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연구보고서 글정보
과제명 2MW급 풍력발전용 피치 시스템 개발
등록자 이상호
과제유형 일반과제
기간 20081201~20111231
기관명 서호전기
조회수 247
연구보고서 상세내용
구분 내용
  기술개발개요 피치 제어 시스템은 전기 제어 장치에 의해 초당 수회씩 전력 출력을 측정하여 적정 출력을 초과하거나 감소하게 되면, 출력 제어를 위해 즉시 블레이드 제어장치로 신호를 보내 블레이드의 각도를 조정함으로써 항상 일정한 적정 출력을 유지할 수 있도록 하는 시스템이다. 블레이드(Blade)의 피치 조절을 통해 기동 풍속 이상시 로터의 기동 토크를 충분히 얻기 위한 기동운전, 정격 풍속 이상에서의 정격 출력을 일정하게 유지하기 위한 정격운전, 강 풍속(cut-out 풍속 이상)시 또는 저 풍속(cut-in 풍속 이하)시의 정지와 같은 기능도 수행하게 된다.
본 과제는 2MW급 전기식 피치 시스템을 시제품 개발을 목적으로 피치각 제어를 위한 서보 드라이버를 개발하고, 블레이드 구동을 위한 전동기와 감속기를 제작하다. 그리고, 수퍼커패시터를 저장장치로 이용하여 ,비상 및 한계 상황에 대비한 비상용 전원 장치를 개발한다.
 
  키워드 풍력발전, 피치제어, 서보드라이브, 3축 제어기, 벡터제어,  
  핵심기술 2MW급 풍력발전기 블레이드 제어를 위한 감속기, 전동기와 비상용전원장치를 포함하고 상위부와 필드버스 통신이 가능한 서보드라이브 개발  
  최종목표 ? 5.5kW 3축 서보 드라이브 제작
? 3축 컨트롤러 제작
? 필드 버스 통신 구축
? 피치 구동용 모터 제작
? 피치 구동용 감속기 제작
? 비상전원용 에너지 저장장치 제작
? 성능 및 신뢰성 평가
 
  개발내용 및 결과 ? 피치용 전동기 및 감속기
- 독일 OAT사 제품 분석 및 풍력 설계 프로그램 Flex5통해
DLC(Design Load Case) 해석후 용량 설정
- 제품 설계 및 시뮬레이션 수행
- 신뢰성 시험 실시 (성능 및 내구 시험 실시)
? 피치용 감속기
-이탈리아 제조사 Bonfiglioli사의 제품 분석을 통해 벤치
마킹을 실시
- 제품 시뮬레이션 및 설계 (유성 기어 3단으로 설계)
- 신뢰성 시험 실시 (성능 및 내구,외부 공인 기관 시험 실시)
? 위치 제어용 서보 드라이버 제작
- 32bit DSP를 사용한 제어보드 개발(TI사 TMS320F28335)
- 9.5kW급 파워 보드 개발
- IGBT 드라이버 개발
- 유도 전동기 벡터 제어 및 위치 제어 알고리즘 개발
- 필드버스 (CANopen) 통신 프로그램 제작 및 통신 보드 제작
- 성능 및 신뢰성 시험 실시
- IP54기준 외함 제작
? 비상용 전원 장치 개발
- 피치 시스템 전용 수퍼 커패시터 모듈 개발
- 양방향(충방전) DC-DC 컨버터 알고리즘 / 하드웨어 개발
 
  기술개발배경 신재생에너지의 중요성 및 필요성이 인식되면서 많은 국가와 기업들이 풍력발전기 사업에 투자하고 있다. 국내에서도 많은 기업들이 차세대 에너지 공급원으로 발전시키기 위한 노력을 기울이고 있다. 결과로써 현재 기계, 전기, 건축, 환경 등에 관한 많은 기술력이 축적되어 있는 상태라 할 수 있다. 그렇지만 아직까지 각 분야별로 많은 중요한 부분들이 해외기술에 의존하는 현실적인 문제는 남아 있다.
전기분야에 대한 국산화 기술력을 살펴보면 발전기, PCS 등은 이미 국산화가 가능한 수준까지 도달했다고 볼 수 있다. 현재 국내 관련 일부 기업들이 발전기에 대한 기술력을 이미 가지고 있는 상태다. 각종 정책적인 정부 지원 및 각 기업들의 노력 등으로 PCS는 일부분 국산화 기술로 만들어 지고 있고, 점차 확대될 것으로 예상된다. 하지만, 피치제어 시스템의 국산화에 대한 노력은 아직까지 부족한 상태이다. 피치제어 시스템의 개별 구성요소들은 이미 국산화가 가능하다. 모터, 감속기, 브레이크, 서보드라이브, 콘트롤러, 에너지 저장장치, 기타, 등의 대부분의 구성요소에 일부 기술력은 확보된 상태이다. 따라서 이를 적극 활용하고 개선함으로써 피치제어시스템의 국산화를 앞당길 수 있으며, 나아가 풍력발전시스템의 전체 분야에 대한 진정한 의미의 국산화가 가능해질 수 있는 한 여건을 제공한다.
현재까지 국산제품이 없기 때문에 국내에 설치된 풍력발전기용 피치제어 시스템은 전부 수입된 제품이라 할 수 있다. 또한 피치제어 시스템의 개발이 진행되지 않을 경우, 국내기업 제품의 풍력발전기가 외국으로 수출되는 상황에서도 피치제어 시스템은 여전히 수입된 제품을 사용하여야 하는 현실은 계속될 수 밖에 없을 것이다.
본 과제에서는 산업용 인버터에 대한 생산 기술을 확보하고 있는 서호전기, 전동기 및 감속기를 생산 하며, 현재 2MW급 풍력 발전 시스템을 개발 완료하고 실증을 하고 있는 효성, 2.5V/1500F 단위 셀 수퍼커패시터에 대한 기술을 가지고 있는 코칩이 피치 시스템 기술의 국산화를 앞당겨 수입 제품의 가격인하 유도 및 수입 대체 효과와 국내 기업의 수출 시장에 기여하고자 한다.
 
