Development and Performance Evaluation of Tuned Mass Damper for Vibration Reduction of 3MW Wind Turbine Tower

철근 석; 성경 이; 석준 주; 승우 이

doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.5.261

Abstract

With the recent trend of increase in size of wind turbine towers, the need for its structural stability and usability have been well documented. In case of enlarged wind turbine tower, it is exposed to wind load of cut-out wind speed 25 m/s during operating turbine to produce electricity. Therefore, if the wind induced vibration is not controlled, it may lead to structural damages. In this study, optimized tuned mass damper on wind turbine tower developed to reduce vibration of the 3MW wind turbine tower has been developed, which can ensure structural stability and usability of wind turbine tower.

Keywords: Wind turbine tower, Tuned mass damper, Wind vibration, Vibration Control, Pendulum TMD

요지

최근 풍력터빈의 용량이 증가됨에 따라 풍력터빈타워의 구조적인 안정성 및 사용성이 요구되고 있다. 대형화된 풍력터빈타워의 경우, 터빈의 종단 풍속 25 m/s까지 전력생산을 위해 가동되는 동안 바람에 의한 하중이 풍력타워에 그대로 노출된다. 따라서 풍하중에 의한 진동을 제어하지 않으면 풍력터빈타워의 구조적인 파괴가 초래될 수 있다. 본 연구에서는 3MW급 대용량 풍력터빈타워의 진동저감을 위해 해당 구조물의 최적화된 제진장치를 개발함으로써, 풍력터빈타워의 사용성 및 구조적 안정성을 확보하였다.

1. 서론

최근 전력사용의 수요가 증대함에 따라 발전방식의 대형화, 지속적인 전력 공급, 친환경 청정연료가 요구되면서 신재생에너지 중 하나인 풍력발전이 크게 성장하고 있는 추세이다. 하지만 효율성 및 경제성을 위해 풍력터빈의 대용량화, 해상설치가 급증하면서 바람과 파도 등의 외부하중에 의한 풍력 터빈 타워의 구조적 안정성이 취약한 실정이다. IEC61400-1 (2005)에 따르면 풍력터빈 시스템의 구조적 안전에 대한 규정을 명시하고 있으며 풍력터빈이 설치될 장소의 풍속 및 난류 강도에 따른 등급을 나누고 풍력 작동상태에 맞는 하중조건을 제시함으로써, 이를 풍력터빈타워의 구조적인 설계절차에 적극 반영할 것을 요구하고 있다.

Table 1에 보는 것과 같이 대부분의 대용량화된 풍력터빈타워의 경우, 발전 최대 풍속을 약 25 m/s로 규정하고 있는데 해 당 풍속으로 풍력터빈타워에 지속적인 하중이 가해진다면 사용성 및 안전성의 문제 혹은 피로파괴가 초래될 수 있다.

이러한 문제의 대책은 구조적 강성증가방법과 진동제어장치 도입으로 분류할 수 있는데 풍력터빈타워의 경우, 블레이드 회전에 따른 타워의 공진을 피해야 하므로 강성을 임의로 증가시킬 수 없으나 진동제어장치의 경우에는 구조물의 동적 특성과 하중특성에 따라 제어성능을 최적화할 수 있기 때문에 풍력터빈타워의 안전성을 도모할 수 있다. 따라서 본 연구는 대형화된 풍력터빈타워를 대상으로 발전최대 속도인 풍속 25 m/s까지 진동응답을 최소화하도록 최적화된 진동제어시스템을 개발, 성능 평가하여 풍력터빈타워의 사용성 및 구조적 안전성을 확보하고자 한다.

Table 1

Wind Speed of Wind Turbine on Driving Conditions (V_hub)

Parameters	Wind Speed
Idling Wind Speed	about 2m/sec
Cut-in Wind Speed	3~3.5m/sec
Rated Wind Speed	11.5~15m/sec
Cut-out Wind Speed	about 25m/sec

Table 2

Resonant Frequency Range on Vestas V90- 3.0MW

Resonant Frequency Range
Rotor Frequency(1P)	Blade Passing Frequency(3P)
0.17Hz~0.27Hz	0.51Hz~0.81Hz

