12
4	3	8	7	12	11
2	3	7	6	11	10
1	3	6	5	10	9

도 8(b)를 참조하면, 상술한 표 3에서 나타낸 풍력 터빈 분류 결과에 대해, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)가 상술한 최소 스패닝 트리를 적용하여, 풍력 터빈 및 해상 변전소(100)를 연결한 결과를 확인할 수 있다.

도 6을 다시 참조한다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 풍력 터빈 사이의 연결되는 케이블의 케이블 종류를 선정할 수 있다(S135).

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 두 개의 풍력 터빈 사이 또는 풍력 터빈과 해상 변전소(100) 사이의 연결을 위한 케이블을 선정하기 위해, 케이블을 통해 흐르는 최대 유효전력량을 계산할 수 있다.

이에 대해 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 케이블의 최대 유효전력량 계산을 위한 실시예를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 도 9에 도시된 것 같은 피더 내 풍력 터빈의 연결 관계를 나타내는 순서쌍을 아래 표 5와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 표 5에 도시된 것과 같은 순서쌍을 기초로, 유효 전력 흐름의 방향 및 케이블을 통해 흐르는 최대 유효 전력량을 계산할 수 있다.

i	j
0 (해상변전소)	1
1	2
2	3
2	5
3	4
5	6

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 피더 내 서로 연결되는 풍력 터빈 및 해상 변전소의 순서쌍을 나타내는 순서쌍에서, 한번만 나타나는 숫자를 포함하는 순서쌍을 선택할 수 있다.

예를 들면, (i, j)¹=(3, 4), (5, 6) 일 수 있고, 윗 첨자는 순서쌍을 선택하는 회차를 의미한다.

그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 한번만 나타나는 숫자의 풍력 터빈은 "From WT"로 정의하고, 나머지 숫자의 풍력 터빈은 "To WT"로 정의하여, 유효 전력의 흐름 방향을 정의할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 아래 표 6과 같은 최대 유효 전력 흐름(MPF, Maximum Power Flow) 매트릭스 내 해당하는 위치에 '1'(케이블을 통해 생산된 전력을 보내는 누적 풍력 터빈의 개수)을 입력할 수 있다.

(a)+(b)		OS/S	"To WT"
(a)+(b)		0	1	2	3	4	5	6
OS/S	0
"From WT"	1
	2
	3
	4				1
	5
	6						1

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 숫자를 입력한 후, 입력된 숫자쌍을 고려 대상에서 제외하고, 위 표 6에서 해당 순서쌍을 삭제할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 남아있는 순서쌍 중 한번만 나타나는 풍력 터빈 번호를 가지는 순서쌍을 선택할 수 있다. 예를 들면, (i, j)¹=(2, 3), (2, 5)일 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 아래 표 7과 같이 MPF 매트릭스에 아래 수식에 따른, 해당 케이블을 통해 전력을 전달하게 되는 풍력 터빈의 누적 개수를 입력할 수 있다.

여기서 MPF(i,j)^iter는 iter번째 풍력 터빈 순서쌍의 선택 과정에서 MPF 매트릭스의 (i,j) 위치에 있는 원소를 의미하고, i번째 풍력 터빈에서 j번째 풍력 터빈으로의 방향으로 두 터빈 사이의 케이블을 통해 전력을 전달하는 풍력 터빈의 누적 개수를 의미한다.

(a)+(b)		OS/S	"To WT"
(a)+(b)		0	1	2	3	4	5	6
OS/S	0
"From WT"	1
	2
	3			1+1
	4				1
	5			1+1
	6						1

그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 남아있는 순서쌍이 모두 없어질 때까지 상술한 과정을 반복 수행할 수 있다. 이에 따른 MPF 매트릭스의 최종 결과는 아래 표 8과 같다.

(a)+(b)		OS/S	"To WT"
(a)+(b)		0	1	2	3	4	5	6
OS/S	0
"From WT"	1	6
	2		5
	3			2
	4				1
	5			2
	6						1

내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 MPF 매트릭스 결과에 풍력 터빈의 정격용량을 곱하여, 각 케이블에 흐르는 최대 유효 전력을 산정할 수 있다. 그리고 내부 그리드 설계 대안 생성부(421)는 최대 유효 전력을 충족시킬 수 있는 케이블 종류를 결정할 수 있다.

다시 도 4를 참조한다.

해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 생성된 내부 그리드를 평가할 수 있다(S140).

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 생성된 내부 그리드를 평가할 수 있다.

