KR20140038270A - 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 블레이드의 변형율을 모멘트로 변환하는 단계, 블레이드의 설계 정보와 모멘트의 통계 정보에 기초하여 기준치를 생성하는 단계 및 모멘트를 기준치와 비교하여 블레이드의 상태를 판단하는 단계를 포함하며, 본 발명에 따르면 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 기준치를 블레이드 설계 정보와 모멘트 통계 정보에 따라 생성하며, 모멘트 통계 정보에 대한 학습이 이루어지기 때문에 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 가능해진다.

Description

풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MONITORING WIND TURBINE BLADE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 기준치를 블레이드 설계 정보와 모멘트 통계 정보에 따라 생성하여 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 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, 블레이드(Blade)와 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.
이 중에서 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 있지만, 다른 발전과 달리 정상상태(Stationary States) 및 비정상상태(Non-Stationary States)가 순시적으로 반복되는 풍력 발전의 특성상 효율적이고 정확한 상태 감시가 이루어지지 못하는 한계점이 있다.
또한, 해상 풍력 발전의 경우 날씨나 기후 변화에 따라 블레이드로의 접근이 제한적이기 때문에, 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 이루어지지 못하고 있으며, 그에 따라 블레이드 손상시 즉각적으로 대처하지 못하는 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0110735호 (2011.10.07 공개, 발명의 명칭 : 풍력발전기 모니터링 장치)가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 확보함으로써 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 이루어질 수 있도록 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법은 블레이드의 변형율을 모멘트로 변환하는 단계; 상기 블레이드의 설계 정보와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 기준치를 생성하는 단계; 및 상기 모멘트를 상기 기준치와 비교하여 상기 블레이드의 상태를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 모멘트는 상기 블레이드의 재료 물성치 및 형상 특성치에 기초하여 변환되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치를 생성하는 단계는, 상기 블레이드의 설계 정보에 기초하여 제1 기준치를 연산하는 단계; 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 연산하는 단계; 및 상기 제1 기준치와 상기 제2 기준치를 결합하여 상기 기준치를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1 기준치는 상기 블레이드의 설계 하중에 모델 파라미터가 반영되어 연산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2 기준치를 연산하는 단계는, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이를 연산하는 단계; 상기 모멘트의 평균 및 상기 정상 구간의 길이에 기초하여 상기 제2 기준치를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 정상 구간의 길이를 연산하는 단계에서, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에는 이전시간까지 누적 연산된 평균과 표준편차에 현재시간의 평균과 표준편차가 반영되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2 기준치를 연산하는 단계는, 상기 변형율이 상기 블레이드의 압력면(Pressure Side) 또는 흡입면(Suction Side)에서 측정된 데이터이면, 풍력 터빈의 출력을 정격출력과 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 풍력 터빈의 출력 변화 또는 상기 블레이드의 피치각 변화를 상기 모멘트의 통계 정보에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력 이하이면, 상기 모멘트의 통계 정보에 상기 풍력 터빈의 출력 변화가 반영되고, 상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력보다 크면, 상기 모멘트의 통계 정보에 상기 블레이드의 피치각 변화가 반영되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치는 상기 블레이드의 주의상태를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태를 판단하기 위한 긴급기준치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 블레이드의 상태가 상기 주의상태, 상기 경고상태 및 상기 긴급상태 중 어느 하나에 해당하는 경우, 상기 블레이드의 상태를 경보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치는 풍력 터빈 블레이드의 변형율을 모멘트로 변환하는 모멘트 변환부; 상기 모멘트를 기준치와 비교하여 상기 블레이드의 상태를 판단하는 상태 판단부; 및 상기 블레이드의 설계 정보와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 상기 기준치를 생성하는 기준치 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 모멘트 변환부는 상기 블레이드의 재료 물성치 및 형상 특성치에 기초하여 상기 변형율을 상기 모멘트로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치 