KR102403593B1 - 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설계 단계에서 실시간 디지털 시뮬레이터(RTDS)를 이용하여 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈모델을 개발할 수 있는 시스템 장치를 제안한다. 본 발명은 부유식 해상풍력 터빈이 설치될 해상의 환경 데이터를 센싱하는 측정 센서들과, 상기 센싱된 환경 데이터를 실시간 전송받고 부유식 해상풍력 터빈의 정상 동작모드 및 비정상 동작모드에 대한 출력 결과를 실시간 확보할 수 있는 실시간 시뮬레이션 모델을 생성하는 데이터 서버와, 상기 실시간 시뮬레이션 모델에 의한 빅데이터를 분석하여 머신 러닝모델, 물리적 모델 및 3D 모델을 구축하는 디지털 모델 제공부와, 상기 머신 러닝모델, 물리적 모델 및 3D 모델을 결합하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 디지털 트윈 모델 생성부, 그리고 상기 디지털 트윈 모델을 통해 상기 부유식 해상풍력 터빈의 모니터링 및 진단에 필요한 프로그램을 제공하는 응용 프로그램 제공부를 포함하는 구성된다.

Description

부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치{Digital twin system apparatus for Floating Offshore Wind Turbine}

본 발명은 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치에 관한 것으로, 특히 설계 단계에서 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator: RIDS)를 이용하여 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈모델을 개발할 수 있는 시스템 장치에 관한 것이다.

환경 문제와 화석 에너지원의 부족으로 인해 기존의 화력발전은 지열에너지, 태양광에너지, 풍력에너지 등과 같은 신재생 에너지 자원으로 대체되고 있고, 이러한 신재생 에너지 자원 중에 풍력 에너지는 산업계에서 큰 주목을 받고 있다. 특히 해상 풍력기술은 육상 풍력보다 더 풍부하게 바람을 확보할 수 있고, 소음이나 자연 훼손 문제에서도 자유롭고 민원발생이 적으며, 부지확보도 용이하여 대규모 단지 건설에도 유리하다. 따라서 해상 풍력 기술은 대형 풍력 터빈 및 풍력 단지를 대형화로 구축할 수 있다는 점에서 신재생 발전원으로 떠오르고 있다.

그러나 부유식 해상풍력단지는 육상에서 멀리 떨어진 해상에 구축된다. 그래서 해상풍력단지의 구성요소에 고장이나 손상이 발생하여 부품을 교체 또는 수리하는 경우 교체 및 수리시간이 상당하다. 대부분 선박을 이용하여 해당 부품을 조달하기 때문에 짧게는 몇 주에서 길게는 수개월의 시간이 필요하기 때문이다.

그리고 이러한 수리 또는 교체 시간이 지체될 수록 해상풍력단지의 서비스 중단 시간이 늘어날 수 밖에 없고, 이로 인한 신뢰성 저하 및 총 출력 에너지가 줄어들게 되어 실질적으로 풍력발전사업자는 막대한 손실을 입게 된다.

따라서 상기한 손실을 최소화하기 위하여 풍력발전설비의 고장이나 손상 여부를 미리 예측, 진단할 수 있는 시스템에 대한 필요성이 계속 요구되어 왔다. 예를 들면 부유식 해상풍력터빈의 구성요소들에 대한 고장을 사전에 진단 예측할 수 있는 디지털 트윈 모델이 필요하다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대규모 해상풍력터빈의 설계 단계에서, 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator) 기반의 부유식 해상풍력터빈용 디지털 트윈모델을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부유식 해상풍력터빈의 설계를 개선할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부유식 해상풍력터빈용 디지털 트윈모델을 기반으로 하여 해상풍력터빈의 모니터링 및 진단시스템과 같은 응용프로그램을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 부유식 해상풍력 터빈이 설치될 해상의 환경 데이터를 센싱하는 측정 센서들; 상기 센싱된 환경 데이터를 실시간 전송받고 부유식 해상풍력 터빈의 정상 동작모드 및 비정상 동작모드에 대한 출력 결과를 실시간 확보할 수 있는 실시간 시뮬레이션 모델을 생성하는 데이터 서버; 상기 실시간 시뮬레이션 모델에 의한 빅데이터를 분석하여 머신 러닝모델, 물리적 모델 및 3D 모델을 구축하는 디지털 모델 제공부; 상기 머신 러닝모델, 물리적 모델 및 3D 모델을 결합하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 디지털 트윈 모델 생성부; 및 상기 디지털 트윈 모델을 통해 상기 부유식 해상풍력 터빈의 모니터링 및 진단에 필요한 프로그램을 제공하는 응용 프로그램 제공부를 포함하는 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치를 제공한다.