구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 생성된 내부 그리드의 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다. 예를 들면, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 경제성 평가요소로써 케이블 설치비용, 전력손실비용을 평가하고, 신뢰도 평가요소로써 공급지장비용을 산정할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 내부 그리드 내 케이블 설치 비용(CC_IG)을 아래 수식을 통해 계산할 수 있다.

여기서 L_ij는 케이블 선로의 길이, CT_ij는 ij구간 사이에 선정된 케이블 선종의 단위 길이당 설치비용 단가를 의미한다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 연간 케이블 당 전력 손실량(PL_ij) 및 전체 전력 손실 비용(PLC_IG)는 아래의 가정을 고려하여 산정할 수 있다.

-케이블 고장은 고려하지 않고, 풍력 터빈의 가용상태(정상 동작, 고장)만을 고려한다.

-모든 케이블의 전압은 정격전압으로 가정한다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 ij구간에 흐르는 전류(I² _ij(n_f))를 아래 식을 통해 계산할 수 있다.

여기서 n_ij는 ij구간의 케이블에 누적된 풍력 터빈의 개수이고, n_f는 n_ij중 고장 상태에 있는 풍력 터빈의 개수이다. 그리고 V_IG는 내부 그리드 내 케이블의 정격 전압, pf는 역률, P_R은 풍력 터빈의 정격 출력, A는 풍력 터빈의 가용률, U는 풍력 터빈의 비가용률을 의미한다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 위에서 산정한 전류를 이용하여, 풍력 터빈의 고장을 고려한 ij구간의 케이블에서의 전력 손실을 계산할 수 있다. 구체적으로, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 아래의 식을 이용하여 전력 손실(PL_ij)를 계산할 수 있다.

여기서 R_ij는 ij구간에 적용된 케이블 선로의 단위 길이당 저항이고, δ는 손실 하중 계수(Loss Load Factor)이고, T는 8760시간을 의미한다.

연간 전력 손실은 모든 케이블에서의 전력 손실의 합으로 산정되므로, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 아래의 수식을 기초로 연간 전력 손실 비용(PLC_IG)를 계산할 수 있다.

여기서 π는 풍력 발전 단지에서 생산된 전력의 판매 단가이다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 내부 그리드에 대한 신뢰도 평가를, 케이블 및 풍력 터빈의 고장에 의해 육지 계통으로 전송되지 못하는 전력량인 공급지장전력량과 공급지장비용을 산정하여 평가할 수 있다.

구체적으로, 풍력 터빈에 고장이 발생하면 해당 풍력 터빈의 출력만큼 공급지장전력이 발생한다. 하지만, ij구간의 케이블에서 고장이 발생하면, 케이블을 통해 전력을 전송하는 모든 풍력 터빈의 출력만큼 공급지장전력이 발생한다. 이에 대해 도 10을 참조하여 설명한다.

도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈 사이의 케이블 고장에 대한 예시도이다.

예를 들면 도 10에 도시된 바와 같이, 제3 풍력 터빈(WT3)과 제4 풍력 터빈(WT4) 사이의 케이블에서 고장이 발생하면, 제1 풍력 터빈(WT1), 제2 풍력 터빈(WT2), 제3 풍력 터빈(WT3)(n₃₄=3) 중 가용한 풍력 터빈의 개수(n₃₂-n_f, (단, n_f≤3))만큼의 풍력 터빈의 출력이 공급지장전력이 된다.

케이블 고장은 빈도가 풍력터빈의 고장에 비하여 매우 낮기 때문에, 케이블에 대하여 단일 고장만을, 풍력 터빈에 대하여는 복수의 고장이 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 또한, 케이블과 풍력터빈의 고장은 서로 독립적이기 때문에, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 아래의 수식과 같이, 두 유형의 고장으로 인해 전력을 전송하지 못하는 풍력터빈의 순 개수, n_NU를 표현할 수 있다.

여기서 N_WT는 해상풍력발전단지 내 전체 풍력 터빈의 개수를 의미한다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 ij구간의 케이블에서 고장이 발생하고, n_f기의 풍력 터빈이 고장 상태에 있을 때, 전력을 전송하지 못하는 풍력 터빈의 순 개수가 n_NU인 확률을 아래와 같은 수식으로 표현할 수 있다.

여기서 r은 케이블 고장 시 평균 수리 기간이고, λ는 케이블의 단위 길이당 고장률을 의미한다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 아래 수식을 이용하여, 연간 공급지장전력량(EENU, Expected Energy Not Utilized)를 계산할 수 있다.

