KR20220132847A - Prediction Method and Systems of Wind Turbine Load and Life-time Based On Vibration Data - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and a system for predicting the load and life-time of a wind turbine based on vibration, which predict the load and life-time of the wind turbine from vibration data. The present invention is to provide a load and life-time prediction system which can predict a load and a life-time through a learning model for estimating a load using a vibration sensor which can be relatively easily installed, instead of a conventional strain sensor which is used for estimating a load but is sensitive to electromagnetic noise and difficult to install. In addition, it is possible to prepare for repair and replacement times of parts through load prediction and to facilitate the operation of wind turbines and wind power generators. The present invention includes a collection step for collecting vibration data and load data, a modeling step for assuming a correlation between the collected vibration data and load data, a training step for increasing accuracy by inputting continuous vibration data and load data into the assumed model, and a prediction step for predicting a load or life-time using the trained model and the vibration data.

Description

진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법 및 시스템 {Prediction Method and Systems of Wind Turbine Load and Life-time Based On Vibration Data}{Prediction Method and Systems of Wind Turbine Load and Life-time Based On Vibration Data}

본 발명은 풍력터빈의 하중 및 수명을 예측하는 방법 및 시스템에 대한 것으로, 더 자세하게는 풍력발전기의 다양한 데이터를 수집하여 하중과 수명을 예측하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for predicting the load and lifespan of a wind turbine, and more particularly, to a method and system for predicting the load and lifespan by collecting various data of a wind turbine.

최근 지구온난화에 따른 지구환경문제에 대한 관심이 국제적으로 높아지고 있는 추세이다. 또한 2011년 3월 동일본 대지진으로 후쿠시마 원자력발전소의 파괴로 인한, 방사능이 유출되면서 원자력 발전소의 안전성에 대한 우려감이 증폭되고 있으며, 우리나라에서도 원자력 발전소 가동이 일시 중단되는 사태가 반복되면서 원자력발전소에 대한 안전성의 논란 등 많은 이슈가 발생되고 있다. Recently, interest in global environmental problems due to global warming is increasing internationally. In addition, concerns about the safety of nuclear power plants have been amplified as radioactivity leaked due to the destruction of the Fukushima nuclear power plant in the Great East Japan Earthquake in March 2011. There are many issues such as controversy.

이에 따른 신재생에너지인 풍력발전과 태양에너지 등이 크게 대두되고 있으며, 이와 더불어 최근에는 대규모 에너지 생산을 위한 풍력터빈의 대형화 및 해상 풍력 발전단지 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 지구온난화에 따른 초대형 태풍 및 돌풍 등에 의해 풍력터빈 타워의 전도 피해도 빈번하게 발생되고 있다. 더욱이 해상 풍력 발전 단지와 같이 해상에 위치하고 있는 해상풍력터빈 타워의 경우, 다른 화력이나 원자력 발전 설비와는 달리 발전용량 대비 다수의 설비가 널리 분포되어 있고, 유지보수를 위한 작업 수행 시 기상 상태에 따른 접근성 부품 및 방비 수급 작업인원 등에 영향을 받기 때문에 관리가 쉽지 않은 설비이다. 이상 발생 시에는 기상 조건 및 해황에 따라 접근의 제약이 발생할 수 있어, 막대한 비용손실과 더불어 2차적인 피해를 야기 시킬 수 있기 때문에 모니터링 시스템을 통한 효율적인 유지관리 시스템이 일반화 되어 있다. 종래의 모니터링 시스템은 주요부품의 상태변화를 감지하여 알람 및 경고해주는 방법으로 주요 부품위주의 상태변화를 감지하고 있다. As a result, wind power generation and solar energy, which are new and renewable energies, are on the rise, and in recent years, research for the enlargement of wind turbines for large-scale energy production and the development of offshore wind power generation complexes are being actively conducted. However, overturning damage to wind turbine towers is also frequently occurring due to super-large typhoons and gusts caused by global warming. Moreover, in the case of offshore wind turbine towers located in the sea, such as offshore wind farms, unlike other thermal power or nuclear power generation facilities, a large number of facilities are widely distributed compared to power generation capacity, and when performing maintenance work, It is a facility that is not easy to manage because it is affected by accessibility parts, supply, supply, and the number of workers. In the event of an abnormality, access restrictions may occur depending on weather conditions and sea conditions, which may cause secondary damage as well as huge cost losses. A conventional monitoring system detects a change in state of a main part by detecting a change in state of the main part to provide an alarm and a warning.

