[논문 리뷰] Influence of atmospheric conditions on the power production of utility-scale wind turbines in yaw misalignment

Michael F. Howland, Carlos Moral González외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

Wind Energy Research and Development인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 대규모 유틸리티 스케일 풍력 터빈의 야워 미정렬 상태에서의 발전량을 예측하기 위한 물리 기반 모델을 개발한다. 대기 중의 바람 풍형, 기울기 및 터빈 제어 시스템을 고려하며, 발전량이 표준 대칭 모델에서 사용하는 cos³(γ)가 아니라 약간의 비대칭성을 보이는 cos²(γ) 비례로 변화함을 보여주며, 이는 블레이드 디스크 전역에서 바람 속도와 방향의 기울기로 인해 발생한다. 이는 웨이크 조향 최적화에서 사용되는 전통적인 대칭 모델을 무효화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 야워 미정렬 상태에서의 발전량 손실을 예측하는 데 있어 대칭 모델(P ∝ cos³(γ))의 부정확성을 해결하기 위해.
• 대기 중 바람 풍형과 기울기가 야워 미정렬 터빈의 비대칭 발전 반응에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 터빈 제어 시스템(발전기 토크)과 공간적 바람 프로파일을 통합한 예측 모델을 개발하기 위해.
• 실제 대기 조건 하에서 인도의 대규모 풍력 터빈에서의 현장 데이터를 사용하여 모델을 검증하기 위해.
• 일반적인 발전량 손실 가정 대신 현장 특화 비대칭 발전 예측으로 더 정확한 웨이크 조향 제어를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 야워 미정렬 상태에서 블레이드 요소 운동량(BEM) 기반 모델을 개발하여 블레이드 디스크 전역의 유체역학적 힘을 계산한다.
• 메트 마스트와 라이다 데이터를 활용해 블레이드 높이 전역의 실측 바람 속도 및 방향 프로파일을 통합한다.
• 발전기 토크 제어 시스템을 모델링하여 각속도 Ω(γ)를 계산하며, 이는 이전 모델에서 가정한 것처럼 cos(γ) 비례가 아님을 확인한다.
• 계산된 Ω(γ)과 국지적 바람 조건을 기반으로 발전량 P(γ)를 야워 각도의 함수로 계산한다.
• 실제로 인도의 북서부 지역에 위치한 대규모 풍력 발전소에서의 여러 풍력 터빈의 현장 측정 데이터를 기반으로 모델을 검증한다.
• 모델 예측 결과를 표준 cos³(γ) 모델과 비교하고, 양방향 야워 각도에 대한 발전 반응의 비대칭성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 중 바람 풍형과 기울기는 야워 미정렬 터빈의 발전량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 표준 cos³(γ) 모델은 야워 상태 터빈의 실제 발전량 손실을 예측하지 못하는가?
• RQ3 발전기 토크 제어 시스템은 야워 미정렬 상태에서 각속도와 발전량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 야워 미정렬의 방향에 따라 터빈의 발전 반응이 비대칭이 되는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 바람 프로파일과 제어 시스템을 통합한 물리 기반 모델이 웨이크 조향 응용 분야에서 발전량 예측 정확도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 발전기 토크 제어 하에서 각속도가 cos(γ)를 따르지 않기 때문에, 야워 미정렬 터빈의 발전량은 cos³(γ)가 아니라 약간의 비대칭성을 보이는 cos²(γ) 비례로 변화한다.
• 발전 반응은 비대칭적이다: 바람 속도와 방향 기울기로 인해 양방향 야워 각도에서의 발전량 손실이 다르게 나타난다.
• 인도의 대규모 풍력 발전소에서 확보한 현장 데이터는 표준 cos³(γ) 모델이 발전량 손실을 과소평가하고 비대칭성을 포착하지 못한다는 것을 확인한다.
• 모델이 P(γ) ≈ P(0)·cos²(γ)로 예측하며, 현장 데이터와 정확히 일치하는 현장 특화된 변동성을 반영함으로써 이 접근 방식의 타당성을 입증한다.
• 비대칭성은 바람 풍형, 기울기, 블레이드 회전 방향, 터빈 제어 시스템 동역학의 조합으로 발생한다.
• 향후 웨이크 조향 전략은 대칭적인 cos³(γ) 근사치가 아닌 현장 특화 비대칭 발전 모델을 사용해야 하며, 그렇지 않으면 최적 제어가 어려워진다.