KR101449535B1 - 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 3개의 블레이드의 모멘트를 감지하여 블레이드 신호로 출력하는 광섬유 센서부, 3개의 블레이드 신호를 2개의 포어에이프 신호로 변환하는 신호변환부, 블레이드의 회전정보를 감지하는 회전정보 입력부, 회전정보에 의거하여 블레이드의 회전속도를 추정하는 회전속도 추정부, 포어에이프 신호에서 회전 성분을 제거하고 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 상태판단부 및 판단 결과를 출력하는 출력부를 포함하며, 본 발명에 따르면 3개의 블레이드 신호보다 간단한 2개의 포어에이프 신호를 처리할 수 있어 효율적인 신호 해석이 가능해지고 블레이드의 상태 판단의 효율성을 향상시킬 수 있으므로, 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 이루어질 수 있다.

Description

풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MONITORING SIGNAL PROCESSING OF WIND TURBINE BLADES AND METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력 터빈 블레이드(Blade)의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전 중인 3개의 블레이드로부터 각각 검출한 블레이드 신호를 2개의 포어에이프(Fore-Ape) 신호로 변환하여 블레이드의 상태 판단을 위한 신호 해석을 효율적으로 할 수 있도록 한 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기에너지를 얻는 시스템이다.
이러한 풍력 발전은 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되며, 블레이드와 허브(Hub)로 구성된 회전자, 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속기(Gear box), 전기를 생산하는 발전기(Generator), 각 구성요소의 동작 온도를 적정하게 조절하여 주는 냉난방 시스템(Cooling/Heating System), 출력을 제어하는 전력 제어 시스템(Power Converter System) 등으로 이루어진다.
특히 3개의 블레이드가 서로 120° 간격으로 배치되어 지면에 대해 수평 방향의 회전축을 중심으로 회전하도록 설치된 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력발전 터빈이 널리 사용되고 있다.
블레이드는 파손 발생시 정지시간이 길어지고, 교체 비용이 많이 소모되며, 특히 해상 풍력 발전에서는 염분이나 먼지 등에 의해 블레이드의 오염이 빈번히 발생하기 때문에, 블레이드의 상태를 실시간으로 감시할 필요가 있다.
따라서, 블레이드에 센서를 설치하여 블레이드 상태 감시에 활용하고 있으나, 각 블레이드마다 설치된 센서가 감지하는 신호를 처리하여 블레이드의 이상 여부를 판단하기 위해서는 블레이드의 수에 비례하는 신호를 처리하여야 할 필요가 있다. 즉, 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력발전 터빈의 경우 3개의 블레이드에서 감지된 3개의 신호를 처리할 필요가 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0110735호 (2011.10.07 공개, 발명의 명칭 : 풍력발전기 모니터링 장치)가 있다.
본 발명은 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력 발전 터빈에 있어서, 3개의 블레이드 각각으로부터 감지된 3개의 블레이드 신호를 2개의 포어에이프 신호로 변환하여 효율적으로 블레이드의 상태를 판단함으로써 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 이루어질 수 있도록 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치는 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호로 각각 출력하는 광섬유 센서부, 상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 서로 직교하는 두 개의 모멘트를 나타내는 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 신호변환부, 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보를 산출하여 출력하는 회전정보 입력부, 상기 회전정보 감지부로부터 입력받은 상기 회전정보에 의거하여 블레이드의 회전 각속도를 추정하는 회전속도 추정부, 상기 제1 포어에이프 신호 및 제2 포어에이프 신호에서 상기 추정된 회전 각속도에 해당하는 회전 성분을 제거한 제1 변환신호 및 제2변환신호에 의거하여 상기 제1 내지 제3 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 상태판단부 및 상기 제1 내지 제3 블레이드의 동작 이상 여부를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제1 포어에이프 신호는 상기 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트 중 제1 블레이드의 말단을 접점으로 하는 블레이드의 말단이 그리는 윈호의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시하고, 상기 제2 포어에이프 신호는 상기 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트 중 상기 제1 블레이드로부터 90° 회전한 축선과 상기 원호의 교점을 접점으로 하는 상기 원호의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 신호변환부는 상기 제1 블레이드 신호, 상기 제2 블레이드 신호와 제1 상수의 곱, 및 상기 제3 블레이드 신호와 제2 상수의 곱의 합을 상기 제1 포어에이프 신호로 산출하고, 상기 제2 블레이드 신호와 제3 상수의 곱, 및 상기 제3 블레이드 신호와 제4 상수의 곱의 합을 상기 제2 포어에이프 신호로 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 회전속도 추정부는 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치와 상기 회전정보 사이의 오차를 비례적분 제어를 사용하여 허용한계 미만으로 제어하였을 경우의 상기 회전 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 상태판단부는 상기 제1 변환신호 또는 제2 변환신호에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 회전정보 입력부는 상기 광섬유센서를 이용하여 상기 블레이드의 회전 정보를 감지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법은 광섬유 센서부가 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호로 출력하는 단계, 신호 변환부가 상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 수신하여 서로 직교하는 두개의 모멘트를 나타내는 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 단계. 