KR101968347B1 - 풍력 터빈 감시 시스템 - Google Patents

풍력 터빈 감시 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101968347B1
KR101968347B1 KR1020120124012A KR20120124012A KR101968347B1 KR 101968347 B1 KR101968347 B1 KR 101968347B1 KR 1020120124012 A KR1020120124012 A KR 1020120124012A KR 20120124012 A KR20120124012 A KR 20120124012A KR 101968347 B1 KR101968347 B1 KR 101968347B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
blade
weight
strain
measurement data
rotational speed
Prior art date
Application number
KR1020120124012A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140057802A (ko
Inventor
위동윤
김영기
소철호
변재희
이충환
Original Assignee
엘에스전선 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘에스전선 주식회사 filed Critical 엘에스전선 주식회사
Priority to KR1020120124012A priority Critical patent/KR101968347B1/ko
Publication of KR20140057802A publication Critical patent/KR20140057802A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101968347B1 publication Critical patent/KR101968347B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/327—Rotor or generator speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05B2270/808—Strain gauges; Load cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

본 발명은 풍력 터빈에 구비된 블레이드의 무게 변화를 감시하기 위한 터빈 감시 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 터빈 감시 시스템은, 블레이드의 스트레인을 측정하여 스트레인 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 스트레인 측정부와; 블레이드의 회전속도를 측정하여 회전속도 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 회전속도 측정부와; 상기 전송된 스트레인 측정 데이터와 상기 전송된 회전속도 측정 데이터를 반영하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하여서 풍력 터빈 운영자에게 전송하는 무게 추정부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의하면, 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시함으로써, 풍력 터빈의 정상 운영 중에도 블레이드의 무게 변화를 정확히 감시할 수 있다.

