KR20130061834A - 풍력발전기 로터블레이드의 얼음 감시 방법 - Google Patents

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KR20130061834A
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Abstract

본 발명은 풍력발전기 로터블레이드의 내부 표면에 설치된 센서가 측정한 진동신호로부터 자기상관함수(Auto-correlation function)를 구하고 감시인자("ZC계수")를 구하여 로터블레이드의 외부 표면에 형성된 얼음을 감시하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 센서부에서 로터블레이드의 내부 표면에 설치된 센서로 로터블레이드의 진동신호를 측정하는 단계; 데이터수집 및 무선데이터 송신부에서 센서가 측정한 진동신호를 수집하고 나셀로 무선 송신하는 단계;와 무선데이터를 수신 및 신호처리부에서 자기상관함수를 계산하고 이로부터 감시인자("ZC계수")를 구하여 로터블레이드의 표면에 형성된 얼음을 감시하는 단계로 이루어지는 풍력발전기 로터블레이드의 얼음 감시 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 풍력발전기 로터블레이드 내부 표면에 설치된 센서가 측정한 진동신호로부터 로터블레이드의 외부 표면에 형성된 얼음을 감시하므로, 로터블레이드의 공력학적 특성에 미치는 영향이 없이 로터블레이드의 얼음 형성에 대한 감시를 가능하게 한다.

Description

풍력발전기 로터블레이드의 얼음 감시 방법{Method for detecting ice of wind turbine rotor blade}
본 발명은 센서가 측정한 진동신호를 분석함으로써 풍력발전기 로터블레이드 표면의 얼음 형성 여부를 감시하기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력발전기 로터블레이드 표면에 형성되는 얼음(ice)은 로터블레이드가 회전할 때, 로터블레이드 주변의 공기 흐름에 방해요소로 작용하게 된다. 이는 로터블레이드의 회전에 의해 발전기를 작동시키고 전력을 생산하는 풍력발전기의 효율을 떨어뜨리는 주요 요인들 중 하나이다. 또한, 로터블레이드에 형성된 얼음은 로터블레이드가 회전함에 따라 원심력에 의해 로터블레이드로부터 이탈되어 풍력발전기 주변에 낙하할 경우 2차 피해를 일으킬 수 있는 위험 요인이 되기도 한다.
따라서, 풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하기 위한 방법들이 개발되었다. 현재 사용되는 방법들은 1) 광섬유를 활용한 방법, 2) 초음파를 활용한 방법, 3) 진동신호를 활용한 방법으로 나눌 수 있다. 이중 광섬유나 초음파를 활용한 방법들은 센서의 특성상 로터블레이드의 넓은 면적을 감시하기 어려운 단점이 있다. 예를 들면, 광섬유를 활용한 방법은 광섬유의 한쪽 끝(A)에서 특정 파장을 갖는 신호를 전송하고, 광섬유의 다른 끝(B)에서 반사되어 돌아오는 신호의 파장을 분석하여 외부로 노출된 광섬유의 끝(B)에 형성된 얼음을 감시하는 방법이다. 이 방법은 로터블레이드에 적용이 가능한 광섬유의 단면적과 감시하고자 하는 로터블레이드의 표면적의 차이로 인해 감시 가능한 영역이 극히 제한적이다. 즉, 하나의 광섬유로 매우 좁은 영역의 로터블레이드만 감시 가능하다는 단점이 있다. 넓은 면적을 감시하기 위해서는 단면적이 넓은 광섬유를 사용하거나 여러 개의 광섬유를 사용해야 하는데, 이 경우 로터블레이드의 표면에 설치하기 어렵다는 현실적인 문제점이 있다.
이러한 단점을 극복하고 로터블레이드의 넓은 면적을 감시할 수 있는 방법이 아래와 같은 선행기술문헌에서 제시되었다.