  핵심개발기술의 의의 본 과제에서는 제작된 2MW급 블레이드 피치 시스템은 국내에서는 처음 개발 되는 것으로 제어 알고리즘 및 제작 기술은 순수 국내 기술로 개발이 된 것이며, 피치 모터, 감속기, 서보드라이브, 비상용 전원장치부가 연구가 되었다. 해외 제품 분석 및 시험을 통해 부품의 및 시스템 성능 향상을 추진 하였고, 신뢰성 시험을 위한 시험 규격도 연구도 하였기에 향후, 관련 분야의 지침이 될수 있다. 그리고, 기술 개발의 국산화를 통해 국내 풍력 시스템 제작사의 구매금액을 절감에 기여할 수 있으며, 향후 풍력 제품의 해외 수출 및 피치 시스템의 단독 수출 등의 효과를 가져 올수 있다. 과제의 연구를 통해 설계된 감속기 부분의 3단 유성 기어 설계 기술은 컴팩트한 제품 설계에 응용 될 수 있고, 축부위 강도 향상을 위한 스플라인 설계가 관련 제품 설계에 응용될수 있다. 출력 Pinion의 체결 형태 변형을 통한 원가 절감이 관련 분야 관련 분야의 원가 개선에 기여할 수 있다. 그리고, 서보드라이브의 다축 시스템 제어기술은 각종 자동화 시스템 구축 기술을 확립하는데 응용 될 수 있다. 개발된 수퍼 캐패시터 모듈은 전기바이크나 회생재동 및 겨울철 출력 보조용 에너지 효율 향상에 적용이 가능하다.  
  적용분야 산업용 인버터의 경우 개별단위 인버터의 기능을 축소하는 대신 통신 네트워크 구축을 통한 다축제어시스템 개념으로 발전하고 있는 추세이므로, 이러한 시장의 흐름에 편승하기 위해서 피치제어시스템 개발에서 얻은 3축 콘트롤러 기술은 산업용 인버터의 다축 콘트롤러에 그대로 적용 가능하다.
피치전용 모터 및 감속기 개발로 을 통해 부피 대비 고출력, 고신뢰도 등의 특성을 요하는 특수 응용 분야에 적용이 가능하다.
수퍼 커패시터의 모듈화 기술 개발은 차량용 고압 슈퍼커패시터용 모듈화 기술 및 하이브리드 승용차용 에너지 저장 장치 개발에 적용할 수 있다.
 
