A Development of Dedicated Data Logger for Wind Resource of Small Wind Power Generator

소형 풍력발전 적용 풍력자원조사를 위한 데이터로거 개발

윤영천*,정문선**,김상만***,김태곤****,문채주*****

*목포대학교 대학원 전기공학과(ilovekorean4u@hanmir.com),**목포대학교 대학원

전기공학과(suny3124@nate.com),***목포대학교 대학원 전기공학과(2420433@hanmail.net),****목포대학교 전기공학과(aicode@nate.com),*****목포대학교 전기공학과(cjmoon@mokpo.ac.kr)

A Development of Dedicated Data Logger for Wind Resource of Small Wind Power Generator

Young-ChanYoun* Moon-SeonJeong** Sang-ManKim*** Tae-GonKim**** Chae-JooMoon*****

*Dept.ofElectricalEng,GradSchool,MokpoNationalUniversity(ilovekorean4u@hanmir.com),

**Dept.ofElectricalEng,GradSchool,MokpoNationalUniversity(suny3124@nate.com),

***Dept.ofElectricalEng,GradSchool,MokpoNationalUniversity(2420433@hanmail.net),

****Dept.ofElectricalEng,MokpoNationalUniversity(aicode@nate.com)

*****Dept.ofElectricalEng,MokpoNationalUniversity(cjmoon@mokpo.ac.kr),

Abstract

Toinstallawindpowergenerator,thesurveyonthewindenvironmentresourcesmustbeconductedinadvance. Thesurvey on thewind environmentresourcesistocollectand analyzedataregarding thewind speed and directiononadatalogger.

Thedataloggerconsistsofasensor,signalprocessingcircuitandstoragedevice.Accordingtotheanalysisof thestoreddata,theamountofpowergenerationbythetypesofgeneratorscanbepredictedandthemostoptimal generatorincluding safety gradecanbeselected,andincaseofinstalling ageneratorinthefuture,itcanbe utilizedasbasicdataregardingsupportingbaseandfoundationconstructionmethodofsurveypoints.

Dataloggerwasdevelopedforasmallwindpowergeneratorthatissuitablefortheinternationalstandard(IEC 61400)byusingDSP-F28335microcontrollerinthispaper.Itwasdevelopedtomeasurethewindspeedof1[m/

s]～17[m/s],thewinddirection of0[°]∼359[°],andtemperatureof–30[°C]∼50[°C],andthecomparative experimentwithothercompanies'dataloggerswasconducted,andanerrorwasmeasuredtobelessthan±0.1 [m/s]forwindspeedandlessthan+1[°]forwinddirection.

Keywords:DSP-F28335,Smallwindpower,DataLogger,IEC 61400,Internationalregulation [논문] 한국태양에너지학회 논문집

Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 32, No. 3, 2012 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1

submitdate:2012.4.4, judgmentdate:2012.4.15, publicationdecidedate:2012.6.14 communicationauthor:Chae-JooMoon(cjmoon@mokpo.ac.kr)

1.서 론

산업사회의 급속한 발달로 인한 화석에너 지 고갈 문제와 각종 환경오염문제를 해결하 기 위해서 20세기 중반 이후 신재생에너지 개 발에 대한 관심이 집중되고 있으며,국내에서 도 신재생에너지를 사용한 발전에 많은 관심 이 집중되고 있다.특히 풍력발전은 신재생에 너지에 의한 발전 중 가장 경제성이 있는 것으 로 알려져 있어 국내에서도 많은 풍력발전기 가 설치 운영되고 있으며 이에 관한 연구 및 개발도 비교적 활발히 진행되고 있다.¹⁾그리 고 대용량 풍력발전기 및 소형풍력발전기에 대한 정부의 정책 및 그린홈 100만호 사업과 같은 지원 사업이 활발하게 진행되고 있다.

풍력발전 시스템을 설치하기 위해서는 사 전에 풍력 자원을 조사함으로써 타당성을 입 증해야 한다.그러나 소형풍력발전기 경우에 는 고가의 측정 시설과 자원 측정 장비의 장 기간 사용에 따른 경제적인 부담으로 풍력 자 원에 대한 조사를 하지 않고 풍력발전기를 설치하여 수익성 감소나 안전성 등의 문제가 발생하기도 한다.따라서 경제적인 비용으로 자원 조사를 할 수 있는 방법과 장비의 개발 이 요구되며,소형풍력발전기를 설치하기 전 에 풍력 자원을 조사하여 타당성을 입증해야 한다.²⁾

