경사 및 가속도 계측자료 융합을 통한 풍력 터빈의 변위 추정

Abstract

Wind power systems have gained much attention due to the relatively high reliability, good infrastructures and cost competitiveness to the fossil fuels. Advances have been made to increase the power efficiency of wind turbines while less attention has been focused on structural integrity assessment of structural sub-systems such as towers and foundations. Among many parameters for integrity assessment, the most perceptive parameter may be the induced horizontal displacement at the hub height although it is very difficult to measure particularly in large-scale and high-rise wind turbine structures. This study proposes an indirect displacement estimation scheme based on the combined use of inclinometers and accelerometers for more convenient and cost-effective measurements. To this end, (1) the formulation for data fusion of inclination and acceleration responses was presented and (2) the proposed method was numerically validated on an NREL 5 MW wind turbine model. The numerical analysis was carried out to investigate the performance of the propose method according to the number of sensors, the resolution and the available sampling rate of the inclinometers to be used.

신재생 에너지 개발에 대한 사회적 요구가 증가하면서 경제성 및 기술 성숙도가 높은 풍력발전이 많은 관심을 받고 있다. 대규모 에너지 생산을 위해 풍력 터빈의 대형화와 해상풍력 단지 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 운영 및 관리(O&M, Operation and Management) 측면에서의 구조적 안전성 평가 및 유지관리의 중요성 또한 지속적으로 증가하고 있다. 안전성 평가를 위한 여러 항목 중 터빈 상부 즉, 허브 높이에서의 변위는 구조물의 강성에 의해 지배되는 직접적인 지표로, 구조물의 건전상태를 쉽게 평가할 수 있는 지표라 할 수 있다. 그러나 풍력 터빈과 같은 대형 구조물의 변위 측정은 장비의 한계로 직접적으로 측정하기에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 이 연구에서는 (1) 경사와 가속도의 동적 계측응답 자료를 융합하여 간접적으로 변위를 추정하는 방법을 제안하고, (2) 제안된 방법을 제원이 공개되어 있는 NREL 5 MW급 풍력 터빈에 적용하여 경사계의 수, 경사계의 잡음 수준 및 계측 주파수에 따른 변위 추정의 정확도를 평가하였으며, 실제 변위 측정을 위한 매개변수 연구를 수행하였다.