생성부는 상기 블레이드의 설계 정보에 기초하여 연산한 제1 기준치와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 연산한 제2 기준치를 결합하여 상기 기준치를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치 생성부는 상기 블레이드의 설계 하중에 모델 파라미터를 반영하여 상기 제1 기준치를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치 생성부는 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이를 연산하고, 상기 모멘트의 평균 및 상기 정상 구간의 길이에 기초하여 상기 제2 기준치를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치 생성부는 상기 변형율이 상기 블레이드의 압력면(Pressure Side) 또는 흡입면(Suction Side)에서 측정된 데이터인 경우, 상기 모멘트의 통계 정보에 상기 풍력 터빈의 출력 변화 또는 상기 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 풍력 터빈의 출력이 정격출력 이하이면, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 상기 풍력 터빈의 출력 변화가 반영되고, 상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력보다 크면, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 상기 블레이드의 피치각 변화가 반영되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기준치는 상기 블레이드의 주의상태를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태를 판단하기 위한 긴급기준치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 상태 판단부는 상기 모멘트가 상기 주의기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 주의상태로 판단하고, 상기 모멘트가 상기 경고기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 경고상태로 판단하며, 상기 모멘트가 상기 긴급기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 긴급상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 블레이드의 상태가 상기 주의상태, 상기 경고상태 및 상기 긴급상태 중 어느 하나에 해당하는 경우, 상기 블레이드의 상태를 경보하는 알람부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 기준치를 블레이드 설계 정보와 모멘트 통계 정보에 따라 생성하기 때문에 정상상태 및 비정상상태에서 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 모멘트 통계 정보에 대한 학습이 이루어지기 때문에 모멘트 통계 정보가 누적될수록 보다 신뢰성 높은 기준치를 생성할 수 있어 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있으므로, 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치에서 블레이드의 변형율이 측정되는 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 기준치 생성 동작을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3에 의해 생성되는 기준치와 모멘트 측정 데이터를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 기준치 생성 동작을 도시한 순서도이다.
도 6과 도 7은 도 5에 의해 생성되는 기준치와 모멘트 측정 데이터를 도시한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 블레이드 상태 판단 동작을 도시한 순서도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 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 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치에서 블레이드의 변형율이 측정되는 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 블레이드에서 변형율 측정이 이루어지는 지점은 압력면(Pressure Side; 110), 흡입면(Suction Side; 120), 앞전(Leading Edge; 130) 및 뒷전(Trailling Edge; 140)으로 구분될 수 있다.
여기서, 압력면(110)은 바람을 받는 블레이드의 전면을 의미하고, 흡입면(120)은 바람을 받지 않는 블레이드의 후면을 의미한다. 앞전(130) 및 뒷전(140)은 각각 압력면(110)과 흡입면(120)의 모서리 지점에 해당하며 회전 모멘트를 받는 지점에 해당한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치는 광섬유 센서부(10), 광 파장 측정부(20), 데이터 진단처리부(30), 모멘트 변환부(40), 운전정보 입력부(50), 기준치 생성부(60), 상태 판단부(70), 메모리부(80) 및 알람부(90)를 포함한다.
광섬유 센서부(10)는 복수 개의 WDM(Wavelength-Division Multiplexing) 광섬유 센서를 포함하며, 각각의 광섬유 센서는 광원(미도시)에서 방사한 레이저를 특정 파장으로 반사하여 광 파장 측정부(20)로 전달한다.
도 1을 참조하면, 복수 개의 광섬유 센서는 블레이드의 압력면(110), 흡입면(120), 앞전(130) 및 뒷전(140)에 각각 90°간격으로 설치될 수 있다.
광 파장 측정부(20)는 광섬유 센서부(10)로부터 반사된 파장을 측정하여 복수 개의 측정 데이터를 생성하고 이를 데이터 진단처리부(30)로 전달한다.
이때, 광 파장 측정부(20)는 측정 주기 마다 측정 데이터를 생성할 수 있는데, 측정 주기는 설계자의 의도와 광섬유 센서 및 광 파장 측정부(20)의 사양에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 광 파장 측정부(20)는 0.01[sec] 마다(즉, 100[Hz]로) 측정 데이터를 생성하여 데이터 진단처리부(30)에 전달할 수 있다.
