풍력발전에서는 에너지 생산 목표의 달성을 저해할 수 있는 여러 가지 위험요인이 존재한다. 상세한 시뮬레이션은 엔지니어링 팀이 풍력 터빈 배치를 최적화하고 제어 소프트웨어를 설계 및 검증하며 적절한 정격 구성요소를 선택하고 불필요한 설치비용을 방지할 수 있게 한다.

글 | 그램 더전 (Graham Dudgeon)
에너지산업 마케팅 매니저
매스웍스(MathWorks)

안정적이고 수익성 있는 풍력발전 단지 시스템(wind farm)의 에너지 생산에는 기술적, 경제적인 위험이 따른다. 이러한 위험평가에서는 현장에서 측정한 바람의 변동 데이터 프로파일, 풍력 터빈의 위치, 터빈 시스템에 적용된 기술, 터빈의 가용성, 풍력발전 관리 및 제어 시스템의 운영 특성이 고려돼야 한다. 풍력발전 시스템이 가동되면, 모니터링 시스템에서 수집한 데이터를 분석해 예측된 전력 생산과 실제 전력 생산 간 불일치를 파악하고 계량화할 수 있다. 이미 가동 중인 풍력발전 단지 시스템에서 측정한 데이터를 기준으로 이러한 불일치를 처리하는 과정에는 많은 시간과 노력이 필요하다. 하지만 시뮬레이션 모델을 이용하면 엔지니어에게 시스템 동작에 대한 보다 뛰어난 통찰을 가능하게 하고 비용 면에서 효율적이고 재현이 가능한 방식으로 제공됨으로써 이러한 과정을 간소화할 수 있다. 이 글은 풍력발전 단지 시스템의 사양 및 설계 단계에서부터 운영상의 관리 단계에 이르기까지 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있는 이점을 설명한다.

시뮬레이션의 이점
풍력발전 단지 시스템의 모델링 및 시뮬레이션 작업은 엔지니어링 팀이 설계 단계에서 설계 현실성(design trade-offs)을 확인할 수 있고 제어 및 관리 시스템 동작 평가 및 안전하고 재현 반복 시험 가능한 환경에서 신뢰성 있는 구현 가능한 제품을 예측하며 오동작의 원인 규명을 할 수 있도록 지원한다. 이로써 기술적 운영상의 위험요소를 완화할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.
시뮬레이션을 통해 풍력발전 단지 시스템 개발자는 시스템 통합 운용시험 단계가 되어서야 발견할 수 있는 시스템 응답을 조기에 확인할 수 있다. 풍력발전 단지 시스템의 발전 생산 목표에 저해가 될 수 있는 문제가 시스템 통합 운용 단계에서 발견되면, 이를 수정하기 위해 훨씬 많은 시간과 비용이 필요하다. 엔지니어는 시뮬레이션을 통해 상당한 설치비용을 지출하기 전 초기 과정에서 문제를 파악함으로써 시간과 설치비용 측면에서 효과적인 조치를 취할 수 있다.
엔지니어링 팀은 운영 서비스에 있어서 시뮬레이션 모델을 재사용할 수 있는 추가적인 이점도 누릴 수 있다. 모델을 사용해 예기치 못한 시스템 동작을 진단하고 제어 시스템 또는 시스템 아키텍처에 대한 업그레이드를 평가하며 풍력발전 단지의 확장 계획을 평가할 수 있다.
관례적으로 연구개발 부서들은 각 소프트웨어 패키지가 하나의 특정 도메인 또는 풍력발전 시스템 설계 및 성능 측면을 담당하는 분리된 소프트웨어 패키지에서 풍력발전 단지 시스템의 모델링 및 시뮬레이션 연구를 수행해 왔다. 공통된 환경을 공유할 수 있도록 하는 소프트웨어는 엔지니어로 하여금 프로젝트 효율 개선에 있어서 상당한 이점을 제공한다. 그러한 환경에서 시뮬레이션 모델은 서로 다른 엔지니어링 그룹이 설계 작업을 수행하고, 서로 소통하여 전체 시스템 성능을 개발 과정 초기에 평가할 수 있는 통합된 기본 환경을 제공한다. 또한 풍력발전 단지 시스템이 운영되는 과정에 있어서, 시뮬레이션 모델은 연속적인 개선과 검증을 통해 진화하고 결과적으로는 운영 중 지원 도구의 필수적인 일부가 된다.