상기 측정 센서는, 풍속계 및 라이더이다.

상기 데이터 서버는 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator)를 기반으로 운영된다.

상기 디지털 모델 제공부는, 상기 부유식 풍력 터빈의 상황을 진단하는 결함/진단 시스템을 구축하는 데이터 모델부; 상기 실시간 디지털 시뮬레이터내에서 수학적 모델을 기반으로 모델링된 풍력터빈의 실시간 출력결과를 기반으로 구현되어 상기 부유식 풍력 터빈의 동적 성능, 터빈 하중, 피로 손상, 비용 평가를 분석하는 물리적 모델부; 및 3D 모델을 이용하여 상기 부유식 풍력 터빈의 디지털 트윈 모델의 외형을 구축하는 3D 모델부를 포함하여 구성된다.

이상과 같은 본 발명의 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치에 따르면, 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator: RTDS)를 기반으로 하여 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 모델을 설계 시점에서 구현할 수 있어, 실제 해상에서 설치할 대규모 해상풍력터빈을 최적으로 설계할 수 있다.

또, 해상풍력터빈을 구축한 후에도 디지털 트윈 모델을 통한 모니터링 및 진단이 가능하기 때문에, 해상풍력터빈의 효율적인 운영이 가능하다.

도 1은 부유식 해상풍력단지를 구축하는 일반적인 프로세스를 설명하는 블록 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치 구성도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치의 운영방법을 설명하기 위한 동작 흐름도

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1에 도시하고 있는 부유식 해상풍력단지를 구축하는 일반적인 프로세스와 같이, 대규모 해상풍력터빈을 설치하기 전에 설계 프로젝트와 실증 프로젝트가 진행된다. 실증 프로젝트는 설계 프로젝트에 의해 마련된 설계를 검토하고 실제 환경 조건에서 부유식 해상풍력터빈의 성능을 평가하는 단계로서, 대부분 축소된 크기 또는 1:1 크기의 프로토타입의 풍력터빈을 하나 이상 설치하여 평가한다.

설계 프로젝트와 실증 프로젝트에 따른 결과는 상이할 수 있다. 그래서 실증 프로젝트를 완료되면, 설계 프로젝트 단계에서 설계된 구조에 대한 설계, 제어시스템 설계 등과 같은 부유식 해상풍력 터빈에 대한 설계를 개선할 수 있고, 이후 부유식 해상풍력터빈을 구축하게 된다.

종래에 디지털 트윈 시스템은 대부분 이와 같이 해상풍력터빈이 실제 구축된 다음에 개발, 운영된다. 즉, 해상풍력터빈으로부터 검출된 데이터를 시뮬레이션하는 트윈 시스템을 구축하는 것이고 이를 통해 해상풍력터빈에서 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있도록 한다. 그러나, 이처럼 트윈 시스템을 실제 해상풍력터빈을 구축한 다음에 운영할 경우 부유식 해상풍력터빈의 구성요소들에 대한 고장이나 손상 여부들을 사전에 진단 예측할 수 없다.

본 실시 예는 디지털 트윈 시스템에 필요한 AI 플랫폼 및 기계학습모델에 대한 학습데이터 세트를 설계 프로젝트 단계에서 생성하여 부유식 해상풍력터빈용 디지털 트윈모델을 구축하는 것이다.

이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치(100)의 구성도이다. 부유식 해상풍력터빈 설계시에 대한 풍속, 파고, 조류 데이터와 같은 환경 데이터가 필요하며, 이를 모니터링해야 한다. 이에 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치는, 부유식 해상풍력단지가 실제로 구축될 해상의 풍속, 파고 및 조류 등에 대한 환경 데이터를 수집하기 위한 측정센서(110)가 구비된다. 상기 측정센서의 예로는 풍속계(anemometer), 라이더(lidar) 등을 말할 수 있고, 측정센서는 해상에 설치되는 실제 장치일 것이다.