2.상용제품과 제안 제품 사양비교 2.1상용 데이터로거

Fig.1Existingdatalogger(KL400)

CPU&OS ARM1132bit600MHz, 리눅스 2.6 주변장치 외부저장 :USB 메모리

이더넷통신 :10Mbps 메모리 RAM :128Mbyte

FLASH :128Mbyte ADC 24bit/24채널/

분해능 1/1,600,000 통신 RS2325채널 RS4222채널 온도범위 -50°C∼80°C

Table.1Performanceofexistingdatalogger

그림 1은 기존 데이터로거의 예이다.높은 사양의 CPU 사용과 여러 아날로그 입력 및 통신 채널이 있으며 그 밖의 여러 기능을 탑 재하고 있는 고사양의 데이터로거로써 산업 용으로 사용되고 있다.이러한 데이터로거는 고사양이라는 장점을 가지고 있으나 고가의 장비이면서 소형풍력발전의 사전조사에 사용 하기에는 불필요한 기능 및 높은 사양의 CPU가 사용된 것으로 판단된다.

2.2제안하는 풍력자원 데이터로거

MCU DSP-F28335,32bit,150MHz 주변

장치 SD CARD

메모리 RAM :64KByte FLASH :512KByte ADC 12bit/4채널

통신 직렬통신(RS-232)2채널 측정

범위

풍속 1[m/s]∼17[m/s],풍향 0[°]∼359[°],온도 -40[°C]∼50[°C]

Table.2Performanceofproposeddatalogger

본 연구에서 제안하는 데이터로거는 국제 규정(IEC61400-12,IEC61400-13)에 적합하 고,기존의 데이터로거의 성능을 수정하여 풍 속 2채널,풍향 1채널,온도 1채널 그리고 직 렬통신 2채널로 구성함으로서 소형풍력발전 의 풍력 자원 조사에 최적화되도록 설계하였 다.풍력 자원의 측정 범위는 국제규정(IEC

61400-12)을 준수하여 국제규정(IEC 61400 - 12)에 명시된 소형풍력발전기의 측정데이 터 처리 범위인 풍속 1[m/s]～17[m/s],풍향 0[°]∼359[°],온도 –40[°C]∼50[°C]를 측 정 가능하도록 설계하였다.

3.제안된 데이터로거 개발 3.1시스템 구성

Fig.2Thesystem configurationofproposeddatalogger

그림 2는 본 논문에서 제안하는 풍력 자원 데이터로거의 구성도이다.

종류 제품명 측정 범위

출력 신호 형태

출력 신호 범위 풍속 NRG

#40C (1∼

92) [m/s]

Low levelAC sinewave

0∼12 [V]

풍향 NRG

#200P (0∼ 359)

[°]

AnalogDC voltagefrom

conductive plastic potentiometer

0∼10 k [ohms

]

온도 NRG

#1105S (-4∼

52.5) [℃]

Linearanalog voltage

0∼2.5 [V]

Table.3Specificationofthesensors

데이터로거는 풍력 자원을 측정하기 위한 풍속,풍향 그리고 온도 센서를 연결하는 입 력부와 센서 신호의 아날로그 처리를 위한 신 호처리부 그리고 DSP -F28335를 기반으로 하는 디지털 신호 처리부 및 SD 카드에 데이

터를 저장하는 저장부와 LCD 표시부로 구성 하였다.

제안한 데이터로거를 개발하기 위해 NRG SYSTEM사의 센서들을 사용하였으며,센서 들의 제원은 표 3과 같다.

3.2인터페이스 회로 구성

회로는 CadencePSD프로그램을 사용하여 그림 3과 같이 설계했다.

DSP-F28335마이크로 컨트롤러를 기반으 로 하는 본 데이터로거의 회로는 인터페이스 회로에 전원을 공급하는 전원부,풍속·풍향·

온도 센서 신호를 MCU와 연결하기 위한 아 날로그신호처리부 그리고 통신 인터페이스 회로와 동작과 측정 데이터를 표시한기 위한 LCD표시부로 구성된다.

전원부는 Triple output(24 [V]to 5,15, -15[V])형태의 DC/DCConverter를 사용해 서 각 부분에 해당하는 전원을 공급하였다.

Fig.3Interfacecircuit

아날로그신호처리부는 MCU의 ADC 입력 신호가 0∼3.3[V]의 전압이므로 각 센서의 출 력 신호를 MCU의 처리 범위에 맞게 변환하 고 잡음을 처리하는 필터회로로 구성하였다.