Description

풍력 터빈 감시 시스템{Wind Turbine Monitoring System}
본 발명은 풍력 발전을 위한 풍력 터빈에 구비되는 블레이드의 상태를 감시하는 풍력 터빈 감시 시스템에 관한 것으로, 특히 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시하도록 하는 풍력 터빈 감시 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 터빈의 블레이드는 풍력을 받아 회전하여 터빈을 구동하는 기능을 수행하는데, 해당 블레이드는 외부 환경에 노출되어 있어서 사고 위험이 높다. 특히 기온이 낮은 지역에 설치된 풍력 터빈의 경우, 블레이드 표면에 결빙이 자주 발생하여 사고를 유발하게 되므로 블레이드의 결빙 발생 여부를 감시할 필요가 있다.
블레이드 표면에 발생하는 결빙은 블레이드 무게 변화를 유발함에 따라 블레이드에 작용하는 하중을 측정하여 무게 추정을 통해 블레이드의 결빙 여부를 감시하는 기술이 개발되어 적용된바 있다. 기존에는 블레이드 무게 변화를 감시하는 경우에 전기식 스트레인 게이지(strain gauge)로 블레이드의 스트레인(strain; 변형률)을 측정하였으나, 전기식 스트레인 게이지를 이용한 스트레인 측정은 오차가 심하고 전자기 영향을 많이 받는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 유럽 특허출원 공개공보 EP 2112375 A2에는 전기식 스트레인 게이지를 대신하여 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서 및 온도 보정 센서를 이용하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 기술이 제안된바 있다. 이와 같은 종래 기술에 의하면, 도 1과 같이 회전자(3; rotor) 내부에 FBG 측정장비(5)를 부착하고, 각 블레이드(2)에 4개의 FBG 센서(4)를 부착하여 각 부분의 스트레인을 측정하는 방식으로 블레이드(2)의 무게 변화를 감시하였다.
블레이드가 회전하고 있는 경우 FBG 센서(4)를 통해 측정된 스트레인은 도 2와 같이 정현파 형태로 변화되는데 종래기술에서는 정현파로부터 진폭의 평균을 계산하여 일정 시간 동안 스트레인을 구한다. 풍력 터빈의 특성에 따라 블레이드 무게와 스트레인 간의 관계식이 구해지고, 해당 관계식에 구해진 스트레인을 대입할 경우 블레이드의 무게를 추정할 수 있으나, 블레이드의 회전속도가 5~10RPM 인 경우에만 무게 추정이 가능하다.
상술한 종래 기술은 블레이드의 무게 만이 스트레인에 영향을 준다는 가정하에서 개발되었으나, 풍력 터빈 회전속도에 대한 자체 스트레인 측정 실험 결과, 도 4와 같이 회전속도는 스트레인에 영향을 준다. 특히 회전속도가 높을수록 스트레인에 대한 회전속도의 영향은 증가하는 경향을 보인다. 도 3에 도시된 바와 같이 실험 결과, 무게 변화에 대한 스트레인 변화량은 3.5 με/kg 이었다. 결과적으로 도 3과 도4의 스트레인 변화량을 분석할 경우, 회전속도에 따른 스트레인 변화는 무시할 수 없다. 특히, 회전속도가 증가할수록 스트레인의 증가율은 증가하는 경향을 보인다. 결과적으로 회전속도가 10RPM 이상일 경우 블레이드 스트레인을 이용한 무게 추정의 오차가 크게 발생하여 무제 추정을 신뢰할 수 없게 된다.
이에, 종래기술의 경우 회전속도가 10RPM 이하, 5RPM 주변에서만 블레이드의 무게를 추정할 수 있다. 그러나, 실제 풍력 터빈은 보통 10~20RPM에서 운영되므로, 상기 종래기술은 풍력 발전 운영 도중에 적용할 수 없으며, 무게 추정을 위해서는 인위적으로 블레이드의 회전속도를 감소시켜야 하는 문제점이 있다.
유럽 특허출원공개공보 EP 2112375 A2
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시하도록 하는 풍력 터빈 감시 시스템을 제공함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 터빈에 구비된 블레이드의 무게 변화를 감시하기 위한 풍력 터빈 감시 시스템은, 블레이드의 스트레인을 측정하여 스트레인 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 스트레인 측정부와; 블레이드의 회전속도를 측정하여 회전속도 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 회전속도 측정부와; 상기 전송된 스트레인 측정 데이터와 상기 전송된 회전속도 측정 데이터를 반영하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하여서 풍력 터빈 운영자에게 전송하는 무게 추정부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 풍력 감시 시스템에 의하면, 상기 스트레인 측정부는, 각 블레이드에 설치되어 스트레인을 측정하여 스트레인 측정 데이터를 출력하는 복수의 스트레인 센서와; 상기 스트레인 센서로부터 출력되는 스트레인 측정 데이터를 수집하여 상기 무게 추정부에 전송하는 데이터 수집장치와; 상기 스트레인 센서와 데이터 수집장치 사이를 연결하여 통신 경로를 형성하는 광섬유를 포함하여 이루어진다.
그리고, 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에 의하면, 상기 회전속도 측정부는, 블레이드의 회전속도를 측정하여 회전속도 측정 데이터를 출력하는 회전속도계와; 상기 회전속도계로부터 출력되는 회전속도 측정 데이터를 수집하여 상기 무게 추정부에 전송하는 데이터 수집장치와; 상기 회전속도계와 데이터 수집장치 사이를 연결하여 통신 경로를 형성하는 광섬유를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에 의하면, 상기 무게 추정부는 상기 전송된 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정 데이터를 자체의 데이터베이스에 저장하여 축적하고, 해당 축적한 데이터를 이용하여 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 실시간 상태 관계식을 계산하고, 해당 계산된 실시간 상태 관계식과 블레이드 무게가 변동하기 전에 미리 산출해놓은 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 기준 관계식에 의거하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정한다.