  기술적 성과 본 기술에 대해서는 해외 SSB (독일) LUST(독일), Moog (미국), OAT(독일), MLS(스페인) 등 5개 업체들이 필드에서 기술력을 인정받고 있다. DC 모터구동 방식 및 AC 모터 구동 방식이 동시에 소개되고 있으며, 에너지 저장장치를 이용한 비상운전 기술이 확립되어 있다. 과제 초기 본 기술에 대한 국내 연구 결과가 전무한 상태였다.
본 과제는 피치용 서보 모터 및 감속기, 서보 드라이버 및 비상용 전원장치를 개발 하여 피치 시스템을 구축하였다는데 의의가 있다. 과제 초기에는 토크 제어가 간단한, 독일 SSB사 방식인 DC모터 드라이브를 연구하였다. 하지만, 전력 변환과 제어 기술의 진보와 더불어 파워 트랜지스터, 프로세서와 같은 제어 장치 구성품의 가격 저하로 인하여 현재는 AC 서보 모터가 주류를 이루고 있어, AC모터 제어 방식을 쓰는 독일 OAT사의 피치 시스템을 분석한 후, AC모터 제어 방식의 피치 시스템을 구현하였다.
PLC를 이용한 서보 제어 방식이 아닌, 32bit DSP (TMS320 F28335)를 사용한 제어보드를 제작하여, 보다 빠르고 정밀한 제어가 가능한 서보드라이브를 구현을 하였으며, 각 서보 드라이브 및 비상용 전원장치는 CANopen 방식의 필드버스 통신을 구현하여 다축 제어가 가능하게 하였다.
납축전지 또는 리튬이온 방식의 해외 제품 과는 달리 반영구적인 수명을 가지고 있는 수퍼커패시터 방식의 비상용 전원장치를 개발 하면서, 사이즈는 납축전지 대비 35%정도 줄이고, 리튬이온과 동등한 크기를 구현하였다. (독일 OAT시스템과 호환 가능)
피치 모터 및 감속기 또한 해외 제품의 성능에 수준에 달하는 제품으로 국산화 하였다. 본 제품의 국산화율은 일부 소재를 제외한 순수 국내에서 제작이 되어었으며, 85%정도의 국산화율을 보인다.
풍력 발전기의 허브 환경을 고려하여, 해외 제품 수준인 IP54등급의 방수 방진 외함을 개발하였고, 정량적 목표인 2%이내의 위치 제어 오차를 달성하였으며, 에너지 저장장치 전압 불평형율을 2.5%이내에 맞추었다.
본 과제를 통해서 특허 4건을 등록하였고, 3건은 출원중이며, 학술대회 논문 1편이 있다.
 
  경제적 성과 현재까지 제품 개발 기술을 통한 경제적 성과는 없음.  
  파급효과 국내 산업용 인버터의 기술 수준 향상 및 다축 시스템 구성 기술을 높여 각종 자동화 시스템 구축기술을 확립하는 대 기여 할수 있고, 모터 및 감속기 분야에 순시 고출력, 소형, 고신뢰도의 기술을 확립할 수 있다. 과제에 나타난 에너지 저장장치 기술은 수퍼 커패시터를 이용한 순시 에너지 보상 및 기타 에너지 고직접 기술에 영향을 줄 수 있다.  
  기대효과 피치제어 시스템의 국산화로 수입 대체 및 수입품과의 경쟁으로 가격 인하를 유도하고, 국내 풍력 발전 시스템의 수출 시장에 기여 또는 피치 시스템 단독 해외 시잔 진출을 기대할 수 있다.  
  국내시장 158억원 (2011년 국내풍력기업 국내매출액 1,315백만불, 지식경제부)  
  해외시장 10,032 억원 (2011년 세계 풍력 시장 규모 660억 유로, BTM)  
  - 제 1 장 서 론 14
제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 14
1. 개발기술의 중요성 14
2. 연구개발의 필요성 15
3. 연구개발의 범위 17
제 2 절 국내 · 외 관련 기술의 현황 19
1. 국외기술현황 19
2. 국내기술현황 20
제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 · 경제적 파급 효과 21
1. 기술적 측면 21
2. 산업ㆍ경제적 측면 21

제 2 장 기술개발 내용 및 방법 22
제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 22
1. 기술 개발 최종 목표 22
2. 평가 방법 22
제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 23
제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 24
1. 1차년도 24
2. 2차년도 25
3. 3차년도 25

제 3 장 결과 및 사업화 계획 26
제 1 절 연구개발 최종 결과 26
1. 연구 개발 추진 일정 26
2. 연구개발 추진 실적 29
3. 기술 개발 결과 30
제 2 절 연구개발 추진 체계 33
1. 기업별 추진 역할 33
2. 주관기관 (서호전기) 추진 내역 35
3. 참여기업 (효성중공업) 추진 내역 130
4. 참여기관 (코칩) 추진 내역 161
제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 234
1. 시장 현황 234
2. 사업화 전망 236
3. 사업화 계획 237

부 록 1 참고 문헌 239

 
  - 개발내용 및 결과

? 피치용 전동기 및 감속기
- 독일 OAT사 제품 분석 및 풍력 설계 프로그램 Flex5통해
DLC(Design Load Case) 해석후 용량 설정
- 제품 설계 및 시뮬레이션 수행
- 신뢰성 시험 실시 (성능 및 내구 시험 실시)
? 피치용 감속기
- 이탈리아 제조사 Bonfiglioli사의 제품 분석을 통해 벤치
마킹을 실시
- 제품 시뮬레이션 및 설계 (유성 기어 3단으로 설계)
- 신뢰성 시험 실시 (성능 및 내구,외부 공인 기관 시험 실시)
? 위치 제어용 서보 드라이브 제작
- 32bit DSP를 사용한 제어보드 개발(TI사 TMS320F28335)
- 11kW급 파워 보드 개발
- IGBT 드라이브 개발
- 유도 전동기 벡터 제어 및 위치 제어 알고리즘 개발
- 필드버스 (CANopen) 통신 프로그램 제작 및 통신 보드 제작
- 성능 및 신뢰성 시험 실시
- IP54기준 외함 제작
? 비상용 전원 장치 개발
- 피치 시스템 전용 수퍼 커패시터 모듈 개발
- 양방향(충방전) DC-DC 컨버터 알고리즘 / 하드웨어 개발


