[논문]풍력발전기 타워 구조의 진동 특성

김석현

풍력발전기 타워 구조의 진동 특성
Vibration Characteristics of the Tower Structures of Wind Turbine Generators 원문보기

김석현 (강원대학교 기계메카트로닉스공학부)

Vibrations of the tower structures of 750kW and 6kW wind turbines(WT) are investigated by measurement and analysis. Acceleration responses of the WT towers under various operation condition are monitored in real time by the remote monitoring system using LabVIEW. Using the monitoring system, resonance condition of the tower structures is diagnosed with the wind speed data within the operating speed range. To predict the tower resonance frequency, 750 kW tower is modeled as an equivalent beam with a lumped mass and Rayleigh energy method is applied. For 6 kW WT, Rayleigh-Ritz analysis is carried out on the tower-cable coupled system. Calculated tower bending frequency is in good agreement with the measured value. Using the analysis model, parametric study is available in order to prevent the severe resonance.

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문제 정의

국산화 개발에 앞서 실증용으로 도입되었던 750 kW 풍력발전기(J48, Jeumont 사)와, 6 kW 소형 풍력발전기(inventus 사)를 대상으로 다양한 발전 조건 하에서 타워 구조의 진동을 모니터링 한 결과를 분석한다. 모니터링된 가속도 응답 신호를 분석하여 발전기의 진동특성을 파악하고, 발전 성능과의 관계를 검토함으로써 중대형 및 소형 풍력발전기의 국산화 개발 및 운영에 필요한 정보를 제공하고자 한다.
케이블은 가는 강선을 여러 겹으로 꼬은 구조로, 그 등가탄성계수는 제원상에 공급되지 않은 상태이다. 본 연구에서는 등가탄성계수를 일반적인 구조용강의 탄성계수 부근에서 변화시키면서 1차 고유진동수의 변화를 검토하였다. 해석에 사용된 각 부분의 실측 데이터는 다음과 같다⁽¹⁹⁾.
이 연구에서는 중대형과 소형 풍력발전기 타워 구조의 진동 특성을 검토한다. 국산화 개발에 앞서 실증용으로 도입되었던 750 kW 풍력발전기(J48, Jeumont 사)와, 6 kW 소형 풍력발전기(inventus 사)를 대상으로 다양한 발전 조건 하에서 타워 구조의 진동을 모니터링 한 결과를 분석한다.