본 발명에 의하면, 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시함으로써, 풍력 터빈의 정상 운영 중에도 블레이드의 무게 변화를 정확히 감시하게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 풍력 터빈 감시 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래기술에서 검출되는 스트레인의 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 종래 풍력 터빈에서 블레이드 무게 변화에 따른 스트레인 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래 풍력 터빈에서 블레이드 회전속도에 따른 스트레인 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스트레인 측정부의 설치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 회전속도 측정부의 설치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에서의 블레이드 무게 변화를 감시하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에서 블레이드 무게 변화 감시를 위해 축적되는 회전속도 및 스트레인 데이터를 예시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에서의 블레이드 무게 변화 감시를 설명하기 위한 회전속도 및 스트레인 간 관계를 예시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템에서 블레이드 무게 변화량을 시각적으로 표현한 그래프이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 하나의 실시예로서 설명하는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 감시 시스템은 도 5에 도시된 바와 같이 스트레인 측정부(100), 회전속도 측정부(200) 및 무게 추정부(300)를 포함하여 이루어진다. 스트레인 측정부(100)는 블레이드의 스트레인을 측정하여 해당 스트레인 측정 데이터를 무게 추정부(300)에 전송한다. 회전속도 측정부(200)는 블레이드의 회전속도를 측정하여 해당 회전속도 측정 데이터를 무게 추정부(300)에 전송한다. 그리고, 무게 추정부(300)는 스트레인 측정부(100)로부터 전송된 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정부(200)로부터 전송된 회전속도 측정 데이터에 의거하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하여서 풍력 터빈 운영자에게 전송하여 풍력 터빈 블레이드의 상태를 감시할 수 있게 한다.
스트레인 측정부(100)는, 도 6에 예시된 바와 같이, 각 블레이드(101)에 스트레인 센서(102)를 설치함과 아울러 해당 스트레인 센서(102)를 광섬유를 통해 데이터 수집장치(103)에 연결하여 이루어진다. 스트레인 센서(102)는 각 블레이드(101)에 2개씩 설치되어 스트레인을 측정하고, 해당 스트레인 측정 데이터를 데이터 수집장치(103)에 의해 수집하여 무게 추정부(300)에 전송한다.
또한, 회전속도 측정부(200)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 블레이드(101)의 회전을 기어박스(203)에 전달하는 주축(201)에 회전속도계(202)를 설치함과 아울러 해당 회전속도계(202)를 광섬유를 통해 데이터 수집장치(103)에 연결하여 이루어진다. 회전속도계(202)는 블레이드(101)의 회전속도를 측정하고, 해당 회전속도 측정 데이터를 데이터 수집장치(103)에 의해 수집하여 무게 추정부(300)에 전송한다.
데이터 수집장치(103)는 스트레인 센서(102) 및 회전속도계(202)로부터 수집한 측정 데이터를 무게 추정부(300)에 전송하는 경우 유선 또는 무선 통신을 이용하여 전송한다.
한편, 무게 추정부(300)는 스트레인 측정부(100)로부터 전송된 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정부(200)로부터 전송된 회전속도 측정 데이터에 의거하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하여 해당 추정된 블레이드의 무게를 풍력 터빈 운영자에게 전송함으로써 풍력 터빈 감시 시스템의 블레이드 무게 변화를 감시하는 처리를 수행하는데, 블레이드 무게 변화를 감시하는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 처리한다.
먼저, 무게 추정부(300)는 스트레인 측정부(100)에 의해 측정되는 블레이드의 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정부(200)에 의해 측정되는 블레이드의 회전속도 측정 데이터를 전송받는다(단계 S301).
무게 추정부(300)는 해당 전송받은 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정 데이터를 자체의 데이터베이스에 저장하여 축적하고(단계 S302), 해당 축적한 데이터를 이용하여 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 관계식을 계산한다(단계 S303).
그리고, 무게 추정부(300)는 단계 S303에서 계산된 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 관계식과 미리 산출해놓은 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 기준 관계식에 의거하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하고(단계 S304), 해당 추정된 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 풍력 터빈 운영자에게 전송한다(단계 S305).
그 후에, 무게 추정부(300)는 가동 종료가 지시되는지의 여부를 확인하고(단계 S306), 가동 종료가 지시되지 않았으면 단계 S301로 귀환하여 반복 처리를 수행하고, 가동 종료가 지시되었으면 처리 종료한다.
단계 S302에서 무게 추정부(300)가 자체의 데이터베이스에 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정 데이터를 축적하는데, 일정 기간 동안 축적한 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정 데이터는 도 9에 예시된 그래프와 같이 분포할 수 있다.
일반적으로 회전하는 블레이드에 걸리는 하중은 회전속도의 2차 함수에 비례한다. 이에, 무게 추정부(300)가 단계 S303에서 도 9에 도시된 바와 같이 데이터 축적된 데이터베이스로부터 회전속도 및 스트레인 간 관계를 도출하기 위하여 최소제곱법을 이용하여 축적된 데이터에 가장 근사한 2차 함수를 구한다. 도 9에 도시된 그래프 상의 각 데이터는 (xi, yi)의 데이터 쌍으로 나타내어 진다.
