IEC 61400-3-1과 3-2는 부유식 풍력발전시스템이 설계수명 동안 경험할 수 있는 상황을 DLC로 정의한다.^[9,15] 본 연구는 요 오차와 바람-파랑 오정렬이 결합한 형태로 동시 작용하는 조건에서, 정상 발전 중인 부유식 풍력발전시스템의 출력과 동적 응답 특성 변화를 분석하기 위해 DLC 1.1을 적용했다(Table 4 참조).

DLC 1.1의 확장 시나리오는 정상 난류 모델(Normal Turbulence Model, NTM), 정상 해상 상태(Normal Sea State, NSS), 그리고 요 정렬 불량과 제어 시스템의 추적 오차 등으로 발생할 수 있는 풍향 및 로터 축의 편차를 고려해야 한다. 또한, 방향성 변수로 바람과 파랑이 일치하는 동일 방향(Co-Directional, COD)과 극한 하중을 초래하는 단일 방향(Uni-Directional, UNI) 조건을 적용해야 한다. 그러나 IEC 표준에서는 바람과 파랑의 정렬 불량(Misaligned, MIS)이 부유식 풍력발전시스템에 더 큰 하중을 유발할 경우, 동일 방향을 적용하는 DLC도 정렬 불량 조건을 고려하도록 규정하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 COD 대신 MIS를 적용해 작용 하중 측면에서 더 보수적인 상황으로 가정했다.

본 연구는 Table 5와 같이 미국 동부 해안의 해양 환경 조건을 적용했다. 해양 기상(Metocean)자료는 미국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)이 공개한 실측자료를 후처리한 Stewart et al.(2016)의 연구를 참조했다.^[16] 풍속은 정격풍속인 10.59 m/s를 사용했으며, 난류 강도는 0.14를 적용했다. 파랑 스펙트럼은 JONSWAP 스펙트럼을 사용했고, 정격풍속 조건에서의 유의 파고는 1.641 m, 파주기는 7.544 s를 적용했다. 해류 속도는 멕시코 만류의 평균 속도인 1.78 m/s이다.

Fig. 2는 바람-파랑 오정렬과 요 오차의 해석 조건 및 좌표계 정의를 나타낸다. 외부 환경조건 변화에 따른 출력 성능과 동적 특성 변화 분석을 위해 DLC 1.1을 기반으로 총 30가지의 확장 시나리오를 구성했다. 바람-파랑 오정렬(β)은 6종류(0°, 20°, 40°, 60°, 80°, 90°), 요 오차(γ)는 5종류(-15°, -8°, 0°, 8°, 15°)로 세분했다. OpenFAST는 타워 중심선과 평균 해수면(Mean Sea Level, MSL) 교차점을 원점으로 정의한다. 따라서, 바람-파랑 오정렬이 증가하거나 요 오차가 음에서 양의 방향으로 변할수록 풍향과 나셀(Nacelle) 축은 y축에 근접하게 된다. 이때 파랑과 조류의 방향은 모든 시나리오에서 0°로 고정했다.

Fig. 2. 
Scenario of yaw error and wind-wave misalignment combination and OpenFAST coordinate system

시나리오별 해석시간은 4,000 s이며, 과도응답(Transient Response)을 제거하기 위해 해석 초기 400 s 결과는 제외되었다. 출력 성능 분석을 위해 발전기 측 출력변화 시계열 데이터의 평균값과 표준편차를 구했고, 동적 응답 특성은 반잠수식 플랫폼의 6-자유도 운동과 타워 상부 및 기저부 하중의 변화를 통해 분석되었다.

Fig. 3은 시나리오별 발전기 측 평균 출력 비교 결과를 나타낸다. 바람-파랑 오정렬과 요 오차가 0°인 조건에 비해 대부분 출력이 감소했는데, 바람-파랑 오정렬 0°, 요 오차 -15°일 때 5.3%의 가장 큰 출력 감소율이 나타났다. 요 오차가 0°, 바람-파랑 오정렬이 20°조건에서 출력이 0.03%로 미소하게 증가하는 현상을 보였는데, 물리적으로 유의미한 영향이라 보기 어렵다. 그러므로 동일한 오차 조건에서 바람-파랑 오정렬이 출력 변화에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.

Fig. 3. 
Comparison of mean for generator power between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment

Fig. 4는 발전기 출력의 표준편차 비교 결과이다. 전술한 바와 같이, 동일 바람-파랑 오정렬 조건에서 요 오차가 커질수록 표준편차가 증가하고 있다. 이러한 조건에서 출력 성능은 최대 4.7%의 차이를 보여, 요 오차의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 따라서, 바람-파랑 오정렬과 요 오차의 동시 발생은 출력 감소의 원인이 되며, 요 오차의 영향이 더 크게 작용한다.