풍력터빈은 제한 하중에서 영구변형이 일어나거나 극한 하중에서 파손이 없어야 한다. 이를 검증하기 위해서 구조시험을 수행하는데, 변형률(strain)을 측정하여 풍력터빈의 구조 안정성을 검증한다. 이 때 변형률을 측정하기 위해 사용되는 센서가 스트레인 게이지(strain gauge)이다. 센서로 측정된 신호는 리드 선을 통해 전달되는데 전달된 신호는 레벨이 매우 낮아 증폭기에 의해 증폭된다. 신호레벨이 낮음에도 불구하고 이들 신호는 리드선의 정전기장(전계)과 전자기장(자계)에 의한 노이즈의 침투로 측정신호의 부정확성을 가져오는 문제가 발생한다. 또한, 측정 시스템 구성 시 결선량이 많고, 협소한 위치에 설치되어 지속적인 측정 시스템 운영에 난점이 있다.Wind turbines must not undergo permanent deformation under limit loads or breakage under extreme loads. To verify this, a structural test is performed, and the structural stability of the wind turbine is verified by measuring the strain. At this time, the sensor used to measure the strain is a strain gauge. The signal measured by the sensor is transmitted through the lead wire, and the transmitted signal has a very low level and is amplified by the amplifier. Although the signal level is low, these signals have a problem of causing inaccuracy in the measurement signal due to the penetration of noise by the electrostatic field (electric field) and electromagnetic field (magnetic field) of the lead wire. In addition, there is a lot of wiring when configuring the measurement system, and it is installed in a narrow location, so it is difficult to continuously operate the measurement system.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상대적으로 설치 및 유지보수가 용이한 진동 데이터로부터 변형률 센서로 측정 된 데이터를 예측 또는 모델링 하여 풍력터빈 주요 구성요소의 하중 및 수명을 추정하는 방법 및 시스템을 제공함에 있다. 이를 기반으로 한 상태감시시스템은 풍력터빈의 기계 부품 상태 감시 및 진단하도록 한다.The present invention has been devised to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to predict or model data measured by a strain sensor from vibration data, which is relatively easy to install and maintain, To provide a method and system for estimating load and life. The condition monitoring system based on this monitors and diagnoses the condition of mechanical parts of the wind turbine.

특히, 해상 풍력발전은 고장 발생 시 풍속과 파고에 따른 풍력 발전기 접근에 제약이 있어서 조기에 부품고장을 감지하고, 중대 사고를 예방하기 위한 정비계획을 수립하는 것을 유지보수 비용 절감을 위해 필수적이다. In particular, offshore wind power generation has restrictions on access to wind power generators according to wind speed and wave height when a failure occurs, so it is essential to detect component failures early and establish a maintenance plan to prevent serious accidents in order to reduce maintenance costs.

본 발명은 운전 데이터를 기반으로 시스템 응답인 진동데이터와 하중데이터를 수집하는 수집단계, 수집단계 이후, 수집된 진동데이터와 하중데이터의 상관관계를 가정하는 모델링단계, 모델링단계 이후, 가정된 모델에 지속적인 진동데이터와 하중데이터를 주입하여 정확성을 높이는 학습하는 학습단계, 및 학습단계 이후, 학습된 모델과 진동데이터를 이용하여 하중 또는 수명을 예측하는 예측단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a collection step of collecting vibration data and load data, which are system responses, based on operating data, a modeling step assuming a correlation between the collected vibration data and load data after the collection step, and a modeling step, after the assumed model. It is characterized in that it comprises a learning step of learning to increase accuracy by injecting continuous vibration data and load data, and a prediction step of predicting load or life using the learned model and vibration data after the learning step.

또한, 상기 수집단계는 진동에 영향을 주는 온도, 대기압 및 풍속을 포함하는 환경요소를 측정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the collecting step is characterized in that the measurement of environmental factors including temperature, atmospheric pressure and wind speed affecting the vibration.

또한, 상기 모델링 단계는 수집된 상기 환경요인으로 인해 진동 및 하중 변화를 가정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the modeling step is characterized in that the vibration and load change due to the collected environmental factors are assumed.

또한, 상기 예측단계 후, 상기 예측된 하중을 통해 풍력발전기를 운영하는 운영단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the prediction step, it characterized in that it further comprises an operation step of operating the wind power generator through the predicted load.

또한, 상기 운영단계는 서로 다른 위치에 설치된 풍력터빈으로부터 진동데이터를 수집하여 유지보수 계획을 세우는 것을 특징으로 한다.In addition, the operation step is characterized in that the maintenance plan by collecting vibration data from wind turbines installed in different locations.

또한, 상기 운영단계는 고장관련 누적자료를 통해 정비 주기 및 경향을 분석하고, 실시간 피로도 분석을 통해 피로에 의한 고장예측을 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the operation step is characterized in that the maintenance cycle and trend are analyzed through the accumulated failure-related data, and failure prediction due to fatigue is performed through the real-time fatigue analysis.

또한, 상기 풍력터빈을 진동을 측정하는 진동센서, 상기 풍력터빈의 하중을 측정하는 변형률 센서를 포함하는 수집부, 상기 수집부에서 수집된 데이터는 진동 데이터로 하중을 추정하는 예측 모델 및 학습모듈을 포함하는 메인 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a vibration sensor for measuring the vibration of the wind turbine, a collection unit including a strain sensor for measuring the load of the wind turbine, the data collected in the collection unit is a predictive model and a learning module for estimating the load with the vibration data It is characterized in that it includes a main server that includes.

또한, 상기 수집부는 상기 풍력터빈의 진동에 영향을 주는 풍속계, 대기압계 및 온습도계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the collection unit is characterized in that it further comprises an anemometer, an atmospheric pressure gauge and a thermo-hygrometer that affects the vibration of the wind turbine.

또한, 상기 예측모델은 풍속, 대기압 및 온습도에 따른 진동 변화를 보정하여 하중을 예측하는 것을 특징으로 한다.In addition, the prediction model is characterized in that the load is predicted by correcting the vibration change according to wind speed, atmospheric pressure, and temperature and humidity.