이러한 선행기술문헌에서 제시한 방법은 진동신호 분석에 일반적으로 사용되는 가속도 센서로 측정한 진동신호를 분석하여 로터블레이드의 표면에 형성된 얼음을 포함한 로터블레이드의 상태를 감시하는 방법이다. 감시에 사용되는 센서는 로터블레이드의 안쪽 표면에 설치되므로 로터블레이드의 공력학적인 손실이 없는 방법이다. 이 방법은 얼음의 형성 여부를 감시하기 위해 정상상태(즉, 얼음이 없는 상태)에서 측정한 로터블레이드의 진동 특성에 대한 데이터와 새로 측정한 진동데이터를 비교하여 얼음의 형성 여부를 판단하게 된다. 즉, 정확한 감시를 위해서는 넓은 범위의 회전속도(예를 들면, 0 RPM ~ 30 RPM)에서 풍력발전기 로터블레이드에 대한 진동 특성 데이터를 확보해야 하며, 기 확보한 데이터와 측정한 데이터 사이의 회전속도에 차이가 있으면 비교에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 어려움은 일반적으로 회전체의 진동에서 그 진폭은 회전속도에 비례하여 증가하므로 동일한 회전속도에서 비교해야 의미 있는 평가가 가능하기 때문이다. 또한, 데이터를 확보하여 비교하는 방법은 풍력발전기가 설치된 위치에 따라 비교를 위해 사용될 기준 데이터를 다시 측정해야 하는 단점이 있다.
따라서, 로터블레이드에 형성되는 얼음을 감시하기 위한 기술은 1) 풍력발전기의 발전효율에 영향을 주지 않도록 하기 위해 감시시스템의 설치로 인한 로터블레이드의 구조 건전성 및 공력학적인 특성에 영향을 주지 않아야 하며, 2) 블레이드의 일부 면적이 아닌 전체 면적에 형성되는 얼음을 감시할 수 있어야 하며, 3) 운전조건이 변하는 풍력발전기의 특성을 고려하여 데이터의 분석 및 판단이 간단 명료해야 한다.
1. 특허문헌 1 : DE10065314A1 2. 특허문헌 2 : EP1075600B1 3. 특허문헌 3 : US 2009/0319199 A1
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 센서를 통해 측정한 진동신호로부터 로터블레이드의 고유진동수와 연관된 특성값을 추출하고, 특성값이 시간에 따라 변하는 정도를 감시하여 로터블레이드의 표면에 얼음 형성 여부를 진단하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고유진동수와 연관된 특성값을 측정한 진동신호의 자기상관함수(Auto-correlation function)로부터 정의하여, 운전조건이 변하는 환경에서도 고유진동수의 변화를 쉽게 감지하도록 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 조건에서 운전되는 풍력발전기의 진동특성에 대한 사전 정보가 없어도 얼음의 형성여부를 감시할 수 있는 방법을 제공하여, 로터블레이드에 형성되는 얼음의 감시 편의성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 로터블레이드에 형성되는 얼음을 조기에 감시하여 풍력발전기의 운용안전성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 풍력발전기의 로터블레이드에 형성되는 얼음을 감시하는 방법에 있어서, 로터블레이드의 내부 표면에 설치된 센서부에서 로터블레이드의 진동신호를 측정하는 진동신호 측정단계; 풍력발전기 허브에 설치된 수집-송신부(6)에서, 센서부(4)에서 측정된 진동신호를 취득하고 필터링하여 수신-신호처리부(8)로 전송하는 데이터 전송단계(S200); 수신-신호처리부(8)에서 진동신호 데이터를 수신하고 자기상관함수를 계산하고 자기상관함수로부터 감시인자를 구하여 감시인자로부터 얼음의 형성을 판정하는 판정단계(S300) ; 얼음이 형성되었다고 판정되면 화면에 얼음형성여부를 표시하거나 경보를 울리는 후속조치단계(S400)로 구성되는 풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 감시인자는 ZC 계수이며, 상기 ZC 계수는 자기상관함수가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌는 순간의 값인 것을 특징으로 하는 풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 판정단계에서 상기 ZC 계수로 얼음의 형성을 판정하는 것은 ZC계수의 변화로부터 얼음의 형성을 판정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 로터블레이드의 내부 표면에 진동센서를 설치하여 로터블레이드에 형성된 얼음의 존재 여부를 판단할 수 있다. 이는 감시시스템의 설치가 용이하고, 로터블레이드에 대한 기계적 특성 등의 사전정보가 불필요하며, 일반적으로 사용하는 진동센서를 적용하므로 비용적인 면에서도 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 센서가 설치된 국부적인 영역에 대하여 감시를 하는 것이 아니라 로터블레이드 전 영역에 형성되는 얼음의 존재 여부를 판단할 수 있다. 따라서, 풍력발전기의 운용안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 판정법은 일반적으로 사용되는 비교법이 데이터를 비교하기 위해 기준이 되는 데이터를 항상 저장하고 있어야 하는 단점을 개선하여 보다 편리하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 감시시스템의 설치 개략도이다.