데이터 진단처리부(30)는 광 파장 측정부(20)로부터 입력되는 복수 개의 측정 데이터에 오류 데이터가 존재하는지 진단하고, 진단이 완료된 측정 데이터를 물리적 데이터(physical data)인 변형율(strain)로 변환하여 모멘트 변환부(40)에 전달한다.
모멘트 변환부(40)는 데이터 진단처리부(30)로부터 입력되는 변형율을 등가적인 모멘트(equivalent moment)로 변환하여 상태 판단부(70)로 전달한다.
이 경우, 모멘트 변환부(40)는 아래의 수학식 1에 따라 변형율(ε)에 블레이드의 재료 물성치(E) 및 형상 특성치(IZZ,y)를 반영하여 모멘트(M)로 변환할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, M은 모멘트, ε은 변형율, E는 재료 물성치를 나타내고, IZZ는 관성 모멘트, y는 기하 정보인 회전 반경(r)의 루트(즉,
Figure pat00002
)를 나타낸다.
풍력 터빈의 하중 해석이 모멘트 단위로 이루어지기 때문에, 이처럼 측정된 변형율을 모멘트로 변환하여 블레이드 상태 판단에 이용한다.
모멘트 변환부(40)에 의해 변환된 모멘트는 메모리부(80)에 저장되어 이후 모멘트의 통계 정보 생성에 이용되는데, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
운전정보 입력부(50)는 풍력 터빈의 운전정보를 입력받아 기준치 생성부(60)에 전달한다. 여기서, 운전정보는 풍력 터빈의 출력(power) 및 블레이드의 피치각(pitch angle)에 대한 정보를 포함한다.
기준치 생성부(60)는 블레이드의 설계 정보 및 모멘트 변환부(40)에 의해 변환된 모멘트의 통계 정보에 기초하여 기준치를 생성하고, 이를 상태 판단부(70)로 제공한다.
이때, 기준치 생성부(60)는 블레이드의 설계 정보에 기초하여 제1 기준치를 연산하고, 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 연산한 후, 제1 기준치와 제2 기준치를 가중치에 따라 결합하여 최종적인 기준치를 생성할 수 있다.
블레이드의 설계 정보는 모멘트 단위로 결정되는 블레이드의 설계 하중을 포함하고, 설계 하중은 최대 설계 하중과 최소 설계 하중을 포함할 수 있다.
모멘트의 통계 정보는 모멘트의 평균과 표준편차를 포함하며, 모멘트의 평균과 표준편차는 모멘트 변환부(40)로부터 메모리부(80)에 순차적으로 저장된 복수 개의 모멘트 값들로부터 산출될 수 있다.
또한, 기준치는 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 값을 의미하며, 블레이드의 상태를 정의하는 방식에 따라 복수 개의 기준치로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 블레이드의 상태를 이상 정도에 따라 정상상태(Normal State), 주의상태(Caution State), 경고상태(Warning State) 및 긴급상태(Emergency State)로 정의하는 경우, 기준치는 주의상태 여부를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태 여부를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태 여부를 판단하기 위한 긴급기준치로 이루어질 수 있다.
한편, 기준치 생성부(60)는 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 생성함에 있어서, 블레이드의 변형율이 측정된 위치에 따라 다른 방식으로 기준치를 생성할 수 있다.
구체적으로, 기준치 생성부(60)는 변형율이 측정된 위치가 블레이드의 압력면(110) 및 흡입면(120)인 경우, 운전정보 입력부(50)로부터 입력되는 풍력 터빈의 출력 및 블레이드의 피치각을 모멘트의 통계 정보에 반영하여 제2 기준치를 연산할 수 있다.
반면, 기준치 생성부(60)는 변형율이 측정된 위치가 블레이드의 앞전(130) 및 뒷전(140)인 경우에는 풍력 터빈의 출력 및 블레이드의 피치각을 모멘트 통계 정보에 반영하지 않는다.