또한, 상기 풍력터빈은 블레이드의 회전을 통해 전력을 생산하는 발전기, 상기 블레이드의 회전속도를 올려 상기 발전기에 동력을 전달하는 증속기, 상기 블레이드와 상기 증속기 사이에 위치하며 축을 일정한 위치에 고정하고 하중을 지지하면서 회전하는 주베어링, 및 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하며 회전 동력을 전달하는 커플링, 전체 구조를 지지하는 타워와 해상풍력의 경우 하부구조를 포함하고 있으며, 상기 진동센서가 상기 풍력터빈의 구성요소 표면에 부착되는 것을 특징으로 한다.In addition, the wind turbine is a generator that generates power through the rotation of the blades, a gearbox that increases the rotational speed of the blades to transmit power to the generator, and is positioned between the blades and the speedup and fixes the shaft at a fixed position, It includes a main bearing rotating while supporting a load, a coupling positioned between the gearbox and the generator and transmitting rotational power, a tower supporting the entire structure, and a substructure in the case of offshore wind power, wherein the vibration sensor is It is characterized in that it is attached to the component surface of the wind turbine.

본 발명에 의하면 변형률 센서보다 상대적으로 설치하기 용이한 진동데이터로 하중을 예측할 수 있다.According to the present invention, the load can be predicted using vibration data that is relatively easier to install than the strain sensor.

또한, 예측된 데이터를 통해 유지 보수 및 수명예측이 가능하다.In addition, maintenance and life prediction are possible through predicted data.

또한, 다수의 풍력발전기가 설치된 풍력단지의 운영계획 수립에 용이하다.In addition, it is easy to establish an operation plan for a wind farm in which a plurality of wind power generators are installed.

또한, 풍력터빈 뿐 아니라 진동이 발생되는 부품에도 적용이 가능하다.In addition, it can be applied not only to wind turbines but also to parts that generate vibration.

도 1은 본 발명의 순서도
도 2는 본 발명의 블록도
도 3은 본 발명의 수집단계 블록도
도 4는 본 발명의 센서 위치도
도 5는 본 발명의 운영 순서도
도 6은 풍력터빈 운영 블록도
도 7은 풍력터빈 운영 흐름도
1 is a flowchart of the present invention;
2 is a block diagram of the present invention;
3 is a block diagram of the collection step of the present invention;
4 is a position diagram of the sensor of the present invention;
5 is an operational flowchart of the present invention;
6 is a wind turbine operation block diagram
7 is a wind turbine operation flow chart

앞서 설명한 바와 같이 종래의 풍력터빈의 하중 및 수명 예측은 스트레인 게이지를 장착하여 하중 및 수명을 예측하였으나, 스트레인 게이지가 전자기적 노이즈에 민감하여 설치에 어려운 문제가 있다. 본 발명은 상대적으로 설치가 용이한 진동센서를 이용하여 풍력터빈의 하중 및 수명을 추정하고자 한다.As described above, in the conventional wind turbine load and life prediction, the load and lifespan are predicted by installing a strain gauge, but the strain gauge is sensitive to electromagnetic noise, so it is difficult to install. An object of the present invention is to estimate the load and lifespan of a wind turbine using a vibration sensor that is relatively easy to install.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 대한 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법 및 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a vibration-based wind turbine load and life prediction method and system according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[1] 본 발명의 하중예측방법[1] Load prediction method of the present invention

먼저, 도 1은 본 발명의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 진동을 기반으로 한 풍력터빈의 하중 및 수명 예측을 단계별로 도시하였다. 먼저, 수집단계(S1)는 실제 운전데이터를 기반으로 시스템 응답인 진동데이터와 하중데이터를 동시에 측정하는 단계이다. 수집단계(S1) 이후에 수행되는 모델링단계(S2)는 수집된 진동데이터와 하중데이터의 상관관계를 통해 학습 모델을 만드는 단계이다. 모델링 단계(S2) 이후, 학습단계(S3)는 지속적인 진동데이터와 하중데이터를 주입하여 모델을 완성하는 단계이다. 학습단계(S3) 이후, 진동데이터를 학습된 모델에 주입 시 하중 및 수명을 추정하는 예측단계(S4)를 통해 풍력터빈의 하중 및 수명이 예측된다.First, Figure 1 is a flowchart of the present invention. Referring to FIG. 1 , the load and lifetime prediction of a wind turbine based on vibration are shown in stages. First, the collection step (S1) is a step of simultaneously measuring the system response vibration data and load data based on the actual operation data. The modeling step (S2) performed after the collection step (S1) is a step of creating a learning model through the correlation between the collected vibration data and the load data. After the modeling step (S2), the learning step (S3) is a step of completing the model by injecting continuous vibration data and load data. After the learning step (S3), the load and lifespan of the wind turbine are predicted through the prediction step (S4) of estimating the load and lifespan when the vibration data is injected into the learned model.

이때, 수집 단계(S1)는 풍력터빈에 부착된 진동센서로 진동데이터를 수집하며, 하중데이터는 스트레인 게이지 센서를 이용하여 진동에 영향을 주는 요소를 동시에 측정할 수 있다. 이 때 측정변수는 풍력터빈의 상태를 진단하기 위한 것으로서 사용자에 의해 결정될 수 있다. 측정되는 요소는 풍력터빈의 부품 및 위치에 따라 독립적으로 설치된 복수 개의 센서로부터 측정된 진동, 온도, 전압, 전류, 회전수, 소음, 대기압 등과 같은 값들이나, 풍력터빈을 포함하는 풍력발전기에 입력되는 풍속, 풍향 등과 같은 값들도 포함될 수 있다.In this case, in the collection step (S1), vibration data is collected by a vibration sensor attached to the wind turbine, and the load data can be simultaneously measured by a factor affecting vibration using a strain gauge sensor. At this time, the measurement variable is for diagnosing the state of the wind turbine and may be determined by the user. Measured elements are values such as vibration, temperature, voltage, current, rotation speed, noise, atmospheric pressure, etc. measured from a plurality of sensors independently installed according to the parts and positions of the wind turbine, or input to the wind turbine including the wind turbine. Values such as wind speed, wind direction, etc. may also be included.