통신부는 LCD에 데이터를 표시하고 SD CARD에 데이터를 저장하기 위해 사용된다.

LCD에 데이터를 표시하는 통신 방식은 5

[V]레벨의 RS-232신호를 연결하는 방식이 며,SD CARD에 데이터를 저장하는 방식은 MultichannelRS232Drivers/Receiver를 사 용하는 RS-232통신 방식이다.

각 센서의 출력 신호에 해당하는 인터페이 스 회로의 서술은 아래와 같다.

3.2.1풍향센서 인터페이스 회로

Fig.4Interfacecircuitofwinddirectionsensor

회전축에 따라 출력 값이 변화하는 가변저 항의 특성을 가지는 풍향센서의 출력신호는 공급전압(Vcc)5[V]에 대한 선형적인 형태 의 전압이므로 가변저항에서 최고 3.3[V]가 측정되도록 설계했다.

3.2.2온도센서 인터페이스 회로

Fig.5Interfacecircuitoftemperaturesensor

온도의 변화에 따라 최소 0[V]에서 최대 2.5[V]까지 선형적으로 변화하는 온도센서의 출력 신호를 정밀하게 샘플링을 하기 위해서 는 신호의 최대출력 전압을 3.3[V]로 증폭해 야하기 때문에 그림 9와 같이 OP-AMP IC(TL084)를 사용하여 저역통과 MFB필터 (Low-pass Multiple-Feedback filter)를 구 성하였다.

3.2.3풍속센서 인터페이스 회로

Fig.6Interfacecircuitofwindspeedsensor

국제규정에 의하면 노이즈와 에일리어싱 효과를 절감하기 위해 관련신호의 어떠한 주 파수보다 3배 이상의 차단주파수를 가지는 필 터회로가 있어야한다.풍속센서는 풍속의 변 화에 따라 주파수가 최소 0[Hz]에서 최대 125 [Hz]까지 변화하여 그림 7과 같이 차단주파수 가 약 500 [Hz]인 저역통과필터(LPF:Low passfilter)와 저역통과 MFB필터(Low-pass Multiple-Feedbackfilter)를 설계하였다.

Fig.7Low passfilterandLow-passMFB filter

풍속센서의 출력신호는 low levelAC sine wave(0～12[V])이며,그림 8과 같이 OP-AMP IC와 RMS toDC converter사용하여 교류 출력 신호를 직류로 변환하여 디지털 신호로 저장하였다.신호의 최대 출력 전압을 DSP 컨트롤러가 입력으로 처리할 수 있는 레벨로 변환하기 위해 연산증폭회로를 사용하였고 입력신호에 대한 출력신호의 증폭비는 4:1로 구성하였다.³⁾⁴⁾

Fig.8Operationalamplifier

3.2.4풍속센서 인터페이스 회로의 시뮬레 이션

Fig.9Simulationresultforfrequencycharacteristic

그림 7,8의 회로를 PSIM으로 시뮬레이션 하였다.풍속센서의 최고 출력 값인 12[V], 125[Hz]를 입력전압(Vin)으로 설정하고,설 계한 풍속센서 인터페이스 회로의 필터 특성 을 측정한 결과 그림 9와 같이 나타났다.

3.3시작품 제작

그림 10은 2.2절에서 구성한 인터페이스 회 로를 OrCAD LayoutPlus프로그램으로 설 계한 PCB Artwork이다.

그림 11은 본 연구에서 개발한 데이터로거 의 사진이다.외부 표시를 위한 LCD와 제작 한 PCB,전원으로 사용되는 직렬로 연결한 12[V]배터리 2개로 구성되어 있으며 좌측은 센서를 연결하지 않았을 때의 상태,우측은 풍속센서,풍향센서,온도센서 1채널을 연결 했을 때의 모니터링 상태의 사진이다.

Fig.10PCB Artwork

Fig.11Developeddatalogger

4.성능 실험

개발한 데이터로거의 성능을 비교하기 위 해서 IEC 61400-2규정에 의해 제작되고 현 재 상용화되어있는 NRG사의 센서와 NRG사 의 데이터로거를 사용하였다.성능 시험의 풍 속 측정 범위는 국제규정(IEC 61400-12)에 명시된 소형풍력발전기의 시동 범위 1 [m/

s]～14 [m/s]와 측정데이터 처리 범위 4 [m/s]～16[m/s]이므로 본 성능 시험에서는 1[m/s]～17[m/s]까지의 풍속을 측정하였고, 풍향의 측정 범위는 전방위(0°～359°)를 측정 하였다.⁵⁾⁶⁾

4.1성능 실험 방법

송풍기를 사용하여 풍속․풍향 센서를 구 동하고 각 센서의 신호선을 병렬로 분리하여 NRG사의 데이터로거(5504NRG Symphonie PLUS)와 개발한 데이터로거에서 동시에 측

정을 실시하였다.