회전속도 추정부가 회전정보 입력부로부터 전달받은 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보에 근거하여 블레이드의 회전 각속도를 추정하는 단계. 상태판단부가 상기 제1 및 제2 포어에이프 신호에서 상기 추정한 회전 각속도에 해당하는 회전 성분을 제거한 제1 및 제2 변환신호를 생성하는 단계, 상기 상태판단부가 상기 제1 내지 제2 변환신호에 근거하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 단계, 출력부가 상기 판단된 블레이드의 동작 이상 여부를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법은, 상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 수신하여 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 단계는, 상기 제1 블레이드 신호, 상기 제2 블레이드 신호와 제1 상수의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호와 제2 상수의 곱의 합을 상기 제1 포어에이프 신호로 산출하는 단계 및 상기 제2 블레이드 신호와 제3 상수의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호와 제4 상수의 곱의 합을 상기 제2 포어에이프 신호로 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법은,상기 회전 각속도를 추정하는 단계는, 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치 및 상기 회전정보 사이의 오차를 비례적분 제어를 사용하여 허용한계 미만으로 제어하였을 경우의 상기 회전 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법은,상기 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1 변환신호 또는 제2 변환신호에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 3개의 블레이드로부터 각각 감지한 블레이드 신호보다 간단한 2개의 포어에이프 신호를 처리할 수 있어 효율적인 신호 해석이 가능해지며, 효율적인 신호 해석이 가능해짐으로써 블레이드의 상태 판단의 효율성을 향상시킬 수 있으므로, 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력 터빈을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포어에이프 신호가 나타내는 모멘트 성분을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법의 동작을 도시한 순서도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 신호, 포어에이프 신호, 변환 신호 및 블레이드의 회전 성분을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 동작 이상이 발생하였다고 판단될 경우의 블레이드 신호, 포어에이프 신호, 변환 신호 및 블레이드의 회전 성분을 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력 터빈을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력 터빈은 120°의 간격으로 원주상에 배치되는 제1 내지 제3 블레이드가 지면에 수평한 회전축을 중심으로 풍력에 의하여 회전하는 구조를 가진다.
수평축 풍력 터빈이 기동할 때, 제1 내지 제3 블레이드 각각에 바람에 의하여 걸리는 하중을 광섬유 센서로 측정할 수 있다. 이러한 하중을 물리량으로 표현하면 모멘트로 표현된다. 즉, 각 블레이드에 걸리는 하중은 블레이드의 말단이 회전하면서 그리는 원주의 각 블레이드의 말단을 접점으로 하는 접선 방향으로 작용하는 풍하중 모멘트로 표현될 수 있다.
이 때, 각 블레이드의 풍하중 모멘트는 각 블레이드의 말단을 접점으로 하여 블레이드의 말단이 회전하면서 그리는 원주의 접선 방향을 방향 성분으로 하는 벡터가 될 수 있다.
또한 각 블레이드가 서로 120°의 간격으로 배치되어 있으므로, 각 블레이드의 풍하중 모멘트도 각각의 방향 성분이 서로 120°의 간격으로 떨어진 벡터가 된다.
3개의 블레이드 중 하나인 제1 블레이드(100)는 블레이드 신호(B1 - B3)를 포어에이프 신호(F1, F2)로 변환할 때 기준이 되는 블레이드이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치는 광섬유 센서부(10), 신호변환부(20), 회전속도 추정부(30), 회전정보 입력부(40), 상태판단부(50) 및 출력부(60)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광섬유 센서부(10)는 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)로 각각 출력한다.
신호변환부(20)는 상기 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)를 서로 직교하는 두개의 모멘트를 나타내는 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)로 변환한다.
이 때, 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)는 서로 120°의 간격으로 떨어진 방향 성분을 가지는 세 개의 백터에 해당하는 반면, 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)는 서로 직교하는 방향 성분을 가지는 두 개의 백터에 해당할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 세 개의 백터를 나타내는 세 개의 신호 대신, 두 개의 백터를 나타내는 두 개의 신호를 사용하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단할 수 있다.