다시 말해, 해상풍력 터빈은, 블레이드(Blade)와 허브(Hub), 너셀(nacelle), 타워(Tower) 및 토대(foundation) 등을 포함할 수 있고, 이러한 구성의 풍력터빈은, 블레이드가 너셀 내부의 발전기를 돌리는 샤프트에 연결된 허브를 회전시켜 바람에 의해 발생된 동력 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 전기를 발생시킨다. 풍력 터빈에 의해 생성된 전기 에너지의 양은 전형적으로 풍력 터빈의 공칭 전력 등급 또는 정격 전력 레벨 및 풍력 터빈이 위치한 장소 (예를 들어, 지형, 풍속 등)에서의 풍력 조건에 의해 결정된다. 따라서 실제 풍력 터빈이 설치될 위치의 환경 데이터는 설계에 주요한 요소로서, 반드시 필요한 정보라 할 수 있다.

해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치(100)에는 상기 측정센서(110)의 측정 데이터를 실시간(real time)으로 전송받는 데이터 서버(120)가 제공된다. 데이터 서버(120)는 육상에 설치된다. 데이터 서버(120)는 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator: RTDS)를 기반으로 운영되며, 상기 측정 데이터가 상기 RTDS 환경에서 개발된 부유식 해상풍력 터빈모델에 적용되어 실시간 시뮬레이션 모델을 생성한다. 상기 부유식 해상풍력 터빈모델은 부유식 해상풍력 터빈의 정상 및 비정상 작동을 나타낼 수 있는 부유식 해상풍력 터빈의 실시간 시뮬레이션 모델일 수 있다.

이러한 실시간 시뮬레이션 모델에서는 실제 풍속, 파고 조건 등이 실시간 전송되기 때문에, 풍속, 파고 조건이 있는 부유식 해상풍력 터빈 모델의 런타임(runtime)은 실시간으로 구현되며, 발전기 단자의 출력전압 및 전류, 토크, 기어박스의 온도 등과 같은 부유식 해상풍력 터빈의 작동조건 데이터를 생성하게 된다.

그리고 상기 부유식 해상풍력 터빈의 작동조건 데이터 등은 빅데이터 형태로 저장된다.

해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치(100)에는 디지털 트윈 모델을 구축하기 위한 3가지 모델을 제공하는 디지털 모델 제공부(130)가 구비된다. 상기 3가지 모델은 실시간 시뮬레이션 모델을 기반으로 하는 데이터 모델부(Data model unit)(132), 물리적 모델부(Physical model unit)(134), 3D 모델부(3D model unit)(136)이고, 상기 3가지 모델이 상호 유기적으로 동작한다.

첫 번째, 데이터 모델부(132)는 머신 러닝 모델부(Machine learning model unit)라고 하기도 하는데, 이 데이터 모델부(132)는 상기 빅데이터의 분석 결과에 따라 부유식 터빈 내부에서 발생하는 문제 및 그에 따른 해결방안을 제공하는데 사용된다. 상기 데이터 모델부(132)는 풍력 발전기의 상태를 수집하고, 상태에 따라 학습된 결과를 도출하여 부유식 풍력터빈 모델의 상황을 진단하는 결함/진단 시스템을 구축하기 위한 모델일 수 있다. 상기 결함 및 진단 대상의 예는, 특정 환경에 나타날 수 있는 풍력 발전기의 부품결함, 발전기 온도, 진동, 하중 등을 말할 수 있다.

두 번째, 물리적 모델부(134)는 풍력터빈의 시스템 동적 성능, 터빈 하중, 피로 손상 및 비용 평가 등의 분석 도구로 사용되는 모델일 수 있다. 즉 부유식 해상풍력터빈의 상세한 수학 모델은 물리이론을 기반으로 개발되었기 때문이다.