풍속의 경우 20분 간격으로 5시간동안 송 풍기의 회전량을 조절하여 측정하였고,풍속 측정이 끝난 후 20분 간격으로 5시간동안 송 풍기의 위치를 변화시키면서 풍향을 측정하 여 SD CARD에 데이터를 저장하여 비교 분 석하였다.

Fig.12Performancetestofdevelopeddatalogger

위와 같은 성능 실험을 하기 전 하나의 센 서의 신호를 병렬로 분배했을 경우 왜곡되는 현상의 유무를 확인하기 위해 그림 13과 같이 DC모터를 사용하여 풍속계를 회전시킨 후 병렬로 분배한 신호를 레코더(Hioki사의 ‘메 모리하이코더 8860-50’)로 측정한 결과 왜곡 되는 현상이 없는 것으로 확인되었다.

Fig.13Conditionstestofaparallelconnection

4.2성능 실험 결과

시간 [분]

NRG사의

데이터로거 개발한 데이터로거 풍속

측정 [m/s]

풍향 측정 [°]

풍속 측정 [m/s]

풍향 측정 [°] 20 1.5 5 1.50 5.6 40 2.4 31 2.42 31.3 60 3.6 62 3.62 62.8 80 4.8 87 4.83 87.5 100 6.1 110 6.11 110.4 120 8.5 136 8.56 136.1 140 9.1 158 9.12 158.7 160 10.2 182 10.23 182.4 180 11.0 204 11.05 204.3 200 12.3 220 12.35 220.6 220 14.0 251 14.05 251.4 240 15.2 275 15.23 275.5 260 16.0 299 16.03 299.5 280 17.5 326 17.55 326.4 300 17.8 354 17.89 354.5 Table.4DataComparisonofperformancetest

표 4는 NRG사의 풍력 자원 데이터로거와 개발한 풍력 자원 데이터로거의 측정 데이터 를 20분간 측정한 평균값이며,데이터 비교 결과 풍속 ±0.1[m/s]이하,풍향 +1[°]이하 의 오차를 나타냈다.

5.결 론

본 논문은 DSP-F28335마이크로 컨트롤 러를 기반으로 풍력 자원을 모니터링하고 데 이터를 저장할 수 있는 데이터로거 개발에 관 한 연구이다.기존의 풍력 자원 데이터로거의 기능을 축소시키고 국제규정을 준수하는 소 형풍력발전기 사전 자료 조사용 데이터로거 의 개발을 주된 목적으로 하고 있다.

간단한 인터페이스 회로만으로 데이터로거 를 설계하여 소형화,유지․보수비용을 최소 화 할 수 있으며,NRG사의 데이터로거와 실 측 데이터를 비교해본 결과 풍속 ±0.1[m/s]

이하,풍향 +1[°]이하로 오차가 존재하는 것 으로 확인되었다.

개발한 데이터로거는 기존의 데이터로거에 비해 저예산으로 데이터 측정이 가능하여 그 린홈 100만호 사업과 같은 국책사업과 소형 풍력발전 시장의 활성화에 기여할 수 있을 것 으로 기대된다.

후 기

본 연구는 지식경제부의 재원으로 한국에 너지기술평가원(과제번호)의 지원을 받아 수 행된 연구과제(No.20093021070010)입니다.

참 고 문 헌

1.Seung-JinOh,“DevelopmentofHardware SimulatorforDFIG WindPowerSystem ComposedofAnemometerandMotor- GeneratorSet”,TheTransactionsofThe KoreanInstituteofPowerElectronics,Vol 16,No1,2011.2.

2.KSCIEC61400-2:Safetyofsmallwind turbines,Korean StandardsAssociation, 2004.10.

3.AlbertMalvinoDavidJ.Bates,ELECTRONIC PRINCIPLES,McGraw-HillHigherEducation, 7thEdition,2007.

4.AlbertMalvinoDavidJ.Bates,ELECTRONIC PRINCIPLES, McGraw-Hill Higher Education,7thEdition,2007.

5.IEC 61400-12-1 :Powerperformance measurementsofelectricityproducingwind turbines,2005.12

6.IEC 61400-12-1 :Powerperformance measurementsofelectricityproducingwind turbines,2005.12