[논문]U50 풍력발전기 하중측정 실증연구

조주석; 홍혁수; 방조혁; 박진일; 류지윤

U50 풍력발전기 하중측정 실증연구
The study of load measurement on U50 wind turbine 원문보기

조주석 (유니슨 기술연구소 풍력연구부) , 홍혁수 (유니슨 기술연구소 풍력연구부) , 방조혁 (유니슨 기술연구소 풍력연구부) , 박진일 (유니슨 기술연구소 풍력연구부) , 류지윤 (유니슨 기술연구소)

This paper addresses the measurement of structural loads on the Unison U50 wind turbine. The load measurement are carried out to determine the actual loads acting on a wind turbine. This is needed not only the certification process but also improving the technical development for prototype wind turbine. The measurement system is consists of measuring load, operating quantities and meteorological signal. All data that occur during the operating of a WT are stored the data acquisition system automatically. With using the measured data, load spectrum and equivalent load are evaluated according to IEC61400-13 "Measurement of mechanical loads".

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문제 정의

본 논문에서는 영점편차를 구하기 위해서 방위각 회전시험 (slow idling)을 수행하였다. 이를 위해서 바람에 의한 공력 하중의 영향을 최소화하기 위해 3~5m/s의 저 풍속 구간에서 시험을 수행하였다.
또한 하중측정은 구조적으로 안정적이고 효율적인 풍력발전기를 개발하는데 있어서 중요한 자료를 제공한다. 본 논문에서는 유니슨에서 개발한 U50 750kW 풍력발전기를 대상으로 IEC 61400-13에 따른 흐]중측정을 수행하여 구조적 안정성을 검증하였다.
본 논문에서는 측정신호를 보정하기 위해서 외부하중을 가하여 켈리브레이션(external calibration)을 수행하였다. 이를 위해서 블레이드 리그(rig), 크레인(crane), 로드셀(load cell), 체인 블록(chain block), 와이어(wire) 등이 필요하다.

가설 설정

3333px;">eq)과 등가 사이클 횟수(N_eq)에 의해 간단히 설명될 수 있다. 또한 주어진 범위 내에서 데이터는 동일한 피해를 주는 하중으로 가정된다. 여기서는 등가 사이클의 횟수를 600 으로 계산을 했으며, 소재의 특성을 대표하는 S-N 곡선의 기울기 (m)는 각 4, 8, 12로 계산하였다.

