[논문]풍력발전 타워 구조 건전성 모니터링 기술의 소개

김원술; 이진학; 박재형; 김정태

풍력발전 타워 구조 건전성 모니터링 기술의 소개
Introduction of Structural Health Monitoring Technologies for Wind Turbine Towers 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회지 = Magazine of the Korea institute for structural maintenance and inspection, v.20 no.3, 2016년, pp.34 - 42

김원술 (한국해양과학기술원) , 이진학 (한국해양과학기술원) , 박재형 (비티컨설턴트(주)) , 김정태 (부경대학교)

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문제 정의

국외 풍력발전 시스템의 유지관리와 관련된 기준은 IEC 61400-25 (2006) 와 GL Renewable Guideline (2013 이하, GL 규정) 등 이 있으며, 여기서는 GL 규정에서 제시하고 있는 풍력발전 타워의 유지관리 기술을 간략하게 소개하고자 한다. GL 규정에서의 풍력발전 시스템의 유지관리는 상태 감시 시스템^{CMS, control monitoring system}을 기반으로 풍력발전 타워의 주요 위치에서 데이터의 계측 방법, 신호분석 방법 및 절차 등에 대하여 가이드라인을 제시하고 있다.
그러나 풍력 터빈과 같은 대형 구조물의 변위 측정은 장비의 한계로 직접적으로 측정하기에는 많은 어려움이 있다. 따라서 본고에서는 최근 연구진이 개발한 경사와 가속도의 동적계측응답 자료를 융합하여 간접적으로 풍력터빈 타워의 변위를 추정하는 방법을 소개하고자 한다.
본고에서는 연구단에서 개발하고 있는 10MW급 강재 및 3MW급 복합 합성구조와 같은 신형식 풍력발전 타워에 있어서 타워의 손상 추정 기법 및 변위 추정 기법 등과 같은 유지관리 기술에 대하여 소개하였다. 본고에서 소개한 손상추정기법과 변위 추정 기법 등의 기술은 풍력터빈의 대형화와 더불어 신형식 구조를 갖는 타워의 유지관리 가이드라인 등과 같은 지침서 작성시 기초자료로 유용하게 활용되길 기대한다.
본고에서는 현재 국토교통기술촉진 연구사업으로 지원 중인 「10MW급 강재 및 3MW급 복합 합성구조 풍력 발전타워 설계기술 개발」 연구의 일부로 수행되고 있는 풍력발전 타워 유지관리 기술 및 관련 연구에 대해 소개하고자 한다.
또한 적용하더라도 많은 수의 계측센서가 필요할 뿐만 아니라, 온도와 같은 외부 환경에도 민감하게 변화하는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 본 연구진에서는 카메라를 이용한 영상기반 볼트 풀림 검색 기술을 개발하였다 (Park et al., 2015). 영상기반 기술은 다른 비파괴 검사기법들에 비해 해석상 온도 등 외부 환경에 크게 영향을 받지 않으며, 카메라를 이용하여 넓은 범위의 영역에 대한 모니터링이 가능하여 상대적으로 경제적이라는 장점이 있다.

제안 방법

FBDD 기법의 수치적 검증을 위해 실제 우리나라에서 운영중인 3MW급 풍력터빈 타워를 대상으로 수치해석을 수행하여 FBDD 기법을 적용해 보았다. Fig.
Fig. 8과 같이 풍속이 0에서 증가한 후, 일정 시간 후 다시 감소하여 0으로 되는 풍속 자료를 이용하여 Aero-Servo-Elastic 연성해석 프로그램인 FAST(Jonkman and Buhl, 2005)를 이용하여, 1.5MW급 WindPACT 표준터빈(Jonkman et al., 2009)에 대한 발전시 구조물의 동적응답을 구하였다. WindPACT 표준터빈에 의해 구한 동적 응답의 가속도와 경사를 이용하여 상부 변위를 추정하면, Fig.
Foss and Haugse(1995)의 모드형상과 소수의 계측된 변형률의 관계를 이용하여 변위를 구하는 방법을 토대로, 본 연구에서도 풍력터빈의 경사로부터의 변위(uθ) 추정을 위해 모드형상(ød, øθ)과 측정 경사(θ)의 관계식을 식 (9)와 같이 제안하였다.
5는 3MW급 풍력발전 타워의 3차원 수치해석 모델을 나타낸 것이다. 풍력발전 타워의 나셀 및 로터부는 추가질량으로 고려하였으며, 타워 손상은 Fig. 5의 왼쪽 그림에 표시한 위치에서 플랜지 연결부의 요소 강성을 각각 25% 저하시키는 것으로 모사하였다. Fig.