도 2는 본 발명의 방법을 실현하는 장치의 실시예이다.
도 3은 본 발명의 얼음 형성여부를 판단하는 판정법의 흐름도이다.
도 4 ~ 도 6은 본 발명의 방법을 적용한 예를 나타내는 그래프도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 감시 시스템의 설치 개략도를, 도 2는 본 발명의 방법을 실현하는 장치의 실시예를, 도 3은 본 발명의 신호처리부에서 얼음의 생성여부를 판단하기 위한 방법의 흐름도를, 도 4는 본 발명의 적용예를 나타낸다.
본 발명의 감시 시스템은 1) 블레이드의 진동신호를 측정하기 위한 센서부;와 2) 센서부에서 측정된 센서신호를 취득하고 무선데이터를 송신하는 수집-송신부;와 3) 무선데이터를 수신하고 신호를 처리하는 수신-신호처리부;로 구성된다.
전체적인 감시 시스템의 설치 개략도를 도 1에 나타낸다.
도 1에서 로터블레이드(2)의 진동을 측정하기 위한 센서부(4)는 로터블레이드(2)에 직접 설치된다. 바람직한 예로서는 센서부(4)는 로터블레이드(2)의 안쪽 표면에 부착되며, 로터블레이드(2)의 진동 모드에 의한 노드점을 피해 설치하도록 한다.
센서부(4)는 가속도 센서로 구성될 수 있으며, 가속도 센서는 로터블레이드(2)의 고유 진동수를 고려하여 저주파 특성을 잘 반영할 수 있는 것으로 선정한다.
로터블레이드(2)마다 하나 또는 복수의 센서부(4)를 부착하여, 모든 로터블레이드(2)의 진동 신호를 동시에 실시간으로 측정할 수 있다.
센서부(4)로부터 진동 신호를 취득하고 무선데이터를 송신하는 수집-송신부(6)가 허브(7)에 설치된다. 수집-송신부(6)로부터의 무선데이터를 수신하고 신호를 처리하는 수신-신호처리부(8)는 타워(10) 상부의 나셀(9)에 설치되고, 수신-신호처리부(8)의 데이터는 발전기 운영실의 제어부(11)로 이동된다.
도 2는 본 발명의 감시 시스템의 구체적인 실시예이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 감시 시스템은 센서부(4), 수집-송신부(6)와 수신-신호처리부(7)로 구성된다.
수집-송신부(6)는 로터블레이드(2)의 고유 진동수를 포함하는 주파수 범위의 진동신호만을 취득하기 위한 아날로그 필터(62); 데이터 샘플링을 위한 A/D (Analog-to-Digital) 변환기(64); 무선 데이터 송신에 문제가 발생할 때 데이터를 저장하기 위한 임시 저장장치(66), 샘플링한 진동신호를 수신-신호처리부(7)로 전송하기 위한 무선데이터 송신기(68); 구성된다. 임시 저장장치(66)에 기록한 데이터는 무선데이터 송신 기능이 정상화되면 자동으로 수신-신호처리부(8)로 전송되도록 한다.
수신-신호처리부(8)는 진동 신호 수신을 위한 무선데이터 수신기(82); 디지털 필터(84); 그리고 신호 처리를 위한 신호처리장치(86)로 구성된다.
신호처리 결과는 화면으로 표시되며, 얼음이 형성되면 경보를 발생시키게 된다. 신호처리장치(86)에서는 수신된 진동 신호로부터 자기상관함수를 구하고 로터블레이드(2)의 고유 진동수에 변화가 생겼는지 여부를 판단하게 된다.
도 3은 본 발명이 얼음의 생성여부를 판단하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하여 얼음 감시 방법을 구체적을 설명한다.
1) 진동신호 측정단계(S100)
회전중인 로터블레이드(2)는 바람의 영향에 의해 진동하는데, 다음 식과 같이 정의되는 로터블레이드(2)의 고유 진동수에 해당하는 주파수로 진동한다.
[식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
은 로터블레이드(2)의 고유진동수를,
Figure pat00003
는 로터블레이드(2)의 강성을,
Figure pat00004
은 로터블레이드(2)의 질량을 나타낸다. 로터블레이드(2)에 얼음이 생성되면 질량이 증가하고, 다음 식과 같이 로터블레이드(2)의 고유 진동수도 변한다.