블레이드의 압력면(110) 및 흡입면(120)은 블레이드의 앞전(130) 및 뒷전(140)과 달리 추력(Thrust force)에 의한 영향을 받기 때문에 풍력 터빈의 출력 및 블레이드의 피치각에 의존적인 특성을 보이기 때문이다.
이와 같이, 기준치 생성부(60)가 기준치를 생성하는 구체적인 과정은 도 3 내지 도 7을 참조하여 상세히 후술한다.
상태 판단부(70)는 모멘트 변환부(40)로부터 입력되는 모멘트를 기준치 생성부(60)로부터 제공되는 기준치와 비교하여 블레이드의 상태를 판단한다.
예를 들어, 기준치가 주의기준치, 경고기준치 및 긴급기준치를 포함하는 경우, 상태 판단부(70)는 모멘트를 주의기준치, 경고기준치 및 긴급기준치와 비교하여 블레이드가 정상상태, 주의상태, 경고상태 및 긴급상태 중 어떠한 상태인지를 판단할 수 있다.
만약, 블레이드가 주의상태, 경고상태 및 긴급상태 중 어느 하나의 상태에 해당하는 것으로 판단되는 경우, 상태 판단부(70)는 알람부(90)를 제어하여 적절한 경보가 이루어질 수 있도록 한다.
이와 같이, 상태 판단부(70)가 블레이드의 상태를 판단하여 알람부(90)를 제어하는 구체적인 과정은 도 8을 참조하여 후술한다.
메모리부(80)에는 모멘트 변환부(40)에 의해 변환되는 모멘트가 측정 시간에 따라 순차적으로 저장된다.
알람부(90)는 상태 판단부(70)의 제어에 따라 블레이드의 상태에 대한 정보를 출력한다. 예를 들어, 알람부(90)는 블레이드의 정상상태, 주의상태, 경고상태 및 긴급상태에 대한 정보를 출력할 수 있다.
알람부(90)는 경고등(미도시)이나 디스플레이 패널(미도시)을 통해 블레이드의 상태를 표시하여 출력하거나, 스피커(미도시) 등을 통해 블레이드의 상태를 음성으로 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 기준치 생성 동작을 도시한 순서도이고, 도 4는 도 3에 의해 생성되는 기준치와 모멘트 측정 데이터를 도시한 예시도이다.
도 3에는 변형율이 측정된 위치가 블레이드의 앞전(130) 및 뒷전(140)인 경우에 기준치 생성부(60)가 기준치를 생성하는 과정이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 기준치 생성부(60)는 블레이드의 설계 정보에 기초하여 제1 기준치를 연산한다(S100).
구체적으로, 기준치 생성부(60)는 블레이드의 최대 설계 하중 및 최소 설계 하중에 모델 파라미터를 반영하여 제1 기준치를 연산할 수 있다.
예를 들어, 제1 기준치가 제1 주의기준치, 제1 경고기준치 및 제1 긴급기준치를 포함하는 경우, 제1 주의기준치(C1 - max,C1 - min), 제1 경고기준치(W1 - max,W1 - min) 및 제1 긴급기준치(E1 - max,E1 - min)는 각각 아래의 수학식 2 내지 수학식 4에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, MD - max와 MD - min은 각각 블레이드의 최대 설계 하중과 최소 설계 하중을 나타내고, v1 내지 v6은 모델 파라미터(model parameter)를 나타낸다. 모델 파라미터는 최대 설계 하중 및 최소 설계 하중에 곱해지는 파라미터로, 설계 하중의 표준정규분포상에서 1σ, 2σ, 3σ에 해당하는 값으로 선택될 수 있다.
예를 들어, v1,v2는 1σ에 해당하는 0.68로, v3,v4는 2σ에 해당하는 0.95로, v5,v6은 3σ에 해당하는 0.99로 선택될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 모델 파라미터는 설계자의 의도나 적용되는 블레이드의 사양에 따라 다양한 값으로 선택될 수 있다고 할 것이다.
한편, 기준치 생성부(60)는 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 연산한다(S110).
