풍력발전시스템의 기계적 하중 데이터 분석 프로그램 개발과 시뮬레이션 데이터 적용 사례 Development of Programs to Analyze Mechanical Load Data of Wind Turbine Generator Systems and Case Studies on Simulation Data원문보기
형식인증시험을 통해 획득된 풍력발전기의 기계적 하중 데이터를 분석하기 위한 관련 프로그램 개발과 절차가 수행되었다. IEC 61400-13 규격을 기반으로 하는 측정 데이터에 대한 검증, 하중유형에 따른 분류, 시계열 및 통계 데이터 분석, 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 계산, 등가하중 계산 등의 절차가 본 프로그램을 통해 수행되었다. 수집된 데이터들이 피로하중을 산정하기에 충분한가를 판단하기 위해 정상전력생산의 경우에 대한 수집행렬을 구성하였다. 50 개의 하중 범위 분할 개수를 사용하는 우수집계법을 통해 피로하중 스펙트럼이 얻어지며, 사용된 재료에 따라 다르게 S-N 선도의 기울기를 적용하여 최종적으로 등가하중을 산출하였다. 모노파일 하부구조를 가지는 NREL 5MW 풍력발전기의 공탄성 시뮬레이션 데이터에 이용하여 위의 전반적인 절차를 수행하였다.
형식인증시험을 통해 획득된 풍력발전기의 기계적 하중 데이터를 분석하기 위한 관련 프로그램 개발과 절차가 수행되었다. IEC 61400-13 규격을 기반으로 하는 측정 데이터에 대한 검증, 하중유형에 따른 분류, 시계열 및 통계 데이터 분석, 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 계산, 등가하중 계산 등의 절차가 본 프로그램을 통해 수행되었다. 수집된 데이터들이 피로하중을 산정하기에 충분한가를 판단하기 위해 정상전력생산의 경우에 대한 수집행렬을 구성하였다. 50 개의 하중 범위 분할 개수를 사용하는 우수집계법을 통해 피로하중 스펙트럼이 얻어지며, 사용된 재료에 따라 다르게 S-N 선도의 기울기를 적용하여 최종적으로 등가하중을 산출하였다. 모노파일 하부구조를 가지는 NREL 5MW 풍력발전기의 공탄성 시뮬레이션 데이터에 이용하여 위의 전반적인 절차를 수행하였다.
The procedures and relevant programs developed for analyzing mechanical load data of wind turbine generator systems, which are obtained through type certification tests, are verified. The following issues according to IEC 61400-13 are covered in the developed programs: data validation, time series a...
The procedures and relevant programs developed for analyzing mechanical load data of wind turbine generator systems, which are obtained through type certification tests, are verified. The following issues according to IEC 61400-13 are covered in the developed programs: data validation, time series analysis, summary load statistics, generation of fatigue load spectra, and estimation of equivalent loads. A capture matrix for normal power production is generated to determine whether the collected data sets are sufficient to carry out fatigue analysis. Fatigue load spectra are obtained through the rainflow counting method using 50 load ranges; finally, equivalent loads are calculated using different S-N curve slopes, m, according to the relevant materials. Case studies are performed using aero-elastic simulation data of the NREL 5 MW baseline wind turbine with a monopile foundation.
The procedures and relevant programs developed for analyzing mechanical load data of wind turbine generator systems, which are obtained through type certification tests, are verified. The following issues according to IEC 61400-13 are covered in the developed programs: data validation, time series analysis, summary load statistics, generation of fatigue load spectra, and estimation of equivalent loads. A capture matrix for normal power production is generated to determine whether the collected data sets are sufficient to carry out fatigue analysis. Fatigue load spectra are obtained through the rainflow counting method using 50 load ranges; finally, equivalent loads are calculated using different S-N curve slopes, m, according to the relevant materials. Case studies are performed using aero-elastic simulation data of the NREL 5 MW baseline wind turbine with a monopile foundation.
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문제 정의
각 10 분 데이터에 대한 시계열 및 통계 데이터 분석의 목적은 바람 유입 특성(풍속, 공기 특성, 난류 강도)을 파악하고, 정상조건 하에서의 풍력발전시스템의 정적 및 동적 하중 특성을 파악하기 위해서이다.
본 연구에서는 IEC 61400-13 과 IEC 61400-12-1규격을 바탕으로 형식시험 중 기계적 하중 분야의 성능평가 보고서 작성 등에 필요로 되는 데이터, 도표, 그림 등을 산출하는 하중분석 프로그램을 구현하였으며, 이를 모노파일 기초를 갖는 NREL 5 MW 모델의 가상 하중 데이터에 적용해 보았다. 본 프로그램은 IEC 61400-13 의 데이터 처리 부분에서 요구하는 측정 데이터에 대한 검증 -하중유형에 따른 분류 - 시계열 및 통계 데이터 분석 - 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 분석 - 등가하중 분석과 같은 일련의 절차를 수행할 수 있으며, 각 절차에서 요구하는 데이터를 얻을 수 있다.
