시스템모델7 풍력단지 제어(Wind Farm Control)의 방법 풍력단지에서 전력 손실의 가장 큰 원인 중의 하나는 상류 풍력터빈에 의해 발생하는 후류(wake)로서, 이로 인해 전체 전력의 약 20~40% 가량이 손실된다고 한다. 뿐만 아니라 하류에 있는 풍력터빈은 상류 풍력터빈 보다도 약 80% 가량 더 큰 구조적 하중(loading)을 받는다고 한다. 이러한 문제에 대처하기 위한 풍력단지 제어(wind farm control)로서 일반적으로 두가지 방법이 사용된다. 후류방향제어(WRC, Wake Redirection Control)와 축방향 유도제어(AIC, Axial Induction Control)이다. 연구에 따르면 두 방법 모두 전력 생산을 증가시킬 수 있고 구조적 하중을 줄일 수 있다고 한다. 후류방향제어(WRC)는 상류 풍력터빈의 로터면을 유입되는 바.. 2021. 12. 5. 풍력단지 제어(Wind Farm Control)의 배경 풍력터빈은 단독으로 운영되기도 하지만 일반적으로는 여러 개의 풍력터빈을 모아서 대규모 단지를 만들어서 운영된다. 이러한 단지를 풍력단지(wind farm) 또는 풍력발전 플랜트라고 한다. 풍력단지를 운영하면 풍력터빈을 단독으로 운영할 때 보다도 풍력터빈과 전력 그리드의 배치 비용을 감소시킬 수 있고 풍력터빈의 유지비용도 절약할 수 있다. 하지만, 풍력터빈을 일정한 지역에 밀집시켜 배치함으로써 생기는 여러 문제점도 존재한다. 먼저 상류에 있는 풍력터빈의 영향으로 하류 풍력터빈이 맞이하는 바람속도가 작아지면서 하류에 있는 풍력터빈이 추출할 수 있는 바람 에너지가 작아진다. 또한 바람이 풍력터빈을 통과하면서 바람의 난류 강도(turbulence intensity)가 증가하기 때문에 하류에 있는 풍력터빈의 피로.. 2021. 11. 28. 풍력터빈 제어(Wind Turbine Control)의 방법 풍력터빈의 작동 영역은 바람 속도를 기준으로 크게 4개로 구분하나, 실제 풍력터빈이 전력을 생산하는 영역은 Region II와 Region III이다. 앞서 설명했듯이 Region II의 제어 목적은 피치각과 선단 속도비를 일정한 최적값으로 유지시키는 것이고, Region III의 경우는 정격 풍속 이상에서 풍력터빈의 출력을 정격으로 제한시키는 것이다. 그렇다면 어떤 방법으로 이러한 제어 목적을 달성할 수 있을까. 먼저 Region II의 경우 선단 속도비를 일정한 값으로 유지시키는 것이 목적이므로, 언뜻 생각하면 선단 속도비를 유지하기 위해서 바람 속도를 측정하여 이를 기준으로 로터 회전 속도를 제어하면 되지 않겠나 생각할 수 있다. 하지만 바람 속도 정보를 이용하여 선단 속도비를 제어한다고 할 때 어.. 2021. 11. 10. 풍력터빈 제어(Wind Turbine Control)의 원리 풍력터빈(wind turbine)이 바람으로부터 추출할 수 있는 파워 \(P\) 는 바람 속도의 세제곱에 비례한다. \[ P=C_P \frac{1}{2} \rho Av^3 \tag{1} \] 여기서 파워계수 \(C_P\) 는 요각(yaw angle) \(\gamma\), 피치각 \(\beta\) 그리고 선단 속도비(TSR, tip speed ration) \(\lambda\) 의 함수다. 요각이 \(\gamma =0\) 일 때 전형적인 3차원 \(C_P\) 곡면은 다음 그림과 같다. 같은 바람 속도에 대해서 바람으로부터 최대의 파워를 추출하기 위해서는 \(C_P=C_{P_{MAX} }\) 의 상태(그림에서 \(C_P\) 의 최정점)로 터빈을 작동시켜야 하는데 그 때의 피치각과 선단 속도비의 조건은 각각 .. 2021. 11. 8. Yaw각이 파워계수에 미치는 영향 풍력터빈으로 유입되는 바람의 방향은 계속 변하기 때문에 일반적으로 풍력터빈의 로터축은 항상 바람 방향과 평행하지 않다. 그렇다고 로터축을 바람 방향의 변동성을 따라가도록 빠르게 정렬시킬 수는 없는 노릇이기 때문에 풍력터빈은 대부분 바람 방향과 로터 회전축이 편향된 상태로 작동한다고 할 수 있다. 또한 풍력단지(wind farm)안에 있는 풍력터빈의 경우에는 바람 방향과 로터축을 의도적으로 편향시켜 풍력단지의 제어 목적을 달성하기도 한다. 로터의 회전축과 바람 방향사이의 편향각을 요각(yaw angle) \(\gamma\) 라고 한다. 요각은 풍력터빈의 전력 생산에 영향을 미칠 수 있다. 왜냐하면 요각은 로터에 작용하는 바람 속도의 수직 성분을 감소시켜 로터에 가해지는 추력과 로터에 의해 추출되는 에너지의.. 2021. 10. 12. 바람 에너지와 파워계수 풍력터빈이 바람 에너지로부터 추출하는 파워와 바람이 풍력터빈에 가하는 추력을 원판 모델(actuator disk model)을 기반으로 하여 유도하면 다음과 같다. \[ \begin{align} & P = C_P \frac{1}{2} \rho A v^3 \tag{1} \\ \\ & F_T = C_T \frac{1}{2} \rho A v^2 \end{align} \] 여기서 \(v\) 는 풍력터빈으로 불어오는 바람의 속도, \(A\) 는 풍력터빈의 단면적(여기서는 디스크의 면적)이다. 파워계수(power coefficient) \(C_P\) 와 추력계수(thrust coefficient) \(C_T\) 는 다음과 같이 주어진다. \[ \begin{align} & C_P (a_{ax})=4 a_{ax} (1.. 2021. 10. 8. 바람 에너지 바람(wind)이 갖는 운동 에너지는 얼마일까. 그리고 그 중 얼마나 전기 에너지로 변환시킬 수 있을까. 바람 에너지를 전기 에너지로 변환해 주는 장치가 풍력터빈(Wind Turbine)이다. (어린 시절 바람개비를 갖고 놀던 사람으로서 Wind Turbine을 바람터빈이라고 번역하면 어떨까 싶다.) 풍력터빈은 단독으로 운영되기도 하지만 보통 수 십개에서 수 백개를 한꺼번에 운용하는 것이 보통이다. 풍력터빈을 모아 놓은 단지를 Wind Farm이라고 하는데 번역은 풍력단지라고 한다. (TV동물농장의 애청자로서 이 역시 바람농장이라고 번역하면 어떨까 싶다.) 속도가 \(v_1\)이고 질량이 \(m\)인 공기 덩어리가 갖는 운동 에너지는 \(E_{wind}=\frac{1}{2} mv_1^2\)이다. 파워(p.. 2021. 3. 17. 이전 1 다음