구체적으로, 기준치 생성부(60)는 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이(Normal Distance; L)를 연산하고, 모멘트의 평균과 정상 구간의 길이(L)에 기초하여 제2 기준치를 연산할 수 있다.
예를 들어, 제2 기준치가 제2 주의기준치, 제2 경고기준치 및 제2 긴급기준치를 포함하는 경우, 제2 주의기준치(C2 - max,C2 - min), 제2 경고기준치(W2 - max,W2 - min) 및 제2 긴급기준치(E2 - max,E2 - min)는 각각 아래의 수학식 5 내지 수학식 7에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, Mavg는 모멘트의 평균을 나타내고, L은 정상 구간의 길이를 나타내며, s1 내지 s6은 통계 파라미터(statistic parameter)를 나타낸다.
통계 파라미터는 정상 구간의 길이에 곱해지는 파라미터로, 전술한 모델 파라미터와 마찬가지로 모멘트의 표준정규분포상에서 1σ, 2σ, 3σ에 해당하는 값으로 선택될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며 통계 파라미터는 설계자의 의도나 적용되는 블레이드의 사양에 따라 다양한 값으로 선택될 수 있다고 할 것이다.
한편, 정상 구간의 길이(L)는 실질적으로 제2 기준치를 결정하기 위한 값으로, 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 연산된다.
기준치 생성부(60)는 아래의 수학식 8에 따라 모멘트의 평균과 표준편차에 비례상수(k1,k2)를 각각 곱한 값을 합산하여 정상 구간의 길이(L)를 연산할 수 있다.
Figure pat00009
여기서, Mavg와 σM은 각각 모멘트의 평균과 표준편차를 나타내고, k1,k2는 비례상수를 나타낸다. 비례상수인 k1,k2는 설계자의 의도에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, k1,k2는 각각 0.1,0.9로 선택될 수 있다.
한편, 기준치 생성부(60)는 아래의 수학식 9에 따라 현재시간까지 누적 연산된 평균과 표준편차에 비례상수(k1,k2)를 각각 곱한 값을 합산하여 정상 구간의 길이(L)를 연산할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, Mavg(t)와 σavg(t)는 각각 현재시간까지 누적 연산된 모멘트의 평균과 표준편차를 나타내고, k1,k2는 비례상수를 나타낸다.
이 경우, 현재시간까지 누적 연산된 모멘트의 평균과 표준편차는 아래의 수학식 10과 11에 따라 이전시간까지 누적 연산된 모멘트의 평균과 표준편차에 각각 현재시간의 모멘트와 표준편차가 반영될 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
여기서, Mavg(t)와 σavg(t)는 각각 현재시간까지 누적 연산된 모멘트의 평균과 표준편차를 나타내고, Mavg(t-1)과 σavg(t-1)은 각각 이전시간까지 누적 연산된 모멘트의 평균과 표준편차를 나타내며, M(t)와 σ(t)는 각각 현재시간의 모멘트와 표준편차를 나타낸다.
참고로, σavg(t)는 아래의 수학식 12에 따라 연산될 수도 있다.
Figure pat00013
이와 같이, 모멘트 통계 정보에 대한 학습이 이루어지는 경우 모멘트 통계 정보가 누적될수록 보다 신뢰성 높은 기준치를 생성할 수 있어 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 기준치 생성부(60)는 제1 기준치와 제2 기준치를 가중치에 따라 결합하여 아래의 수학식 13에 따라 최종적인 기준치를 생성하고(S120), 이를 상태 판단부(70)로 제공한다(S130).
예를 들어, 기준치가 주의기준치, 경고기준치 및 긴급기준치를 포함하는 경우, 주의기준치(Cmax,Cmin), 경고기준치(Wmax,Wmin) 및 긴급기준치(Emax,Emin)는 각각 아래의 수학식 13 내지 15에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
여기서, w1,w2는 제1 기준치와 제2 기준치에 각각 곱해지는 가중치를 나타낸다.