모델링 단계(S2)는 수집된 데이터로부터 풍력터빈에 포함되는 부품별로 예측모델이 구축된다. 수집단계(S1)에서 얻어진 데이터를 통해 진동데이터와 하중데이터 간의 관계를 기반으로 이루어진다. 예를 들어, 하중 변화에 따른 진동 변화를 수집하여 하중 측정값을 a1로 하고, a1 측정 시 측정된 진동 측정값을 b1이라 할 때, 서로 대응되도록 모델링하게 된다.In the modeling step (S2), a predictive model is built for each part included in the wind turbine from the collected data. It is made based on the relationship between the vibration data and the load data through the data obtained in the collection step (S1). For example, when the vibration change according to the load change is collected and the load measured value is a1, and the vibration measured value measured when a1 is measured is b1, it is modeled to correspond to each other.

데이터 학습단계(S3)은 모델링 단계(S2)에서 생성된 모델은 다수의 부품으로부터 수집된 데이터를 지속적으로 습득하여 진동과 하중간의 관계를 수정된다. 또한, 측정된 진동에 영향을 주는 온도, 풍속, 소음, 대기압, 회전수 등과 같은 요소들을 추가로 고려하여 모델을 수정하게 된다. 예를 들어, 평균 4m/s의 풍속을 가진 환경에 설치된 발전기A는 하중 측정값이 a1일 때 진동값이 b1으로 측정되었으나, 평균 6m/s의 풍속을 가진 환경에 설치된 발전기B는 하중 측정값이 a1일 때, 진동값이 b2로 측정될 수 있다. 이는 풍속에 따라 발전기의 타워에서 발생된 진동이 터빈으로 이어져 각 부품에 부착된 진동센서가 영향을 받을 수 있기 때문이다. 풍속과 마찬가지로 진동 및 하중 간의 관계에 회전수, 소음 등의 요소들이 작용하므로 이러한 요소들도 고려하여 학습이 이루어진다.In the data learning step (S3), the model generated in the modeling step (S2) continuously acquires data collected from a plurality of parts to correct the relationship between vibration and load. In addition, the model is modified by additionally considering factors such as temperature, wind speed, noise, atmospheric pressure, and rotation speed that affect the measured vibration. For example, generator A installed in an environment with an average wind speed of 4 m/s had a vibration value of b1 when the load measurement value was a1, but generator B installed in an environment with an average wind speed of 6 m/s had a load measurement value. When this a1, the vibration value can be measured as b2. This is because, depending on the wind speed, the vibration generated from the tower of the generator may lead to the turbine, and the vibration sensor attached to each part may be affected. Like wind speed, factors such as rotation speed and noise act on the relationship between vibration and load.

예측단계(S4)는 풍력터빈의 운용을 통해 진동데이터가 측정되어 예측모델에 입력되고 진동데이터로부터 부품별 예측 하중 또는 수명이 산출된다. 예를 들면 100Hz 까지 진동 측정치를 1차 가공하여 진동지표 (RMS, 특성 주파수 별 진동크기)로 변환하고, 이를 진동에 영향을 주는 온도, 풍속, 대기압, 회전수로 분류하고, 이를 예측 모델에 입력하여 예측하중 또는 수명을 산출한다. 예측단계는 하나의 부품에 대하여 얻어지는 측정변수 만을 이용하여 상태를 예측하는 것이 아니라 다양한 측정값을 고려하여 상태를 판단한다.In the prediction step (S4), vibration data is measured through the operation of the wind turbine and input to the prediction model, and the predicted load or lifespan of each part is calculated from the vibration data. For example, the vibration measurement value up to 100Hz is first processed and converted into a vibration index (RMS, vibration magnitude for each characteristic frequency), and it is classified into temperature, wind speed, atmospheric pressure, and rotation speed that affect vibration, and input this into the prediction model. to calculate the predicted load or life. In the prediction step, the state is determined by considering various measured values, rather than predicting the state using only the measured variables obtained for one part.

이미 운영되고 있는 풍력터빈의 수명을 예측하기 위해, 개발 된 하중예측 모델에 과거 진동 및 운전 데이터를 입력하여 과거부터 현재까지 누적 하중(Lc)를 예측한다. ny년 nM월 nd일 nh시 nm분 동안 운전한 풍력터빈에 대한 누적 된 하중을 예측한다면, 연/월/일/시/분 단위 평균 하중은 다음과 같다. 단, 풍력터빈 운전 시작부터 누적하중 평가 해당일 까지 지난 개월 수는 Mt, 일 수는 Dt, 지난 시간은 Ht, 지난 분은 mt 이다.In order to predict the lifespan of a wind turbine that is already in operation, the accumulated load (Lc) from the past to the present is predicted by inputting historical vibration and operation data into the developed load prediction model. If the accumulated load on the wind turbine operated for nh hour and nm minute on nM month nd day of ny year ny is predicted, the average load in units of year/month/day/hour/minute is as follows. However, from the start of wind turbine operation to the date of cumulative load evaluation, the number of months is Mt, the number of days is Dt, the past hour is Ht, and the last minute is mt.

