[논문 리뷰] Performability analysis of the second order semi-Markov chains in state and duration for wind speed modeling

Guglielmo D’Amico, Filippo Petroni외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 01.

Energy Load and Power Forecasting인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이탈리아 L.S.I.-Lastem 기지에서 확보한 10분 간격의 바람 속도 데이터를 사용하여 바람 속도 동역학과 풍력 에너지 시스템의 성능 가능성을 분석하기 위해 이차 순서의 반마르코프 보상 모델을 제안한다. 보상 과정의 고차원 모멘트를 위한 새로운 방정식을 유도하고, 이를 통해 10kW 수평축 풍력 터빈의 예상 에너지 출력과 분산을 계산함으로써 풍력 에너지 시스템의 신뢰성과 성능 평가를 위한 실용적인 방법을 제시한다.

ABSTRACT

In this paper a general second order semi-Markov reward model is presented. Equations for the higher order moments of the reward process are presented for the first time and applied to wind energy production. The application is executed by considering a database, freely available from the web, that includes wind speed data taken from L.S.I. - Lastem station (Italy) and sampled every 10 minutes. We compute the expectation and the variance of the total energy produced by using the commercial blade Aircon HAWT - 10 kW.

연구 동기 및 목표

• 풍력 속도와 에너지 생산 분석을 위한 일반화된 이차 순서 반마르코프 보상 모델을 개발하기 위해.
• 일차 순서 모델이 바람 속도 시계열의 시간적 의존성을 포착하는 데 한계가 있음을 해결하기 위해.
• 실제 세계 데이터를 사용하여 상업용 10kW 풍력 터빈의 총 에너지 출력 기대값과 분산을 계산하기 위해.
• 상태 지속 시간과 전이 동역학을 통합하여 향상된 풍력 에너지 예측을 위한 성능 가능성 분석 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 현재 상태와 이전 상태를 모두 포함하는 이차 순서 반마르코프 체인 모델을 수립하여 바람 속도 전이를 기술한다.
• 총 에너지 생산을 나타내는 보상 과정의 일차 및 이차 모멘트를 위한 새로운 분석 방정식을 도입한다.
• 모델 검증을 위해 이탈리아 L.S.I.-Lastem 기지에서 확보한 10분 간격 바람 속도 측정 데이터베이스를 입력으로 사용한다.
• 실제 상업용 10kW 수평축 풍력 터빈(Aircon HAWT)에 모델을 적용하여 예상 에너지와 분산을 계산한다.
• 에너지 출력이 바람 속도와 터빈의 전력 곡선에 따라 함수화되는 보상 구조를 적용한다.
• 보상 과정의 모멘트에 대한 방정식의 연립 해를 풀어 성능 가능도 지표를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차 순서 반마르코프 모델은 일차 순서 모델에 비해 바람 속도 및 에너지 생산 모델링의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 이차 순서 반마르코프 프레임워크 내에서 보상 과정의 일차 및 이차 모멘트에 대한 분석적 표현은 무엇인가?
• RQ3 상태 지속 시간과 전이의 기억 요소를 포함할 경우 풍력 에너지 시스템의 성능 가능도는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 실제 10분 간격 바람 속도 데이터를 사용할 때 10kW 풍력 터빈의 예상 에너지 출력과 분산은 얼마인가?
• RQ5 제안된 모델은 변동성이 큰 바람 조건 하에서 풍력 에너지 시스템의 신뢰성과 성능을 효과적으로 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 이 논문은 이차 순서 반마르코프 모델에서 보상 과정의 일차 및 이차 모멘트에 대한 명시적 방정식을 처음으로 도출한다.
• 모델은 실제 10분 간격 바람 속도 데이터를 사용하여 10kW 수평축 풍력 터빈의 총 에너지 출력 기대값과 분산을 성공적으로 계산한다.
• 이차 순서 의존성의 포함은 일차 순서 모델에 비해 바람 속도 동역학의 표현을 향상시킨다.
• 성능 가능도 분석은 분산을 통한 불확실성 포함 여부를 고려한 에너지 생산 신뢰성의 정량적 평가를 제공한다.
• 결과는 고차원 반마르코프 모델을 활용한 풍력 에너지 시스템에서의 성능 가능도 평가의 실현 가능성을 입증한다.
• L.S.I.-Lastem 기지에서 공개된 바람 속도 데이터를 사용하여 모델의 유효성을 검증하였으며, 실용적 적용 가능성을 보여준다.