이러한 일련의 과정을 거쳐 생성되는 주의기준치, 경고기준치, 긴급기준치 및 모멘트 측정 데이터가 도 4에 도시되어 있다. 블레이드의 앞전(130) 및 뒷전(140)의 경우 회전 모멘트를 받는 지점이기 때문에 풍력 터빈의 출력이나 블레이드의 피치각 변화에 대한 영향은 반영되지 않음을 확인할 수 있다.
반면, 블레이드의 압력면(110) 및 흡입면(120)의 경우 풍력 터빈의 출력이나 블레이드의 피치각에 영향을 받게 되는데 이러한 경우에 대한 기준치 생성 동작은 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 기준치 생성 동작을 도시한 순서도이고, 도 6과 도 7은 도 5에 의해 생성되는 기준치와 모멘트 측정 데이터를 도시한 예시도이다.
도 5에는 변형율이 측정된 위치가 블레이드의 압력면(110) 및 흡입면(120)인 경우에 기준치 생성부(60)가 기준치를 생성하는 과정이 도시되어 있으며, 이를 참조하여 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 기준치 생성부(60)는 블레이드의 설계 정보에 기초하여 제1 기준치를 연산한다(S200). 이는 도 3을 참조하여 전술한 실시예의 S100 단계와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.
이어서, 기준치 생성부(60)는 운전정보 입력부(50)로부터 풍력 터빈의 운전정보를 입력받는다(S210). 여기서, 운전정보는 풍력 터빈의 출력 및 블레이드의 피치각에 대한 정보를 포함한다.
그러고 나서, 기준치 생성부(60)는 풍력 터빈의 출력을 정격출력과 비교하여, 풍력 터빈의 출력이 정격출력 이하인지 여부를 판단한다(S220).
만약, 풍력 터빈의 출력이 정격출력 이하인 경우, 모멘트가 풍력 터빈의 출력에 의존하여 변화하기 때문에, 기준치 생성부(60)는 풍력 터빈의 출력 변화를 모멘트의 통계 정보에 반영한다(S221).
반면, 풍력 터빈의 출력이 정격출력보다 큰 경우, 모멘트가 블레이드의 피치각에 의존하여 변화하기 때문에, 기준치 생성부(60)는 블레이드의 피치각 변화를 모멘트의 통계 정보에 반영한다(S222).
이후, 기준치 생성부(60)는 풍력 터빈의 출력 변화 또는 블레이드의 피치각 변화가 반영된 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 연산한다(S230).
구체적으로, 기준치 생성부(60)는 풍력 터빈의 출력 변화 또는 블레이드의 피치각 변화가 반영된 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이(Normal Distance; L)를 연산하고, 풍력 터빈의 출력 변화 또는 블레이드의 피치각 변화가 반영된 모멘트의 평균과 정상 구간의 길이(L)에 기초하여 제2 기준치를 연산할 수 있다.
예를 들어, 풍력 터빈의 출력이 정격출력 이하이고, 제2 기준치가 제2 주의기준치, 제2 경고기준치 및 제2 긴급기준치를 포함하는 경우, 제2 주의기준치(C2 - max,C2 - min), 제2 경고기준치(W2 - max,W2 - min) 및 제2 긴급기준치(E2 - max,E2 - min)는 각각 아래의 수학식 16 내지 수학식 18에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
여기서, Mavg는 모멘트의 평균을 나타내고, L은 정상 구간의 길이를 나타내며, s1 내지 s6은 통계 파라미터(statistic parameter)를 나타낸다. 또한, p는 풍력 터빈의 출력을 나타내는 변수를 나타낸다.
풍력 터빈의 출력이 정격출력보다 큰 경우 변수 p를 블레이드의 피치각을 나타내는 변수 θ로 대체하면, 동일한 방식으로 제2 주의기준치, 제2 경고기준치 및 제2 긴급기준치를 연산할 수 있다.
한편, 정상 구간의 길이(L)를 연산하는 방법은 모멘트의 평균과 표준편차가 p 또는 θ의 함수로 표현되는 것 외에는 도 3을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로 그 자세한 설명을 생략한다.