데이터 중심 및 물리 기반 모델을 이용한 시뮬레이션
풍력발전 단지 시스템 개발자가 얻을 수 있는 하나의 이점은 설치에 앞서 측정 데이터를 이용할 수 있다는 점이다. 개별 풍력발전 시스템 현장 평가를 통해 얻은 데이터를 풍력발전 단지 시스템의 시뮬레이션 모델에 입력할 수 있다. 개개의 터빈 등가물로부터 풍력발전 시스템을 위한 통합된 풍력발전 단지 시스템 모델은 지능형 전력망(grid)의 POC(Point-Of-Connection)에서의 동작을 평가할 때 유용하다. 하지만 이러한 통합된 모델은 각 터빈의 무효전력 가용성을 비롯해 현장에서 발생하는 전력 생산의 변동성을 파악하지 못한다. 무효전력 가용성은 시스템 전압을 지원하고 LVRT(Low Voltage Ride-Through) 사항을 만족하는 데 매우 중요하다. 시뮬레이션의 모델 정확성을 개선하기 위해서는 특정 풍력 터빈 기술과 현장의 다양한 위치에서 얻은 바람 데이터를 포함시켜야 한다. 측정한 풍속과 풍향 데이터를 바탕으로 바람 단면의 예상되는 난기류를 이해하고 터빈 위치와 터빈 간의 간격을 결정할 수 있어서 특정 현장의 터빈 효율 및 전체 전력 생산을 최적화하는 데 이용할 수 있다.
또한 측정한 데이터를 시뮬레이션 환경으로 가져오면, 특히 엔지니어링 도구로서 유용한 시뮬레이션 모델 개발에 필요한 시간을 단축하는 이점을 얻을 수 있다. 즉, 엔지니어는 측정 데이터를 통해 물리적 모델(Physical Model)을 구동함으로써 검증된 모델을 빠르게 실현할 수 있다.

풍력발전 시스템 설계 및 운영에서의 시뮬레이션 적용 예

저전압 상태에서 풍력발전 시스템 반응 시뮬레이션
최신 요구사항은 풍력발전 단지 시스템이 오류 발생 후 혹은 저전압 상태에서 반드시 연결 상태를 유지해야 한다고 밝히고 있다. 이러한 상태에서 풍력발전 단지 시스템이 실행할 수 있는 제어 시퀀스는 달라질 수 있다. 예를 들어, 풍력발전 단지 시스템에 다음과 같은 반응이 발생할 수 있다.

1. 오류 발생 중 연결이 끊어지고 오류 문제가 해결된 후(post-fault) 다시 연결될 수 있다.
2. 오류 발생 중이나 오류 문제가 해결된 후에도 연결을 유지할 수 있다.
3. (1) 또는 (2)에 이어 오류 발생 후 무효전력을 제공하여 전압 회복을 지원할 수 있다.
4. 풍력발전 단지 시스템 운영상 이득이 되고 지능형 전력망의 규약(grid code)을 준수하는 그 외의 다른 제어 시퀀스를 수행할 수 있다.

이러한 상태에서는 POC에서의 저전압 반응이 각각 터빈의 가용 무효전력 용량(reactive power capacity)과 추가 전압 지원 장치에 따라 달라지기 때문에, 종합 모델을 통해 충분히 평가할 수 없다. 결과적으로 엔지니어는 개별 풍력 터빈과 관리 및 제어 시스템의 상세한 풍력발전 단지 시스템 모델을 사용해 선택한 제어 시퀀스를 평가해야 한다. 무효전력 용량은 바람의 변동과 그로 인한 현장 전체의 각 터빈이 생산하는 유효전력의 변동으로 인해 개별 터빈 전체에서 일관성을 갖기 어렵다. 시뮬레이션 모델은 전기적 성능을 평가할 뿐 아니라, 터빈 제어 소프트웨어와 풍력발전 관리 시스템 소프트웨어가 저전압 상태에서 요구되는 엄격한 사항을 충족하는지 확인하는 데 사용될 수도 있다.