회전정보 입력부(40)는 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보를 산출하여 회전속도 추정부(30)로 입력한다.
회전정보 입력부(40)는 신호변환부(20)가 출력하는 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)를 입력받아 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보를 산출할 수 있다.
또는, 회전정보 입력부(40)는 직접 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 감지하여 회전정보를 산출할 수도 있고, 상기 광섬유 센서부(10)에 포함된 광섬유 센서가 감지한 물리량에 근거하여 회전정보를 산출할 수도 있다.
회전속도 추정부(30)는 회전정보 입력부(40)로부터 입력받은 상기 회전정보에 의거하여 풍력 터빈의 회전 각속도를 추정한다.
여기서, 회전속도 추정부(30)는 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치를 산출할 수 있다.
제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치는 상기 회전 각속도의 잠정 추정치를 적분 제어하여 얻은 회전각 만큼 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 초기 위치를 회전 변환함으로써 산출할 수 있다.
이후, 회전속도 추정부(30)는 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치를 변화시면서 상기 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치와 상기 회전정보 사이의 오차를 기 설정된 허용한계 미만이 되도록 비례적분 제어 방식을 사용하여 제어한다.
이 때, 회전속도 추정부(30)는 상기 오차가 상기 허용한계 미만이 되도록 하는 회전 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정할 수 있다.
상태판단부(50)는 먼저 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)에서 상기 추정된 회전 각속도에 해당하는 회전 성분을 제거하여 제1 및 제2 변환신호(T1, T2)를 생성할 수 있다.
이 때, 상태판단부(50)는 포어에이프 신호(F1, F2)로부터 회전 성분을 제거하기 위하여 회전 변환을 사용할 수 있다. 이러한 회전 변환은 아래의 수학식 1에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112013070523173-pat00001
Figure 112013070523173-pat00002
여기서, T(θ)는 주어진 2차원 벡터를 회전축을 중심으로 -θ의 각 만큼 회전시키는 회전 변환이다. 따라서 현재 블레이드가 각속도 θ로 회전하고 있다고 가정할 때, 서로 직교하는 두 성분인 제1 포어에이프 신호(F1)와 제2 포어에이프 신호(F2)로 구성된 벡터 Ψ를 단위 시간마다 회전 변환 T(θ)에 의해 블레이드의 회전 방향 반대 방향으로 회전시키면 벡터 Ψ로부터 각속도 θ 만큼의 회전 성분을 제거한 벡터 Ψr를 얻을 수 있다.
따라서 상기와 같은 방법으로 벡터 Ψ로부터 회전 성분을 제거한 벡터 Ψr의 두 성분이 제1 변환신호(T1) 및 제2 변환신호(T2)가 될 수 있다.
블레이드는 기동 중 회전하고 있으므로, 상기 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)에는 블레이드의 회전 성분과 블레이드에 걸리는 풍하중 모멘트 성분이 모두 포함되어 있다. 그런데 블레이드의 회전 성분은 블레이드의 기동 중 비교적 일정하므로, 이러한 회전 성분을 제거한 제1 및 제2 변환신호(T1, T2)는 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)에 비해 상대적으로 변동이 적은 단순한 신호일 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 제1 및 제2 포어에이프신호(F1, F2)보다 단순한 제1 및 제2 변환신호(T1, T2)를 검사하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단할 수 있으므로, 블레이드 동작 이상 판단의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상태판단부(50)는 또한 상기에서 생성된 제1 및 제2 변환신호(T1, T2)에 의거하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단한다.
예컨데, 상태판단부(50)는 제1 변환신호(T1) 또는 제2 변환신호(T2)에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단할 수 있다. 이러한 글리치는 블레이드의 회전 동작과 무관하게 발생하는 급작스러운 신호의 변동이다.
따라서, 제1 변환신호(T1) 또는 제2 변환신호(T2)에 발생한 글리치는 정상적인 회전 동작 또는 블레이드에 가해지는 풍속의 변동과 무관한 이상 성분 가능성이 높으므로, 블레이드의 동작 이상을 나타낼 수 있다.
출력부(60)는 상태판단부(50)가 상기에서 설명한 바와 같이 판단한 블레이드의 동작 이상 여부를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포어에이프 신호가 나타내는 모멘트 성분을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력 터빈에서 제1 내지 제3 블레이드는 서로의 사이에 120°의 간격을 두고 원주상에 배치되어 있다.
