기계/조선

계측과 제어_2023.4 (p186-187)

릴레이 기사: FACE the future
풍속의 예측정보를 이용하는 부체식 해상풍력발전의 제어
오사카산업기술연구소 연구원 쓰야 토모카(津屋 朋花) 씨

1. 머리말
필자는 학생시절 사물을 자유자재로 다룰 수 있는 제어공학에 흥미를 가졌다. 그리고 기후 변화 문제의 해결에 공헌하고 싶다는 생각에서 재생가능에너지에 관심을 갖게 되었다. 연구실에 들어간 이래 지금까지 풍속의 예측정보를 이용하는 부체식(浮體式) 해상풍력발전 제어에 관한 연구에 착수해 왔다.

2022년 3월에 박사후기 과정을 수료하고 지금은 오사카산업기술연구소에서 전기절연시스템의 진단 기술에 관한 연구를 진행하고 있다. 이번에는 대학원에서 진행한 연구에 대해 소개하고자 한다.

2. 부체식 해상풍력발전과 블레이드 피치 각도 제어
EU나 일본을 포함한 많은 지역이나 나라는 2050년까지 탄소중립 실현을 목표하고 있다. 그를 위해서는 발전량에서 차지하는 화석연료의 비중을 낮추고, 재생가능에너지의 비율을 높여야 한다. 풍력을 이용하는 풍력발전은 아시아태평양, 유럽, 북미 지역을 중심으로 보급되고 있다.

그 중에서도 부체에 풍차를 탑재해 해상에서 발전하는 부체식 해상풍력발전이 주목을 받고 있다. 이 방식은 얕은 해안이 별로 없는 일본과 같은 지역이나 나라에 적합한 발전방식이다. ‘강하고 일정 세기로 부는 바람을 이용 가능’하고 ‘깊은 바다에도 설치 가능’하며 ‘풍차의 대형화가 가능’하다는 점에서 뛰어나다.

한편, 부체에 풍차를 설치하는 특성상 ‘바람이나 파도의 영향으로 발전 출력이 변동’하거나 ‘부체의 동요로 풍차의 구성 요소에 부담이 가해져 유지보수 비용이 상승’하는 등의 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하는 제어 방법 중 하나가 블레이드 피치 각도 제어다.

이는 풍차의 블레이드 피치 각도를 변화시킴으로써 블레이드에 작용하는 양력/항력을 제어하고, 로터의 회전 토크나 바람이 풍차를 누르는 힘을 조정한다. 필자는 부체식 해상풍력발전에 대해 발전기 출력의 변동과 부체의 동요 제어를 목적으로, 풍속의 예측정보를 이용하는 블레이드 피치 각도 제어를 설계해 왔다.

설계한 제어기의 평가는 미국 재생가능에너지연구소(NREL)가 개발한 고정밀도 시뮬레이터 FAST를 이용해 시행했다.

3. LIDAR를 이용한 풍속 계측
LIDAR(Light Detection And Ranging)로 대표되는 리모트 센싱 기술의 발달로 풍차 전방의 풍속을 계측할 수 있게 되면서 블레이드 피치 각도 제어에 풍속의 예측정보를 이용하는 것을 검토하기 시작했다. 풍속의 예측정보를 이용함으로써 발전기 출력의 변동 억제나 구성 요소에 대한 부담 경감을 기대하고 있다.

LIDAR는 풍차의 너셀(Nacelle)에 설치하고, 바람이 불어오는 쪽을 향해 레이저광을 조사한다. 레이저광은 대기중의 입자에 닿으며 산란된다. 산란된 빛의 주파수는 입자의 속도에 따라 변화한다. 이 주파수의 변화를 관측함으로써 풍차 전방의 다양한 거리의 풍속을 추정할 수 있다.

너셀에 LIDAR를 탑재한 육상 풍차가 설치된 산업기술종합연구소 후쿠시마재생가능에너지연구소를 견학할 기회를 얻을 수 있었다. 주임연구원인 가와바타(川端) 씨의 안내로, 타워 내부에서 너셀에 올라 설치되어 있는 LIDAR와 블레이드 피치 각도 제어 시스템을 견학했다.

풍차의 허브 높이는 41.5m, 직경은 33m였다. 실제로 올라가 보니, 숫자만으로는 알 수 없었던 풍차의 크기에 압도당했다. 또한 센서 설치나 유지보수 때문에 자주 풍차를 오른다는 가와바타 씨의 말을 들으니, 실제 풍차를 이용한 실험에서는 체력도 중요하다는 것을 깨달았다. 필자는 견학 다음날에 전신 근육통으로 좀처럼 일어나기가 힘들었다.

4. 국제회의에서 발표
대학원에서 연구활동을 하면서 학회에 참가해 연구성과를 발표하는 것은 상당히 자극적인 일이었다. 특히 국제회의에서는 논문이나 책에서만 접했던 선생님들을 볼 수 있었기 때문에 기분이 들떴다. 특히 인상에 남은 국제회의는 SICE Annual Conference 2018(SICE 2018)과 5^th IEEE Conference on Control Technology and Applications(CCTA 2021)이다.

나라에서 열린 SICE 2018에서는 포스터 발표를 했다. 국제회의 참가는 처음이었기 때문에 영어로 제대로 논의를 할 수 있을지, 아무도 질문을 하지 않으면 어떡하지 등의 생각으로 불안하기도 했다. 영어에 대한 과제는 남았지만 할당된 시간 내내 활발한 논의가 이루어져 많은 사람들이 관심을 갖고 있구나 하는 생각에 기뻤다.

CCTA 2021은 처음에는 샌디에이고에서 개최될 예정이었지만 코로나19의 영향으로 온라인으로 열렸다. 재학 중 마지막 국제회의 참가였기 때문에 대면 발표를 하고 싶었는데 아쉬웠다. 하지만 세션 이동이 용이하고, 놓친 발표는 동영상을 보고 채팅으로 질문할 수 있는 온라인 개최만의 장점을 누릴 수 있었다.

특히 동영상 업로드가 많은 도움이 되었다. 한 번 들어서는 내용을 이해하기 어려웠던 부분을 확인할 수 있었다. 국제회의는 현지시간을 기준으로 열렸기 때문에 0시 발표와 심야시간 발표에는 당황하기도 했지만 필자가 그동안 참고했던 연구를 수행하고 있는 해외 선생님들에게 질문을 받고 논의를 할 수 있었던 것이 인상에 남았다.

5. 맺음말
현재는 공설시험연구소의 연구원으로서 모두에서 소개한 연구업무 외에 기업 지원 업무에도 관여하고 있다. 특히 음향관을 사용한 재료의 흡음 특성 평가를 하고 있다. 재료에는 폴리머가 사용되는 일이 많아 지금까지 전문으로 해 온 분야와 다르기 때문에 매일 공부하고 있다. 앞으로 제어공학에서 얻은 지식을 활용해 새로운 연구 테마에 임하고 싶다.

 -- 끝 --