1. 국내외 풍력발전 설비 동향

풍력발전시스템은 바람의 운동에너지를 기계적 운동을 거쳐 전기에너지로 변환하는 장치로 입지 조건 특성과 직결되는 신재생 설비이다. 정부의 제11차 전력수급기본계획에 따르면 2030년까지 국내 풍력설비를 18.3GW까지 보급할 계획이며, 이 중 대부분이 해상풍력이 차지할 것으로 보인다. 이와 관련하여, 2024년 8월 산업통상자원부는 「해상풍력 경쟁입찰 로드맵」 을 발표하였고, 2026년 상반기까지 2년간 7~8GW 해상풍력 고정가격(PPA) 입찰 계획을 확정해 사업자의 시장 참여를 유도하고 있다. 그림 1에서 보면 육상풍력(On-shore)에 비해 해상풍력(Off-shore)이 압도적으로 많은 발전설비 용량을 보이지만, 입지 조건이나 향후 풍력 발전설비의 대형화를 고려하면 해상풍력이 대세를 이룰 것이다.

육상풍력 발전용량은 최근 10년간 170% 상승하였으나, 지리적 제약과 환경적 영향 그리고 풍속의 제한 등으로 인해 성장 속도가 점차 둔화되고 있는 반면, 해상풍력은 2022년 기준 설치 규모가 64GW로 여전히 작긴 하지만, 높은 풍속과 대형 터빈 설치 가능성 그리고 육지와는 다른 환경적 이점을 바탕으로 최근 10년간 814%의 급격한 성장을 보여주고 있다(그림 2). 해상풍력의 경우 일관되고 강한 풍속과 더 큰 터빈을 설치할 수 있는 조건이 결합되어 유망한 분야로 떠오르고 있으며, 부유식 풍력 발전단지의 연구와 개발로 인해 더 먼 바다에서도 풍력 에너지의 활용이 가능해지면서 성장 잠재력을 높이는 중요한 요소로 작용한다.

풍력 터빈의 기술 발전, 비용 감소와 고품질의 상층부 품질을 얻기 위해 터빈의 크기는 1990년대 0.2 mW에서 2024년 82mW로 발전용량 뿐만 아니라 제원이 폭발적으로 대형화되었다.

대형 풍력 터빈 육상 운송 경로 설정
풍력 터빈의 대형화는 이동 경로 및 각종 가로 설비의 제약에 자유롭지 못하다. 외국의 육상풍력 설비 4MW 터빈(블레이드 : 69.3×4m, 타워 : 100~150m)의 이동 설치를 위한 부수적인 고려 사항과 육상 품질의 원인으로 해상풍력 사업이 검토되고 있다.
대부분의 풍력 발전설비는 항만을 통해 운반되어 육상 도로를 통해 풍력단지에 설치되는데 이동 경로에 곡선 주로 및 가로수, 터널, 고가, 교량(중량) 등 다양한 장애물을 고려하여 이동 경로를 설계하여야 하는데, 대형화할수록 고려 사항이 늘어날 수밖에 없다.

2. 회전 운동 요소(Yaw, Pitch, Rolling)

Yaw, Pitch, Rolling은 3차원 공간에서 물체의 회전 운동을 설명하는 세 가지 기본적인 요소이다. 이 요소들은 항공기·선박·자동차 등 다양한 분야에서 사용되며, 특히 풍력발전기나 로봇 공학에서도 중요하게 사용된다.

•Yaw(Z축) : Yaw는 물체의 수평 방향으로 회전하는 운동을 나타낸다. 예를 들어, 자동차의 핸들을 돌려 방향을 바꾸는 것이 Yaw 운동의 예이다.
•Pitch(X축) : Pitch는 물체의 수직 방향으로 회전하는 운동을 나타낸다. 예를 들어, 비행기의 코가 위로 올라가거나 아래로 내려가는 것이 Pitch 운동의 예이다.
•Rolling(Y축) : Rolling은 물체의 좌우 방향으로 회전하는 운동을 나타낸다. 예를 들어, 비행기가 좌우로 기울어지는 것이 Rolling 운동의 예이다.

1) Yaw Control
Yaw Control은 풍력발전기의 Nacelle(발전기와 블레이드가 연결된 상부 구조)을 바람의 방향에 맞추어 회전시키는 제어 시스템으로, 바람이 Nacelle의 회전축에 정렬되도록 유지함으로써 최대 전력 생산, 소음과 기계적 진동을 감소시키기 위해 수행한다.