이론/모형

MBDD 기법의 검증은 FBDD 기법의 검증에 이용된 Fig. 5의 3MW급 풍력발전 타워를 이용하였으며, 손상위치 등도 동일하게 적용하였다. Fig.
Step 2 : 컬러 영상을 회색^{gray scale}영상으로 변환하고, Canny edge 검출기법(Canny, 1986)을 이용하여 영상에서의 엣지^edge를 검출한다. 그리고 Circular Hough 변환(Hough, 1959)을 이용하여 엣지 영상으로부터 원 모양을 가지는 볼트의 끝부분 식별(영상에서의 원의 중심 좌표와 반지름 추출) 하여, 각 너트에 대한 이미지를 분할하고 각 이미지에 대한 라벨을 붙인다.
를 검출한다. 그리고 Circular Hough 변환(Hough, 1959)을 이용하여 엣지 영상으로부터 원 모양을 가지는 볼트의 끝부분 식별(영상에서의 원의 중심 좌표와 반지름 추출) 하여, 각 너트에 대한 이미지를 분할하고 각 이미지에 대한 라벨을 붙인다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 서로 다른 물리량인 경사 응답과 가속도 응답을 다음과 같이 Tikhonov 정규화 기법을 적용하여 융합하는 방법을 식 (12)와 같이 제안하였다(Park et al., 2015).

성능/효과

Fig. 7 모드변형에너지 기반 손상검색기법(MBDD) 적용 결과

결론적으로 FBDD 기법과 MBDD 기법을 이용한 풍력발전 타워의 손상 추정에 있어서 단일 손상인 경우에는 손상 식별을 비교적 정확히 추정하는 것으로 나타났다. 그러나 두 곳에서 손상이 발생하는 경우에는 하나의 손상은 비교적 정확히 추정하지만, 다른 한 곳은 식별하지 못하거나, 잘못 식별하는 경우가 많았다.
4와 같이 손상시나리오에 따른 볼트풀림 모니터링 결과와 볼트풀림에 의한 너트 회전각 변화의 통계 분석 결과를 얻을 수 있다. 실험결과를 살펴보면 Fig. 4에서 Damage case 1의 너트 풀림 각도가 작은 경우를 제외한 모든 볼트풀림에 있어서 식별이 가능한 것으로 나타났다.