Fig. 4. 
Comparison of standard deviation for generator power between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment

Fig. 5에 전후동요(Surge), 좌우동요(Sway), 상하동요(Heave)의 시나리오별 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS) 변화를 나타냈다. Fig. 5(a)에서 바람-파랑 오정렬이 증가하거나, 요 오차가 음에서 양의 방향으로 변화할수록 Surge는 감소하고 Sway는 증가하는 추세를 보이는데, 이는 풍하중(Wind Load)과 추력(Thrust Force)이 시계 방향으로 증가하기 때문이다.

Fig. 5. 
Comparison of RMS for semi-submersible platform translational motion between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment: (a) surge&sway displacement and (b) heave displacement

바람-파랑 오정렬이 일정하고, 요 오차가 증가하는 조건에서 Surge와 Sway는 각각 17.7%, 55.5%의 변화율을 보였다. 반면에 요 오차가 일정하고, 바람-파랑 오정렬이 증가하는 조건에서는 각각 31.5%와 372.5%의 큰 변화율을 보여, Surge와 Sway 운동 변화는 바람-파랑 오정렬의 영향을 더 크게 받는다. 다만, Fig. 5(b)와 같이 Heave는 다른 병진운동에 비해 바람-파랑 오정렬과 요 오차의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 6은 횡동요(Roll), 종동요(Pitch), 선수동요(Yaw)의 시나리오별 RMS 변화를 나타낸다. Fig. 6(a)와 같이, 바람-파랑 오정렬이 증가하거나 요 오차가 음에서 양의 방향으로 변화할수록 Pitch는 감소하고 Roll이 증가하는 추세를 보인다. 이는 Fig. 5(a)의 Surge와 Sway와 같이 풍하중과 추력이 시계 방향으로 증가하기 때문에 나타나는 현상이다.

Fig. 6. 
Comparison of RMS for semi-submersible platform rotational motion between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment: (a) pitch&roll displacement and (b) yaw displacement

바람-파랑 오정렬이 일정한 조건에서 요 오차가 증가할 때, Pitch와 Roll 운동은 각각 38.3%와 25.0%의 변화율을 보였다. 반대로 요 오차가 일정한 조건에서 바람-파랑 오정렬이 증가하는 경우, 51.0%와 372.7%의 변화율을 보여 회전 운동도 마찬가지로 바람-파랑 오정렬의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 다만, Fig. 6(b)와 같이 Yaw 운동 변화율은 모든 조건에서 상대적으로 작게 나타나, 다른 회전 운동에 비해 바람-파랑 오정렬과 요 오차 영향을 크게 받지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 7은 시나리오별 타워 상부 하중의 RMS 변화를 나타내는데, Fig. 7(a)와 (b)는 좌우 방향(Side-to-Side, Mx)과 전후 방향(Fore-Aft, My) 작용 하중이다. 바람-파랑 오정렬이 증가하거나 요 오차가 음에서 양의 방향으로 변화할수록 Mx는 증가하고 My는 감소하는 추세를 보였다. 바람-파랑 오정렬이 90°, 요 오차가 15°인 조건에서 타워 상부의 Mx 방향 하중은 최대 173.4% 증가했고, My 방향 하중은 최대 87.4% 감소했다. 바람-파랑 오정렬이 일정한 조건에서 요 오차가 증가할 때, Mx 및 My 방향 하중은 각각 49.1%와 20.0%의 변화율 보였다. 반면, 요 오차가 일정한 조건에서 바람-파랑 오정렬이 증가할 때는 각각 177.2%와 29.3%의 변화율을 보여, 타워 상부 하중은 바람-파랑 오정렬의 영향을 더 크게 받는 것으로 판단된다.

Fig. 7. 
Comparison of RMS for tower top bending moment between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment: (a) tower top Mx and (b) tower top My

Fig. 8은 시나리오별 타워 기저부에 작용하는 하중의 RMS 변화를 나타내며, Fig. 8(a)와 (b)는 각각 Mx와 My 방향 하중을 의미한다. 타워 기저부도 마찬가지로, 바람-파랑 오정렬이 증가하거나 요 오차가 음에서 양의 방향으로 변화할수록 Mx 방향 하중은 증가하고, My 방향 하중은 감소하는 경향을 보였다. Mx 방향 하중은 바람-파랑 오정렬이 80°, 요 오차가 8°인 조건에서 최대 701.6% 증가했고, My 방향 하중은 바람-파랑 오정렬이 90°, 요 오차가 -8°일 때 최대 90.8% 감소했다. 바람-파랑 오정렬이 일정한 조건에서 요 오차가 증가할 때, Mx 및 My 방향 하중은 평균적으로 각각 26.6%, 39.0% 변화했다. 반대로 요 오차가 일정하고 바람-파랑 오정렬이 증가하는 조건에서는 평균적으로 각각 442.6%, 51.5%의 변화율을 보였다.

Fig. 8. 
Comparison of RMS for tower base bending moment between scenarios based on the effect of yaw error and wind-wave misalignment: (a) tower base Mx and (b) tower base My

따라서, 타워 기저부 하중도 요 오차보다는 바람-파랑 오정렬의 영향을 더 많이 받는 것으로 판단된다.