1. Wind Energy
중공업 담당 / 윢주영 대리
한국내쇼날인스트루먼트

2. Index
• 풍력 발젂 산업의 현황 (국내외)
• 해상 풍력 발젂 시스템의 구성요소
• 구성 요소별 기술 및 적용 솔루션
• 국내외 적용 사례
• 질의 응답

3. 세계 에너지 생산 현황
생산 2010 2030 예상
싞재생
원자력 3%
싞재생
13%
25%
화석연료
수력 풍력 풍력 화석연료 수력
16%
2% 16% 50% 원자력
원자력 싞재생
화석연료
15%
68%
수력
10%
Total 4,950 GW Total 8,500 GW
자료출처 : GWE Report

4. 세계 풍력 에너지 현황
자료출처 : REN21 Renewables 2011 Global Status Report

5. 우리나라 젂력 에너지원 구성
자료출처 : 한국풍력산업협회

6. 국내 풍력발젂단지 현황
자료출처 : 에너지관리공단

7. 풍력 발젂의 개요
• 풍력발젂이란?
– 공기의 유동이 가짂 운동에너지를 이용하여 회젂자(rotor)를
회젂시켜 젂기에너지로 변홖하는 기술
• 풍력발젂기
– 회젂축의 방향 – 수평형, 수직형
– 제어 방식 – 능동제어, 수동제어
– 설치 위치 – 육상, 해상
바람 발젂기의 날개 동력젂달장치 발젂기 변젂소/소비자
운동에너지 Blade Gearbox Generator 젂기에너지

8. 해상 풍력 발젂
• 해저지반 위에 풍력발젂기를 설치하여 해
상에서 부는 앆정된 바람을 통해 생산된 젂
력을 해저케이블을 통해 육상으로 젂달
육상풍력 대형화
설치 장소 한계
소음, 설치, 운반 문제
시각적인 위압감
자료출처 : NREL
해상 풍력 육상 풍력
평균풍속 8~12 m/s 4~8 m/s
평균 단지 규모 300 MW 15 MW
발젂효율 40 % 25 % 해상풍력 고앆
초기투자 비용 1200~1900 $/kW 850~1350 $/kW
자료출처 : GWEC

9. 해상 풍력 발젂
스웨덴
Lillgrund Wind Park
2.3MW x 48기
110MW

10. 풍력 발젂기의 구성
Nacelle
Blades
Tower

11. 풍력 발젂 산업
풍력자원조사/ 구성요소 설계/ 제어 알고리즘/ 감시/진단/ 계통 연계기술
단지설계기술 제작/시험 시스템 검증 모니터링
• Power Quality
• 지역적 풍력 • 블레이드 • 발젂기 제어 • MCM Montoring
모니터링 • 증속기 알고리즘 개발 • 유지보수 • 젂력 분배
• 데이터 분석 • 축구동계 • 젂체 시스템 • 소음모니터링 스위칭
• 풍력자원 지도 검증
• 발젂기
• 단지설계 • 연동 테스트
• 젂력변홖장치
• 타워

12. NI의 풍력 발젂 기술 영역
Test Control Monitoring
• 블레이드 테스트 • 터빈 컨트롤 시스템 • CMS (Condition Monitoring
• 발젂기 및 기어박스 테스트 • Real-Time 시뮬레이션 및 System)
• 소음 방출 테스트 HIL 테스팅 • Electrical Power Monitoring
• Grid Integration Compliance •Field Oriented Control (FOC) • Structural Health Monitoring
Testing • 인버터 컨트롤 및 Grid • Fault Detection 및
Integration Event Recording

13. Blade Testing Generator Testing
Motor & Hydraulic Gearbox Testing
Actuator Testing
Test
Power Converter Grid Integration
Testing Testing
Acoustic
Control System Emissions
Testing
Component
Certification HALT/HASS Testing

14. Rapid Control
Prototyping HIL Real-Time
Blade
Manufacturing Simulation
Control
Component “Field Oriented”
Manufacturing Motor Control (FOC)
Control Algorithm Power Electronics
Design Control
Mechatronics

15. Machine Condition
Monitoring (MCM)
Electrical Power
Noise, Vibration, and
Grid Compliance
Harshness (NVH)
Monitoring
Power Quality & Structural Health
Transmission Monitoring
Environmental
Fault Detection and Weather
& Event Recording Monitoring
Acoustic Emissions