Table 3

Modal Participation Mass

Mode	Modal Participation Mass(%)
Mode	Ux	Uy	Uz	Rx	Ry	Rz	Sum
1st	66.6	0	0	0	32.2		98.8
2nd	14.0	0	0	0	14.6	0	28.6
3rd	0	6.2	0	12.8	0	0	19

Table 4

Iwatani Program Input Data on Wind Speed 25 m/s

Parameters	Wind Speed on 25 m/s
Data Number	6000
Time Interval [sec]	0.1
Max. Height of Tower [m]	76.11
Average Diameter [m]	3.253
Turbulence Intensity	0.1558
Average Wind Speed at 10 m Height of Tower [m/s]	19.997m/s

2. 풍력터빈타워 구조 및 진동 해석

2.1 풍력터빈타워 모델링

풍력터빈타워의 FEM모델은 국내·외에서 가장 큰 점유율을 차지하고 있는 Vestas사의 3MW급 풍력터빈타워 중에 대형 풍력터빈의 80%를 차지하는 간접 구동 형식(Geared Type)으로 구성된 V90-3.0 MW를 연구대상으로 선정하였다.

타워의 높이 76.11 m, 총질량 304.6 ton, RNA(Rotor Nacelle Assembly)질량 147.3 ton으로 구성된 본 모델은 타워가 하단부터 상단까지 점차 직경이 줄어드는 Taper 형태 타워로 구조 모델링 하였으며, 타워 상단에 RNA 질량을 Lumped Mass로 치환하여 모델을 구축하였다. 구조해석 프로그램으로는 ABAQUS 6.13 CAE를 사용하여 고유진동해석을 실시하였다.

풍력터빈타워의 진동에 대한 설계는 일반구조물과 다르게 터빈운용 중 주기적인 하중으로 인한 공진을 회피하여 설계 하여야 하며, GL Wind Guideline(2010)에서는 Fig. 1과 같이 블레이드 회전에 따른 운용하중과의 공진을 회피할 수 있도록 요구하고 있다. 여기서, Rotor가 1Cycle 회전 시의 진동수를 1P, 3개의 블레이드 통과 진동수를 3P라고 정의한다.

Fig. 1

Detail of Frequency

Fig. 2

Range of Resonant Avoidance Frequency

Fig. 3

Results of Eigen Value Analysis

Fig. 4

Time History Data on Wind Speed 25 m/s Calculated Using Iwatani.

풍력터빈타워의 고유치 해석결과, 1차, 2차 3차 모드 고유 진동수는 각각 0.3616 Hz, 3.2014 Hz, 9.0984 Hz로 3 MW급 풍력터빈타워의 공진 주파수 영역에 포함되지 않으므로 로터 회전 및 블레이드 통과 주파수와의 공진에 대한 문제가 없는 것으로 확인되었다.

2.2 풍력터빈타워 진동해석

풍력터빈타워의 진동해석을 위해 사용된 풍속 25 m/s의 각각 절점에 대한 인공풍속을 Iwatani Method(1996)를 이용하여 산정하였고, 풍속데이터를 ASCE7-05(1999)의 Eqs. (1)를 이용하여 풍하중으로 변환하였다. 또한, 절점 풍하중은 Fig. 5 과 같이 모달 풍하중으로 변환하여 구조 진동해석을 진행하였다.

Fig. 5

Modal Wind Force Used in WindTurbine Tower

(1)

F=qzGCfAf

여기서, q_z : 설계 속도압(=12ρVz2), ρ : 공기밀도(=0.123(kgf·s²/m⁴), V_z : z(m)높이에서의 풍속, G: 거스트 영향계수(0.88), C_f : 풍력계수(2.611), A_f: 유효수압계수(1.0).

타워 구조의 진동해석을 위해 미분방정식 해석용 MATLAB 코드를 이용하여 종단 풍속 25 m/s의 시간이력 모달 풍하중에 대한 변위 및 가속도 응답을 분석하였다. 해석결과, 터빈의 종단풍속인 25 m/s에서의 풍력터빈타워의 최대변위는 0.355 m, 동적 최대변위는 0.254 m이며, 최대가속도는 1.24 m/s²의 응답을 보였다. 따라서 풍력터빈타워의 종단풍속까지 효율적인 전력생산과 피로하중의 저감을 위해서는 최적화된 진동제어장치 설계를 통하여 Fig. 6과 같이 풍하중에 의해 유발되는 변위 및 가속도응답을 저감시켜야 한다.

