초록 ▼

□ 연구개요
- 부유식 플랫폼을 활용한 풍력터빈의 배치는 심해 및 고품질 풍력 자원 위치에 대한 접근성을 포함하여 수많은 이점을 제공하는 매력적인 전망이지만 기존의 수 메가와트 풍력터빈을 부유식 플랫폼에 배치 시 여러 문제가 발생하며 그중 한 가지는 부하의 증가임. 즉, 파도로 인한 플랫폼의 움직임에 의해 하중이 증가할 수 있음
- 피치 제어 시스템은 터빈과 플랫폼 결합 시스템의 저주파 동작과 상호 작용하며 이를 일반적으로 네거티브 댐핑 문제라고 정의함
- 풍력터빈 제어기는 바람의 특성으로 인해 이득 크로스 오버(g

□ 연구개요
- 부유식 플랫폼을 활용한 풍력터빈의 배치는 심해 및 고품질 풍력 자원 위치에 대한 접근성을 포함하여 수많은 이점을 제공하는 매력적인 전망이지만 기존의 수 메가와트 풍력터빈을 부유식 플랫폼에 배치 시 여러 문제가 발생하며 그중 한 가지는 부하의 증가임. 즉, 파도로 인한 플랫폼의 움직임에 의해 하중이 증가할 수 있음
- 피치 제어 시스템은 터빈과 플랫폼 결합 시스템의 저주파 동작과 상호 작용하며 이를 일반적으로 네거티브 댐핑 문제라고 정의함
- 풍력터빈 제어기는 바람의 특성으로 인해 이득 크로스 오버(gain crossover) 주파수가 대략 0.8 ~ 1rad/s의 범위 내에 있도록 튜닝되어야 함. 해당 범위 초과 시 제어기를 너무 공격적으로 만들 수 있고 해당 범위 미만일 경우 제어 동작을 너무 느리게 만들어 제어 성능의 저하로 이어짐
- 사실상 고정식 터빈의 나셀도 앞뒤로 움직이므로 고정식 터빈도 네거티브 댐핑 현상을 경험하지만 나셀이 피치 제어기 대역폭(bandwidth)을 벗어난 (첫 번째) 타워모드(공진 주파수)에서 움직이므로 네거티브 댐핑 문제를 상대적으로 쉽게 방지할 수 있음

□ 연구 목표대비 연구결과
- 본 과제의 궁극적인 목표는 제어기를 디튜닝(detuning, 즉, 이득 크로스 오버 주파수 축소)하지 않고도 네거티브 댐핑 현상을 해결할 수 있는 제어기를 개발하는 것임
- LiDAR의 활용을 본 과제에서 제안하며 이는 다가오는 풍속 정보를 선제적으로 피드포워드(그림 2의 FF 모듈) 제어 알고리즘에 포함 시킴을 가능케 함
- LiDAR의 비용 문제 해결을 위해 기계학습을 도입함
- 풍속 추정이 아주 정확하지 않으면 제어기의 성능을 오히려 절하시킬 수 있으므로 제어 알고리즘에 풍속 정보를 포함하는 것은 부유식 풍력터빈뿐 아니라 고정 풍력터빈의 경우에도 아주 까다롭다고 알려짐
- 따라서 LiDAR를 사용하여 부유식뿐 아니라 고정식 풍력터빈의 제어 성능을 개선하는 것조차도 아직 초기 단계에 있으며 세계적으로도 많은 연구가 진행 중임
- 따라서 본 과제의 주요 목표는 다음과 같음
1. 고정식 풍력터빈의 제어 성능을 LiDAR 활용을 통해 향상함 - 달성
2. LiDAR의 비용문제는 기계학습을 활용해 해결함 - 달성
3. 1에서 개발될 제어기를 네거티브 댐핑 문제를 해결할 수 있는 부유식 풍력터빈용 제어기로 확장 및 개선함 - 달성

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
- 풍력 발전 자산의 수명과 수익성의 증가로 전통적인 에너지 자원과 비교하여 풍력 에너지의 원가 경쟁력이 향상되고 이산화탄소 감소 효과도 늘어남
- 재생에너지 3020 풍력 보급 목표(17.7 GW)달성을 위해 정부는 전략적 R&D 투자 분야인 16대 에너지 중점기술 분야를 제시하였고, 풍력 분야에서는 부유식 풍력터빈 용량 확대 및 부유체 개발·실증을 목표로 하고 있음
- 국내 기술력을 바탕으로 해당 목표달성을 위해에서는 부유식 풍력터빈의 제어기 개발 및 개선이 필수적이며 본 연구의 목표를 달성하고 개발 기술을 활용한다면 장기적으로 풍력 발전의 세계적 경쟁력을 진작시키고 신재생 에너지 분야의 새로운 경제 기회를 창출할 수 있음
- 본 과제는 또한 풍력 에너지의 원가 효율 증대에 이바지함으로써 신재생 에너지 분야 발전을 지원할 수 있을 것으로 기대함

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1) 기계학습을 이용한 풍속 관측기(estimator) 개발 ... 5
• 2) LiDAR 측정값 및 풍속 관측기 추정값을 활용한 고정식 풍력터빈의 최적제어 ... 5
• 3) LiDAR 측정값 및 풍속 관측기 추정값을 활용한 부유식 풍력터빈의 최적제어 ... 6
• 4) 고신뢰도(high-fidelity) 공력탄성학적(aero-elastic) 모델을 사용하여 고정식/부유 풍력터빈 제어기 검증 ... 6
• 5) 고정식/부유 풍력터빈 제어기의 성능 평가 및 검증 ... 6
• 6) 안전 관련 이슈 및 O&M에 관한 영향 평가 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 6
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 6
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 14
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 15
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 6. 자체점검표 ... 15
• 7. 참고문헌 ... 16
• 끝페이지 ... 22