여기서 EE는 개별 풍력 터빈의 기대 출력을 의미한다.

도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풍력 터빈의 출력 특성 곡선과 풍속의 확률 분포를 나타낸다.

개별 풍력 터빈의 기대 출력은 도 11에 도시된 것과 같이, 풍력 터빈의 출력 특성 곡선과 풍속의 확률 분포를 이용하여, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)가 아래 수식을 의해 계산할 수 있다.

여기서 모든 풍력 터빈의 기대 출력은 동일한 것으로 가정할 수 있다.

내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 연간 공급 지장 비용(RC_IG)를 아래 수식으로 계산할 수 있다.

내부 그리드 내 케이블 선로의 배치 문제에서 케이블 설치비용은 초기에만 발생하지만, 연간 전력손실비용 및 공급지장비용은 매년 발생하는 비용이다

따라서, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 연간 전력손실비용 및 공급지장비용을 순 현재 가치화하여, 아래의 수식과 같이 내부 그리드를 위한 최종 투자 비용(CC_IG)을 계산할 수 있다.

여기서 lt는 해상풍력발전단지의 기대 수명이고, ir은 순 현재가치 산정을 위한 할인율을 의미한다.

이와 같은 과정을 통해, 내부 그리드 설계 대안 평가부(423)는 생성된 내부 그리드의 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다.

다시 도 4를 참조한다.

해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 생성된 외부 그리드를 평가할 수 있다(S150).

외부 그리드 평가부(431)는 생성된 외부 그리드를 평가할 수 있다.

구체적으로, 외부 그리드 평가부(431)는 외부 그리드 내 케이블 구성에 따른 경제성 및 신뢰도 평가를 수행할 수 있다.

외부 그리드 평가부(431)는 아래의 수식을 이용하여, 외부 그리드 내 케이블 설치 비용을 계산할 수 있다.

여기서 n_EG는 외부 그리드 내 케이블 회선 수이고, L_EG는 외부 그리드 내 케이블의 길이이고, CT_EG는 외부 그리드 내 사용된 케이블 선종에 따른 단위 길이 당 설치 비용이다.

외부 그리드 평가부(431)는 아래의 수식을 이용하여, 외부 그리드 내 케이블에서의 전력 손실 비용을 계산할 수 있다. 이는 내부 그리드의 경우와 유사할 수 있다.

여기서 R_EG는 케이블 선종에 따른 단위 길이 당 저항이고, V_EG는 외부 그리드의 정격 전압을 의미한다.

외부 그리드 평가부(431)는 아래의 두 가지 상황을 고려하여, 외부 그리드 내 케이블 고장에 대한 공급지장전력을 계산할 수 있다.

- 외부 그리드 내 가용한 케이블이 가용한 풍력터빈들의 출력을 감당할 수 있는 경우

- 외부 그리드 내 가용한 케이블이 가용한 풍력터빈들의 출력을 감당할 수 없는 경우

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈의 감축된 출력 특성 곡선을 나타낸다.

먼저, 위 두 가지 상황 중 후자의 상황에서, 풍력 터빈들은 가용한 케이블들의 전체 정격 용량 이하의 전력을 전송하기 위하여 풍력 터빈들의 출력을 도 12와 같이 제한한다고 가정할 수 있다. 도 12에서 점선은 풍력 터빈의 출력 특성 곡선이고, 실선은 풍력 터빈들의 출력을 감축해야 하는 경우의 출력 특성 곡선이다.

외부 그리드 평가부(431)는 제한된 정격 출력(

)를 아래와 같이, 두 가지 상황에 대해 표현할 수 있다.

여기서 CB_EG는 외부 그리드에 사용된 케이블 선종의 정격 용량을 의미한다.

그리고 외부 그리드 평가부(431)는 외부 그리드 내 케이블 및 풍력 터빈의 고장에 대한 발생 확률(Pr(n_f))을 아래와 같이 계산할 수 있다.

외부 그리드 평가부(431)는 외부 그리드의 신뢰도 비용인 공급 지장 비용(RC_EG)를 아래 수식으로 계산할 수 있다.

여기서

는 제한된 정격 출력을 고려하여, 다시 산정된 풍력 터빈의 기대 출력을 의미하고, 외부 그리드 평가부(431)는 아래 수식으로 이를 계산할 수 있다.