2) Yaw Control과 전력 생산의 관계
•Cut-in ~ Normal Power : 전력은 풍속의 세제곱(P∝v3)에 비례하여 급격히 증가
•Normal Power : 최대 정격 출력을 유지하며, Yaw error가 작을수록 발전량 손실이 최소화됨
•Normal Power ~ Cut-out : 발전기는 정격 출력을 유지하지만, Yaw control은 바람 방향의 변화에 민감하게 반응해야 함
•Cut-out ~ : 발전 중지로 시스템 보호

3) Yaw Control과 소음의 관계
소음은 주로 블레이드의 공기 저항, 회전 속도 및 난류에 의해 발생하며, Yaw Error가 커지면 소음이 증가한다.
•풍속이 낮을 때 : 소음이 작고, Yawing에 의한 추가 소음도 미미
•정격 풍속 부근 : 블레이드 회전 속도가 빨라져 공기역학적 소음(에어포일 소음)이 증가
•Yaw Misalignment(정렬 오류) : Yaw error가 크면 바람이 블레이드의 비대칭 부위를 타격해 소음이 크게 증가
•Yaw Control의 역할 : 바람의 변화에 반응하여 Nacelle을 바람 방향에 정렬함으로써 소음 감소
4) Yaw Control과 진동의 관계
Yaw error가 클 경우 블레이드에 비대칭 부하가 걸려 비대칭 진동이 발생하고, 나셀과 타워에 구조적 부담을 가중시키므로 (정확한 정렬을 통해) 바람 부하를 균등하게 분산시켜 진동을 최소화하고, 구조적 피로를 줄여 터빈 수명이 연장된다.
그림 6의 Yaw Control처럼 풍향에 직각일 때 최대의 효과가 발생하며, 풍향·풍속에 조건에 따라 수행된다. 풍향이나 풍속이 일정하지도 않고 거대한 너셀의 즉각적인 응동이 힘들기 때문에 일정 시간 지연이 발생한다. Yaw의 오정렬은 저풍속일 경우 에너지 생산량에, 고풍속일 경우 소음과 진동에 영향을 준다.

3. SCADA Data 전처리

Yaw 오정렬 분석을 위한 대상 발전소는 제주도에 위치한 3MW 풍력터빈 7기를 가진 풍력단지를 대상으로 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition, 원격 감시 제어 시스템으로, 산업 현장에서 사용되는 장비 및 시스템의 상태를 실시간으로 감시하고 제어하는 시스템) Data를 사용하여 분석하였다.

1차 정제 작업은 초당 수집 Data를 10분 단위의 Data로 합계 및 평균(방향 Data는 호도법 처리) 총계처리하여 35만건으로 정제하였으나, 이상치가 많아 운영(Operation Tag) Tag 중 비정상 Data를 삭제하여 17만 건의 정제된 Data를 기반으로 분석하였다.

4. Yaw 오정렬 분석

1) 풍속과 발전량 비교
풍속의 차이가 있음에도 발전량의 차이와 비례 하지 않는다. 이를 통해 알 수 있는 사실은 풍속이 고속일 경우 WTG006, WTG007 터빈은 운영을 하지 않는 것으로 판단하였고 합계 발전량과 연관성을 시각화하였다.
그림 9를 보면 WTG002, WTG003, WTG007 터빈이 평균 풍속의 차이에도 비슷한 발전량을 보이는 것은 또 다른 변수가 존재한다 판단하였고, 전체 터빈의 Power Curve를 시각화하였다.
그림 10을 보면 WTG001, WTG006번 터빈을 제외한 나머지 터빈은 풍속의 변화에도 발전량의 변화가 없도록 Pitch를 제어하여 출력을 제한한 것을 알 수 있다. 출력 제한 데이터 또한 Yaw 오정렬 분석에는 이상치라 판단 삭제하였다.
또한 그림 11의 이상치 제거 Data로 풍속(Line), 발전량(Y축), Yaw Error(X축)와의 관계를 시각화하였다.
아울러 모든 풍속(3~15ms)은 Yaw Error Zero를 기준으로 대칭을 이루어야 정상적이나, 고풍속일 경우 Yaw error에 발전량이 덜 민감하게 반응하기 때문에 풍속 4~8ms 구간만을 별도로 구분하여 재작업하였다.

5. 결 론

Yaw Error별 평균 발전량을 구하여 시각화하였다. 그림 14에서 보면 Yaw Error Zero를 기준으로 대칭 형태를 보이나, WTG005, WTG007 터빈의 경우 우상향하고 있다. 이는 두 가지 경우를 산정해 볼 수 있다.
첫째는 WTG005, WTG007 터빈의 Yaw 측정 센서나 풍향을 측정하는 센서의 오류, 둘째는 Yaw를 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller, 풍력 터빈의 효율적인 운영과 안정적인 제어이자 Pitch, Rotor, 출력/안전 제어를 위한 핵심적인 구성 요소)의 설정 오류를 생각해 볼 수 있다.

<참고문헌>

1. 김영신.(2024) “국내 해상풍력 최적 입지 분석 및  고찰”(KOMIPO RAUM)
2. 박재현.(2024) “풍력발전기 기술동향 및 고장유형 분석을 통한 관리 방안”(KOMIPO RAUM)
3. KB 손해사정 기업위험관리실 포커스리브(2023  vol. 04) “NetZero 시나리오 산업전망 시리즈(3) 풍력발전”
4. IRENA Renewable energy statistics 2024  데이터 분석(2024.07.18.) “2000-2022 육상풍력과 해상풍력 발전량 국가별 비교”
5. KDB미래전력연구소 정준환(산은조사월보 2024.4  제821호) “해상풍력발전 동향”
 

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