가설 설정
각 스트레인 게이지의 영점편차는 로터와 너셀을 회전시키며 구한 정현 파형의 굽힘 모멘트 신호의 평균값으로부터 결정할 수 있다.(1) 이때 회전 시험은 풍속이 시동 풍속 미만일 경우에 수행하여야 한다.
제안 방법
IEC 61400-13 에서 요구하는 각종 시계열 데이터를 그래프로 출력할 수 있도록 하였으며, 방위각의 변화에 따른 하중 변화 그래프도 출력할 수 있도록 하였다.
IEC 61400-13 에서 제시하는 측정 하중유형에 따라 정상상태작동(steady-state operation)과 과도사건(transient event)으로 분류할 수 있도록 프로그램을 구현하였다.
구현된 하중분석 프로그램을 실제 풍력발전시스템에 적용하기에 앞서 먼저 모노파일 기초를 가지는 NREL 5 MW 모델에 대해 공탄성 시뮬레이션을 수행하여 얻은 가상의 시계열 하중 데이터들에 대해 적용하였으며, 이를 통해 향후 계측 결과와 시뮬레이션 결과를 비교해야 하는 업무에 대응하고자 한다.
동적 거동 특성을 파악할 수 있도록 주파수 영역으로의 변환을 통해 각 하중의 파워 스펙트럼 밀도함수를 계산한다. 이를 풍력발전시스템 설계 시의 고유진동수와 비교함으로서 설계 검증에 사용할 수도 있다.
또한 각 10 분 데이터로부터 전처리-사이클 집계-후처리 단계를 거쳐 피로하중 스펙트럼을 산출한다.
또한 평균값, 최대값, 최소값, 표준편차와 같은 통계적 정보를 산출하여 측정 결과의 일관성, 변화 범위를 검토할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 구현한 하중분석 프로그램을 실제 설치된 풍력발전시스템에 적용함에 앞서 우선 공 탄성 시뮬레이션을 통해 얻은 가상 하중 데이터에 적용해 보았다. 대상체는 Fig.
본 프로그램에서는 계통에 연결된 경우, 브레이크가 작동하지 않은 경우, 풍력발전기가 정상적으로 작동한 경우, 강수가 발생하지 않은 경우, 데이터 수집 시스템에 정상적으로 연결된 경우에는 ‘1’의 값을, 아닌 경우에는 ‘0’의 값이 저장되도록 하였다.
수집행렬에서 각 10 분 데이터는 풍속과 난류강도에 따라 구간(bin)별로 분류되며, 풍속은 1m/s, 난류강도는 2% 간격으로 분할하였다.
수집행렬의 최소수집조건을 만족하기 위하여 위에서 획득한 69 개의 확정론적(deterministic) 10 분 데이터를 기반으로 각 채널 물리량의 최대값과 최소값 차이의 10%를 분산 값으로 갖는 확률론적(stochastic) 데이터 690 개를 생성하였고, 이들을 이용하여 하중 분석 전체 절차를 수행해 보았다.
타워 하부의 수직 및 측면 굽힘 모멘트는 타워와 모노파일의 연결 부위에서의 값을 고려해야 하나, Fig. 2 와 같이 타워와 모노파일의 연결 부위로부터 해양 바닥면(mud line)으로 내려갈수록 더 큰 굽힘 모멘트가 가해짐을 전산모사 수행 결과 확인할 수 있었기 때문에, 본 연구에서는 보수적으로 해양 바닥면에서의 수직 및 측면 모멘트를 타워하부의 그것으로 고려하였다.
풍속이 느리게 지속적으로 변화하는 경우에는 의미없는 높은 난류강도가 나타나므로 풍속 데이터에 대해서 추세제거(detrending)를 수행하거나 고역 필터링(high pass filtering)을 수행한 뒤 수집행렬을 구성하도록 하였다.
하지만 기준 데이터에 비해 비현실적인 격차가 발생한 경우, 영점편차나 센서감도가 적용되지 않거나 적용에 오류가 발생한 경우, 작동한계를 벗어나는 측정 결과가 발생한 경우 그리고 잡음이 발생한 경우에는 프로그램적으로 배제하도록 구현하기가 어려워 기준이 되는 데이터와 해당 데이터의 시계열 그래프를 육안으로 비교하여 수동으로 분류하도록 하였다.