2차 함수 근사식 f'(x)는 수학식1과 같이 표현되며, 축적된 데이터에 가장 근사한 근사식 f'(x)을 찾기 위하여 수학식2와 같은 오차 제곱식 G(a1, a2, a3)의 값을 최소화하는 (a1, a2, a3) 값을 구하여 수학식1에 대입한다.
[수학식 1]
Figure 112012090468701-pat00001
[수학식 2]
Figure 112012090468701-pat00002
(여기서, f'(x)는 상기 축적한 데이터에 근사한 2차함수 근사식으로서 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 상태 관계식이고, G(a1, a2, a3)은 오차제곱식이고, xi, yi 는 상기 축적한 데이터를 그래프로 표현할 때의 x축(회전속도) 및 y축(스트레인)에 대한 좌표값이다.)
이와 같이 축적된 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터부터 최소제곱법을 이용하여 도출한 수학식1과 같은 회전속도 및 스트레인 간 관계식을 그래프로 표현하면 도 10에 도시된 바와 같이 선(L10) 형태로 표현된다.
상술한 바와 같은 회전속도 및 스트레인 간 관계식의 산출에 사용되는 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터는 취득 시점에 따라 두 가지로 분류되는데, 블레이드 무게 감시 대상의 풍력 터빈이 설치되기 전 혹은 설치된 직후에 취득한 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터와, 풍력 터빈 운영중에 취득한 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터로 분류된다.
무게 추정부(300)는 풍력 터빈의 설치 전 혹은 설치된 직후에 취득한 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터에 의거하여 산출한 회전속도 및 스트레인 간 관계식을 기준 관계식으로 정의하고, 풍력 터빈 운영중에 취득한 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터에 의거하여 산출한 회전속도 및 스트레인 간 관계식을 실시간 상태 관계식이라고 정의하여서, 단계 S304에서 해당 기준 관계식과 실시간 상태 관계식에 의거하여 블레이드 무게를 추정한다.
블레이드 무게 감시 대상의 풍력 터빈으로부터 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터를 취득하는 기간이 길수록 데이터 수가 증가하므로 해당 데이터를 이용하여 산출하는 회전속도 및 스트레인 간 관계식의 신뢰성이 향상되며, 반대로 스트레인 측정 데이터 및 회전속도 측정 데이터를 취득하는 기간이 짧을수록 해당 데이터를 이용하여 산출하는 회전속도 및 스트레인 간 관계식의 신뢰성이 감소 된다. 해당 데이터 취득 기간은 풍력 터빈 설치 현장의 상황을 반영하여 결정한다.
무게 추정부(300)는 단계 S304에서 정의된 기준 관계식 f''(x)와 실시간 상태 관계식 g''(x)에 의거하여 블레이드의 무게를 추정하되, 수학식3 및 수학식4를 이용하여 블레이드의 무게를 추정한다.
[수학식 3]
블레이드 무게 = 무게변화율×최초 블레이드 무게
[수학식 4]
Figure 112012090468701-pat00003
(여기서, x2 와 x1 은 설치된 풍력 터빈 회전속도의 최고값과 최저값 이다.)
즉, 무게 추정부(300)는 기준 관계식 f''(x)와 실시간 상태 관계식 g''(x)을 반영한 수학식4을 이용하여 구한 무게변화율을 수학식3에 대입하여 계산함으로써 블레이드의 무게를 추정한다.
또한, 무게 추정부(300)는 단계 S304에서 기준 관계식 f''(x) 및 실시간 상태 관계식 g''(x)을 반영하여 산출한 블레이드 무게에 의거하여서 블레이드 무게 변화량을 추정할 수도 있다. 도 11은 기준 관계식 f''(x) 및 실시간 상태 관계식 g''(x)을 반영하여 산출한 블레이드 무게 변화를 표현한 그래프인데, 해당 그래프에는 기준관계식에 의한 블레이드 무게가 선(L20) 형태로 표현됨과 아울러 실시간 상태 관계식에 의한 블레이드 무게가 선(L30) 형태로 표현된다. 무게 추정부(300)는 기준관계식을 반영하여 산출한 블레이드 무게와 실시간 상태 관계식을 반영하여 산출한 블레이드 무게 간의 차이값을 산출함으로써 블레이드 무게 변화량을 추정한다.
무게 추정부(300)는 상술한 바와 같이 추정한 블레이드 무게 또는 블레이드 무게 변화량을 풍력 터빈 운용자 시스템에 전송하여 풍력 터빈 운영자로 하여금 풍력 터빈 블레이드의 무게 변화를 감시케 한다. 풍력 터빈 운영자 시스템에 누적된 과거의 블레이드 무게 데이터가 있는 경우에, 무게 추정부(300)가 현재 추정된 블레이드 무게 데이터를 풍력 터빈 운영자 시스템에 보내더라도 풍력 터빈 운영자는 현재의 추정된 블레이드 무게와 과거의 블레이드 무게에 의거하여 블레이드 무게 변화를 파악할 수 있을 것이다. 또한, 풍력 터빈 운영자 시스템에 누적된 과거의 블레이드 무게 데이터가 없는 경우에, 무게 추정부(300)가 현재 추정된 블레이드 무게 데이터 변화를 풍력 터빈 운영자 시스템에 보냄으로써 풍력 터빈 운영자는 과거의 블레이드 무게 데이터가 없더라도 블레이드 무게 변화를 즉시 파악할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시함으로써, 풍력 터빈이 10RPM 이상으로 회전하는 정상 운영 중에도 블레이드의 무게 변화를 정확히 감시하게 된다.
또한, 본 발명에서는 회전속도가 스트레인에 미치는 영향을 고려하여 블레이드의 무게를 추정하므로, 블레이드 회전속도가 10RPM 이하인 구간에서도 회전속도의 차이로 인해 발생하는 추정 오차를 최소화시켜 블레이드 무게 추정의 정확도를 높이게 된다.
아울러, 모델링 기반 기법에 의하여 블레이드 무게를 추정하는 경우 기타 변수에 의해 예상치 못한 오차가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 통계 기법을 이용하여 기타 변수에 독립적인 추정이 가능하여 예상치 못한 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 풍력발전용의 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 본 발명에 의하면, 풍력 터빈에 설치되는 블레이드의 결빙 여부를 감시하기 위하여 블레이드의 무게 변화를 감시하는 경우에 블레이드의 회전속도가 블레이드에 작용하는 영향을 고려하여 블레이드의 무게 변화를 감시함으로써, 풍력 터빈의 정상 운영 중에도 블레이드의 무게 변화를 정확히 감시할 수 있다.
100; 스트레인 측정부 101; 블레이드
102; 스트레인 센서 103; 데이터 수집장치
200; 회전속도 측정부 201; 주축
202; 회전속도계 203; 기어박스
300; 무게 추정부