[식 2]
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
은 얼음에 의해 변화된 로터블레이드(2)의 고유진동수를,
Figure pat00007
은 얼음의 질량을 나타낸다.
상기의 원리를 이용하여 로터블레이드마다 센서부를 부착하여, 실시간으로 모든 로터블레이드의 진동 신호를 측정한다.
2) 데이터 전송단계(S200);
풍력발전기 허브에 설치된 수집-송신부(6)에서, 센서부(4)에서 측정된 진동신호를 취득하고 필터링하여 수신-신호처리부(8)로 전송하는 데이터 전송단계(S200)로서, 특히 필터링은 S100 단계에서 측정된 진동신호를 필터링하여 고유 진동수를 포함하는 주파수 범위의 진동신호만을 취득한다.
3) 판정단계(S300)
결과적으로, 상기 식 1과 식 2에 나타낸 고유 진동수는 다르며, 자기상관함수에 반영되는 고유진동수의 변화를 감시하여 로터블레이드(2)에 생성된 얼음을 진단하게 된다.
자기상관함수는 다음과 같이 정의된다.
[식 3]
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
는 자기상관함수를,
Figure pat00010
는 시간지연(time lag)을,
Figure pat00011
는 기대값(expected value),
Figure pat00012
는 시간
Figure pat00013
에서 측정한 진동값
Figure pat00014
를,
Figure pat00015
는 측정한 진동신호
Figure pat00016
의 평균값을,
Figure pat00017
는 측정한 진동신호
Figure pat00018
의 표준편차를 나타낸다.
상기 자기상관함수로부터 로터블레이드(2)에 형성된 얼음을 진단할 때, 다음의 판정법을 적용한다.
바람에 의해 가진된 풍력발전기의 로터블레이드는 고유한 진동수로 진동을 하는데, 이는 자기상관함수에 반영되어 나타난다. 즉, 특정 주파수를 가지는 진동신호의 자기상관함수는 시간지연이 증가함에 따라 양(+)의 값과 음(-)의 값을 반복하며 진폭이 감소하는 경향을 보인다.
따라서, 자기상관함수가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌는 순간의 값(zero-crossing 시간)이 고유진동수에 의해 정해지는 값이다. 이 때의 시간지연(T) 값을 로터블레이드 감시를 위한 감시인자로 도입하면, 로터블레이드에 형성된 얼음에 의해 로터블레이드의 고유진동수 변경 여부를 쉽게 판단할 수 있다.
다만, 자기상관함수에서 제로크로싱(zero-crossing)은 여러 차례 발생하게 되므로, 본 발명에서는 자기상관함수의 한 주기에 해당하는 제로크로싱 시간을 감시인자("ZC계수")칭함. 도 5에 나타낸 TA, TB 참조.)로 채택한다. 시간에 따른 ZC계수의 변화를 감시함으로써 로터블레이드에 형성되는 얼음의 유무를 판단할 수 있게 된다.
판정단계(S300)에서는 ZC 계수를 계산하고(S301), ZC 계수와 한계값 (M) 을 비교하는 단계(S302)를 거쳐서, ZC 계수가 M 보다 작으면 고유 진동수는 동일함을 의미하고(S303), 정상상태로 판정하면(S304) 다시 진동신호 측정단계(S100)으로 돌아가고, ZC 계수가 M 보다 크면 고유 진동수가 변경됨을 의미하고(S305), 얼음이 형성된 것으로 판정한다(S306).
4) 후속조치단계(S400)
얼음이 형성되었다고 판정되면 화면에 얼음형성여부를 표시하거나 경보를 울리고, 얼음을 제거하기 위한 유지/보수 조치를 취한다.
일반적으로 사용되는 비교법이 데이터를 비교하기 위해 기준이 되는 데이터를 항상 저장하고 있어야 하는 단점이 있는 반면에, 본 발명의 판정법은 회전 속도 별로 기준 데이터가 없어도 되므로 비교법보다 편리하게 적용할 수 있다는 장점이 있다. 각각의 로터블레이드에 얼음이 생성되었는지 여부를 판단하기 위한 방법을 확대 적용하여 풍력발전기에 설치된 3개의 로터블레이드에서 측정한 진동신호를 비교함으로써, 블레이드에 존재하는 하중분포의 불일치를 감시할 수 있다. 이러한 하중감시는 IPC (Individual Pitch Control)를 통해 바람의 조건에 맞도록 로터블레이드마다 피치각을 적절하게 조정하여 풍력발전기의 발전효율을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
실시예
시뮬레이션을 통해 다음과 같이 본 발명의 성능을 검증한다.
