[論文レビュー] A parametric model for wind turbine power curves incorporating environmental conditions

Yves‐Marie Saint‐Drenan, Romain Besseau+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Wind Energy Research and Development参考文献 46被引用数 170

ひとこと要約

この論文は、サイト特有の環境条件下で任意の風力発電機の出力曲線を生成するオープンソースのパラメトリックモデルを提案し、Python、R、そして MATLAB 実装を用いて 91 件のメーカー曲線と照合・検証した。

ABSTRACT

A wind turbine's power curve relates its power production to the wind speed it experiences. The typical shape of a power curve is well known and has been studied extensively; however, the power curves of individual turbine models can vary widely from one another. This is due to both the technical features of the turbine (power density, cut-in and cut-out speeds, limits on rotational speed and aerodynamic efficiency), and environmental factors (turbulence intensity, air density, wind shear and wind veer). Data on individual power curves are often proprietary and only available through commercial databases. We therefore develop an open-source model which can generate the power curve of any turbine, adapted to the specific conditions of any site. This can employ one of six parametric models advanced in the literature, and accounts for the eleven variables mentioned above. The model is described, the impact of each technical and environmental feature is examined, and it is then validated against the manufacturer power curves of 91 turbine models. Versions of the model are made available in MATLAB, R and Python code for the community.

研究の動機と目的

• 任意の風力発電機の設計と運用制限を用いて、現実的な物理ベースの方法でタービン出力曲線を生成するオープンソースの手法を提供する。
• 環境要因（乱れ強度 TI、空気密度、風のせん断、風の偏位） が出力曲線の形状と大きさに与える影響を定量化する。
• メーカー出力曲線に対してモデルを検証し、得られた曲線の入力感度を評価する。
• コミュニティの利用と再現性を促進するために、Python、R、MATLAB での実装を提供する。

提案手法

• 運用領域の4つの領域での発電をモデル化し、領域 II（立ち上がり風速と定格風速の間）に焦点を当てる。
• P_WT を P = 0.5 * rho * A_rotor * V_WS^3 * Cp(lambda, beta) として、Cp は6つの文献ソースからの経験的パラメトリック形でモデル化する。
• β を領域 II ではゼロに設定し、Cp(lambda, beta) を最大化する λ_opt のタテキンを求める；ローター回転数の範囲（omega_min, omega_max）は λ に基づく関係で強制する。
• 環境効果を取り入れるために： (i) 乱れ強度を反映するために出力曲線をガウシアンカーネルと畳み込む； (ii) 空気密度を明示的に変化させる； (iii) 回転子等価風速 U_eq を用いて風のせん断・偏位を考慮して風速をローターに対して調整する。
• 作業フローを7ステップのプロセスに要約し、風力曲線生成のための Python、R、MATLAB のオープンソースコードを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのように物理ベースのパラメトリックモデルが、設計と運転制限を与えられた任意の風車の風力出力曲線を生成できるか？
• RQ2 環境条件（TI、空気密度、風のせん断、偏位）が出力曲線の形状と大きさにどのような影響を与えるか？
• RQ3 パラメトリックモデルは多数の風車モデルにわたってメーカーの出力曲線をどれだけ再現できるか？
• RQ4 生成された出力曲線の精度と不確かさに最も影響を与える入力パラメータはどれか？

主な発見

• モデルは風力タービンの出力曲線を再現でき、メーカーのデータから 91 種類の風車モデルで検証された。
• 乱れ強度は特に名目的風速の近傍で出力曲線に顕著な影響を与える。
• 空気密度の影響は領域 II 全体で見られるが、一般に TI の影響より小さい。
• 風のせん断と偏位は出力曲線に比較的控えめな影響を与え、偏位の方がせん断より影響がやや大きい。
• 切断風速は出力曲線に最も大きな影響を与え、切断風速よりも定格風速・ローター面積が設計パラメータの中で最も敏感である。
• 最大 Cp 値 (Cp,max) とそのパラメータ化は、得られる出力曲線に大きく影響し、選択した Cp(lambda, beta) 形よりも影響が大きい。