제안 방법

7 m 높이에 X,Y 방향으로 각각 부착하였다. 10 Hz 이내의 주파수 성분을 확인하기 위하여, 20 Hz의 샘플링 주파수로 가속도 신호를 취득하였고, 매 100초 길이의 신호에 대하여 Matlab을 사용하여 푸리에 변환(Fourier transform)시켰다. 풍속과 풍향은 1 Hz로 샘플링하여, 100초 구간의 평균치로 진동과의 관계를 검토하였다.
따라서 진동 측정에는 저주파수대역의 감도가 우수한 IC 칩 가속도계(integrated chip accelerometer-ADXL105, Analog Devices사)⁽¹²⁾를 사용하는 것이 효과적이다. 750 kW급의 타워 횡 진동 응답을 구하기 위해서 2개의 가속도계를 지면으로부터 43.5 m 높이의 타워 상단 플랜지상에서 Fig. 5의 X,Y 수직 방향으로 측정하였다. 750 kW 풍력타워는 46 m가 넘는 대형 구조물이므로 가진기를 사용하는 모드시험법으로 고유진동수와 모드를 구하는 것이 쉽지 않다.
이 연구에서는 중대형과 소형 풍력발전기 타워 구조의 진동 특성을 검토한다. 국산화 개발에 앞서 실증용으로 도입되었던 750 kW 풍력발전기(J48, Jeumont 사)와, 6 kW 소형 풍력발전기(inventus 사)를 대상으로 다양한 발전 조건 하에서 타워 구조의 진동을 모니터링 한 결과를 분석한다. 모니터링된 가속도 응답 신호를 분석하여 발전기의 진동특성을 파악하고, 발전 성능과의 관계를 검토함으로써 중대형 및 소형 풍력발전기의 국산화 개발 및 운영에 필요한 정보를 제공하고자 한다.
타워와 상부 발전 부분의 질량은 제작사의 제공치를 사용하였다. 균일보의 면적 관성모멘트를 구하기 위하여 다음과 같이 타워 상/하단의 평균 직경 및 평균 두께를 사용하였다.
다음에는 장력을 일정하게 유지하고, 케이블의 등가탄성계수를 변화시키면서 핀축 회전모드의 1차 고유진동수의 변화를 관찰하였다. Fig.
두 가지의 대표적인 타워 구조를 갖는 750 kW급 및 6 kW 풍력발전기 타워의 진동을 모니터링 하고 해석한 결과, 다음의 결론을 얻었다.
750 kW 풍력타워는 46 m가 넘는 대형 구조물이므로 가진기를 사용하는 모드시험법으로 고유진동수와 모드를 구하는 것이 쉽지 않다. 따라서 다양한 작업 조건하에서의 진동 응답 스펙트럼을 검토하여 공진점을 확인하였다. 6 kW급 소형 풍력타워는 Fig.
먼저 케이블 장력이 고유진동수에 미치는 영향을 분석하였다. 주어진 케이블 등가탄성계수 조건하에서 장력 변화에 따른 1차 고유진동수의 변화를 Fig.
진동 및 출력 성능은 발전기가 사용되는 지역의 풍 환경과 직접적인 관계가 있다. 산간지역에서의 적용을 고려하여 강원도 평창군에 조성된 대관령실증연구단지⁽⁹⁾에서 종합적인 평가를 수행하였다. 모니터링과 성능 평가가 수행된 대관령풍력실증단지의 배치도를 Fig.
풍황 데이터를 통합하여 하나의 마이크로 콘트롤러로 처리하기 위해서 4개의 타이머/카운터와 8개의 아날로그/디지털(A/D) 변환기가 있는 데이터 취득 보드(ATmega128, Atmel사)를 사용하였다. 풍속계(NRG 40)의 풍속에 비례하는 주파수 출력치는 LabVIEW를 사용하여 풍속으로 변환시켰다.
10 Hz 이내의 주파수 성분을 확인하기 위하여, 20 Hz의 샘플링 주파수로 가속도 신호를 취득하였고, 매 100초 길이의 신호에 대하여 Matlab을 사용하여 푸리에 변환(Fourier transform)시켰다. 풍속과 풍향은 1 Hz로 샘플링하여, 100초 구간의 평균치로 진동과의 관계를 검토하였다. 회전 속도는 광센서(한영전자, PG-TR, GR 6210-2)를 사용하여 브레이크 디스크 회전수를 매초 단위로 측정한 후, LabVIEW내에서 로타 회전과 브레이크 디스크의 회전 비율(1: 10)을 고려하여 결정하였다.
풍속과 풍향은 1 Hz로 샘플링하여, 100초 구간의 평균치로 진동과의 관계를 검토하였다. 회전 속도는 광센서(한영전자, PG-TR, GR 6210-2)를 사용하여 브레이크 디스크 회전수를 매초 단위로 측정한 후, LabVIEW내에서 로타 회전과 브레이크 디스크의 회전 비율(1: 10)을 고려하여 결정하였다.

대상 데이터

풍속 및 풍향 데이터의 월별. 일시별 분포를 구하기 하여, 기상계측타워(meteorological mast)를 설치하여 2004.1~ 2004.12의 연간 데이터를 수집하였다. Fig.
4는 원거리에서 데이터 취득이 가능한 통합 모니터링 시스템의 구성도이다. 풍황 데이터를 통합하여 하나의 마이크로 콘트롤러로 처리하기 위해서 4개의 타이머/카운터와 8개의 아날로그/디지털(A/D) 변환기가 있는 데이터 취득 보드(ATmega128, Atmel사)를 사용하였다. 풍속계(NRG 40)의 풍속에 비례하는 주파수 출력치는 LabVIEW를 사용하여 풍속으로 변환시켰다.

이론/모형

기상관측타워(meteorological mast) 혹은 풍력발전기의 풍향계, 압력계, 온도계, 가속도계 등에서 출력되는 신호는 ATmega128 보드로 처리한 후, bluetooth를 이용하여 실증 단지의 중앙 컴퓨터로 전송된다. 중앙 컴퓨터 하드 디스크에 수록된 각종 데이터는 LabVIEW를 이용하여 인터넷으로 원격 전송시켜⁽¹¹⁾, 원거리의 연구실에서 풍속, 로타 속도, 전기 출력 및 진동 상태의 종합적인 평가에 사용하였다.