후처리 단계에서는 범위(range) 스펙트럼과 평균(mean) 스펙트럼으로 피로 사이클을 집계하며, 이때 충분한 해상도를 확보하기 위하여 하중 범위 분할 개수(the number of divisions of the load range)를 50 개로 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 구현한 하중분석 프로그램을 실제 설치된 풍력발전시스템에 적용함에 앞서 우선 공 탄성 시뮬레이션을 통해 얻은 가상 하중 데이터에 적용해 보았다. 대상체는 Fig. 1 과 같이 수심 20 m 깊이에 모노파일 기초를 가지는 NREL 5 MW 모델이며,(9) 상부 모델의 대략적인 사양은 Table 1 과 같다.
본 연구에서 수행한 하중 데이터 분석 절차 및 하중분석 프로그램 구현 시 참조한 관련 규격으로는 IEC 61400-13, IEC 61400-12-1 등이 있으며, 입력 데이터로는 계측 장비를 통해 얻은 다수의 10 분 데이터와 풍속보정계수(wind correction factor), 센서 감도(sensor sensitivity), 영점편차(zero point offset) 등을 사용하게 된다.
여러 하중유형 중 ‘전력생산’의 하중유형에 해당되는 10 분 데이터들만 하중분석의 주요 대상이 된다.
이들 경우의 수를 조합하여 총 69 가지 경우의 바람 데이터를 생성하여 FAST(11)에서 공탄성 시뮬레이션을 수행하였고, 결과물로 본 연구에서 구현한 하중분석 프로그램이 필요로 하는 하중 관련 물리량, 기상 관련 물리량 그리고 작동 관련 물리량을 갖는 69 개의 10 분 데이터를 획득하였다.
이론/모형
사이클 집계 단계에서는 ASTM 표준의 우수집계법(7)을 사용하였으며, 폐쇄되지 않은 사이클은 절반 사이클로 취급하였다.
수집된 기상 관련 데이터 중 기압은 ISO 2533(5)에 근거하여 식 (2)와 같이 허브 높이로 교정을 수행하였다.
이렇게 3 장과 4 장에서 언급한 일련의 절차들을 수행할 수 있도록 MATLAB(8)을 이용하여 구현하였다.
하부 구조물에 가해지는 해양하중 조건은 Table 2 와 같으며, 다양한 풍속 조건을 생성하기 위해 TurbSim(10) 프로그램을 사용하였다. 사용된 바람 모델과 입력값은 Table 3 과 같으며, 특히 허브 높이의 평균 풍속은 시동풍속인 3.
성능/효과
12 에서 노란색은 기준이 되는 10 분 데이터의 개수, 파란색은 최소 수집조건이 만족된 경우, 빨간색은 만족되지 못한 경우를 나타낸다. 본 적용에서는 저풍속 구간에서 3 개 이상의 10 분 데이터를 갖는 난류강도 구간이 부족함을 알 수 있다.
본 연구에서는 IEC 61400-13 과 IEC 61400-12-1규격을 바탕으로 형식시험 중 기계적 하중 분야의 성능평가 보고서 작성 등에 필요로 되는 데이터, 도표, 그림 등을 산출하는 하중분석 프로그램을 구현하였으며, 이를 모노파일 기초를 갖는 NREL 5 MW 모델의 가상 하중 데이터에 적용해 보았다. 본 프로그램은 IEC 61400-13 의 데이터 처리 부분에서 요구하는 측정 데이터에 대한 검증 -하중유형에 따른 분류 - 시계열 및 통계 데이터 분석 - 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 분석 - 등가하중 분석과 같은 일련의 절차를 수행할 수 있으며, 각 절차에서 요구하는 데이터를 얻을 수 있다. 향후 실제 풍력발전시스템에 적용할 예정이며, 해상용 풍력발전시스템으로 확장 적용되기 위해서는 IEC 61400-3 과 연계되어 해양하중도 고려되어야 할 것이다.
후속연구
2001 년도에 처음 출시된 IEC 61400-13(1) 규격은 2014 년에 개정될 것으로 보이며, 내용면에서 하중을 측정하는 절차에 그치지 않고 동일 풍력발전시스템 모델에 대한 시뮬레이션을 수행하여 비교하는 내용이 포함될 예정이다. 또한 풍력발전기가 점점 대형화 되어감에 따라 블레이드와 타위 중간 부분에서도 데이터를 획득하는 것을 요구할 것으로 보인다
향후 실제 풍력발전시스템에 적용할 예정이며, 해상용 풍력발전시스템으로 확장 적용되기 위해서는 IEC 61400-3 과 연계되어 해양하중도 고려되어야 할 것이다. 또한 개정되는 IEC 61400-13 규격과 IEC 61400-12-1 규격에 맞추어 수정될 예정이다.