상기 물리적 모델부(134)는 상기 RTDS 내에서 수학적 모델을 기반으로 모델링된 풍력 터빈의 실시간 출력 결과에 의하여 구현된다. 상기 RTDS를 이용하면 실제 환경을 모의한 시뮬레이션 수행 및 풍력터빈의 테스트가 가능하고, 이처럼 실제 환경 데이터를 기반으로 하기 때문에 상기 테스트 결과를 이용하면 풍력터빈 시스템의 동적 성능, 터빈 하중, 피로 손상 및 비용 평가를 분석할 수 있다. 여기서 상기 실제 환경 데이터는 풍력 발전기의 출력 특성, 발전기 데이터, 해저 케이블 데이터, 변압기 데이터, 풍속 데이터 등이 된다.

세 번째, 3D 모델부(136)는 CATIA나 Solidworks와 같은 3D 모델링 도구를 통해 실제 부유식 풍력 터빈과 동일하게 모델링을 구현하게 된다. 3D 모델부(136)는 블레이드, 기어박스, 너셀 내부의 발전기 등의 구조를 직접 분해하지 않고 확인할 수 있게 된다.

본 실시 예에 따르면 상기 데이터 모델(132) 및 물리적 모델(134), 3D 모델(136)을 결합하여 해상풍력 터빈 발전기의 실제 환경 및 구조물과 동일한 모델인 디지털 트윈 모델을 구축하는 디지털 트윈 모델 생성부(140)가 구비된다. 3D 모델은 가상현실에서 동작한다.

본 실시 예에 따르면 상기 디지털 트윈 모델 생성부(140)에 의해 생성된 디지털 트윈 모델을 기반으로 풍력터빈의 구동상태를 모니터링하고 진단하기 위한 응용 프로그램 제공부(150)가 더 구성될 수 있다. 응용 프로그램 제공부(150)는 풍력 터빈이 실제 구동되는 상황에서, 학습데이터를 기반으로 하여 블레이드, 기어박스, 발전기 등의 구동상태를 모니터링하고, 진단이나 고장을 예측하기 위한 다양한 프로그램을 말할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치의 운영방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

풍력 터빈 발전기가 설치될 실제 해상의 환경 데이터를 수집한다(s100). 환경 데이터의 수집은 실제 해상의 풍속, 파고, 및 조류 데이터를 모니터링하기 위하여 마련된 풍속계(anemometer), 라이더(lidar) 등의 측정센서(110)를 통해 이루어진다. 이때, 풍력터빈이 설치될 위치에 대한 상기한 데이터를 알 수 있거나 또는 인접한 해상에 마련된 센서를 통해 상기 설치 장소의 각종 데이터를 충분히 유추할 수 있다면, 상기 측정센서를 반드시 설치할 필요는 없다.

상기 환경 데이터는 육상에 마련된 데이터 서버(120)로 실시간(real time) 전송된다(s110). 데이터 전송은 무선 네트워크를 통해 전송받거나 해저 케이블과 같은 매체를 통해 전송될 수 있고, 이때 환경 데이터는 실시간 전송되는 것을 원칙으로 하지만, 일정 주기마다 수집된 환경 데이터가 전송되게 할 수도 있다.

상기 데이터 서버(120)는 실시간 디지털 시뮬레이터(RTDS)를 기반으로 하여 부유식 해상풍력 터빈의 정상 및 비정상 작동 상태를 알 수 있는 실시간 시뮬레이션 모델을 생성한다(s120). 즉 데이터 서버(120)는 RTDS 아날로그 입력 카드를 통해 RTDS 환경에서 개발된 부유식 해상풍력 터빈 모델에 상기 측정센서(110)들이 실시간 전송한 데이터들을 적용하여, 부유식 해상 풍력 터빈의 실시간 시뮬레이션 모델(Real time simulation modeling)을 생성하는 것이다. 상기 실시간 시뮬레이션 모델에서는 실제 풍속이나 파고 조건이 있는 부유식 해상 풍력터빈 모델의 런타임(runtime)이 실시간 구현되면서 상기한 환경 데이터가 접목되어 운영되기 때문에, 해상풍력터빈의 다양한 조건에서의 구동 데이터를 생성할 수 있다. 다시 말해, 상기 데이터 서버(120)는 RTDS를 이용하여 부유식 해상풍력 터빈의 정상동작모드 및 비정상동작모드의 출력 결과 데이터를 실시간 확보할 수 있다. 이렇게 생성되는 실시간 데이터는 데이터 서버(120)에 빅 데이터 형태로 저장될 것이다.

