부유식 해상풍력발전기 해석을 위한 Co-simulation

Introduction

해상풍력발전기는 다양한 영역을 해석으로 접근할 수 있다. 가장 기본적인 구조해석과 피로해석에서부터 유동해석, 부유체 운동해석, 소음해석, 모터해석, 디지털 트윈, 운반해석과 같이 다양한 해석 수행이 가능하다. 최근까지는 이러한 해석들을 해당 물리계에 맞는 특화 프로그램들을 사용하여 각각 수행해 왔으나 이제는 관련 해석들을 한번에 평가하길 원하는 추세이다. 

특히, 부유식 해상풍력발전기는 육상풍력발전기, 고정식 해상풍력발전기와는 다르게 복합적인 물리계를 다양하게 고려할 필요가 있다. 이번 호에서는 부유식 해상풍력발전기 해석을 위한 Co-simulation에 대하여 소개하고자 한다.

 
부유식 해상풍력발전기 환경조건

해상풍력발전기는 설치 지역의 해양환경에 따라 다양한 하중에 노출되어 육상풍력발전기 대비 까다로운 안전성 평가가 필요하다. 또한 단순하지 않은 해상환경에 대한 동적 평가 및 긴 시간 노출되는 하중에 대한 피로 특성 평가가 요구되는 구조물로 단순한 설계단계에서 이를 검토하기에 어려움이 있다. 이를 위해 해상풍력발전기에 대한 안전성 평가를 해석을 통해 확인하고자 하는 시도가 크게 증가하고 있는 상황이다.

 [그림 1] 해상풍력발전 시스템에 가해지는 환경하중

특히 부유식 해상풍력발전기의 경우에는 부유체 자체가 움직이기 때문에 더욱 복잡한 부유체 운동 및 계류 시스템의 분석이 필요하여 hydrodynamics와 mooring dynamics 해석이 중요하다. 또한 바람에 따라 블레이드에 전달되는 공력 하중 계산을 위한 aerodynamics 해석이 필요하고, 블레이드의 회전 운동 및 터빈 내부의 부품 거동 평가를 위하여 다물체 동역학 해석이 필요할 수 있다. 그 외에도 블레이드 회전에 의해 발생하는 발전량 계산을 위해 electronics 해석을 수행하거나 제어부를 구성하기 위한 시스템 해석도 가능하다. 
이러한 복합 물리계 내에서 각 구조물의 변형 및 응력 평가와 피로 평가를 위해 Structural Mechanics 해석이 최종적으로 수행되어야 한다.

복합 물리계 해석을 위한 Co-simulation

Ansys에서는 복합 물리계를 계산하기 위해 각각의 물리계에 맞는 모듈을 선택하여 해석을 수행하게 된다.
다물체 동역학 해석에는 “Ansys Rigid Dynamics”, 공력 해석에는 “Aerodyn”, hydrodynamics와 무어링 운동 해석에는 “Ansys Aqwa”로 구조해석에는 “Ansys Mechanical”을 사용한다.
이러한 모듈들을 커플링하기 위해서 최종적으로 “Ansys Twin Builder” 제품으로 Co-simulation을 수행하게 된다. 

• Multi-body dynamics 
  -> Ansys Rigid Dynamics
•  Aerodynamics 
  -> Aerodyn (Open-source program by NREL)
• Hydrodynamics & Mooring dynamics
  -> Ansys Aqwa
• Structural Mechanics 
  -> Ansys Mechanical
• Aero-Hydro-Elastic Coupling
  -> Ansys Twin Builder

부유식 해상풍력발전기 기초해석

부유식 해상풍력발전기를 해석하는 가장 기초적인 형태의 Co-simulation은 Ansys Rigid Dynamics와 Ansys Aqwa를 사용한다. 
Ansys Rigid Dynamics를 사용하여 블레이드에 적용되는 공력으로 인한 블레이드의 회전 운동을 확인하게 되며, Ansys Aqwa에서는 블레이드로 전달되는 하중에 의한 부유체와 부유체에 연결된 계류 시스템 사이의 거동을 평가하는 것이 가장 기초적인 형태의 Co-simulation 해석이다. 

[그림 2] 부유식 해상풍력발전기의 기초 구성

AeroDyn의 경우에는 Ansys Rigid Dynamics에 내장되어서 해석이 수행되며 각 integration step 마다 데이터를 주고받고, Ansys Aqwa와는 각 Time 포인트에만 데이터를 주고받는 형태인데, 이 과정을 Ansys Twin Builder 내에서 해석을 수행하게 된다. 주고받는 데이터는 구조물의 거동과 공력 하중 또는 부유체 하중을 서로 전달하게 되고 그에 따라 시간에 따른 움직임을 파악할 수 있게 된다.
사용자 편의성을 위하여 Ansys Twin Builder를 새롭게 배울필요는 없다. Ansys Rigid Dynamics 시스템 안에서 실행가능한 “Co-simulation Wizard”를 사용하면 관련 기능들을 쉽게 자동화하여 해석을 도와준다. “Co-simulation Wizard”는 크게 3가지 단계로 구분하여 해석을 수행한다. 

1.  AeroDyn Connection
   : AeroDyn input 설정 및 connection script 생성
2.  Aqwa Modeling Data
   : Ansys Aqwa 데이터와 Rigid Dynamics 시스템 연결
3. Run Co-simulation
   : Twin Builder model 설정 및 co-simulation 실행

[그림 3] Co-simulation Wizard

상세 프로세스를 보면 다음과 같다. 형상을 모델링한 다음 Ansys Aqwa와 Ansys Rigid Dynamics에서 각각 FMU 패키지를 생성하여 Ansys Rigid Dynamics 내 Wizard를 통해 AeroDyn에 연결 후 해석을 수행하면 각각의 어플리케이션 별로 결과 파일이 생성된다. 해석 결과는 Ansys Aqwa와 Ansys Rigid Dynamics, Ansys Twin Builder 내에서 각각 확인이 가능하다.