이 때, 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)는 각 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 나타내며, 각 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트는 블레이드의 말단이 회전하면서 그리는 원주의 각 블레이드의 말단을 접점으로 하는 접선 방향을 방향 성분으로 하는 벡터가 될 수 있다.
한편 이러한 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)를 신호변환부(30)가 변환한 제1 포어에이프 신호(F1)는 상기 제1 내지 제3 블레이드의 모멘트 중 제1 블레이드의 말단을 접점으로 하는 상기 윈주의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시할 수 있다. 또한, 상기 제2 포어에이프 신호(F2)는 상기 제1 내지 제3 블레이드의 모멘트 중 상기 제1 블레이드로부터 90° 회전한 축선과 상기 원의 교점을 접점으로 하는 상기 원주의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시할 수 있다.
이 경우, 제1 포어에이프 신호(F1) 및 제2 포어에이프 신호(F2)는 도 3에 도시된 바와 같은 방향의 벡터가 될 수 있다. 즉, 제1 포어에이프 신호(F1)와 제1 블레이드 신호(B1)는 서로 같은 방향 성분을 가지는 벡터일 수 있으며, 제2 포어에이프 신호(F2)와 제1 블레이드 신호(B1)는 서로 직교하는 방향 성분을 가지는 벡터일 수 있다.
따라서, 제1 포어에이프 신호(F1)에는 제1 블레이드 신호(B1)의 성분이 모두 포함되는 반면, 제2 포어에이프 신호(F1)에는 제1 블레이드 신호(B1)의 성분이 포함되지 않는다.
그러므로, 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)는 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)로부터 아래의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112013070523173-pat00003
Figure 112013070523173-pat00004
상기 수학식 2에서, Ψ1는 제1 블레이드신호(B1), Ψ2는 제2 블레이드신호(B2), Ψ3는 제3 블레이드신호(B3)를 나타낸다. 또한, Ψa는 제1 포어에이프 신호(F1), Ψb는 제2 포어에이프 신호(F2)를 나타낸다. a, b, c, d는 각각 상수를 나타낸다.
즉, 신호변환부(20)는 제1 블레이드 신호(B1), 제2 블레이드 신호(B2)와 제1 상수(a)의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호(B3)와 제2 상수(b)의 곱의 합을 상기 제1 포어에이프 신호(F1)로 산출하고, 상기 제2 블레이드 신호(B2)와 제3 상수(c)의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호(B3)와 제4 상수의 곱(d)의 차를 상기 제2 포어에이프 신호(F2)로 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법의 동작을 도시한 순서도이다.
먼저, 광섬유 센서부(10)가 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)로 각각 출력한다(S100).
이어서, 신호변환부(20)가 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)를 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)로 변환한다(S110).
여기에서, 상기 수학식 2와 같이, 제1 포어에이프신호(F1)는 제1 블레이드 신호(B1), 제2 블레이드 신호(B2)와 제1 상수(a)의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호(B3)와 제2 상수(b)의 곱의 합으로 산출될 수 있고, 제2 포어에이프신호(F2)는 상기 제2 블레이드 신호(B2)와 제3 상수(c)의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호(B3)와 제4 상수의 곱(d)의 차로 산출될 수 있다.
이후, 회전속도 추정부(30)가 회전 정보 입력부(40)로부터 전달받은 회전 정보에 근거하여 블레이드의 회전 각속도를 추정한다(S120).
여기에서, 회전 정보는 제1 내지 제3 블레이드중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 정보로서 회전 정보 입력부(40)에 의해 산출되어 회전속도 추정부(30)로 입력될 수 있다.
회전속도 추정부(30)는 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치 및 상기 회전정보 사이의 오차를 비례적분 제어를 사용하여 기 설정된 허용한계 미만으로 제어하였을 경우의 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정할 수 있다.
이어서, 상태판단부(50)는 상기 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)에서 추정한 회전 속도에 해당하는 회전 성분을 제거한 제1 및 제2 변환신호(T1, T2)를 생성한다(S130).
여기에서, 추정한 회전 속도를 각속도 θ로 나타낼 때, 상태판단부(50)는 상기 수학식 1과 같이 서로 직교하는 두 성분인 제1 포어에이프 신호(F1)와 제2 포어에이프 신호(F2)로 구성된 벡터 Ψ를 단위 시간마다 회전 변환 T(θ)에 의해 블레이드의 회전 방향 반대 방향으로 회전시켜, 벡터 Ψ로부터 각속도 θ 만큼의 회전 성분을 제거한 벡터 Ψr를 얻을 수 있으며, 이 경우 벡터 Ψr의 두 성분이 각각 제1 변환신호(T1) 및 제2 변환신호(T2)가 될 수 있다.