연 단위 평균 하중 (Ly)Average annual load (Ly)

= Lc / (ny + nM/12 + nd/365 + nh/365/24 + nm/365/24/60) = Lc / (ny + nM/12 + nd/365 + nh/365/24 + nm/365/24/60)

= Lc / Yt = Lc / Yt

월 단위 평균 하중 (LM) = Lc / MtAverage load per month (LM) = Lc/Mt

일 단위 평균 하중 (Ld) = Lc / DtAverage daily load (Ld) = Lc/Dt

시 단위 평균 하중 (Lh) = Lc / HtAverage load per hour (Lh) = Lc / Ht

분 단위 평균 하중 (Lm) = Lc / mtAverage load in minutes (Lm) = Lc/mt

각 평균 하중으로부터, 여유 하중은 Lr은 다음과 같이 산정 할 수 있다.From each average load, the extra load Lr can be calculated as follows.

1) 풍력터빈의 설계수명을 Y년으로 본다면, (Y-Yt) * Ly1) If the design life of a wind turbine is Y years, (Y-Yt) * Ly

2) 풍력터빈의 설계수명을 M개월로 본다면, (M-Mt) * LM2) If the design life of a wind turbine is M months, (M-Mt) * LM

3) 풍력터빈의 설계수명을 D일로 본다면, (D-Dt) * Ld3) If the design life of a wind turbine is D days, (D-Dt) * Ld

4) 설계수명을 h시간으로 본다면, (h-Ht) * Lh4) If the design life is considered as h hours, (h-Ht) * Lh

5) 설계수명을 m분으로 본다면, (m-mt) * Lm5) Considering the design life in m minutes, (m-mt) * Lm

여유 하중이 확보 된 후, 풍력터빈의 진동 데이터를 지속적으로 취득하여 하중을 예측하면, 잔여 기대수명은 다음과 같이 추정한다.After the excess load is secured, if the vibration data of the wind turbine is continuously acquired and the load is predicted, the remaining life expectancy is estimated as follows.

( Lr ?? Ln ) / Lr * 100 ( Lr ?? Ln ) / Lr * 100

단, Ln은 여유 하중 추정 이 후 풍력터빈에 작용 된 누적 하중이다.However, Ln is the cumulative load applied to the wind turbine after the extra load was estimated.

도 2는 본 발명의 블록도이다. 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측 방법을 이용한 진동 기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템을 설명하도록 한다. 풍력터빈은 블레이드, 타워, 및 하부구조에서 발생하는 진동에 영향을 받기에 블레이드를 포함하도록 한다. 도 2를 참고하면, 풍력발전기(100)는 바람에 의해 회전하는 블레이드(120), 블레이드(120)에 의해 에너지를 생성하는 터빈(130), 터빈(130)을 일정한 속도로 회전하도록 제어하는 제어부(110), 및 외부와 송수신이 가능한 통신 모듈(140)이 포함되어 있으며, 풍력발전기(100)의 기반인 타워(150)와 하부구조(160)가 포함되어 있다. 부품에는 모델링에 필요한 데이터를 수집하기 위한 수집부(170)가 추가적으로 포함되어 있다. 수집부(170)에는 외부 환경 조건을 수집하기 위한 기상센서(171), 모델링의 데이터가 되는 변형률 센서(172)와 진동센서(173), 소음 센서(174) 및 온도센서(175)가 있다. 2 is a block diagram of the present invention. A vibration-based wind turbine load and life prediction system using a vibration-based wind turbine load and life prediction method will be described. Wind turbines include blades because they are affected by vibrations generated by blades, towers, and substructures. Referring to FIG. 2 , the wind power generator 100 includes a blade 120 rotating by wind, a turbine 130 generating energy by the blade 120 , and a control unit controlling the turbine 130 to rotate at a constant speed. 110 , and a communication module 140 capable of transmitting and receiving with the outside is included, and the tower 150 and the substructure 160 that are the base of the wind power generator 100 are included. The part additionally includes a collection unit 170 for collecting data required for modeling. The collection unit 170 includes a weather sensor 171 for collecting external environmental conditions, a strain sensor 172 and a vibration sensor 173 serving as modeling data, a noise sensor 174 and a temperature sensor 175 .

이때, 수집된 데이터는 메인서버(200)에 저장이 되며, 메인서버(200)는 예측모델(210), 학습모듈(220), 및 데이터베이스(230) 포함한다. 수집부(150)에서 측정된 데이터는 메인서버(200)에 축적된다. 축적된 데이터는 예측모델(210)과 학습모듈(220)에 의해 진동데이터로 하중을 추정한다.At this time, the collected data is stored in the main server 200 , and the main server 200 includes a predictive model 210 , a learning module 220 , and a database 230 . The data measured by the collecting unit 150 is accumulated in the main server 200 . The accumulated data estimates the load as vibration data by the prediction model 210 and the learning module 220 .