Fig. 6

Time History Analysis of 3MW Tower on Wind Speed 25 m/s

Fig. 7

1st Mode Shape of 3MW Tower

Fig. 8

1st Mode Cumulative Generalized Mass of 3MW Tower

3. 진동제어장치 설계 및 해석

3.1 진동제어장치 사양결정

3.1.1 모드 형상 및 질량

제어 모드는 1차모드를 대상으로 하고 제진장치의 예상 설치위치는 타워 최상단 Segment(Height 73.81 m)을 기준으로 선정하여 그에 따른 일반화 질량 217.154 ton을 산출하였다.

3.1.2 제진장치 최적 Parameter 산정

제어장치가 설치될 Vastas V90-3MW 풍력터빈타워의 최상단 Segment 실내공간은 최상부 타워 지름 2.268 m, 최하단 타워 지름 2.418 m, 높이 2.3 m로 내부 공간이 다소 협소하다. 따라서 진동제어장치는 제어반 및 기타 제어장치의 설치로 인하여 넓은 내부공간을 필요로 하는 능동질량형 제진장치(Active Mass Damper) 보다는 상대적으로 작은 내부공간의 필요와 경제적인 특성을 지닌 수동질량형 제진장치(Tuned Mass Damper)로 선정하였다.

Fig. 9와 같이 외부 조건에 따라 최적의 TMD 사양 결정으로 최대의 진동 저감효과를 얻기 위해서 Yamaguchi et al. (1991)의 TMD Design Parameters을 인용하여 설계하였다.

Fig. 9

TMD Design Procedures

Fig. 10

TMD Design Procedures

TMD 최적 설계의 중요한 설계변수로 TMD Mass Ratio (Eqs. 2), TMD Frequency Ratio(Eqs. 3), TMD Damping Ratio(Eqs. 4)가 있으며, 이 3가지 변수의 최적값을 정하는 방법에는 여러 가지가 있으며 최적의 기준을 무엇으로 정하느냐에 따라 달라진다. 본 TMD는 최대 문제로 여겨지는 협소한 타워 내부공간에 대해 TMD Mass Ratio를 우선 결정하고 TMD 이송거리를 제한함으로써, Damping Ratio를 결정하여 TMD를 설계하였다.

(2)

μ=MTMDM1

(3)

γ=1+μ21+μ

(4)

ξTDM=12μ(1+3μ4)1+3μ2

여기서, M₀: 풍력타워의 모드질량(1^st Mode), M_TMD: TMD의 질량, 단, 위의 식은 Random Excitation 조건.

위의 식과 TMD 최적 설계 절차에 따른 3MW급 풍력터빈 타워의 최적 사양은 Table 5와 같다. TMD 제진 형식은 높이에 비해 내부가 상대적으로 좁은 타워 안을 고려하여 단진자 TMD로 선정하였다. 단진자 TMD의 경우, 제진장치 고유 진동수를 케이블 길이로 조절이 가능하고 2차원적인 진동제어가 다른 TMD에 비해 편리하다는 장점이 있다.

Table 5

TMD Specification of 3MW Tower

Parameters	Value
Moving Mass [ton]	5
Mass Ratio [%]	2.3
Damping Ratio [%]	12.8
Frequency Ratio [%]	98.3
Frequency [Hz]	0.3555
Max. Stroke [m]	0.4

3.2 TMD 수치해석

본 연구에서는 풍력터빈타워에서의 TMD 성능을 검토하기 위해 최적화된 제진장치가 설계된 풍력타워의 운동방정식 시 스템을 MATLAB 프로그램으로 구현함으로써, 종단 풍속 25m/s에 대한 TMD 설치 유·무에 따른 수치해석을 실시하였다.

해석결과, 변위응답의 경우 0.6037, 가속도응답은 0.5111의 Control ratio를 나타냈으며, 각각 39.63%, 48.89%의 진동 저 감을 보였다. 이때 TMD 이송거리(Stroke)는 0.3641 m가 발생하였는데 이는 설계된 TMD 최대 이송거리 0.4 m 범위 안에 수렴하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 11

Simulation Numerical Analysis for Performance Test

4. 진동제어장치 상세 설계 및 제작

TMD의 성능평가를 위해 제진장치 및 풍력터빈타워의 시험 체 제작을 실시하였다. 제작하기에 앞서, 제진장치의 형상 및 목표성능을 위한 상세설계를 수행하였고 실제·부분 스케일이 상사된 풍력터빈타워의 시험체를 상세 설계하였다.