규격은 2014 년에 개정될 것으로 보이며, 내용면에서 하중을 측정하는 절차에 그치지 않고 동일 풍력발전시스템 모델에 대한 시뮬레이션을 수행하여 비교하는 내용이 포함될 예정이다. 또한 풍력발전기가 점점 대형화 되어감에 따라 블레이드와 타위 중간 부분에서도 데이터를 획득하는 것을 요구할 것으로 보인다
본 연구는 형식시험에서 계측된 하중 관련 데이터를 대상으로 일단 현 IEC 61400-13 규격에서 요구하는 데이터 분석 절차를 수행하여 성능평가 보고서 작성 등에 필요한 데이터, 도표, 그림 등을 산출하는 프로그램을 구현하는 것에 관한 것이며, 향후 변경되는 규격에 맞추어 변경할 예정이다.
즉, IEC 61400-12-1이 요구하는 조건에 따라 풍력발전시스템이 설치될 위치에 임시계측타워와 영구계측타워를 설치하여 상호간의 지형·지물에 따른 풍속의 왜곡을 검토하고, 풍속·풍향의 상관관계를 규명하여 풍력발전기 허브 높이에서의 풍속을 정확하게 산정하는데 있다. 향후 개정될 내용에서는 전단충격 (shear impact)과 유동박리(flow separation) 효과도 고려될 것으로 보인다.
본 프로그램은 IEC 61400-13 의 데이터 처리 부분에서 요구하는 측정 데이터에 대한 검증 -하중유형에 따른 분류 - 시계열 및 통계 데이터 분석 - 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 분석 - 등가하중 분석과 같은 일련의 절차를 수행할 수 있으며, 각 절차에서 요구하는 데이터를 얻을 수 있다. 향후 실제 풍력발전시스템에 적용할 예정이며, 해상용 풍력발전시스템으로 확장 적용되기 위해서는 IEC 61400-3 과 연계되어 해양하중도 고려되어야 할 것이다. 또한 개정되는 IEC 61400-13 규격과 IEC 61400-12-1 규격에 맞추어 수정될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력발전시스템 설치 운용을 위해 필요한 절차는?
풍력발전시스템을 설치·운용하기 위해서는 인증을 받아야 한다. 인증을 받기 위한 과정에는 설계평가, 제조평가, 부품인증 등이 있으며, 실제 운전을 통해 성능에 대한 측정 및 검증 등을 수행하는 형식인증 및 이를 위한 성능평가가 수행되어야 한다.
풍력발전시스템 인증을 받기 위한 과정은?
풍력발전시스템을 설치·운용하기 위해서는 인증을 받아야 한다. 인증을 받기 위한 과정에는 설계평가, 제조평가, 부품인증 등이 있으며, 실제 운전을 통해 성능에 대한 측정 및 검증 등을 수행하는 형식인증 및 이를 위한 성능평가가 수행되어야 한다. 성능평가의 주요 측정 분야로서는 출력성능, 기계적 하중, 소음, 전력품질이 있다.
풍력발전기의 기계적 하중 데이터를 분석을 위해 시행된것은?
형식인증시험을 통해 획득된 풍력발전기의 기계적 하중 데이터를 분석하기 위한 관련 프로그램 개발과 절차가 수행되었다. IEC 61400-13 규격을 기반으로 하는 측정 데이터에 대한 검증, 하중유형에 따른 분류, 시계열 및 통계 데이터 분석, 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 계산, 등가하중 계산 등의 절차가 본 프로그램을 통해 수행되었다.
참고문헌 (11)
IEC/TS 61400-13 ed. 1, 2001, "Wind Turbine Generator Systems - Part 13: Measurement of Mechanical Loads," IEC.
IEC 61400-12-1 ed. 1, 2005, "Wind Turbines - Part 12-1: Power Performance Measurements of Electricity Producing Wind Turbines," IEC.
Wagner, R., 2010, Accounting for the speed shear in wind turbine power performance measurement, PhD thesis, RisO National Laboratory for Sustainable Energy.
Cho, J., Hong, H., Bang, J., Park, J. and Ryu, J., 2007, "The Study of Load Measurement on U50 Wind Turbine," Journal of The Korean Society for New and Renewable Energy, Vol. 3, No. 4, pp.114-122.
International Standard ISO 2533 ed. 1, 1975, "Standard Atmosphere."
Ryu, J., et al., 2007, A Study on Field Test for 750kW Gearless Type Wind Turbine, final report, Unison Co. Ltd..
Bannantine, J. A., Comer, J. J. and Handrock, J. L., 1990, "Fundamentals of Metal Fatigue Analysis," Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632, pp. 184-196.
MATLAB R2012a Programming Fundamentals.
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W. and Scott, G., 2009, "Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development," NREL/TP-500-38060.
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