도 3은 본 발명의 풍력발전기 블록도이다. 도 3을 참고하면, 풍력발전기(100)는 바람의 에너지에 의해 회전하는 블레이드(120)와 블레이드를 통해 전기를 발전하는 터빈(130), 블레이드의 각도 및 발전에 필요한 부품을 제어하는 제어부(110), 중앙 서버와 연결되는 통신모듈(140), 풍력발전기(100)의 기반인 타워(150)와 하부구조(160)가 포함되어 있다. 그 중 풍력터빈의 하중예측을 위한 수집부(170)가 포함되며, 수집부(170)는 외부 환경 조건을 수집하기 위한 기상센서(171), 하중을 측정하는 변형률센서(172), 본 발명의 베이스가 되는 진동센서(173), 풍력터빈의 진동에 영향을 주는 소음센서(174), 풍속계 및 온도센서(175)가 부착되어 있다.3 is a block diagram of a wind power generator of the present invention. Referring to FIG. 3 , the wind power generator 100 includes a blade 120 rotating by wind energy, a turbine 130 generating electricity through the blade, and a controller 110 controlling the angle of the blade and parts necessary for power generation. ), the communication module 140 connected to the central server, the tower 150 and the substructure 160 that are the base of the wind power generator 100 are included. Among them, the collecting unit 170 for predicting the load of the wind turbine is included, and the collecting unit 170 includes the weather sensor 171 for collecting external environmental conditions, the strain sensor 172 for measuring the load, and the present invention. A vibration sensor 173 serving as a base, a noise sensor 174 affecting the vibration of the wind turbine, an anemometer and a temperature sensor 175 are attached.

이때, 수집부(170)는 실제 운전데이터를 기반으로 진동데이터와 하중데이터를 동시에 측정이 진행되며, 하중 측정은 스트레인 게이지를 이용하여 측정될 수 있다. 수집부(170)는 풍력터빈의 진동에 영향을 주는 풍속 및 온습도 등의 환경요소를 측정하도록 추가로 센서가 설치된다.At this time, the collection unit 170 simultaneously measures the vibration data and the load data based on the actual operation data, and the load measurement may be measured using a strain gauge. In the collection unit 170, a sensor is additionally installed to measure environmental factors such as wind speed and temperature and humidity that affect the vibration of the wind turbine.

도 4는 풍력터빈의 진동 상태를 감시하기 위한 센서들의 위치를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 블레이드(120)에 연결된 주베어링(131)과 증속기(132)는 블레이드(120)의 회전 속도를 발전기(134)의 발전에 적합한 회전 속도로 회전 할 수 있도록 증속시키는 역할을 수행한다. 증속기(132)는 통상의 풍력터빈에서 사용되는 증속기를 이용할 수 있다. 한편, 증속기(132)는 기어에 열처리를 수행하여 진동이 발생하지 않는 중속기와 열처리를 수행하지 않아 진동이 발생하는 증속기로 구성되어 풍력터빈의 데이터를 구분하여 수집하도록 한다. 증속기(132)와 연결된 커플링(133)에 의해 발전기(134)에 에너지가 전달되어진다. 발전기(134)는 풍력터빈에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 역할을 한다. 블레이드(120)에서부터 발전기(134)까지 에너지를 전달될 때 각 부품에서 진동이 발생된다. 각 부품의 하중을 예측하기 위하여 다수의 센서(S)가 부착되어지며 수평 또는 수직으로 부착되어 진동을 측정한다. 진동상태를 감시하기 위하여 속도의 변화를 검출할 수 있는 복수개의 가속도 센서와 물체의 회전수를 측정할 수 있는 레이저 타코미터가 설치된다. 부착된 센서를 통해 진동 데이터를 수집하고 학습모델을 만들어 하중 및 수명을 추정하도록 하며, 풍력터빈의 유지보수에 도움이 되도록 한다.4 is a view showing the positions of the sensors for monitoring the vibration state of the wind turbine. Referring to FIG. 4 , the main bearing 131 and the speed increaser 132 connected to the blade 120 increase the rotation speed of the blade 120 so as to rotate to a rotation speed suitable for power generation of the generator 134 . carry out The gearbox 132 may use a gearbox used in a typical wind turbine. On the other hand, the gearbox 132 is configured as a medium speed gearbox that does not generate vibration by performing heat treatment on the gear and a gearbox that generates vibrations because heat treatment is not performed, so that the data of the wind turbine is collected separately. Energy is transmitted to the generator 134 by the coupling 133 connected to the speed increaser 132 . The generator 134 serves to convert the rotational force generated by the wind turbine into electrical energy. When energy is transferred from the blade 120 to the generator 134, vibration is generated in each component. In order to predict the load of each part, a number of sensors (S) are attached and are attached horizontally or vertically to measure the vibration. In order to monitor the vibration state, a plurality of acceleration sensors capable of detecting a change in speed and a laser tachometer capable of measuring the rotational speed of an object are installed. It collects vibration data through the attached sensor and makes a learning model to estimate the load and lifespan, and to help with the maintenance of the wind turbine.

추가적으로 풍력터빈은 블레이드(120)의 진동으로부터 직접적인 영향을 받으므로, 블레이드(120)에 센서를 부착하여 블레이드의 이상 진동 발생시, 풍력터빈의 진동데이터에서 배제할 수 있다.Additionally, since the wind turbine is directly affected by the vibration of the blade 120 , when a sensor is attached to the blade 120 to generate abnormal vibration of the blade, it can be excluded from the vibration data of the wind turbine.