Claims (8)

  1. 풍력 터빈에 구비된 블레이드의 무게 변화를 감시하기 위한 풍력 터빈 감시 시스템으로서,
    블레이드의 스트레인을 측정하여 스트레인 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 스트레인 측정부와;
    블레이드의 회전속도를 측정하여 회전속도 측정 데이터를 무게 추정부에 전송하는 회전속도 측정부와;
    상기 전송된 스트레인 측정 데이터와 상기 전송된 회전속도 측정 데이터를 반영하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하여서 풍력 터빈 운영자에게 전송하는 무게 추정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 측정부는,
    각 블레이드에 설치되어 스트레인을 측정하여 스트레인 측정 데이터를 출력하는 복수의 스트레인 센서와;
    상기 스트레인 센서로부터 출력되는 스트레인 측정 데이터를 수집하여 상기 무게 추정부에 전송하는 데이터 수집장치와;
    상기 스트레인 센서와 데이터 수집장치 사이를 연결하여 통신 경로를 형성하는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전속도 측정부는,
    블레이드의 회전속도를 측정하여 회전속도 측정 데이터를 출력하는 회전속도계와;
    상기 회전속도계로부터 출력되는 회전속도 측정 데이터를 수집하여 상기 무게 추정부에 전송하는 데이터 수집장치와;
    상기 회전속도계와 데이터 수집장치 사이를 연결하여 통신 경로를 형성하는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무게 추정부는 상기 전송된 스트레인 측정 데이터와 회전속도 측정 데이터를 자체의 데이터베이스에 저장하여 축적하고, 해당 축적한 데이터를 이용하여 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 실시간 상태 관계식을 계산하고, 해당 계산된 실시간 상태 관계식과 블레이드 무게가 변동하기 전에 미리 산출해놓은 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 기준 관계식에 의거하여 블레이드의 무게 또는 블레이드의 무게 변화량을 추정하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무게 추정부는 상기 축적한 데이터를 이용하여 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 실시간 상태 관계식을 계산하는 경우, 수학식2와 같은 오차 제곱식 G(a1, a2, a3)의 값을 최소화하는 (a1, a2, a3) 값을 구하여 수학식1에 대입하여서 계산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112019004689023-pat00004

