연직풍속전단 특성 효과를 고려한 풍력발전량 예측 정확도 향상에 관한 연구 :A Study on the Improvement of the Prediction Accuracy of the Wind Energy Production considering the Effect of the Vertical Wind Shear Characteristics

류건화

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자료유형: 학위논문

저자정보: 류건화 (목포대학교, 목포대학교 대학원)

지도교수: 문채주

발행연도: 2023

저작권: 목포대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수8

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2023

연직풍속전단 특성 효과를 고려한 풍력발전량 예측 정확도 향상에 관한 연구

류건화 2023.01 학위논문

2016

풍력발전고도 풍속 산출 방법에 따른 풍력발전량 분석

류건화 , 이화운 , 김연희 외 1명 한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집 2016.11 학술대회자료

동심원 등가풍속을 적용한 대기안정도에 따른 풍력단지 발전량 산출

류건화 , 이화운 , 김연희 외 1명 한국기상학회 학술대회 논문집 2016.10 학술대회자료

CFD를 이용한 등가풍속 산정과 대기안정도에 따른 연안풍력단지 발전량 변화 연구

류건화 , 김동혁 , 이화운 외 2명 한국환경과학회지 2016.02 학술저널

동심원 등가풍속을 이용한 대기안정도에 따른 풍력자원 변화에 관한 연구

류건화 , 김동혁 , 이화운 외 3명 한국태양에너지학회 논문집 2016.02 학술저널

대기안정도에 따른 동심원등가풍속을 이용한 풍력발전량 변화 연구

류건화 지구환경시스템학부 2016.01 학위논문

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풍력터빈 로터 디스크 영역을 통과하는 풍속이 일정하면 허브고도 풍속(HHWS)이 로터 디스크 영역의 풍속을 대표할 수 있다. 그러나 이러한 가정은 대기 안정도에 의해 변동성을 가지는 연직풍속전단(윈드시어) 효과 때문에 대형 풍력터빈에 적용하기에는 적지 않은 불확도를 내포할 수 밖에 없다. 허브고도 풍속은 풍력터빈의 공력 특성상 연직 윈드시어 효과를 나타낼 수 없기 때문이다. 이에 덴마크의 Anholt 해상풍력단지의 SCADA와 해상 LiDAR 데이터를 이용하여 IEC61400-12-1에 도입된 로터 등가 풍속(REWS)이 발전량 출력 예측 정확도 향상에 얼마나 기여할 수 있는지 알아보고자 한다. 즉, HHWS와 REWS 중 실제발전량에 더 근접하게 모의할 수 있는 풍속 산출방법은 어떤 것인지 알아보고자 했다. 로터 등가 풍속은 분할된 로터 회전면적의 각 섹터 면적별 가중치와 고도 차이에 따른 연직 윈드시어 효과를 고려하여 에너지 플럭스와 바람의 운동에너지, 대기안정도가 정확한 풍력 에너지를 계산하는 데 있어 그 역할을 설명할 수 있게 한다. 예상발전량 산출을 위해 상업용 CFD 모델인 WindSim을 활용하였고, HHWS 및 REWS에 따라 출력량을 계산하여 이를 실제 해상풍력단지의 SCADA 데이터와 비교하였다. 마지막으로 HHWS와 REWS가 실제발전량을 잘 모의할 수 있는 경우는 대기경계층 내 어떠한 특성분포가 나타날 때 인지를 알아보고자 하였고, 이를 위해 대기 안정도라는 지표를 활용하였다. 대기안정도 분류는 윈드시어, 난류강도, 리차드슨 수에 의해 이루어지며, 이는 대기 경계층 하부의 대기의 열적 및 기계적 특성을 잘 반영하여 나타낼 수 있다. 대기안정도를 각 안정도 지수별로 분류하였을 때 REWS 기반 예상발전량이 HHWS보다 정확할 때도 있었지만 그렇지 않을 때도 있었다. 그러나 대부분의 경우 REWS를 사용하면 실제발전량에 더 가까운 추정치를 계산할 수 있었다.
사업 전 연간 예상발전량과 사업 후 실제발전량의 오차가 증가함에 따라 사업시행자나 사업자의 리스크가 큰 이슈가 되고 있다. 이것은 차례로 큰 경제적 손실뿐만 아니라 전력 공급-수요 계획 및 그리드 안정성에도 악영향을 미칠 수 있다. 육해상풍력 프로젝트를 향한 사업자의 심각한 리스크를 줄이기 위해서는 연간 에너지 생산량을 정확하게 계산할 수 있는 방법론적 연구가 계속되어야 한다. 결국 풍력에너지 분야의 기술적 성숙도를 더욱 확대하고 향상시키기 위해서는 여러 지역의 국지적인 풍력지역 대기 특성 분석을 통해 REWS와 HHWS가 특정 지역의 풍력 발전량 예측에 보다 긍정적으로 기여할 수 있는 방법과 근거를 제공할 수 있다. 본 연구가 더욱 넓은 지역에서 지속적으로 수행되어서 대기안정도와 풍력발전량의 상관성에 대해 일련의 통계치를 산출할 수 있다면, 국내 해상풍력발전 확대 및 전문성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