[2] 본 발명을 이용한 운영방법 예[2] Example of operation method using the present invention

도 5는 본 발명의 운영단계를 포함하는 순서도이다. 도 5를 참고하면, 진동을 기반으로 한 풍력터빈의 하중예측을 단계별로 도시하였다. 실제 운전데이터를 기반으로 시스템 응답인 진동데이터와 하중데이터를 동시에 측정하는 수집단계(S1), 수집단계(S1) 이후, 수집된 진동데이터와 하중데이터의 상관관계를 통해 학습 모델을 만드는 모델링 단계(S2), 모델링 단계(S2) 이후, 지속적인 진동데이터와 하중데이터를 주입하여 모델을 완성하는 학습단계(S3), 학습단계(S3) 이후, 진동데이터를 학습된 모델에 주입 시 하중 및 수명을 추정하는 예측단계(S4)를 통해 풍력터빈의 하중 및 수명이 예측된다. 예측된 하중데이터를 기반으로 풍력터빈 및 풍력 발전 단지 운영하는 운영단계(S5)를 포함한다.5 is a flowchart including operating steps of the present invention. Referring to FIG. 5 , the load prediction of the wind turbine based on vibration is illustrated in stages. After the collection step (S1) of simultaneously measuring the system response vibration data and load data based on the actual operation data, the modeling step (S1) to create a learning model through the correlation between the collected vibration data and load data ( After the modeling step (S2), the learning step (S3) to complete the model by injecting continuous vibration data and load data after the modeling step (S2), after the learning step (S3), the load and lifespan are estimated when the vibration data is injected into the learned model The load and life of the wind turbine are predicted through the prediction step (S4). It includes an operation step (S5) of operating a wind turbine and a wind power plant based on the predicted load data.

운영단계에서는 예측된 하중 및 수명을 통해 풍력터빈을 평가하게 되는데 풍력단지에서 개별 풍력터빈의 수명 평가는 풍력터빈 운영을 통한 유지보수 및 repowering 계획 수립에 반드시 필요하다.In the operation stage, the wind turbine is evaluated based on the predicted load and lifespan. In a wind farm, the evaluation of the lifespan of an individual wind turbine is essential for the establishment of a maintenance and repowering plan through the operation of the wind turbine.

도 6은 본 발명을 통한 풍력터빈 운영 블록도이다. 도 4를 참고하면, 각기 다른 위치에 설치된 다수의 풍력터빈은 부착된 센서로부터 진동데이터와 하중데이터가 수집되며, 통신모듈을 통해 다수의 데이터를 메인서버에 축적한다. 학습모델이 메인서버에 축적된 데이터를 학습하고, 학습된 모델에 진동데이터를 입력하면 하중 및 수명을 예측하도록 한다. 예측된 하중데이터를 종합하여 풍력터빈 뿐 아니라 풍력발전기 유지보수에 도움이 된다. 이때, 입력되는 진동 데이터는 데이터베이스 내에 있는 진동 데이터가 주입될 수 있다.6 is a block diagram of a wind turbine operation according to the present invention. Referring to FIG. 4 , a plurality of wind turbines installed at different locations collects vibration data and load data from attached sensors, and accumulates a plurality of data in the main server through a communication module. The learning model learns the data accumulated in the main server, and when vibration data is input to the learned model, the load and lifespan are predicted. By synthesizing the predicted load data, it is helpful for wind turbine maintenance as well as wind turbine maintenance. At this time, the input vibration data may be injected vibration data in the database.

도 7은 풍력터빈 운영단계 순서도이다. 도 7을 참고하면, 시스템운영자는 분석대상 시스템에 진동, 온도, 습도 및 피로도 센서를 통해 풍력터빈의 상태를 감시하며, 고장관련 자료를 수집하여 분류한다. 분류된 자료 중 누적자료는 정비주기 및 경향을 분석하는데 이용되며, 실시간으로 피로도를 분석하는 자료는 온습도 및 진동 피로에 따른 고장예측을 해석에 이용된다. 다음 고장 및 정비시점을 예측하여 시스템운영자에게 피드백 하여 효율적으로 운영계획을 수행할 수 있도록 한다.7 is a flowchart of a wind turbine operation step. Referring to FIG. 7 , the system operator monitors the state of the wind turbine through vibration, temperature, humidity, and fatigue sensors in the system to be analyzed, and collects and classifies failure-related data. Among the classified data, the accumulated data is used to analyze the maintenance cycle and trends, and the data to analyze the fatigue in real time is used to analyze the failure prediction according to temperature and humidity and vibration fatigue. It predicts the next failure and maintenance time and provides feedback to the system operator so that the operation plan can be efficiently performed.

이때, 센서는 풍력터빈 뿐 아니라 회전익, 타워, 하부구조 등에 설치되어 하중을 추정하며, 각 구조의 수명을 평가한다. At this time, the sensor is installed not only on the wind turbine but also on the rotor blade, tower, substructure, etc. to estimate the load and evaluate the lifespan of each structure.

본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is varied, and anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims It goes without saying that various modifications are possible.

100 : 풍력발전기
110 : 제어부 120 : 블레이드 130 : 터빈
131 : 주베어링 132 : 증속기 133 : 커플링
134 : 발전기
140 : 통신모듈 150 : 타워 160 : 하부구조
170 : 수집부
171: 기상센서 (풍속/풍향/대기압/습도) 172 : 변형률센서
173 : 진동센서 174 : 소음센서 175 : 온도센서
220 : 메인 서버
230 : 예측모델 240 : 학습모듈 250 : 데이터베이스
100: wind generator
110: control unit 120: blade 130: turbine
131: main bearing 132: gearbox 133: coupling
134: generator
140: communication module 150: tower 160: substructure
170: collection unit
171: weather sensor (wind speed/wind direction/atmospheric pressure/humidity) 172: strain sensor
173: vibration sensor 174: noise sensor 175: temperature sensor
220: main server
230: predictive model 240: learning module 250: database

Claims (10)

