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전기기사 전기설비기술기준 · 풍력발전설비 기준 (공사)

Wind Power Installation Standards

풍력 발전 설비는 바람의 운동 에너지를 블레이드 회전으로, 다시 전기로 바꾸는 설비이고, 출력은 풍속의 세제곱에 비례해 바람이 조금만 세져도 크게 늘어난다. 그래서 풍속에 따라 정지 · 부분 출력 · 정격 출력 · 컷아웃 구간을 나눠 운전하고, 이격 · 접지 · 피뢰 · 소음 기준을 함께 지킨다. 발전기 방식(DFIG · PMSG)과 전력 변환 경로도 시험에 나와요. 풍속 슬라이더를 움직이면 블레이드 회전과 운전 상태가 바뀌고, 오른쪽에는 발전기 → 컨버터 → 승압 변압기 → 계통 연계의 블록이 그려져요.

풍력 발전: 바람 → 회전 → 전기

💨 풍력 발전의 핵심 구성
① 블레이드(날개): 바람의 에너지를 회전력으로 바꾼다
② 나셀: 발전기 · 증속기 · 요(Yaw) 장치를 담는다
③ 타워: 나셀을 높이(60 ~ 120 m) 받친다
④ 발전기: DFIG(이중 여자 유도 발전기) 또는 PMSG(영구 자석 동기 발전기)

풍속에 따른 운전 상태

10 m/s
🔑 풍속별 운전 구간
① 0 ~ 3 m/s: 정지(컷인 풍속 미달)
② 3 ~ 12 m/s: 부분 출력(P ∝ v³)
③ 12 ~ 25 m/s: 정격 출력(피치 제어로 일정하게 유지)
④ 25 m/s 이상: 컷아웃, 블레이드를 바람과 나란히 돌려(페더링) 멈춰요

풍력 설치 핵심 기준

풍력 에너지
P = ½ρAv³Cp [W]
ρ: 공기 밀도, A: 회전 면적, v: 풍속, Cp: 출력 계수(최대 0.593 = 베츠 한계)
이격 거리
블레이드 지름(D)의 5배 이상(앞뒤)
앞 풍차가 만든 후류(wake)가 뒤 풍차 출력을 깎지 않게 띄운다
접지
타워 기초: A종 접지(10 Ω 이하) + 피뢰 시스템
낙뢰를 자주 맞으므로 블레이드에서 기초까지 피뢰 경로를 확보해요
소음 기준
주거 지역 경계: 45 dB(A) 이하
이격 거리와 야간 운전 제한으로 소음 규제에 대응해요

발전기와 전력 변환

풍력 발전기 종류 비교: DFIG 와 PMSG

DFIG 와 PMSG 비교
항목DFIG(이중 여자 유도 발전기)PMSG(영구 자석 동기 발전기)
증속기필요필요 없음(직결)
전력 변환부분 변환(약 30%)전체 변환(100%)
효율중간높음
가격낮음높음(희토류)
유지 보수증속기 마모간단
⚡ 전력 변환 경로
①발전기 출력은 AC 690 V(저압)다
②전력 변환은 AC → DC → AC(백투백 컨버터)로 한다
③승압 변압기로 690 V 를 22.9 kV 로 올려 계통에 연계해요
피치 제어
블레이드 각도 조절 → 과출력 방지
정격 풍속을 넘으면 피치각을 키워 양력을 줄이고 출력을 일정하게 유지한다

시험 포인트 정리

풍력 출력
P = ½ρAv³Cp
베츠 한계 0.593
컷인 · 컷아웃
3m/s ~ 25m/s
운전 풍속 범위
🎯 시험 포인트
① P = ½ρAv³Cp, 베츠 한계 Cp_max = 0.593(16/27)
② 컷인 3 m/s, 정격 12 m/s, 컷아웃 25 m/s
③ DFIG 는 부분 변환, PMSG 는 전체 변환
④ 피치 제어: 정격 풍속 이상에서 블레이드 각도를 조절한다
⑤ 접지: A종(10 Ω 이하) + 블레이드 ~ 기초 피뢰 경로
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 풍력 에너지 공식과 베츠 한계는? (답: P = ½ρAv³Cp, Cp 최대 = 0.593)
②[기출유형] 컷인 · 정격 · 컷아웃 풍속은? (답: 컷인 3 m/s, 정격 12 m/s, 컷아웃 25 m/s)
③[기출유형] DFIG 와 PMSG 의 차이는? (답: DFIG 는 증속기가 필요하고 부분 변환, PMSG 는 직결 · 전체 변환으로 효율이 높음)
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