4.1 제진장치 및 시험체의 스케일 조건

정확하고 신뢰성 높은 성능평가를 위해서는 실 스케일화된 제진장치와 풍력터빈타워의 제작이 요구되지만 풍력터빈타 워의 실크기를 갖는 시험체를 제작하기에는 현실적으로 어려움이 따르므로, 본 연구에서는 실 스케일화된 제진장치와 부분 스케일화된 타워 시험체를 제작하여 성능시험을 진행하고 동일한 조건에서의 시뮬레이션 수치분석을 실시하여 성능 값 들의 오차를 비교함으로써, 시험 응답에 대한 신뢰성을 평가하였다.

TMD의 경우, 실제 설계된 사양을 실 스케일로 설계·제작 되었지만 풍력터빈타워의 시험체는 모드질량(Modal Mass)을 제외한 동특성 및 최상단 타워내부의 제원 등을 실 스케일로 모사하여 제작되었다.

4.2 제진장치 상세 설계 및 제작

풍력타워 TMD의 경우 타워의 좁은 공간을 효율적으로 활용하기 위하여 많은 부피를 차지하는 TMD의 Mass의 최적화된 형상 결정이 요구된다. 따라서 제진 시 거동하는 케이블의 최소한도 범위만 커팅하고 질량체 5 ton을 설계하였다. 케이블의 길이는 요구 TMD 진동수에 상응하는 1.964 m로 설계 하였고 실리콘 오일을 이용하여 TMD 감쇠비를 구현하였다.

Fig. 12

3MW TMD Component

4.3 3MW 타워 상세 설계 및 제작

3MW급 풍력터빈타워에 내부공간은 제진장치가 설치된 최상단 Segment만 실제 크기로 부분 설계하였다. 또한, 본 연구는 1차 모드에 대한 진동저감 성능을 파악할 목적이므로 1차 모드질량 217.154 ton 의 29%인 62.768 ton으로 질량으로 제작하고 추가적인 Mass 5.86 ton을 부가하는 방법을 이용하여 TMD의 성능 곡선을 통한 실제 타워에서의 제진장치 성능을 유추하는 방법을 사용하였다.

추가적으로 질량 부가를 위해 시험체 베이스를 설계하였으며 시험체의 성능 시험을 실시할 때 시험체를 지탱할 수 있도록 지지대를 설계하였다. 또한 3MW급 풍력터빈타워의 구조 형식에 따라 제조사 별 동특성 차이가 발생할 수 있으므로 진자 길이 조절 장치를 통하여 기본 제진장치 진동수에서 +5.8%~3%의 진동수 범위로 튜닝이 가능하도록 설계하였다.

Fig. 13

3MW Test Tower Component

Fig. 14

3MW Tower Support

Fig. 15

Manufactured 3MW Tower and TMD

5. TMD 성능 시험

실 스케일로 제작된 TMD 및 시험체에 대하여 동특성시험을 진행하였으며 정현파 시험 및 25 m/s풍속의 풍진동 가진 시험을 실시하여 TMD의 성능을 평가하였다. 또한 추가적인 질량체(5.86 ton)를 부가하고 풍진동 가진시험을 재시험하여 시험체의 제진성능 곡선을 유추하였다.

Fig. 16

Performance Test with TMD and without TMD

Fig. 17

Acceleration Response on Sine Dwell Test

Fig. 18

Comparison of Performance Test and Simulation Numerical Analysis for FFT

Fig. 19

Acceleration Response on Sine Sweep Test

Fig. 20

Exciter for wind Induced Vibration

5.1 자유진동시험

TMD의 사양 및 시험체의 동특성을 파악하기 위해 자유 진동시험을 통하여 목표로 하는 동특성에 도달하였는지 파악하였다. 시험 결과, 목표로 하는 시험체와 TMD의 동적 특성과 거의 유사함을 볼 수 있다.