운전 데이터를 기반으로 시스템 응답인 진동데이터와 하중데이터를 수집하는 수집단계;
수집단계 이후, 수집된 진동데이터와 하중데이터의 상관관계를 가정하는 모델링단계;
모델링단계 이후, 가정된 모델에 지속적인 진동데이터와 하중데이터를 주입하여 정확성을 높이는 학습하는 학습단계; 및
학습단계 이후, 학습된 모델과 진동데이터를 이용하여 하중 및 수명을 예측하는 예측단계;
를 포함하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
a collection step of collecting vibration data and load data that are system responses based on the driving data;
After the collection step, a modeling step of assuming a correlation between the collected vibration data and load data;
a learning step of learning to increase accuracy by continuously injecting vibration data and load data into the assumed model after the modeling step; and
After the learning step, a prediction step of predicting load and life using the learned model and vibration data;
Vibration-based wind turbine load and life prediction method comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 수집단계는 진동에 영향을 주는 온도, 대기압 및 풍속을 포함하는 환경요소를 측정하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
The method of claim 1,
The collecting step is a vibration-based wind turbine load and life prediction method, characterized in that for measuring environmental factors including temperature, atmospheric pressure, and wind speed affecting the vibration.
제 2항에 있어서,
상기 모델링 단계는 수집된 상기 환경요소로부터 진동 및 하중 변화를 가정하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
3. The method of claim 2,
The modeling step is a vibration-based wind turbine load and life prediction method, characterized in that assuming vibration and load changes from the collected environmental factors.
제 1항에 있어서,
상기 예측단계 이후, 상기 예측된 하중을 통해 풍력발전기를 운영하는 운영단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
The method of claim 1,
After the prediction step, the vibration-based wind turbine load and life prediction method, characterized in that it further comprises an operating step of operating the wind power generator through the predicted load.
제 4항에 있어서,
상기 운영단계는 서로 다른 위치에 설치된 풍력터빈으로부터 진동데이터를 수집하여 유지보수 계획을 세우는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
5. The method of claim 4,
The operation step is a vibration-based wind turbine load and life prediction method, characterized in that the maintenance plan by collecting vibration data from wind turbines installed in different locations.
제 4항에 있어서,
상기 운영단계는 고장관련 누적자료를 통해 정비 주기 및 경향을 분석하고, 실시간 피로도 분석을 통해 피로에 의한 고장예측을 하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법.
5. The method of claim 4,
The operation step is a vibration-based wind turbine load and lifespan prediction method, characterized in that the maintenance cycle and trend are analyzed through the accumulated failure-related data, and the failure prediction due to fatigue is performed through real-time fatigue analysis.
제 1항 내지 제 6항의 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측방법을 이용한 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템에 있어서,
상기 풍력터빈을 진동을 측정하는 진동센서,
상기 풍력터빈의 하중을 측정하는 변형률 센서를 포함하는 수집부; 및
상기 수집부에서 수집된 데이터는 진동 데이터로 하중 및 수명을 추정하는 예측 모델 및 학습모듈을 포함하는 메인 서버;
를 포함하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템.
In the vibration-based wind turbine load and life prediction system using the vibration-based wind turbine load and life prediction method of claims 1 to 6,
a vibration sensor for measuring vibration of the wind turbine;
a collection unit including a strain sensor for measuring the load of the wind turbine; and
The data collected by the collecting unit includes a main server including a prediction model and a learning module for estimating load and lifespan with vibration data;
Vibration-based wind turbine load and life prediction system comprising a.
제 7항에 있어서,
상기 수집부는 상기 풍력터빈의 진동에 영향을 주는 풍속계, 대기압계, 및 온습도계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템.
8. The method of claim 7,
The collection unit Vibration-based wind turbine load and life prediction system, characterized in that it further comprises an anemometer, an atmospheric pressure gauge, and a temperature-hygrometer that affects the vibration of the wind turbine.
제 8항에 있어서,
상기 예측모델은 풍속, 대기압, 및 온습도에 따른 진동 변화를 보정하여 하중 및 수명을 예측하는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템.
9. The method of claim 8,
The prediction model is a vibration-based wind turbine load and life prediction system, characterized in that for predicting the load and life by correcting the vibration change according to wind speed, atmospheric pressure, and temperature and humidity.
제 7항에 있어서,
상기 풍력터빈은 바람을 회전력으로 변환하는 블레이드,
상기 블레이드의 회전을 통해 전력을 생산하는 발전기,
상기 블레이드의 회전속도를 올려 상기 발전기에 동력을 전달하는 증속기,
상기 블레이드와 상기 증속기 사이에 위치하며 축을 일정한 위치에 고정하고 하중을 지지하면서 회전하는 주베어링, 및
상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하며 회전 동력을 전달하는 커플링,
상기 풍력터빈의 타워 및 해상풍력의 경우 하부구조를 포함하고 있으며,
상기 진동센서가 상기 풍력터빈의 구성요소 표면에 수직 수평으로 부착되는 것을 특징으로 하는 진동기반 풍력터빈 하중 및 수명 예측시스템.

8. The method of claim 7,
The wind turbine is a blade that converts wind into rotational force,
A generator that generates power through the rotation of the blade,
a speed increaser for transmitting power to the generator by increasing the rotational speed of the blade;
A main bearing that is positioned between the blade and the speed increaser and rotates while fixing the shaft at a fixed position and supporting the load, and
A coupling positioned between the gearbox and the generator to transmit rotational power,
In the case of the tower of the wind turbine and the offshore wind power, it includes a substructure,
The vibration-based wind turbine load and life prediction system, characterized in that the vibration sensor is vertically and horizontally attached to the surface of the components of the wind turbine.

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