 [그림 4] Co-simulation workflow

Digital Twin 및 AI 기반 최적화 적용

하지만 실제 부유식 풍력발전기는 더욱 복잡한 환경 속에서 고려할 사항이 많은 만큼 기초해석으로만 전체거동을 묘사하기는 어렵기 때문에 추가적인 해석 모듈들이 필요로 하게 된다. 기초해석에 사용되는 Ansys Rigid Dynamics와 Ansys Aqwa의 경우에는 시간 도메인으로 직접 해석을 수행하지만 다른 모듈들을 시간 도메인으로 직접 해석을 수행한다는 건 너무 긴 해석 시간을 요구한다. 이를 개선하기 위하여 Ansys Twin Builder에서 가상 시스템 프로토 타입의 모델화 구현 및 최적화 해석 기법을 적용한다. 기존까지 부품 레벨에서 진행된 해석들을 제어 시스템을 포함한 전체 최적화된 multi-domain 시스템 해석 수행이 가능해지면서 다양한 역학적 현상을 커플링 할 수 있게 되었다. 

[그림 5] 디지털 트윈 솔루션 구조도

부유식 해상풍력발전기 설치 전의 안전성 평가 외에도 설치 이후에 센서를 통한 상태 모니터링을 통해 효율적인 유지보수 관리가 가능하고 다양한 상황에서의 시뮬레이션을 통해 안전성 재검증 및 돌발 사고 예방이 가능하다. 실제로 풍력발전기 및 기타 다양한 분야에서 이미 디지털 트윈 기술을 적용하고 있다. 

풍력발전기의 Twin Builder 적용

[그림 6]은 GE의 Haliade 150-6MW 고정식 해상 풍력발전기로 7개의 독립 구동 모터로 구성된 요(YAW) 시스템을 디지털 트윈으로 구현한 사례이다. 모터에 입력된 전류에 따른 토크 및 발생되는 최대 온도 값을 Ansys Maxwell을 이용하여 계산하고, 이를 ROM(Reduced Oder Model)으로 생성하였다. Twin Builder에 모터의 ROM을 적용한 디지털 트윈을 사용하여 가상 시스템에서 모터의 예상 수명을 예측할 수 있게 된다. 이를 통해 발전기 운영에 기술자를 주기적으로 직접 투입하여 실시간 평가를 하지 않고도 모터 수명 및 교체시기를 계획할 수 있다. 

[그림 6] 모터 수명 예측에 적용한 디지털 트윈
(출처: youtube.com/watch?v=3Y1lnF4_pKY)

[그림 7]은 프랑스의 4CAD社 육상용 풍력발전기에 적용한 Twin Builder 사례이다. 비정상 운행으로 인한 셧다운 현상을 개선하고자 디지털 트윈을 구성하였다. 공력 하중 및 기어 박스, 발전기 모델링을 ROM으로 적용하여 풍력발전기를 검증 및 예측하였다. 지속적인 센서 데이터 수집과 실시간 디지털 트윈 모델의 거동을 예측하고 동기화하여 IIoT 플랫폼을 구축하였다. 풍력발전기 제조업체의 제한적인 엔지니어링 데이터와 센서 데이터를 사용하여 구축한 IIoT 플랫폼으로 다양한 매개변수를 통해 발전기 구동 가능 여부를 체크하고 컨트롤할 수 있다. 

[그림 7] 풍력발전기 디지털 트윈의 IIoT 연결

부유식 풍력발전기의 Co-simulation 강점

Ansys에서 수행하는 부유식 풍력발전기의 최대 강점은 중요 물리계에 맞는 강력한 솔버를 시간 도메인으로 적용한 해석 수행이 가능한 점이다. 또한 여러 매개변수 해석을 통한 최적화 해석 및 ROM 적용이 가능하여 고도의 확장성을 지원하는 시스템 구축이 가능하다. 한번 구축한 시스템은 발전기 설치 이후의 실시간 센서 데이터를 통해 검증 및 예측이 가능하여 발전기 운영 및 관리에도 효과적으로 적용이 가능하다. 

1.    시간 도메인 기반 거동 분석
2.    빠르고 강력한 솔버 사용
3.    해석 절차 통합 및 매개변수 해석 지원
4.    고도의 확장성을 지원하는 Workflow

[그림 8] 부유식 풍력발전기 Co-simulation

타 프로그램에서 부유식 풍력발전기 평가를 위해 직접 해석 기반으로만 적용된 제한 물리계의 전체 거동 평가 또는 상세 부품(component) 해석만을 수행하던 것과 달리 Ansys에서는 디지털 트윈과 최적화 해석 기법을 적용한 시스템 해석으로 접근하여 시간도메인으로 고려하기 불가능에 가깝던 Multi-domain 거동을 평가하고 예측할 수 있게 되었다.

맺음말

Ansys에서 수행가능한 부유식 풍력발전기 Co-simulation에 대해서 알아보았다. 아직 부유식 풍력발전기에 관한 다양한 사례가 부족한 것이 단점이지만 기존에 접근하지 못했던 디지털 트윈을 적용한 시스템 해석 수행이 가능하여 Ansys를 사용한 부유식 풍력발전기 Co-simulation이 풍력 에너지 분야에서 강력한 해석 주류를 이룰 수 있을 것으로 예상한다.