설계될 구성부품의 적합한 규모 결정
설계에서 적절한 정격 부품의 사용을 보장하면, 다음 두 가지 측면에서 비용이 줄어든다. 터빈의 운영 수명기간 중 운용상 요구사항에 충분히 부합하지 않는 설계 구성부품 때문에 발생되는 가동 중단으로 인한 운용비용과 서비스 불만을 줄일 수 있다. 또한 과도한 용량의 설계 구성부품 사용을 최소화해 설치비용을 줄일 수도 있다. 40개의 개별 Type Ⅲ 터빈이 있는 풍력발전 시스템을 예로 들면, 그림 1은 이 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이 예시에서의 무효전력은 로터 측 전력 변환기에서만 제공한다. 2개의 다른 시나리오에 대한 지능형 전력망(grid)에서 90%의 공칭 전압(nominal voltage) 전압 저하(brownout) 상태에 이은 POC의 반응이 표시돼 있다.
첫 번째 시나리오에서는 현장 전체의 풍속이 상대적으로 높으며, 따라서 터빈 변환기에 무효전력 용량이 적다. 두 번째 시나리오에서는 풍속이 낮으므로 높은 수준의 무효전력 생성이 허용된다. 시뮬레이션을 통해 풍속이 높은 조건에서의 전압이 급히 떨어짐을 알 수 있다. 또한 높은 풍속에 대한 무효전력 용량이 8초 후 고갈되어 전압이 급히 떨어지는 일이 발생했음을 확인할 수 있다. 이 예시의 시뮬레이션 결과는 시스템의 구성부품 요소들이 운영 요구사항을 충족하기 위한 충분한 정격을 가지고 있지 않음을 확실히 보여준다. 이 결과에 따라 설계 팀은 터빈에서 더 높은 정격의 변환기 또는 보조 전압 장치의 사용을 고려할 수 있다.
이러한 유형의 시뮬레이션은 특정 생산목표 충족과 지능형 전력망의 규약(grid code)을 위해 필요한 시스템 구성요소의 용량을 결정하는 데 중요하다.



SSR 공진에 대한 풍력발전 시스템 반응 개선
SSR(Subsynchronous resonance) 공진은 풍력발전 시스템 단지 운영자와 지능형 전력망 운영자 모두의 관심 사항이다. 이러한 현상은 보통 대형 화력발전소 단지와 가장 깊은 관계가 있지만 직렬로 구성된 보상 네트워크에 연결된 대규모 풍력발전 단지 시스템에서도 SSR 공진이 나타날 수 있다. SSR 공진의 발생은 터빈 축의 피로도를 높여 축 고장을 일으키고 터빈 가용성을 낮출 수 있다.
SSR 완화를 위한 기존의 방식은 직렬 보상장치를 전기적 지능형 전력망에 통합하는 것이다. 하지만 전력 변환기 기술이 각 터빈에 연결되어 있을 때는 혁신적인 제어기술을 적용해 각 터빈에서 국부적으로 SSR 공진의 영향을 완화할 수 있다. 예를 들어, DFIG(Doubly-Fed Induction Generator) 터빈의 로터 측 변환기에 대한 전자기 토크(electromag
nectic torque) 제어 신호에 보조 신호를 추가함으로써 SSR 공진을 완화할 수 있다. 그림 2는 단일 풍력 터빈 테스트 사례에 적용된 이러한 보조 감쇠의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이 예시는 원하지 않는 전력 시스템 현상을 완화하기 위한 혁신적인 제어 전략의 개발, 시뮬레이션 및 적용의 가치를 보여준다.  ES