후속연구

본고에서는 연구단에서 개발하고 있는 10MW급 강재 및 3MW급 복합 합성구조와 같은 신형식 풍력발전 타워에 있어서 타워의 손상 추정 기법 및 변위 추정 기법 등과 같은 유지관리 기술에 대하여 소개하였다. 본고에서 소개한 손상추정기법과 변위 추정 기법 등의 기술은 풍력터빈의 대형화와 더불어 신형식 구조를 갖는 타워의 유지관리 가이드라인 등과 같은 지침서 작성시 기초자료로 유용하게 활용되길 기대한다.
그러나 두 곳에서 손상이 발생하는 경우에는 하나의 손상은 비교적 정확히 추정하지만, 다른 한 곳은 식별하지 못하거나, 잘못 식별하는 경우가 많았다. 하지만 구조물의 손상이 여러 곳에서 동시에 발생하는 경우는 일반적으로 극히 드물기 때문에, FBDD 기법과 MBDD 기법을 적절히 이용한다면, 풍력발전 타워의 손상에 따른 추정에 있어서, 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 개발한 '영상기반 볼트 풀림 검색 기술'은 어떤 장점을 지녔는가?	, 2015). 영상기반 기술은 다른 비파괴 검사기법들에 비해 해석상 온도 등 외부 환경에 크게 영향을 받지 않으며, 카메라를 이용하여 넓은 범위의 영역에 대한 모니터링이 가능하여 상대적으로 경제적이라는 장점이 있다.
	FBDD 기법이란 무엇인가?	FBDD 기법은 구조물의 모드민감도(모드변형에너지)를 기반으로 고유진동수를 이용하여 손상의 위치를 식별하는 방법으로, 상대적인 휨 강성 변화율을 나타내는 손상지수damage index를 정의하여 손상의 위치를 식별한다(Kim et al., 2003).
	풍력터빈의 타웡 유지보수는 어떻게 구분해 볼 수 있는가?	최근, Oh et al.(2015)의 “해상풍력 유지보수 기술”에 의하면, 풍력터빈의 타워 유지보수는 (1) 전력케이블 및 통신케이블 점검, (2) 타워 섹션 볼트 점검, (3) 타워 내부 구성요소 점검으로 구분할 수 있다. (1)과 (3)의 경우에는 풍력발전 타워 구조물에 안전성보다도 풍력터빈의 가동 및 유지보수시의 작업자의 안전과 밀접한 관계를 가지고 있다.

참고문헌 (14)

오정배, 황병선, 임정현, 박지상, 김진욱 (2015). 해상풍력 유지보수 기술, 도서출판 아진
Aiming High - Rewarding Ambition in Wind Energy (2015). European Wind Energy Association (EWEA), November 2015.
Canny, J.F. (1986). A computational approach to edge detection, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 8(6), pp.679-698.
Foss, G. and Haugse, E. (1995). Using modal test results to develop strain to displacement transformations. Proceeding of 13th International Model Analysis Conference, Nashville, Tennessee, pp. 112-118.
GL Renewables Guidelines and Technical Notes - Guideline for the Certification of Condition Monitoring Systems for Wind Turbines, Edition 2013.
Hough, P.V.C. (1959). Machine analysis of bubble chamber pictures, Proceedings of 2nd International Conference on High-Energy Accelerations and Instrumentation, Genova, Switzerland, September.
International Standard IEC 61400-25 (2006). Wind Turbines ? Part 25: Communication for monitoring and control of wind power plants.
Jonkman, J. M., and Buhl, M. L. (2005). FAST User's Guide. Technical Report NREL/EL-500-38230 August 2005.
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G. (2009). Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development. Technical Report NREL/TP-500-38060 February 2009.
Jonkman, B.J., and Kilcher L. (2012). TurbSim User's Guide: Version 1.06.00. NREL Technical Report September 2012.
Kim, J.T., Ryu, Y.S., Cho H.M., Stubbs, N. (2003). Damage identification in beam-type structures: Frequency-based method vs Mode-shape-based method. Engineering Structures, 25, pp. 57?67.

상세보기
Kim, J.T. and Stubbs, N. (2003). Nondestructive Crack Detection Algorithms for Full-Scale Bridges. Journal of Structural Engineering, ASCE, 129(10), pp. 1358-1366.

상세보기
Park, J.H., Huynh, T.C., Choi, S.H., Kim, J.T. (2015). Vision-based technique for bolt-loosening detection in wind turbine tower, Wind and Structures, 21(6), pp. 709-726.

상세보기
Park, J.W., Sim, S.H., Jung, B.J., Yi, J.H. (2015), Study on Combined Use of Inclination and Acceleration for Displacement Estimation of a Wind Turbine Structure, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 35(1), pp. 1-8.

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