5.2 정현파 시험

5.2.1 정현파 고정 시험

가진 진동수를 시험체의 고유진동수인 0.373 Hz 사인파로 가진하며 가진 시간은 120 sec, 자유진동 시간은 60 sec로 진행하였고 가진 방향은 한 방향으로 실시하였다. 정현파 고정 시험 결과, 최대 92%의 진동저감효과를 볼 수 있으며 FFT 해석을 통하여 시뮬레이션 수치해석 값과 실측값을 비교해보면, 시험체의 고유진동 영역에서 거의 비슷한 저감율을 보이는 것을 알 수 있다.

5.2.2 정현파 소인 시험

가진 진동수를 0.1 Hz 간격으로 시험체의 고유진동수가 포함된 0.33 Hz~0.41 Hz 범위에서 Sweep가진하여 진동수 변화에 따른 타워의 응답을 평가하였다. 진동수 별로 가진 시간은 300 sec이며 가진력의 크기는 200 N으로 동일하게 진행하였다.

시험 결과, 비 제진된 시험체에서는 구조물의 고유진동수 범위에서 공진현상으로 인한 큰 가속도 응답을 나타냈지만, 제진된 시험체에서는 고유 진동수 구간에서 가속도 응답(진동 저감율 최대 90%)이 작아지는 것을 볼 수 있었고 그 진동수 범위를 벗어나면서 저감효과는 급속히 작아졌다.

5.3 풍진동 가진시험

터빈의 종단 풍속 25 m/s의 모달 풍하중을 동적 가진기를 이용하여 시험체에 대한 진동을 모사함으로써, 타워 시험체의 제진성능을 평가하였다.

또한, 추가 질량 부가 후의 제진성능을 평가하여 시뮬레이션 해석값과 비교분석함으로써 실제 풍력터빈타워의 진동저감 성능을 평가하였다.

5.3.1 기본 시험체에 대한 풍진동 가진시험

Fig. 21

Wind Vibration Test Without Added Mass (Wind Speed 25m/s)

5.3.2 추가 질량 부가 후의 풍진동 가진시험

Fig. 22

Wind Vibration Test With Added Mass (Wind Speed 25m/s)

5.3.3 기본 시험체에 대한 시뮬레이션 수치해석

기본 시험체에 대한 풍진동 가진시험의 동일한 조건에서 시뮬레이션 수치해석 응답은 Fig. 23과 같다.

Fig. 23

Simulation Numerical Analysis Without Added Mass (Wind Speed 25m/s)

5.3.4 추가 질량 부가 후의 시뮬레이션 수치해석

기본 시험체에 추가 질량 부가 후, 풍진동 가진시험의 동일한 조건에서 시뮬레이션 수치해석 응답은 Fig. 24와 같다.

Fig. 24

Simulation Numerical Analysis with Added Mass (Wind Speed 25m/s)

5.3.5 제진 성능 평가

종단 풍속의 제진 성능 평가를 위해 풍진동 가진시험에 의해 계측된 가속도응답을 동일한 조건에서의 시뮬레이션 수치 해석 가속도응답과 비교하였다. 풍진동 가진시험의 경우, 풍속 25 m/s의 풍하중 데이터 시간이력초기에 하중 값을 0으로 시작하는데, 이는 가진기의 성능저하를 순간 노이즈를 예방하기 위함이다.

분석 결과, Table 11에 보는 것과 같이 풍진동 응답이 시뮬레이션 수치해석 응답과 유사하게 평가되는 것을 볼 수 있다.

Table 6

Scale Condition of TMD

Parameter	Prototype	Design Value
Moving Mass [ton]	5	5
Mass Ratio [%]	2.3	8.0
Damping Ratio [%]	12.8	12.8
Frequency Ratio [%]	98.3	94.4
Frequency [Hz]	0.3555	0.3555
Max. Stroke [m]	0.4	0.4

Table 7

Scale Condition of 3MW Tower

Parameter	Prototype	Design Value
1st Modal Mass [ton]	217.154	62.768
Natural Frequency [Hz]	0.3616	0.3616
Structural Damping Ratio [%]	below 1%	below 1%
Mean Diameter at Top Segment of Tower [m]	2.343	2.343
Mean Height at Top Segment of Tower [m]	2.3	2.3

