대규모 해상풍력단지용 해상변전소 설계 및 전력계통 연계 방안

Abstract

본 연구에서는 최근 대두되고 있는 신재생 에너지 확대의 일환으로 추진 중인 대규모 해상풍력단지의 한전계통과의 연계를 위한 해상변전소의 설계와 계통 연계 방안에 대한 방법을 제시하였다. 이와 관련하여 국내 외 대규모 풍력단지의 계통 연계 방안 사례를 분석하고 동해안 해상풍력 단지를 기준으로 용량별, 전압별 교류(HVAC), 직류(HVDC)에 대한 손실 분석 및 그에 따른 경제성을 초기투자 비용과 함께 분석하였다. 이를 바탕으로 해상풍력단지 기본 구성 방안 및 해상변전소 설계에 대한 사양 및 설계 방향을 제시함으로써 추후 추진될 대규모 해상풍력단지 및 해상변전소 FEED설계에 대한 기본 자료를 확보할 수 있었다. 연구대상으로 현재 동해안에 설치될 여러 해상풍력단지 중 한 프로젝트의 기초 모델을 활용하여 필요한 데이터를 수집하고, 해당 데이터를 기준으로 ETAP(Electrical Transient Analyzer Program)을 활용하여 실제 해상풍력단지의 모델링 및 시뮬레이션 결과를 비교하고 분석함으로써 추후 동해안에 설치될 부유식 해상풍력단지에 적용 가능한 단지 구성 및 해상변전소의 계통연계 모델을 구상하였다. 또한, 최근엔 풍부한 바람을 통해 높은 발전 용량을 가진 발전기를 활용하기 위해선 부유식 해상풍력발전단지가 일반적으로 육지에서 멀리 떨어져 설치되며, 이는 전통적인 HVAC 전송 시스템의 전압 적용 혹은 HVDC 전송에 대한 경제성 분석을 필요로 하였으며, 이에 본 연구에서 케이스에 따른 경제성 분석을 통해 최적의 구성을 할 수 있는 근거를 마련하고 경제성 분석을 실시하였다. HVDC의 경우 해상에 설치되는 변전소의 특성상 설치되는 면적에 제약이 크고, 제어가 용이한 전압형(VSC)모델을 적용하였고, ETAP 시뮬레이션을 통해 해상변전소에 설치되는 기기 및 케이블에 대한 기기 적정성을 검토하고 시뮬레이션 모델링을 실시함으로써, HVAC 모델에선 케이블이, HVDC 모델에선 변환소 손실이 크게 기여함을 알 수 있었다. 결과적으로 그에 따른 투자비 및 손실에 따른 비용을 분석하여 효율적인 송전방식을 경제성을 중심으로 확인하였다.

In this study, design for an offshore substation and grid connection method of a large-scale offshore wind farm, which is being promoted as a part of the recently emerging renewable energy expansion, was presented. In this regard, cases of grid connection of domestic and foreign large-scale wind farms were analyzed, and loss analysis was performed for HVAC and HVDC depending on capacity and voltage. With those result for loss analysis and initial capital investment, the economic feasibility was analyzed. Based on this, we were able to secure the data on the substation FEED design for the offshore wind farm to be promoted in the future by presenting the specifications for the design of the offshore wind farm and substation, and suggest the direction of basic design of the substation, which is a key facility in the offshore wind farm. As an objective of research subject, the necessary data is collected by using the basic model of one of several offshore wind farms to be installed on the Korea east coast, and modeling and simulation of the actual offshore wind farm design using the ETAP (Electrical Transient Analyzer Program). By comparing and analyzing the results, the complex composition applicable to the floating offshore wind farm to be installed in the east coast in the future and the grid connection model of the offshore substation were configured. In addition, in recent years, in order to utilize a generator with high power generation capacity through abundant wind, floating offshore wind farms are generally installed far from the land. This can be achieved by applying the voltage of a traditional high AC voltage (HVAC) transmission system or using a high-voltage DC current (HVDC) transmission, and it was required to be analyzed by economic feasibility. Therefore, in this study, the basis for optimal configuration was prepared through economic analysis according to case and economic analysis was conducted. In case of HVDC, a voltage-type (VSC) model that is easy to control and has large restrictions on the installation area due to the characteristics of substations installed at offshore is applied. And by performing simulation modeling, it was found that the cable loss in the HVAC model is dominant, and the conversion station loss in the HVDC model significantly contributed. As a result, the more economical way of power transmission method was researched by analyzing the investment and power loss cost.