이와 같은 과정을 통해, 외부 그리드 평가부(421)는 생성된 외부 그리드의 경제성 및 신뢰도를 평가할 수 있다.

다시 도 4를 참조한다.

해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 내부 그리드 및 외부 그리드에 대한 평가를 기초로, 최종 대안을 선정할 수 있다(S160).

최종 설계안 선정부(450)는 내부 그리드 설계 대안 평가부(423) 및 외부 그리드 평가부(431) 각각이 수행한 평가를 기초로, 해상풍력발전단지 설계에 대한 최종 대안을 판단할 수 있다. 그리고 이러한 판단은 설계 알고리즘 종료 판단부(460)의 상술한 과정 반복 수행의 종료 여부 판단에 따라 결정될 수 있다.

구체적으로, 상술한 내부 그리드 설계 및 외부 그리드 설계는 동시에 수행될 수 있고, 설계된 내부 그리드 및 외부 그리드 각각에 대한 평가도 동시에 수행될 수 있다. 설계 알고리즘 종료 판단부(460)는 이러한 내부 그리드, 외부 그리드 설계 및 평가에 대해 반복 수행에 따른 종료 여부를 판단할 수 있다. 따라서, 설계 알고리즘 종료 판단부(460)가 반복 수행에 따른 종료로 판단하기 이전까지, 상술한 과정들이 반복될 수 있고, 최종 설계안 선정부(450)는 반복되는 과정에 따른 결과를 기초로 최종 대안을 판단할 수 있다.

최종 설계안 선정부(450)는 내부 그리드 설계에 대한 계산된 비용들과, 외부 그리드 설계에 대해 계산된 비용들을 기초로, 최종 대안을 선정할 수 있다. 예를 들면, 최종 설계안 선정부(450)는 계산된 비용들의 합이 최소가 되는 대안을 최종 대안으로 선정할 수 있다. 일 실시예로, 최종 설계안 선정부(450)는 경제성, 신뢰도 평가 결과인 초기 투자 비용, 전력 손실 비용, 공급 지장 비용의 합이 최소가 되는 해상 변전소의 위치, 내부 그리드 내 케이블 선로 배치 및 외부 그리드 구성에 대한 최적안을 결정할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 내부 그리드 및 외부 그리드 각각에 대해 경제성 및 신뢰도를 모두 고려한 종합적인 설계를 수행할 수 있다. 특히, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해상풍력발전단지 설계 장치(400, 500)는 내부 그리드 설계 시, 내부 그리드 내 케이블 선로 배치 문제와 내부 그리드 내 케이블 선로 배치 문제에 큰 영향을 미치는 해상 변전소의 위치 선정 문제를 반복적인 알고리즘을 통해, 두 가지 문제를 고려한 최적의 설계안을 수립할 수 있다.

이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

10: 해상풍력발전단지
100: 해상 변전소
200: 내부 그리드
300: 외부 그리드
390: 그리드 연결 포인트
400: 해상풍력발전단지 설계 장치
410: 데이터 입력부
420: 내부 그리드 생성 및 평가부
421: 내부 그리드 설계 대안 생성부
423: 내부 그리드 설계 대안 평가부
430: 외부 그리드 생성 및 평가부
431: 외부 그리드 평가부
433: 해상 변전소 위치 대안 탐색부
450: 최종 설계안 선정부
460: 설계 알고리즘 종료 판단부
500: 해상풍력발전단지 설계 장치
510: 프로세서
530: 메모리
550: 입력 모듈