If the wind speed passed through a wind turbine rotor disk area is constant, the hub height wind speed (HHWS) could be representative of the wind speed over the rotor disk area. However, this assumption cannot be applied to the large wind turbine, because of the wind shear effect by atmospheric stability. This is because the hub height wind speed cannot represent the vertical wind shear effect from the aerodynamics characteristics on the wind turbine. Using SCADA and offshore LiDAR data of the Anholt offshore wind farm, it is investigated whether the rotor equivalent wind speed (REWS) introduced in IEC61400-12-1 can contribute to the improvement of power output forecasting accuracy. The weighted value by separated sector area and vertical wind shear effect by difference between heights can explain the role of energy flux and atmospheric stability on the exact wind energy calculation. The commercial CFD model WindSim is used to calculate power output according to the HHWS and the REWS, and to compare them with the actual output of the local wind farm. The classification of atmospheric stability is carried out by Richardson number, which well represents the thermal and physical properties of the atmosphere below the atmospheric boundary layer, along with the wind shear and turbulence intensity. When atmospheric stability was classified by each stability index, the REWS-based predicted power output was sometimes more accurate than HHWS, but sometimes inferior. However, in most cases, using the REWS, it was possible to calculate an estimate closer to the actual power output. Through the results of this study, it is possible to provide a rationale for which method, REWS or HHWS, can more accurately calculate the expected power output and effectively derive the economic feasibility of the project by identifying the characteristics of local atmospheric stability before the wind farm project.
As the error between the expected annual power output before the project and the actual power output after the project grows, risks for project developers or operators have become a big issue. This in turn can adversely affect not only large economic losses, but also power supply-demand planning and grid stability. Through local atmospheric characteristics analysis, it is possible to provide a method and basis for more positive contribution by REWS and HHWS in predicting wind energy power output in a specific area. If this study is further continued for a wide area, it is judged that it will be able to contribute a lot to the expansion of offshore wind energy and improvement of expertise.

#해상풍력발전 #대기안정도 #연직풍속전단 #허브고도 풍속 #로터 등가 풍속

1. 서 론 1
가. 연구 배경 1
1) 신재생에너지 정책 및 산업 동향 1
2) 국외 해상풍력 현황 8
나. 연구 목적 21
1) 풍력터빈 대형화 21
2) 국지적 기상특성 차이 30
다. 연구 동향 34
2. 연구방법 37
가. 연구절차 37
나. 로터 등가풍속 38
다. 연구대상지역 및 자료 41
라. 모델 개요 46
마. 분석방법 49
1) 연직윈드시어 51
2) 난류강도 52
3) 리차드슨 수(Richardson number, Ri) 53
4) 모닌 오브코프 길이(Monin-Obukhov Length) 55
3. 연구자료 및 분석 56
가. 기온자료 56
나. 유효풍향 선정 61
다. 데이터 필터링 65
라. 로터 등가풍속 산출 66
4. 풍력자원 및 발전량 비교 분석 67
가. WindSim 모델링 67
1) RANS 분석결과 67
2) 산출변수 분포 73
나. 허브고도 풍속과 로터 등가풍속 비교 74
다. 연간발전량 비교 79
라. 대기안정도 분석결과 86
1) 연직윈드시어 86
2) 난류강도 90
3) 리차드슨 수 93
마. 대기안정도에 따른 발전량 오차율 97
5. 결론 102

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