기술개발배경

신재생에너지의 중요성 및 필요성이 인식되면서 많은 국가와 기업들이 풍력발전기 사업에 투자하고 있다. 국내에서도 많은 기업들이 차세대 에너지 공급원으로 발전시키기 위한 노력을 기울이고 있다. 결과로써 현재 기계, 전기, 건축, 환경 등에 관한 많은 기술력이 축적되어 있는 상태라 할 수 있다. 그렇지만 아직까지 각 분야별로 많은 중요한 부분들이 해외기술에 의존하는 현실적인 문제는 남아 있다.
전기분야에 대한 국산화 기술력을 살펴보면 발전기, PCS 등은 이미 국산화가 가능한 수준까지 도달했다고 볼 수 있다. 현재 국내 관련 일부 기업들이 발전기에 대한 기술력을 이미 가지고 있는 상태다. 각종 정책적인 정부 지원 및 각 기업들의 노력 등으로 PCS는 일부분 국산화 기술로 만들어 지고 있고, 점차 확대될 것으로 예상된다. 하지만, 피치제어 시스템의 국산화에 대한 노력은 아직까지 부족한 상태이다. 피치제어 시스템의 개별 구성요소들은 이미 국산화가 가능하다. 모터, 감속기, 브레이크, 서보드라이브, 컨트롤러, 에너지 저장장치, 기타, 등의 대부분의 구성요소에 일부 기술력은 확보된 상태이다. 따라서 이를 적극 활용하고 개선함으로써 피치제어시스템의 국산화를 앞당길 수 있으며, 나아가 풍력발전시스템의 전체 분야에 대한 진정한 의미의 국산화가 가능해질 수 있는 한 여건을 제공한다.
현재까지 국산제품이 없기 때문에 국내에 설치된 풍력발전기용 피치제어 시스템은 전부 수입된 제품이라 할 수 있다. 또한 피치제어 시스템의 개발이 진행되지 않을 경우, 국내기업 제품의 풍력발전기가 외국으로 수출되는 상황에서도 피치제어 시스템은 여전히 수입된 제품을 사용하여야 하는 현실은 계속될 수 밖에 없을 것이다.
본 과제에서는 산업용 인버터에 대한 생산 기술을 확보하고 있는 서호전기, 전동기 및 감속기를 생산 하며, 현재 2MW급 풍력 발전 시스템을 개발 완료하고 실증을 하고 있는 효성, 2.5V/1500F 단위 셀 수퍼커패시터에 대한 기술을 가지고 있는 코칩이 피치 시스템 기술의 국산화를 앞당겨 수입 제품의 가격인하 유도 및 수입 대체 효과와 국내 기업의 수출 시장에 기여하고자 한다.


핵심개발기술의 의의

본 과제에서는 제작된 2MW급 블레이드 피치 시스템은 국내에서는 처음 개발 되는 것으로 제어 알고리즘 및 제작 기술은 순수 국내 기술로 개발이 된 것이며, 피치 모터, 감속기, 서보드라이브, 비상용 전원장치부가 연구가 되었다.
해외 제품 분석 및 시험을 통해 부품의 및 시스템 성능 향상을 추진하였고, 신뢰성 시험을 위한 시험 규격도 연구도 하였기에 향후, 관련 분야의 지침이 될 수 있다. 그리고, 핵심 기술 개발의 국산화를 통해 국내 풍력 시스템 제작사의 구매금액을 절감에 기여할 수 있으며, 향후 풍력 제품의 해외 수출 및 피치 시스템의 단독 수출 등의 효과를 가져 올수 있다. 과제의 연구를 통해 설계된 감속기 부분의 3단 유성 기어 설계 기술은 컴팩트한 제품 설계에 응용 될 수 있고, 축부위 강도 향상을 위한 스플라인 설계가 관련 제품 설계에 응용될 수 있다. 출력 Pinion의 체결 형태 변형을 통한 원가 절감이 관련 분야 관련 분야의 원가 개선에 기여할 수 있다. 그리고, 서보드라이브의 다축 시스템 제어기술은 각종 자동화 시스템 구축 기술을 확립하는데 응용될 수 있다. 개발된 수퍼 캐패시터 모듈은 전기바이크나 회생재동 및 겨울철 출력 보조용 에너지 효율 향상에 적용이 가능하다.



 
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