[論文レビュー] Influence of atmospheric conditions on the power production of utility-scale wind turbines in yaw misalignment

Michael F. Howland, Carlos Moral González+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Wind Energy Research and Development被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、大規模風力タービンのヨー不整合時の発電出力を予測する物理ベースのモデルを開発した。大気の風垂直シェア、風の傾き、タービン制御システムを考慮し、発電出力が標準の対称モデルである cos³(γ) ではなく、cos²(γ) に比例することを示した。風速と風向の勾配により、発電出力の非対称性が顕著であり、これがウェークステアリング最適化で用いられる標準的な対称モデルの妥当性を否定する。

ABSTRACT

The intentional yaw misalignment of leading, upwind turbines in a wind farm, termed wake steering, has demonstrated potential as a collective control approach for wind farm power maximization. The optimal control strategy, and resulting effect of wake steering on wind farm power production, are in part dictated by the power degradation of the upwind yaw misaligned wind turbines. In the atmospheric boundary layer, the wind speed and direction may vary significantly over the wind turbine rotor area, depending on atmospheric conditions and stability, resulting in freestream turbine power production which is asymmetric as a function of the direction of yaw misalignment and which varies during the diurnal cycle. In this study, we propose a model for the power production of a wind turbine in yaw misalignment based on aerodynamic blade elements which incorporates the effects of wind speed and direction changes over the turbine rotor area in yaw misalignment. A field experiment is performed using multiple utility-scale wind turbines to characterize the power production of yawed freestream operating turbines depending on the wind conditions, and the model is validated using the experimental data. The resulting power production of a yaw misaligned variable speed wind turbine depends on a nonlinear interaction between the yaw misalignment, the atmospheric conditions, and the wind turbine control system.

研究の動機と目的

• ヨー不整合時の発電損失を予測する際、標準的な対称的モデル（例：P ∝ cos³(γ)）の不正確さを是正すること。
• 大気の風垂直シェアと風の傾きが、ヨー不整合タービンの非対称的発電応答に与える影響を定量化すること。
• タービン制御システム（発電機トルク）と空間的風プロファイルを組み込んだ予測モデルを構築すること。
• インドの実際の大気条件下で得られた実地データを用いて、モデルを検証すること。
• 一般的な発電損失仮定に代えて、現場特化型で非対称な発電予測を用いることで、より正確なウェークステアリング制御を可能にすること。

提案手法

• ヨー不整合下でのローター面全体の空力的力の計算を、ブレード要素モーメント（BEM）に基づくモデルで開発。
• メートロロジカル・メッシュおよびLiDARデータを用いて、ローター高さにわたる風速・風向プロファイルを測定値として組み込む。
• 発電機トルク制御システムをモデル化し、角速度Ω(γ)を計算。これは、従来のモデルが仮定していたようにcos(γ)に比例しない。
• 計算されたΩ(γ)と局所的な風況を用いて、ヨー角の関数として発電出力P(γ)を計算。
• インドの西北部に位置する実際の風力発電所で得られた複数の大規模タービンの実地測定データを用いて、モデルを検証。
• モデル予測を標準的なcos³(γ)モデルと比較し、正のヨー角と負のヨー角における発電応答の非対称性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気の風垂直シェアと風の傾きは、ヨー不整合タービンの発電出力にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ標準的なcos³(γ)モデルが、ヨー不整合タービンの実際の発電損失を正しく予測できないのか？
• RQ3 発電機トルク制御システムは、ヨー不整合下での角速度と発電出力にどのように影響するか？
• RQ4 ヨー不整合の方向に応じて、タービンの発電応答がどの程度非対称的か？
• RQ5 風プロファイルと制御システムを組み込んだ物理ベースのモデルは、ウェークステアリング用途における発電予測精度を向上させ得るか？

主な発見

• 発電機トルク制御下では角速度がcos(γ)に従わないため、ヨー不整合タービンの発電出力はcos³(γ)ではなく、cos²(γ)に比例する。
• 発電応答は非対称的である：風速と風向の勾配により、正のヨー角と負のヨー角における発電損失が異なる。
• インドの大規模風力発電所から得た実地データは、標準的なcos³(γ)モデルが発電損失を低く見積もっており、非対称性を捉えていないことを確認した。
• モデルによるP(γ) ≈ P(0)·cos²(γ)の予測（現場特化型のずれを含む）は、実験データと正確に一致し、この手法の有効性を裏付けた。
• 非対称性は、風垂直シェア、風の傾き、ブレード回転方向、およびタービン制御システムのダイナミクスの組み合わせに起因する。
• 今後のウェークステアリング戦略では、対称的なcos³(γ)近似に代えて、現場特化型で非対称な発電モデルを用いる必要がある。