이후, 상태판단부(50)는 제1 내지 제2 변환신호(T1, T2)에 근거하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단한다(S140).
여기에서, 상태판단부(50)는 제1 변환신호(T1) 또는 제2 변환신호(T2)에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단할 수 있다.
이어서, 출력부(60)는 판단된 블레이드의 동작 이상 여부를 출력하고(S150), 상기 프로세스를 종료한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 신호(B1 - B3), 포어에이프 신호(F1, F2), 변환 신호(T1, T2) 및 블레이드의 회전 성분(Omega)을 도시한 도면이다.
도 5의 상단에서 첫 번째 그래프에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)는 각각 서로 120°의 위상차를 가지는 신호이다. 또한, 도5의 상단에서 두 번째 그래프에 도시된 바와 같이 제1 내지 제2 포어에이프 신호(F1, F2)는 각각 서로 90°의 위상차를 가지는 신호이다.
또한, 제1 블레이드 신호(B1)와 제1 포어에이프 신호(F1)는 서로 같은 위상을 가진다.
한편 도 5의 상단에서 네 번째 그래프는 블레이드의 회전 성분(Omega)을 각도로 표시한다. 여기에서, 블레이드의 회전 성분(Omega)이 직선에 비교적 가까운 점은, 블레이드의 회전 속도의 시간에 따른 변동이 비교적 적다는 사실을 나타낸다.
도 5의 상단에서 세 번째 그래프는 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)에서 블레이드의 회전 성분(Omega)를 제어하여 산출한 제1 및 제2 변환 신호(T1, T2)를 표시한다.
여기에서 제2 변환신호는 거의 상수에 가까우며, 제1 변환신호 역시 상대적인 변화가 포어에이프 신호(F1, F2)에 비해 적다는 사실을 알 수 있다.
따라서, 제1 변환신호 및 제2 변환신호(T1, T2)를 처리하여 블레이드의 작동 이상을 판단하는 것이 보다 변화가 큰 포어에이프 신호(F1, F2)를 처리하여 블레이드의 작동 이상을 판단하는 것 보다 효율적일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 동작 이상이 발생하였다고 판단될 경우의 블레이드 신호(B1 - B3), 포어에이프 신호(F1, F2), 변환 신호(T1, T2) 및 블레이드의 회전 성분(Omega)을 도시한 도면이다.
도 6에서 각 신호에서 발생한 동작 이상의 징후가 타원으로 표시되어 있다.
도 6의 상단에서 첫 번째 그래프는 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)를 표시하고, 두 번째 그래프는 제1 내지 제3 블레이드 신호(B1 - B3)를 필터링한 신호를 표시하며, 세 번째 그래프는 제1 및 제2 포어에이프 신호(F1, F2)를 표시하고, 네 번째 그래프는 제1 및 제2 변환 신호(T1, T2)를 표시하며, 다섯 번째 그래프는 블레이드의 회전 성분(Omega)를 표시한다.