    [수학식 2]
    Figure 112019004689023-pat00005

    여기서, f'(x)는 상기 축적한 데이터에 근사한 2차함수 근사식으로서 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 상태 관계식이고, G(a1, a2, a3)은 오차제곱식이고, xi, yi 는 상기 축적한 데이터를 그래프로 표현할 때의 x축(회전속도) 및 y축(스트레인)에 대한 좌표값이다.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 무게 추정부는 블레이드 무게가 변동하기 전에 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 기준 관계식을 미리 산출하는 경우, 수학식4와 같은 오차 제곱식 G(a1, a2, a3)의 값을 최소화하는 (a1, a2, a3) 값을 구하여 수학식3에 대입하여서 계산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
    [수학식 3]
    Figure 112019004689023-pat00006

    [수학식 4]
    Figure 112019004689023-pat00007

    여기서, f'(x)는 상기 축적한 데이터에 근사한 2차함수 근사식으로서 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 상태 관계식이고, G(a1, a2, a3)은 오차제곱식이고, xi, yi 는 상기 축적한 데이터를 그래프로 표현할 때의 x축(회전속도) 및 y축(스트레인)에 대한 좌표값이다.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 무게 추정부가 상기 계산된 실시간 상태 관계식과 블레이드 무게가 변동하기 전에 미리 산출해놓은 블레이드 회전속도 및 블레이드 스트레인 간의 기준 관계식에 의거하여 블레이드의 무게를 추정하는 경우, 수학식5 및 수학식6에 의해 블레이드의 무게를 추정하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
    [수학식 5]
    블레이드 무게 = 무게변화율×최초 블레이드 무게
    [수학식 6]
    Figure 112019004689023-pat00008