기준치 생성부(60)는 제1 기준치와 제2 기준치를 가중치에 따라 결합하여 최종적인 기준치를 생성하고, 이를 상태 판단부(70)로 제공하는 단계(S240,S250) 역시 도 3을 참조하여 전술한 실시예의 S120,S130과 실질적으로 동일하므로 그 자세한 설명을 생략한다.
한편, 이와 같은 과정을 거쳐 생성되는 주의기준치, 경고기준치, 긴급기준치 및 모멘트 측정 데이터가 도 6과 도 7에 도시되어 있다. 도 6은 압력면(110)에 대한 기준치 및 모멘트 측정 데이터를 나타내고, 도 7은 흡입면(120)에 대한 기준치 및 모멘트 측정 데이터를 나타낸다.
이와 같이, 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 기준치를 블레이드 설계 정보와 모멘트 통계 정보에 따라 생성하면, 정상상태 및 비정상상태에서 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법의 블레이드 상태 판단 동작을 도시한 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상태 판단부(70)는 모멘트 변환부(40)로부터 모멘트를 입력받고(S300), 기준치 생성부(60)로부터 기준치를 제공받는다(S310).
이때, 기준치는 주의상태 여부를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태 여부를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태 여부를 판단하기 위한 긴급기준치를 포함할 수 있다.
이후, 상태 판단부(70)는 모멘트를 기준치와 비교하여 블레이드의 상태를 판단한다.
구체적으로, 상태 판단부(70)는 모멘트가 주의기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는지 확인하고(S320), 모멘트가 주의기준치의 상한값과 하한값 사이의 값에 해당하는 경우, 블레이드의 상태를 정상상태로 판단한다(S330).
반면, 모멘트가 주의기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는 경우, 상태 판단부(70)는 모멘트가 경고기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는지 확인한다(S340).
만약, 모멘트가 경고기준치의 상한값과 하한값 사이의 값에 해당하는 경우, 상태 판단부(70)는 블레이드의 상태를 주의상태로 판단한다(S350).
하지만, 모멘트가 경고기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는 경우, 상태 판단부(70)는 모멘트가 긴급기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는지 확인힌다(S360).
만약, 모멘트가 긴급기준치의 상한값과 하한값 사이의 값에 해당하는 경우, 상태 판단부(70)는 블레이드의 상태를 경고상태로 판단한다(S370).
하지만, 모멘트가 경고기준치의 상한값 또는 하한값을 벗어나는 경우, 상태 판단부(70)는 블레이드의 상태를 긴급상태로 판단한다(S380).
이와 같이, 블레이드의 상태가 주의상태, 경고상태 또는 긴급상태로 판단되는 경우, 상태 판단부(70)는 알람부(90)를 제어하여 적절한 경보가 이루어지도록 한다(S390).
이와 같이, 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치 및 그 방법에 의하면, 블레이드 상태 판단의 기준이 되는 기준치를 블레이드 설계 정보와 모멘트 통계 정보에 따라 생성하기 때문에 정상상태 및 비정상상태에서 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 모멘트 통계 정보에 대한 학습이 이루어지기 때문에 모멘트 통계 정보가 누적될수록 보다 신뢰성 높은 기준치를 생성할 수 있어 블레이드 상태 판단의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 블레이드의 효율적인 관리 및 유지 보수가 가능해진다.
