[논문 리뷰] Optimal Control for Wind Turbine Wake Mixing on Floating Platforms

Maarten J. van den Broek, Daniël van den Berg외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 31.

Wind Energy Research and Development인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 자동 미분를 사용하여 2차원 자유소용풍 모델과 부유 플랫폼 수역역학을 결합함으로써 부유 풍력 터빈에서의 동적 유도 제어를 위한 새로운 애드조인트 기반 최적 제어 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 반공진 주파수에서 소용풍 붕괴를 유도함으로써 정적 유도 제어 대비 평균 출력 전력에서 7% 향상을 이룬다. 이와 동시에 로터 이송을 최소화하면서도 큰 추진력 변동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Dynamic induction control is a wind farm flow control strategy that utilises wind turbine thrust variations to accelerate breakdown of the aerodynamic wake and improve downstream turbine performance. However, when floating wind turbines are considered, additional dynamics and challenges appear that make optimal control difficult. In this work, we propose an adjoint optimisation framework for non-linear economic model-predictive control, which utilises a novel coupling of an existing aerodynamic wake model to floating platform hydrodynamics. Analysis of the frequency response for the coupled model shows that it is possible to achieve wind turbine thrust variations without inducing large motion of the rotor. Using economic model-predictive control, we find dynamic induction results that lead to an improvement of 7% over static induction control, where the dynamic controller stimulates wake breakdown with only small variations in rotor displacement. This novel model formulation provides a starting point for the adaptation of dynamic wind farm flow control strategies for floating wind turbines.

연구 동기 및 목표

• 부유 풍력 농장에서 소용풍 혼합을 향상시키기 위해 동적 유도 제어를 활용하는 제어 전략을 개발한다.
• 부유 터빈에서 추진력 변화를 복잡하게 만드는 플랫폼 유도 동역학과 공진 현상을 해결한다.
• 자유소용풍 모델과 선형 수역역학 플랫폼 모델을 결합함으로써 부유 풍력 터빈에 대한 기울기 기반 최적 제어를 가능하게 한다.
• 추진력 조절 중 로터 이송을 최소화하여 전력 손실과 기계적 응력을 방지한다.
• 소용풍 붕괴를 최대화하면서도 공진 플랫폼 모드를 피하는 최적의 진동 주파수를 탐색한다.

제안 방법

• 로터 운동과의 호환성을 확보하기 위해 라그랑주 입자 추적을 가능하게 하는 액터디스크 표현 방식을 사용한 2차원 자유소용풍 모델을 사용하여 풍력 터빈 소용풍을 시뮬레이션한다.
• 서스펜션 및 피치 자유도를 가진 선형 수역역학 플랫폼 모델을 유체역학 모델과 결합하여 플랫폼 동역학을 캡처한다.
• 수동으로 애드조인트 유도를 수행하는 대신 자동 미분을 사용하여 비선형 경제적 모델 예측 제어(EMPC)의 효율적 기울기 계산을 가능하게 한다.
• 예측 수평 100단계(360 s)와 단계당 50회의 최적화 반복을 포함하는 리커링 호라이즌 EMPC 프레임워크를 구현한다.
• 목적 함수는 평균 전력 생산을 최대화하도록 설정되며, 제어 신호는 최적화된 시퀀스의 첫 번째 샘플을 매 시간 단위마다 업데이트한다.
• 결합된 시스템의 주파수 응답 분석을 통해 플랫폼 운동이 최소화되는 반공진 주파수를 특정하여, 낮은 로터 이송으로도 큰 추진력 변화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랫폼 동역학으로 인한 과도한 로터 운동을 유발하지 않으면서도 부유 풍력 터빈에 동적 유도 제어를 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 플랫폼에 의한 로터 이송을 최소화하면서 소용풍 붕괴를 극대화하는 최적의 진동 주파수는 무엇인가?
• RQ3 유체역학적 소용풍 동역학과 부유 플랫폼 수역역학의 결합이 동적 유도 제어 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 경제적 모델 예측 제어는 부유 플랫폼에서 정적 또는 사인파 유도 제어에 비해 평균 전력 출력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 자연어 기반 최적화 과정을 자동으로 단순화할 수 있는가? 자동 미분는 하이브리드 유체역학-수역역학 시스템의 애드조인트 기반 최적화 과정을 간소화할 수 있는가?

주요 결과

• 비선형 EMPC를 통해 도출된 최적 제어 신호는 총 평균 전력 출력 11.2 MW를 기록하여 정적 유도 제어 대비 7% 향상되었다.
• 동적 유도 신호는 이전 시뮬레이션에서 10.92 MW를 기록한 사인파 작동 방식 대비 2.4% 향상된 성능을 보였다.
• 최적 제어 신호의 주요 주파수는 0.017 Hz(Sr = 0.30)이며, 이는 낙하의 이송 주파수 응답에서 반공진 주파수 근처에 위치해 있어 로터 운동을 최소화한다.
• 플랫폼의 수평 이동이 낙하 이송의 주요 원인이며, 피치 운동은 보다 작은 영향을 미친다. 또한 큰 추진력 변화가 있음에도 불구하고 로터 이송은 최소한이다.
• 최적의 진동 주파수(0.017 Hz)는 고정저면 터빈에 대한 이전 연구에서 발견된 0.02 Hz(Sr = 0.20)보다 현저히 높아 부유 플랫폼 동역학의 강력한 영향을 시사한다.
• 상류 전력에 대한 정밀한 주파수 민감도가 낮아 최적화기는 소용풍 혼합을 극대화하면서도 공진 플랫폼 모드를 피하는 주파수를 선택할 수 있었으며, 이는 제어 권한을 제한하는 요소를 피할 수 있었다.