각 신호에서 동작 이상이 발생할 경우, 도 6의 상단에서 네 번째 그래프에 표시된 바와 같이, 변환 신호(T1, T2)에는 상대적으로 뚜렷한 글리치가 나타나는 반면 블레이드 신호(B1 - B3) 또는 포어에이프 신호(F1, F2)에서는 신호의 이상을 판별하기가 상대적으로 어려움을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의한 신호 처리에 의하여, 3개의 블레이드 신호(B1 - B3)를 2개의 포어에이프 신호(F1, F2)로 변환하고, 포어에이프 신호(F1, F2)에서 블레이드의 회전 성분(Omega)을 제거하여 변환 신호(T1, T2)를 생성함으로써, 상대적으로 블레이드의 동작 이상을 훨씬 효율적이고 용이하게 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법에 의하면, 3개의 블레이드 신호(B1 - B3)보다 간단한 2개의 포어에이프 신호(F1, F2) 및 변환 신호(T1, T2)를 처리할 수 있어 효율적인 신호 해석이 가능해지고 블레이드의 상태 판단의 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한 보다 효율적으로 블레이드의 상태를 판단할 수 있으므로, 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 광섬유 센서부 20 : 신호변환부
30 : 회전속도 추정부 ` 40 : 회전정보 입력부
50 : 상태판단부 60 : 출력부
100 : 제1 블레이드 B1 : 제1 블레이드신호
B2 : 제2 블레이드신호 B3 : 제3 블레이드신호
F1 : 제1 포어에이프신호 F2 : 제2 포어에이프신호
T1 : 제1 변환신호 T2 : 제2 변환신호
Omega : 블레이드의 회전 성분

Claims (10)

  1. 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호로 각각 출력하는 광섬유 센서부;
    상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 서로 직교하는 두 개의 모멘트를 나타내는 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 신호변환부;
    상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보를 산출하여 출력하는 회전정보 입력부;
    상기 회전정보 입력부로부터 입력받은 상기 회전정보에 의거하여 블레이드의 회전 각속도를 추정하는 회전속도 추정부;
    상기 제1 포어에이프 신호 및 제2 포어에이프 신호에서 상기 추정된 회전 각속도에 해당하는 회전 성분을 제거한 제1 변환신호 및 제2변환신호에 의거하여 상기 제1 내지 제3 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 상태판단부; 및
    상기 제1 내지 제3 블레이드의 동작 이상 여부를 출력하는 출력부를 포함하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 포어에이프 신호는 상기 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트 중 제1 블레이드의 말단을 접점으로 하는 블레이드의 말단이 그리는 윈호의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시하고, 상기 제2 포어에이프 신호는 상기 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트 중 상기 제1 블레이드로부터 90° 회전한 축선과 상기 원호의 교점을 접점으로 하는 상기 원호의 접선 방향으로 작용하는 성분을 표시하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 신호변환부는 상기 제1 블레이드 신호, 상기 제2 블레이드 신호와 제1 상수의 곱, 및 상기 제3 블레이드 신호와 제2 상수의 곱의 합을 상기 제1 포어에이프 신호로 산출하고, 상기 제2 블레이드 신호와 제3 상수의 곱, 및 상기 제3 블레이드 신호와 제4 상수의 곱의 차를 상기 제2 포어에이프 신호로 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 회전속도 추정부는 블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치와 상기 회전정보 사이의 오차를 비례적분 제어를 사용하여 허용한계 미만으로 제어하였을 경우의 상기 회전 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 상태판단부는 상기 제1 변환신호 또는 제2 변환신호에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 회전정보 입력부는 상기 광섬유 센서부에 포함된 광섬유 센서를 이용하여 상기 블레이드의 회전 정보를 감지하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치.
  7. 광섬유 센서부가 제1 내지 제3 블레이드에 가해지는 풍하중 모멘트를 측정하여 제1 내지 제3 블레이드 신호로 출력하는 단계;
    신호 변환부가 상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 수신하여 서로 직교하는 두개의 모멘트를 나타내는 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 단계;
    회전속도 추정부가 회전정보 입력부로부터 전달받은 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 물리적 위치를 나타내는 회전정보에 근거하여 블레이드의 회전 각속도를 추정하는 단계;
    상태판단부가 상기 제1 및 제2 포어에이프 신호에서 상기 추정한 회전 각속도에 해당하는 회전 성분을 제거한 제1 및 제2 변환신호를 생성하는 단계;
    상기 상태판단부가 상기 제1 내지 제2 변환신호에 근거하여 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 단계;
    출력부가 상기 판단된 블레이드의 동작 이상 여부를 출력하는 단계를 포함하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 블레이드 신호를 수신하여 제1 내지 제2 포어에이프 신호로 변환하는 단계는,
    상기 제1 블레이드 신호, 상기 제2 블레이드 신호와 제1 상수의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호와 제2 상수의 곱의 합을 상기 제1 포어에이프 신호로 산출하는 단계; 및
    상기 제2 블레이드 신호와 제3 상수의 곱 및 상기 제3 블레이드 신호와 제4 상수의 곱의 차를 상기 제2 포어에이프 신호로 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 회전 각속도를 추정하는 단계는,
    블레이드의 회전 각속도의 잠정 추정치로부터 산출한 상기 제1 내지 제3 블레이드 중 적어도 하나의 위치 및 상기 회전정보 사이의 오차를 비례적분 제어를 사용하여 허용한계 미만으로 제어하였을 경우의 상기 회전 각속도의 잠정 추정치를 블레이드의 회전 각속도로 추정하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 블레이드의 동작 이상 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1 변환신호 또는 제2 변환신호에서 글리치가 발견되는 경우 블레이드의 동작 이상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 방법.
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