[논문 리뷰] A parametric model for wind turbine power curves incorporating environmental conditions

Yves‐Marie Saint‐Drenan, Romain Besseau외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 26.

Wind Energy Research and Development참고 문헌 46인용 수 170

한 줄 요약

이 논문은 특정 현장 환경 조건에서 모든 터빈에 대해 풍력 터빈 파워 커브를 생성하는 오픈 소스 파라메트릭 모델을 소개하고, Python, R, MATLAB 구현을 사용하여 91개의 제조사 커브와의 일치성을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현장 특성의 환경 입력을 사용해 어떠한 터빈이든 파워 커브를 생성하는 오픈 소스이자 물리 기반의 방법을 제공한다.
• 난류 강도 TI, 공기 밀도, 풍속 전단, 바람 방향 편차가 파워 커브에 미치는 영향을 정량화한다.
• 제조사 파워 커브와 모델의 일치를 검증하고 생성된 커브의 입력 민감도를 평가한다.
• 커뮤니티 사용성과 재현성을 위해 Python, R, MATLAB 구현을 제공한다.

제안 방법

• 네 가지 작동 영역에서의 발전량 모델링과 Region II(컷인 풍속과 정격 풍속 사이)에 초점을 맞춘다.
• P_WT를 P = 0.5 * rho * A_rotor * V_WS^3 * Cp(lambda, beta)로 계산하고, Cp는 여섯 개의 문헌 소스에서 얻은 경험적 파라메트릭 형태로 모델링한다.
• beta를 Region II에서 0으로 설정하고 Cp(lambda, beta)를 극대화하는 tip-speed ratio lambda_opt를 결정하며, λ를 기반의 관계를 통해 로터 속도 경계(omega_min, omega_max)를 강제한다.
• 환경 효과를 반영하기 위해: (i) 난류 강도를 반영하기 위해 파워 커브를 가우시안 커널로 컨볼루션하는 방식; (ii) 공기 밀도 변동을 명시적으로 반영; (iii) 로터 등가 풍속 U_eq를 통해 풍속 전단과 풍향 편차를 보정하여 로터 기준 풍속을 조정한다.
• 7단계 흐름으로 워크플로를 요약하고, 파워 커브 생성을 위한 Python, R, MATLAB 오픈 소스 코드를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리 기반의 파라메트릭 모델이 설계 및 운전 한계를 가진 어떤 터빈이든 풍력 터빈 파워 커브를 생성할 수 있는가?
• RQ2 환경 조건(TI, 공기 밀도, 풍속 전단, veer)이 파워 커브의 형태와 크기에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 다수의 터빈 모델에 걸쳐 파워 커브를 제조사 곡선과 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 생성된 파워 커브의 정확도와 불확실성에 가장 큰 영향을 주는 입력 파라미터는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 터빈 파워 커브를 재현할 수 있으며 제조사 데이터의 91개 터빈 모델에 대해 검증되었다.
• 난류 강도 TI는 특히 명목 풍속 근처에서 파워 커브에 상당한 영향을 미친다.
• 공기 밀도 효과는 Region II 전반에 걸쳐 존재하지만 일반적으로 TI 효과보다 작다.
• 풍속 전단과 바람 방향 편차는 파워 커브에 비교적 완만한 영향을 미치며, veer의 영향이 전단보다 다소 크게 나타난다.
• 컷-아웃 풍속은 파워 커브에 가장 큰 영향을 미치며, 컷-인보다 큰 영향을 준다. 명목 출력과 로터 면적은 설계 파라미터 중 가장 민감하다.
• 최대 Cp 값(Cp,max)과 그것의 매개변수화는 결과 파워 커브에 상당한 영향을 주며, 선택된 Cp(lambda, beta) 형태보다 더 큰 영향을 준다.