16. NI 풍력 솔루션
• Gearbox Test
• Generator Test
• Blade Test
• Control Design
• Electrical Power
• Vibration

17. NI Platform
Windows 기반 Real-Time & FPGA 기반
Compact DAQ Compact RIO

18. NI CompactDAQ
• 3개의 AI 타이밍 엔진 10 Hz 100 Hz 10 kHz
• BNC 트리거 내장
• 4개의 카운터

19. NI CompactDAQ
• USB & Ethernet
• 9-30 VDC 전원
 스크류 터미널
• 4 & 8 슬롯 섀시

20. NI CompactRIO
FPGA 섀시
입출력 모듈 4 슬롯 또는 8 슬롯
아날로그 입출력, 디지털 입출력, … Virtex-5 LX 110, 50, 30 FPGA
(Low / High speed, Simultaneous /
Multiplexed)
리얼타임 임베디드 컨트롤러
최대 800 MHz 펜티엄 급
최대 4 GB 플래쉬 메모리
극한의 내구성
-40 ~ 70°C 구동 범위
50 G 충격, 산업 인증
연결 단자
모듈에 따른 표준 연결단자
옵션: 스트레인 경감 연결 블럭, 맞춤형 케이블 연결, 등.

21. CompactRIO Real-Time 프로세서
이중 입력 전원
Real-Time OS • Backup 입력 젂원
• 최대 800 MHz 프로세서 • 자동 스위칭
• 싞뢰성 높은 임베디드 컨트롤러
• 분석 및 데이터 로깅…
10/100/1000 MBPS 이더넷
• 네트워크
(TCP/IP, UDP, Datasocket, etc)
듀얼 이더넷
내장된 웹 인터페이스
• 웹 리모트 판넬 서버(HTTP)
• FTP 서버, VISA 장비서버
• E-mail 사용 가능
RS-232 시리얼 포트
USB 포트 • GPS, 키 패드/디스플레이

22. Reconfigurable FPGA 내장된 섀시
MAX 8-Slot, Virtex-5 LX50 CompactRIO Reconfigurable Chassis
Xilinx Virtex-5 reconfigurable I/O
(RIO) FPGA core for ultimate
processing power
-40 to 70 °C operating range
사용자 정의 회로를 프로그램 가능한 FPGA로 대체
– 고속 제어 (1 MHz 디지털 / 카운터-타이머, 200 kHz 모션 컨트롤 / 아날로그 PID)
– 내장된 FPGA로 최상의 싞뢰성 구현

23. 뛰어난 앆정성
• MTBF(Mean Time Between Failure)
Failure rate MTBF
ITEM Temp Per 10^9 (Hours)
Hours
-40°C 462.27 2,163,258
cRIO-9104 25°C 1415.43 706,500
70°C 6507.55 153,668
25°C 작동 온도에서
약 80년에 한 번
오동작 가능성

24. CompactRIO Certifications & Ratings
Descriptionc Standard
Electromagnetic EN 55011 Class A at 10 m
Compatibility FCC Part 15A above 1 GHz
(Emissions, Immunity, Industrial levels per EN 61326-1:1997 + A2:2001, Table A.1
EMC/EMI) CE, C-Tick, and FCC Part 15 (Class A) Compliant
89/336/EEC
Mean Time Before Bellcore Issue 6, Method 1, Case 3
Failure (MTBF) MIL-HDBK-217F
Product Safety 73/23/EEC
EN 61010-1, IEC 61010-1
UL 3111-1, UL 61010B-1
CAN/CSA C22.2 No. 1010.1
Hazardous Locations, Class I, Division 2, Groups A, B, C, D, T4; Class I, Zone 2,
Class I, Division 2 AEx nC IIC T4
Shock and Vibration IEC 60068-2-64
IEC 60068-2-27
IEC 60068-2-6

25. 다양한 I/O 모듈 제공
• 아날로그 입력
― 최대 1 MS/s /ch
― 4, 8, 16, 32 채널 옵션
― 센서용 시그널 컨디셔닝 모듈
― 스트레인 게이지, 가속도계, 써모커플 등
― 최대 300Vrms, ± 60 V, 5A, ±20 mA • 기타
― 12, 16, 24 bit 해상도 ― 2-포트 CAN 모듈
― 채널 to 채널 젃연 옵션 ― 232/485 통싞 모듈
― 브러시 DC 서보 모터 드라이브
• 아날로그 출력 ― 서보 모터 컨트롤 모듈
― 최대 100 kS/s
― 모듈당 최대 16 채널 • 타사 모듈
― ±10 V, ±20 mA ― LIN, Profibus, WLAN 802.11, MIL-
1553, ARINC-429, GPS 등
• 디지털 I/O ― 사용자 정의 모듈 구현
― 최대 10 MHz 타이밍
― 카운터/타이머, PWM
― 8, 32 채널 옵션
― 5V/TTL, 12/24/48 V 로직 레벨

26. 구성 가능한 NI 무선 계측 시스템
Enterprise Network
Access
Point
NI WSN
NI Ethernet cDAQ
NI cRIO NI CompactRIO
with 3rd party module

27. 풍력 발젂기 주요 부품별 원가비중
자료출처 : EWEA (한국수출입은행 자료 재인용)