Claims

해상풍력발전단지 설계 방법에 있어서,
상기 해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득하는 단계;
상기 획득된 데이터를 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계;
상기 탐색된 복수의 후보군을 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 복수의 풍력 터빈을 연결하는 적어도 하나의 케이블 종류 및 상기 적어도 하나의 케이블의 연결 형태를 포함하는 내부 그리드를 설계하는 단계; 및
상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계는
임의의 위치를 상기 해상 변전소의 초기 위치로 선정하는 단계와,
상기 선정된 초기 위치에 대해 복수의 방면으로, 기준 거리만큼 떨어진 위치를 상기 복수의 후보군으로 설정하는 단계와,
상기 복수의 후보군을 비교하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제2항에 있어서,
상기 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 단계는
비교 결과, 상기 복수의 후보군 중 하나의 위치를 선정하는 단계와,
상기 선정된 위치에 대해 상기 복수의 방면으로, 상기 기준 거리만큼 떨어진 위치를 다시 복수의 후보군으로 설정하는 단계와,
상기 다시 설정된 복수의 후보군을 비교하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 기준 거리는 상기 설정된 복수의 후보군을 설정하기 위한 탐색 과정에 따라 변동되는 거리인
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 내부 그리드를 설계하는 단계는
상기 복수의 풍력 터빈을 상기 획득된 데이터에 따른 피더(feeder)의 개수의 그룹으로 분류하는 단계와,
상기 분류된 그룹의 상기 복수의 풍력 터빈을, 상기 피더 내에 있는 풍력 터빈끼리 연결하는 케이블의 길이를 계산하는 단계와,
상기 계산된 길이의 케이블을 통해 흐르는 조류량을 계산하는 단계와,
상기 계산된 길이 및 조류량을 기초로, 상기 내부 그리드에 적용될 케이블을 판단하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제5항에 있어서,
상기 케이블의 길이를 계산하는 단계는
상기 분류된 그룹 중 하나의 피더 내의 복수의 풍력 터빈 중 상기 해상 변전소와 가장 가까운 거리에 위치하는 풍력 터빈을 상기 해상 변전소와 연결하는 단계와,
상기 하나의 피더 내의 복수의 풍력 터빈 중 이미 연결된 제1 풍력 터빈과 가장 가까운 거리에 위치하는, 연결되지 않은 제2 풍력 터빈을 탐색하는 단계와,
상기 탐색된 제2 풍력 터빈을 상기 제1 풍력 터빈과 연결하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는
상기 내부 그리드에 포함되는 케이블 선로의 설치 비용, 상기 케이블 선로에서 발생하는 전력 손실 및 상기 전력 손실에 따른 전력 손실 비용을 기초로, 상기 내부 그리드에 대한 경제성 비용을 평가하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는
상기 내부 그리드 내의 상기 복수의 풍력 터빈 중 적어도 하나에 발생할 수 있는 고장에 따른 공급지장전력량 및 상기 공급지장전력량에 따른 공급지장비용을 기초로, 상기 내부 그리드에 대한 신뢰도 비용을 평가하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는
상기 외부 그리드에 포함되는 케이블 선로의 설치 비용, 상기 케이블 선로에서 발생하는 전력 손실 및 상기 전력 손실에 따른 전력 손실 비용을 기초로, 상기 외부 그리드에 대한 경제성 비용을 평가하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 설계된 내부 그리드 및 상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드 각각을 평가하는 단계는
상기 외부 그리드 내의 가용한 케이블의 전체 정격 용량 및 상기 내부 그리드 내의 가용한 복수의 풍력터빈의 출력을 기초로, 상기 외부 그리드에 대한 신뢰도 비용을 평가하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제1항에 있어서,
상기 평가된 내부 그리드 및 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용을 기초로, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 단계를 더 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
제11항에 있어서,
상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 단계는
상기 평가된 상기 내부 그리드 및 상기 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용의 합이 최소인 설계를, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계로 결정하는 단계를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 방법.
해상풍력발전단지 설계와 관련된 데이터를 획득하는 데이터 입력부;
상기 획득된 데이터를 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 해상 변전소 위치에 대한 복수의 후보군을 탐색하는 해상 변전소 위치 대안 탐색부;
상기 탐색된 복수의 후보군을 기초로, 상기 해상풍력발전단지의 복수의 풍력 터빈을 연결하는 적어도 하나의 케이블 종류 및 상기 적어도 하나의 케이블의 연결 형태를 포함하는 내부 그리드를 설계하는 내부 그리드 설계 대안 생성부;
상기 설계된 내부 그리드에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가하는 내부 그리드 설계 대안 평가부; 및
상기 해상 변전소 위치에 따른 외부 그리드에 대한 경제성 및 신뢰도를 평가하는 외부 그리드 평가부를 포함하는
해상풍력발전단지 설계 장치.
제13항에 있어서,
상기 내부 그리드 설계 대안 평가부 및 상기 외부 그리드 평가부 각각의 경제성 및 신뢰도 평가 결과를 기초로, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계를 결정하는 최종 설계안 선정부를 더 포함하는
해상풍력발전단지 설계 장치.
제14항에 있어서,
상기 최종 설계안 선정부는
상기 내부 그리드 및 상기 외부 그리드 각각의 경제성 비용 및 신뢰도 비용의 합이 최소인 설계를, 상기 해상풍력발전단지에 대한 설계로 결정하는
해상풍력발전단지 설계 장치.