디지털 모델 제공부(130)는 상기한 실시간 시뮬레이션 모델을 기반으로 풍력 터빈의 데이터 모델과 물리적 모델, 3D 모델을 구현한다(s130). 즉 디지털 모델 제공부(130)의 데이터 모델부(132)는 풍력터빈의 부품 결함, 발전기 온도, 진동, 하중 등을 분석할 수 있고, 물리적 모델부(134)는 풍력터빈 시스템의 동적 성능, 터빈하중, 피로 손상 및 비용평가를 분석할 수 있다. 그리고 3D 모델부(136)는 상기 데이터 모델부(132) 및 물리적 모델부(134)와 결합하여 디지털 트윈 모델의 외형을 구축한다. 즉 데이터 모델부(132)의 상태진단 데이터와 물리적 모델부(134)의 실제 환경 기반 분석 결과를 기초로 하여 3D 모델부(134)가 3D CAD 프로그램과 연계하여 3D 모델을 실제 부유식 풍력 터빈과 동일하게 모델링하여 구축하는 것이다.

이후 디지털 트윈 모델 생성부(140)는 상기 데이터 모델과 물리적 모델, 3D 모델을 결합하여 설치하고자 하는 부유식 풍력 터빈 모델에 대한 가상 3D 모델인 디지털 트윈 모델을 생성한다(s140). 디지털 트윈 모델은 실제 환경 및 구조물과 동일한 모델이 가상 현실에 구축되는 것을 의미한다.

이렇게 디지털 트윈 모델이 구축되면, 사용자는 디지털 트윈 모델에서 확보된 데이터를 이용하여 최적의 풍력터빈 발전기를 설계할 수 있다. 또 디지털 트윈 모델에서 확보된 데이터를 이용하여 풍력터빈 발전기의 구동을 모니터링하거나 진단할 수 있는 각종 응용 프로그램을 제공할 수도 있다(s150).

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110: 측정센서
120: 데이터 서버
130: 디지털 모델 제공부
140: 디지털 트윈 모델 생성부
150: 응용 프로그램 제공부

Claims (4)

1. 부유식 해상풍력 터빈이 설치될 해상의 풍속, 풍향, 파고, 및 조류 중 적어도 하나를 포함하는 초기 환경 데이터를 센싱하는 측정 센서들;
   상기 센싱된 초기 환경 데이터만으로 상기 부유식 해상풍력 터빈의 정상 동작모드 및 비정상 동작모드에 대한 출력 결과를 실시간으로 확보할 수 있는 실시간 시뮬레이션 모델을 생성하는 데이터 서버;
   상기 실시간 시뮬레이션 모델에 의해 생성된 빅데이터를 기반으로 머신 러닝모델, 물리적 모델, 및 3D 모델을 구축하는 디지털 모델 제공부;
   상기 머신 러닝모델, 상기 물리적 모델, 및 상기 3D 모델을 결합하여 상기 부유식 해상풍력 터빈에 대한 디지털 트윈 모델을 생성하는 디지털 트윈 모델 생성부; 및
   상기 디지털 트윈 모델을 통해 상기 부유식 해상풍력 터빈의 모니터링 및 진단에 필요한 프로그램을 제공하는 응용 프로그램 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 센서는,
   풍속계 및 라이더인 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 데이터 서버는 실시간 디지털 시뮬레이터(Real time digital simulator)를 기반으로 운영되는 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 디지털 모델 제공부는,
   상기 부유식 해상풍력 터빈의 상황을 진단하는 결함/진단 시스템을 구축하는 데이터 모델부;
   상기 실시간 디지털 시뮬레이터내에서 수학적 모델을 기반으로 모델링된 상기 부유식 해상풍력 터빈의 실시간 출력결과를 기반으로 구현되어 상기 부유식 해상풍력 터빈의 동적 성능, 터빈 하중, 피로 손상, 비용 평가를 분석하는 물리적 모델부; 및
   3D 모델을 이용하여 상기 부유식 해상풍력 터빈의 디지털 트윈 모델의 외형을 구축하는 3D 모델부를 포함하여 구성되는 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치.

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