성능/효과

1.22 Hz 피크는 운전 속도에 무관하게 일관되게 발생하므로 고유진동수 성분으로 추정되었으며, 정지 상태에서 타워-발전기 계를 흔들었을 때, 타워 1차 횡 진동모드의 고유 진동임을 확인할 수 있었다. 이 피크는 저속도에서는 레벨이 낮아 문제가 되지 않으나, 속도에 따라 점차 증가하여 Fig.
22 Hz는 회전주파수 147 rpm의 1/2차 성분에 일치한다. 결과적으로, 회전주파수의 1/2차 성분이 타워-발전기 구조계의 1차 횡 진동모드를 크게 공진시키는 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 1.
계산 결과 타워 1차 굽힘 모드의 고유진동수는 0.69Hz로 나왔다. 이 결과는 날개통과 주파수 성분을 가진 원으로 볼 때, 13.
안정성을 고려하여 15 rpm 부근의 공진 대역을 신속히 피하도록 속도 제어되고 있었다. 날개를 포함한 발전기 부분을 집중 질량으로 모델링 한 균일 보이론을 사용한 결과, 타워 1차 고유진동수는 0.69 Hz로, 공진 속도는 13.3 rpm으로 측정 결과에 매우 가깝게 계산되었다. 풍속대비 로터 회전수 관계를 측정한 결과, 정격풍속(14 m/s)에 비해 공진 풍속은 5 m/s 정도로 낮게 나와, 공진이 발전 효율 측면에서는 큰 문제가 되지 않았다.
7은 X,Y 방향에서 측정된 가속도 스펙트럼을 날개 회전 속도별로 그린 결과이다. 다양한 작업 속도 하에서 모니터링 한 결과, 풍속이나 회전 속도에 무관하게 0.72 Hz ~ 0.76 Hz의 주파수 성분에 의하여 진동이 지배되는 것으로 나타났다. 이 성분의 피크 레벨은 회전속도에 따라 다르나, 피크의 주파수 값이 일정하게 유지되는 점과 이론에 의한 예측치(0.
8rpm에서 공진이 발생하는 것을 의미한다. 모니터링 결과인 14.9rpm과는 약간의 차이가 있으나, 해석 모델은 타워 구조의 설계 개선에 유용하게 사용 가능하다.
Table 2의 운전속도는 80~ 145 rpm이나, 약간 더 높은 풍속에서도 운전되는 것으로 확인되었다. 모니터링한 진동파형을 주파수 분석한 결과, 타워 상단 발전기 부분의 진동을 지배하는 결정적인 주파수 성분은 1.22 Hz로 확인되었다.
다만, 케이블의 등가탄성계수를 높이면 고유진동수 상한치를 높일 수 있다. 이러한 결과로부터, 타워 설치 시 케이블의 장력을 어느 한계 이상 높여도 고유진동수는 잘 증가하지 않음을 알 수 있다. 이러한 경향은 핀축 구속모드에서도 유사하게 나타난다.
3 rpm으로 측정 결과에 매우 가깝게 계산되었다. 풍속대비 로터 회전수 관계를 측정한 결과, 정격풍속(14 m/s)에 비해 공진 풍속은 5 m/s 정도로 낮게 나와, 공진이 발전 효율 측면에서는 큰 문제가 되지 않았다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

풍력 발전 산업에 박차를 가하고 있는 아시아권 국가는 어디인가?

서구의 경우, 독일을 선두로 미국, 스페인, 덴마크 등이 풍력 발전 산업을 주도하면서, 1996년 이후 세계 풍력 시장의 최근 연평균 신장률은 무려 40 %에 이르고 있다(1). 아시아권에서도 인도, 중국, 일본 등이 풍부한 풍력 자원을 바탕으로 상업용 풍력단지의 조성에 박차를 가하고 있다. 국내 풍력 시장은 아직 미미한 수준이나, 최근 대체에너지 보급에 대한 정부의 적극적 지원으로 산, 학, 관, 연 공동 연구 개발 사업이 활발히 진행되고 있다.

최근 청정 대체 에너지원으로서 풍력발전이 각광 받고 있는 이유는 무엇 때문인가?

최근 석유가의 불안정과 환경 문제의 심각성은 청정 대체 에너지원으로서 풍력발전에 대한 관심을 고조시키고 있다. 서구의 경우, 독일을 선두로 미국, 스페인, 덴마크 등이 풍력 발전 산업을 주도하면서, 1996년 이후 세계 풍력 시장의 최근 연평균 신장률은 무려 40 %에 이르고 있다(1).

풍력 발전 산업을 주도하는 서구 국가는?

최근 석유가의 불안정과 환경 문제의 심각성은 청정 대체 에너지원으로서 풍력발전에 대한 관심을 고조시키고 있다. 서구의 경우, 독일을 선두로 미국, 스페인, 덴마크 등이 풍력 발전 산업을 주도하면서, 1996년 이후 세계 풍력 시장의 최근 연평균 신장률은 무려 40 %에 이르고 있다(1). 아시아권에서도 인도, 중국, 일본 등이 풍부한 풍력 자원을 바탕으로 상업용 풍력단지의 조성에 박차를 가하고 있다.

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