    여기서, x2 와 x1 은 설치된 풍력 터빈 회전속도의 최고값과 최저값이고, g"(x)는 실시간 상태 관계식이고, f"(x)는 기준 관계식이다.
  8. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    상기 무게 추정부는 기준관계식을 반영하여 산출한 블레이드 무게와 실시간 상태 관계식을 반영하여 산출한 블레이드 무게 간의 차이값을 산출하여서 블레이드 무게 변화량을 추정하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 감시 시스템.
KR1020120124012A 2012-11-05 2012-11-05 풍력 터빈 감시 시스템 KR101968347B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120124012A KR101968347B1 (ko) 2012-11-05 2012-11-05 풍력 터빈 감시 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120124012A KR101968347B1 (ko) 2012-11-05 2012-11-05 풍력 터빈 감시 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140057802A KR20140057802A (ko) 2014-05-14
KR101968347B1 true KR101968347B1 (ko) 2019-04-11

Family

ID=50888339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120124012A KR101968347B1 (ko) 2012-11-05 2012-11-05 풍력 터빈 감시 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101968347B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101501702B1 (ko) * 2015-01-19 2015-03-12 (주)이이에스시스템 결빙감지장치
KR101520598B1 (ko) * 2015-02-10 2015-05-14 김국빈 풍력발전기 블레이드의 결빙감시시스템

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050276696A1 (en) 2004-06-10 2005-12-15 Lemieux David L Methods and apparatus for rotor blade ice detection
US20080206052A1 (en) 2004-07-28 2008-08-28 Igus - Innovative Technische Systeme Gmbh Method and Device for Monitoring the State of Rotor Blades on Wind Power Installations
US20120024053A1 (en) 2011-07-22 2012-02-02 General Electric Company System and method for detecting ice on a wind turbine rotor blade

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SI1828599T1 (sl) * 2004-12-14 2011-04-29 Aloys Wobben Lopatica rotorja vetrne elektrarne
CA2653351A1 (en) 2008-03-28 2009-09-28 Insensys Limited Wind turbine monitoring

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050276696A1 (en) 2004-06-10 2005-12-15 Lemieux David L Methods and apparatus for rotor blade ice detection
US20080206052A1 (en) 2004-07-28 2008-08-28 Igus - Innovative Technische Systeme Gmbh Method and Device for Monitoring the State of Rotor Blades on Wind Power Installations
US20120024053A1 (en) 2011-07-22 2012-02-02 General Electric Company System and method for detecting ice on a wind turbine rotor blade

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140057802A (ko) 2014-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2108830B1 (en) Method for determining fatigue load of a wind turbine and for fatigue load control, and wind turbines therefor
EP2886853B1 (en) A monitoring system and a monitoring method for a wind turbine generator
EP2868921B1 (en) Wind turbine and method for evaluating health state of blade thereof
US8332164B2 (en) Method for determining fatigue damage in a power train of a wind turbine
CA2899748C (en) Control of blade vibrations in a wind energy plant
EP2597302B1 (en) Determining an accumulated load of a wind turbine in angular sectors
US8951011B2 (en) Wind turbine and a method for monitoring a wind turbine
GB2458400A (en) Wind turbine monitoring and determination of the angle of inclination of a turbine blade about an axis extending radially from the rotor
EP2112375A2 (en) Wind turbine icing detection
CN103206342B (zh) 桨叶载荷传感器的标定
US20090246019A1 (en) Wind turbine monitoring
Lee et al. Transformation algorithm of wind turbine blade moment signals for blade condition monitoring
EP3062131B1 (en) Method for detecting damage of wind turbine blade and wind turbine
JP2011501172A5 (ko)
US10844842B2 (en) Abnormality monitoring apparatus and abnormality monitoring method for wind farm
KR101968347B1 (ko) 풍력 터빈 감시 시스템
CN103245913A (zh) 大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及系统
CN108204342A (zh) 风力发电机的叶片结冰识别方法和装置
EP3317628B1 (en) A method and a device for determining torsional deformation in a drivetrain
WO2016157503A1 (ja) 風車および風車の疲労劣化診断方法、風車の運転制御方法
EP4303434A1 (en) Method for monitoring, localizing and providing alarm when cracks are observed in wind turbine blades
US9917664B2 (en) Monitoring the quality of a communication channel supported by a sliding contact
CN116624234A (zh) 一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right