경사계와 가속도계의 센서 융합을 통한 풍력 터빈의 변위 추정

Abstract

변위는 구조물의 상태를 직접적으로 나타낼 수 있는 물리량으로 매우 유용한 값이나, 풍력터빈과 같은 대형 구조물의 변위 측정은 상당히 제약된다. 변위 측정을 위한 방법은 크게 직접법과 간접법으로 나눌 수 있다. 직접법은 너셀 또는 타워 주요 높이에서의 변위를 측정하는 기법으로, LVDT, LDV, 그리고 영상기반 방법 등이 있다. 그러나 이들 장치는 매우 고가이거나, 혹은 장기간 외부에 설치가 어려우며, 기상환경에 영향을 받기도 한다. 간접적인 방법은 가속도, 변형률 및 각도와 같은 물리량을 변위로 변환하는 방법을 의미한다. 간접적인 방법은 직접법에 비해 센서 설치에 따른 제약이 적다는 장점이 있으나 가속도를 통해 이중적분 등의 방법으로 변위를 추정할 경우, 측정 잡음으로 인해 저주파 성분이 크게 증폭된다. 풍력터빈의 경우 교량과는 달리 센서의 설치 및 유지관리가 어렵고, 특히 해상풍력터빈의 경우 이러한 어려움이 커지게 된다. 본 연구에서는 터빈 너셀에서의 설치가 용이한 경사계와 가속도계만을 활용하여 센서융합에 의한 변위 추정방법을 제안하였으며, 실제 NREL 5MW급 풍력터빈에 작용하는 하중을 고려하여 수치적으로 변위추정에 대한 적용성을 분석하였다.의 변위를 측정하는 기법으로, LVDT, LDV, 그리고 영상기반 방법 등이 있다. 그러나 이들 장치는 매우 고가이거나, 혹은 장기간 외부에 설치가 어려우며, 기상환경에 영향을 받기도 한다. 간접적인 방법은 가속도, 변형률 및 각도와 같은 물리량을 변위로 변환하는 방법을 의미한다. 간접적인 방법은 직접법에 비해 센서 설치에 따른 제약이 적다는 장점이 있으나 가속도를 통해 이중적분 등의 방법으로 변위를 추정할 경우, 측정 잡음으로 인해 저주파 성분이 크게 증폭된다. 풍력터빈의 경우 교량과는 달리 센서의 설치 및 유지관리가 어렵고, 특히 해상풍력터빈의 경우 이러한 어려움이 커지게 된다. 본 연구에서는 터빈 너셀에서의 설치가 용이한 경사계와 가속도계만을 활용하여 센서융합에 의한 변위 추정방법을 제안하였으며, 실제 NREL 5MW급 풍력터빈에 작용하는 하중을 고려하여 수치적으로 변위추정에 대한 적용성을 분석하였다.