Table 8

Case of Performance Test

Test		Test Classification
	Free Vibration	Free Vibration Test
	Test	After Excitation
With TMD or	Sine Test	Sine Dwell Test
Not	Sine Test	Sine Sweep Test
	Wind Induced Vibration Test	Excitation Vibration Test

Table 9

Specification of Tower and TMD

Parameters	Value
Frequency of Designed 3MW Tower [Hz]	0.373
Damping Ratio of Designed 3MW Tower [%]	0.287
Frequency of TMD [Hz]	0.359
TMD Damping Ratio [%]	12.65

Table 10

Specification of Exciter

Parameter	Value
Exciter Size [mm]	2100x875x745
Total Mass [kg]	3500 kg
Upper Mass [kg]	3000 kg
Max. Stroke [mm]	±200
Motor Rated Torque [Nm]	191
Motor Rated Speed [RPM]	1500
Motor Max. Speed [RPM]	2000

Table 11

Comparison of Wind Vibration Test and Simulation Numerical Analysis

Mass	Test	Max. ACC.
Condition	Test	Control Ratio
w/o Added	Wind Induced Vibration Test	0.2228
Mass	Simulation Numerical Analysis	0.1992
w/ Added	Wind Induced Vibration Test	0.2128
Mass	Simulation Numerical Analysis	0.2163

또한, Fig. 25와 같이 질량비 별 25 m/s의 풍진동 수치해석을 실시하여 실제 풍력터빈타워의 응답을 유추하였다. 3MW 급 풍력터빈타워의 경우 종단 풍속 25 m/s의 풍속 작용 시 TMD의 성능에 의해서 48%의 진동 저감 성능을 보일 것으로 예상된다.

Fig. 25

Acceleration Control Ratio Predicted by Wind Vibration Test

6. 결론

최근 풍력터빈의 대용량화가 지속됨에 따라 풍력터빈타워의 구조적인 안정성 및 사용성이 요구되고 있다. 따라서 본 연구는 터빈의 종단 풍속에서의 진동 발생을 저감 시키는 제진장치를 개발함으로써, 성능을 평가하였다.

3 MW급 풍력터빈타워의 너셀 및 블레이드 등과 같은 최상 부의 복잡한 구조물을 FEM 해석모델로 재구성하여 모델링하였고, 동특성을 파악 및 25 m/s풍속에 대한 변위·가속도 응답을 분석하였다. 최대 변위 및 가속도 값은 각각 0.355 m, 1.24 m/s²이며 최대 동적 변위는 0.254 m의 응답을 보였다.

풍력터빈타워에 가장 적합한 제진장치로 단진자 TMD를 선택하였고 협소한 타워 내부의 공간활용을 위해서 최대한의 제진성능을 발휘하는 제진장치를 개발하였다. 내부적으로 공간이 협소한 경우, 제진장치의 감쇠를 높임으로써 이송거리를 제한시켜야 한다. 따라서 개발된 TMD의 경우, 감쇠비가 12.65%로 구현, TMD 이송거리 0.4 m로 제한하였다.

제진장치의 성능을 평가하기 위해 실제 내부공간의 풍력터빈타워 시험체를 제작하였으며 TMD 설치 유·무에 따른 정현 파 시험 및 풍진동 가진시험을 수행하였다. 실제 풍력터빈타워의 모드질량을 29%구현하였기 때문에 이를 극복하기 위해서 질량 차이만을 제외한 다른 Parameter를 실 스케일화 하여 평가된 제진성능과 질량의 증가에 따른 제진성능의 변화를 보여주는 시뮬레이션 수치해석 값을 비교분석하였다.

가속도 응답 분석 결과, 비슷한 저감율을 보였으므로 실제 모드질량에서의 시뮬레이션 수치해석 결과 값을 본 과제에서 목표로 하는 실스케일 제진성능이라고 간주하였다.

본 성능평가를 통해 제진장치를 설치로 인하여 풍력터빈타워의 안정성을 확보할 수 있다는 결과를 얻었으며 향후 추가적인 연구를 통하여 해상풍력발전의 안전을 위해 도모해야 할 것이다.

3MW급 풍력터빈타워의 진동저감을 위한 수동질량형 제진장치 개발및 성능 평가