제안 방법

그리고 와이어를 연결하고, 로드 셀을 거쳐 크레인에 부착된 체인 블록과 연결한다. 네 차례에 걸쳐 하중시험을 수행 했다.
첫째는 풍력 발전기 블레이드 주축(main shaft), 타워 등에 스트레인 게이지를 사용하여 기계적 하중을 측정한다. 둘째는 기상계측타워(meteorological mast)를 사용하여 풍력발전기에 인가되는바람의 특성을 측정한다. 셋째는 풍력발전기의 운전 상태에 대한 신호를 측정한다.
이를 위해서 바람에 의한 공력 하중의 영향을 최소화하기 위해 3~5m/s의 저 풍속 구간에서 시험을 수행하였다. 또한 시험기간 동안 피치각, 날개의 에지 방향 및 플랩방향의 굽힘 모멘트 등을 기록했다.
roll 모멘트(Mroll, tower) 및 tilt 모멘트(Mtm, tower)를 계산하였다.또한 식⑶, ⑷를 사용하여, 수평방향 및 수직방향의 주축 굽힘 모멘트(Mhonzontai, Mvertical) 와 방위각(a)으로부터 주축 yaw 모멘트(Myaw, shaft) 및 tilt 모멘트(Mtilt,shaft)를 계산하였다
풍력발전기가 설치되어 있는 지역의 주변 환경은 산악지대로 주변에 타사의 발전기와 장애물들이 존재한다. 또한 표2에 나타난 IEC 61400-12-1 기준에 따라서 단지 보정(site calibration)이 필요한 지역으로 조사되었다. 이에따라서 단지보정이 시행을 해야 하며, 본 논문에서는 지형 및 장애물의 영향을 고려하여 250~280도의 측정영 역(measurement sector)에 대해서 산줄된 보정계수(correction factor)를 하중측정에 반영하였다.
본 논문에서는 식⑴, ⑵를 사용하여, 남북방향 및 동서방향의 타워 굽힘 모멘트(Me-w, Mn-s)와 요 각©)으로부터 타워 roll 모멘트(Mroll, tower) 및 tilt 모멘트(Mtm, tower)를 계산하였다.또한 식⑶, ⑷를 사용하여, 수평방향 및 수직방향의 주축 굽힘 모멘트(Mhonzontai, Mvertical) 와 방위각(a)으로부터 주축 yaw 모멘트(Myaw, shaft) 및 tilt 모멘트(Mtilt,shaft)를 계산하였다
본 연구에서는 IEC₆₁400-13 규격에 따라서 국산 개발된 U50 풍력발전기의 날개, 타워, 주축 및 타워에 계측장비를 설치하고 하중을 측정하여, 하중통계, 등가하중, 하중 스펙트럼 및 주파수 분석을 수행하였다.
본 장에서는 하중측정을 통하여 수집한 데이터를 캡쳐메트릭스(capture matrix)를 이용하여 분류하고 하중통계(load statistics), 주파수 해석(frequency analysis), 등가하중 (equivalent load), 하중 스팩트럼(load spectrum) 등의 해석결과를 소개한다.
idling)을 수행하였다. 이를 위해서 바람에 의한 공력 하중의 영향을 최소화하기 위해 3~5m/s의 저 풍속 구간에서 시험을 수행하였다. 또한 시험기간 동안 피치각, 날개의 에지 방향 및 플랩방향의 굽힘 모멘트 등을 기록했다.
또한 표2에 나타난 IEC 61400-12-1 기준에 따라서 단지 보정(site calibration)이 필요한 지역으로 조사되었다. 이에따라서 단지보정이 시행을 해야 하며, 본 논문에서는 지형 및 장애물의 영향을 고려하여 250~280도의 측정영 역(measurement sector)에 대해서 산줄된 보정계수(correction factor)를 하중측정에 반영하였다.
첫째는 풍력 발전기 블레이드 주축(main shaft), 타워 등에 스트레인 게이지를 사용하여 기계적 하중을 측정한다. 둘째는 기상계측타워(meteorological mast)를 사용하여 풍력발전기에 인가되는바람의 특성을 측정한다.
측정된 시계열 데이터를 풍속 lm/s 및 난류강도 2%의 빈 (bin)으로 분류한다. 표4에 캡쳐메트릭스를 작성한 결과가 나타나 있다.

대상 데이터

본 연구의 대상 발전기 UNISON U50은 3엽 블레이드, 전 방위형(upwind), 50m의 로터 직경을 갖는 수평축(horizontal axis) 풍력발전기로서 Active yaw system, Independent pitch system 및 전력 변환장치가 구성되어있다. 또한 동력전달장치에 증속기어박스가 없는 직접 구동형 풍력발전기로 서다 극형 동기발전기가 채택되어 운전 풍속 전 범위 내에서 가변속(variable speed)으로 운전되도록 설계되어있다.

이론/모형

풍력발전기 수명에 대한 하중 스펙트럼을 구하기 위해서 레인플로우 카운팅 방법 (Rainflow Counting Method)을 사용했다. 각 10분 단위의 시계열 데이터에서 최소(valleys), 최대 (peaks)값 들을 루프(loop)로 구성하고, 루프를 구성하지 못 한시계열 데이터들 절반 사이클(half cycle)로 간주한다.

후속연구

분석 중에 있으며, 지금까지의 결과로는 유사한 것으로 나타났다. 향후에는 이에 대한 세밀한 분석을 수행하여 시스템 최적화를 위한 기초자료로 활용할 예정이다.

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