도 4는 전형적인 외팔보(Cantilever beam) 형태를 갖고 있는 로터블레이드가 바람에 의해 자유 진동할 때의 진동신호를 나타낸다. 감쇠를 가진 자유진동이므로 시간에 따라 진동의 진폭이 감소하는 경향을 보인다.
실선은 정상상태의 진동을, 점선은 로터블레이드에 얼음이 형성되었을 때의 진동을 나타낸다. 얼음으로 인해 로터블레이드의 질량이 증가하고 결과적으로 로터블레이드의 고유진동수는 감소하고 주기는 증가한다(주기와 주파수는 반비례 관계).
도 5는 도 4에 나타낸 진동신호의 자기상관함수를 나타냈다. 실선은 정상상태를 점선은 얼음이 형성된 경우의 자기상관함수를 나타낸다. 로터블레이드 표면에 얼음이 형성되면 질량이 증가하게 되고, 이에 따라 고유진동수는 감소하게 된다. 따라서, 그림에 나타낸 바와 같이 얼음이 형성되어 자기상관함수로부터 구한 ZC계수가 TA에서 TB로 변동함을 알 수 있다.
도 6은 로터블레이드에 형성되는 얼음을 감시하기 위하여 시간에 대한 ZC계수의 분포를 나타내는 일반적인 경향감시 그래프이다. 마름모와 실선은 ZC계수를, 수평 점선은 한계값을 나타낸다. 즉, 측정한 진동신호로부터 구한 ZC계수가 기 선정한 한계값을 초과하게 되면 로터블레이드의 표면에 얼음이 생성된 것으로 판단하고 경보를 발생하게 된다. 일례로, 도 6에 나타낸 것은 고유진동수 2Hz를 갖는 로터블레이드의 진동신호로부터 구한 ZC계수값을 보여주고 있다.
도 6에 나타냈듯이 주기적으로 ZC계수를 구하여 값이 변하는 정도를 한계값과 비교하게 된다. 시간에 따라 대기온도가 낮아져 얼음이 생성되기 쉬운 환경을 만들게 되고, 이에 따라 로터블레이드 표면에 얼음이 형성된다. 시간 18시 36분 이후부터 로터블레이드 표면에 형성된 얼음의 질량 증가에 의해 로터블레이드의 고유진동수가 감소하게 된다. 이에 따라 ZC계수가 증가하는 경향 (0.383→0.388로 변경)을 보이며, 약 21시경에 한계값을 초과하여 계속 증가하는 것을 보이고 있다. 따라서, 약 21시경에 ZC계수가 한계값을 초과하는 순간 경보를 발생하여 로터블레이드에 얼음이 형성되었음을 알리게 된다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있을 것이다.
그러므로, 지금까지 전술한 예는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
2 : 로터블레이드
4 : 센서부
6 : 수집-송신부
8 : 수신-신호처리부

Claims (3)

  1. 풍력발전기의 로터블레이드에 형성되는 얼음을 감시하는 방법에 있어서,
    로터블레이드(2)의 내부 표면에 설치된 센서부(4)에서 로터블레이드(2)의 진동신호를 측정하는 진동신호 측정단계(S100);
    풍력발전기 허브에 설치된 수집-송신부(6)에서, 센서부(4)에서 측정된 진동신호를 취득하고 필터링하여 수신-신호처리부(8)로 전송하는 데이터 전송단계(S200);
    수신-신호처리부(8)에서 진동신호 데이터를 수신하고 자기상관함수를 계산하고 자기상관함수로부터 감시인자를 구하여 감시인자로부터 얼음의 형성을 판정하는 판정단계(S300) ;
    얼음이 형성되었다고 판정되면 화면에 얼음형성여부를 표시하거나 경보를 울리는 후속조치단계(S400)
    로 구성되는 풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감시인자는 ZC 계수이며, 상기 ZC 계수는 자기상관함수가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌는 순간의 값인 것을 특징으로 하는
    풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 판정단계에서 상기 ZC 계수로 얼음의 형성을 판정하는 것은 ZC계수의 변화로부터 얼음의 형성을 판정하는 것을 특징으로 하는
    풍력발전기 로터블레이드의 표면에 형성되는 얼음을 감시하는 방법.
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