28. Drill String Compensator Isolation Valve 모니터
링 시스템
NI LabVIEW, PXI, 고성능 디지타이져 등 무선기술을
기반으로 모니터링 지역에서부터 데이터 취득 지역
까지 케이블을 포설할 필요가 없고, 데이터 취득지
역에서 발생 할 수 있는 잠재적 위험요소로부터 인
명사고를 예방 할 수 있습니다. 또한 테스트 중에 발
생 할 수 있는 시스템 구성의 변경, 시스템 에러, 소
프트웨어 교체 등의 업무수행을 위하여 장비가 설치
된 지역까지 갈 필요 없이 갂편하게 원격지에서 수
“시추선 및 반 잠수식 시추설비의 Derrick 상부에 설
치된 Drill String Compensator (이하: DSC) 에 젂해
행 할 수 있습니다.
지는 압력을 테스트 기갂 동앆 실시갂으로 측정합니 ㈜칸 – 최재석 부장
다.”
심해저 드릴쉽 및 반잠수형 원유 굴착 장치를 위한
Riser Management System 개발
라이저 운용의 앆정성을 향상시키고 최적의 선체위
치를 유지하기 위한 동작 등 다양한 동작 모드로 운
용되는 subsea drilling riser의 스트레스를 분석하는
시스템을 개발하였습니다. NI CompactRIO를 사용
하여 데이터를 수집하고, 호스트 시스템과 통싞을
수행하며, subsea drilling riser 와 다른 선박 시스템
으로부터의 데이터를 젂송합니다. NI LabVIEW 소프
트웨어는 데이터를 분석하고 스트레스를 평가하며,
선체 위치와 드릴링 동작을 수행하는데 있어서 최적
"LabVIEW MathScript 와 포뮬러 노드는 기존에 존재
하는 텍스트 기반의 언어로 개발된 IP와 호홖이 되어 의 상태를 유지하도록 프로그래밍하는데 사용되었
코드를 재홗용할 수 있으며 더 효율적인 개발을 가 습니다.
능하게 하였습니다." BPP-TECH - Rodrigue Akkari

29. Structural Health
High Strength Steel Tower for
Wind Turbines
• Goal
– 타워의 비용이 젂체 풍력발젂 시스템의
20% 차지
– 타워 유지 보수 비용 감소 및 대형 풍력
타워의 설치 앆젂성 검증
– cRIO를 홗용하여 타워의 짂동 및 변형 측정
– 동작 상태, 로터속도, 블레이트 피치각,
Nacell 위치, 풍속, 풍향 등의
항목 통합 모니터링

30. Blades Manufacture
• TECSIS
– 풍력, 항공, 산업용 블레이드를 젂문적으로 개발 및 생산
하는 브라질 업체
– 세계에서 가장 큰 블레이드(46m) 생산하여, ZOND
ENERGY SYSTEMS , GE Wind Energy, ENERCON GmbH,
TACKE WINDTECHNIK, Gamesa Eólica 에 공급
• 생산과정
– 블레이드 따라 길이와 두께가 달라지므로, 사출시 온도
컨트롤 및 보존 과정이 매주 중요
– 확실한 온도컨트롤을 위해, 블레이드를 개별적으로 제어
되는 4~6개의 온도 구역으로 나눔
– 각 구역은 주형 가열을 위한 온수제어회로를 통해 블레
이드의 열분포를 제어
– 사출과정 동앆 블레이드 내부에 열젂쌍을 위치시켜 열분
포의 측정하고, 블레이드 표면 주위를 온수파이프 배치

31. 블레이드 테스트
Full scale 블레이드 테스트 시스템
Goals:
• 터빈 블레이드에 하중이 가해질 때 어
떻게 파손 되는지와 그 짂행 과정을
파악
• 테스트 중 블레이드의 젂면에 작용하
는 하중에 대한 응력 분포를 테스트하
고 추가적으로 블레이드의 파손을 측
정하기 위하여 음향스캐너를 사용하여
성공적으로 테스트

32. 풍력 터빈 메인 기어박스 테스트 시스템
Goals:
• 1.5MW 급 기어박스의 Post-overhaul 테스트용으로 개발
• 기어박스의 짂동 및 소음 특성 뿐 아니라, 출력 속도 및 부하의 검증
• 풍력 터빈의 토크를 모사하는 역으로 동작하는 동일한 기어박스를 연결
하여 테스트

33. Wind Turbine
Condition Monitoring System
www.smins.co.kr
• Goal
– IEC-61400-25 기준을 만족하는
표준 시스템 구축
– 여러 타입의 풍력 발젂기의
동작 데이터 수집
– 풍력 발젂기 요소의
모니터링 및 분석
– SCADA와 같은 갂단한 제어 기능

34. Wind Turbine
Condition Monitoring System
Remote Monitoring
- Web services

35. Q&A