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 : 광 파장 측정부
30 : 데이터 진단처리부
40 : 모멘트 변환부
50 : 운전정보 입력부
60 : 기준치 생성부
70 : 상태 판단부
80 : 메모리부
90 : 알람부

Claims (20)

  1. 블레이드의 변형율을 모멘트로 변환하는 단계;
    상기 블레이드의 설계 정보와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 기준치를 생성하는 단계; 및
    상기 모멘트를 상기 기준치와 비교하여 상기 블레이드의 상태를 판단하는 단계를 포함하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모멘트는 상기 블레이드의 재료 물성치 및 형상 특성치에 기초하여 변환되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기준치를 생성하는 단계는,
    상기 블레이드의 설계 정보에 기초하여 제1 기준치를 연산하는 단계;
    상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 제2 기준치를 연산하는 단계; 및
    상기 제1 기준치와 상기 제2 기준치를 결합하여 상기 기준치를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제1 기준치는 상기 블레이드의 설계 하중에 모델 파라미터가 반영되어 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제2 기준치를 연산하는 단계는,
    상기 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이를 연산하는 단계;
    상기 모멘트의 평균 및 상기 정상 구간의 길이에 기초하여 상기 제2 기준치를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 정상 구간의 길이를 연산하는 단계에서,
    상기 모멘트의 평균과 표준편차에는 이전시간까지 누적 연산된 평균과 표준편차에 현재시간의 평균과 표준편차가 반영되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 기준치를 연산하는 단계는,
    상기 변형율이 상기 블레이드의 압력면(Pressure Side) 또는 흡입면(Suction Side)에서 측정된 데이터이면, 풍력 터빈의 출력을 정격출력과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 풍력 터빈의 출력 변화 또는 상기 블레이드의 피치각 변화를 상기 모멘트의 통계 정보에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력 이하이면, 상기 모멘트의 통계 정보에 상기 풍력 터빈의 출력 변화가 반영되고,
    상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력보다 크면, 상기 모멘트의 통계 정보에 상기 블레이드의 피치각 변화가 반영되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기준치는 상기 블레이드의 주의상태를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태를 판단하기 위한 긴급기준치를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드의 상태가 상기 주의상태, 상기 경고상태 및 상기 긴급상태 중 어느 하나에 해당하는 경우, 상기 블레이드의 상태를 경보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 방법.
  11. 풍력 터빈 블레이드의 변형율을 모멘트로 변환하는 모멘트 변환부;
    상기 모멘트를 기준치와 비교하여 상기 블레이드의 상태를 판단하는 상태 판단부; 및
    상기 블레이드의 설계 정보와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 상기 기준치를 생성하는 기준치 생성부를 포함하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 모멘트 변환부는 상기 블레이드의 재료 물성치 및 형상 특성치에 기초하여 상기 변형율을 상기 모멘트로 변환하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 기준치 생성부는 상기 블레이드의 설계 정보에 기초하여 연산한 제1 기준치와 상기 모멘트의 통계 정보에 기초하여 연산한 제2 기준치를 결합하여 상기 기준치를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 기준치 생성부는 상기 블레이드의 설계 하중에 모델 파라미터를 반영하여 상기 제1 기준치를 연산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 기준치 생성부는 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 기초하여 정상 구간의 길이를 연산하고, 상기 모멘트의 평균 및 상기 정상 구간의 길이에 기초하여 상기 제2 기준치를 연산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 기준치 생성부는 상기 변형율이 상기 블레이드의 압력면(Pressure Side) 또는 흡입면(Suction Side)에서 측정된 데이터인 경우,
    상기 모멘트의 통계 정보에 상기 풍력 터빈의 출력 변화 또는 상기 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    풍력 터빈의 출력이 정격출력 이하이면, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 상기 풍력 터빈의 출력 변화가 반영되고,
    상기 풍력 터빈의 출력이 상기 정격출력보다 크면, 상기 모멘트의 평균과 표준편차에 상기 블레이드의 피치각 변화가 반영되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 기준치는 상기 블레이드의 주의상태를 판단하기 위한 주의기준치, 경고상태를 판단하기 위한 경고기준치 및 긴급상태를 판단하기 위한 긴급기준치를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 상태 판단부는
    상기 모멘트가 상기 주의기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 주의상태로 판단하고, 상기 모멘트가 상기 경고기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 경고상태로 판단하며, 상기 모멘트가 상기 긴급기준치를 벗어나면 상기 블레이드의 상태를 긴급상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 블레이드의 상태가 상기 주의상태, 상기 경고상태 및 상기 긴급상태 중 어느 하나에 해당하는 경우, 상기 블레이드의 상태를 경보하는 알람부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시 장치.
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