[论文解读] A parametric model for wind turbine power curves incorporating environmental conditions

Yves‐Marie Saint‐Drenan, Romain Besseau+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Wind Energy Research and Development参考文献 46被引用 170

一句话总结

本文提出一个开源的参数模型，用于在特定场地环境条件下为任意涡轮机生成风力发电曲线，并以 91 款厂家曲线通过 Python、R、MATLAB 实现进行验证。

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.

研究动机与目标

• 提供一种开源、基于物理原理的方法，使用现场特定环境输入为任意涡轮机生成功率曲线。
• 量化环境因素（湍流强度 TI、空气密度、风切变、风 veer）对功率曲线的影响。
• 将模型与厂家功率曲线进行对比验证，并评估输入参数对所得曲线的敏感性。
• 提供 Python、R 与 MATLAB 实现，以促进社区使用和可重复性。

提出的方法

• 在四个工作区域中建模功率输出，并聚焦区域 II（穿入风速与额定风速之间）。
• 将 P_WT 计算为 P = 0.5 * rho * A_rotor * V_WS^3 * Cp(lambda, beta)，其中 Cp 由六个文献来源的经验参数形式建模。
• 确定使 Cp(lambda, beta) 最大化的尖速比 lambda_opt，在区域 II 将 beta 设为零；通过基于 lambda 的关系强制转子转速上下限（omega_min, omega_max）。
• 通过以下方式将环境效应纳入： (i) 使用高斯核卷积功率曲线以反映湍流强度； (ii) 明确变量空气密度； (iii) 使用 rotor-equivalent wind speed U_eq 来考虑风切变和风 veer，对转子上的风速进行调整。
• 将工作流程总结为七步过程，并提供用于功率曲线生成的 Python、R 和 MATLAB 的开源代码。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定设计和工作极限的情况下，如何用基于物理的参数模型为任意涡轮机生成风力发电曲线？
• RQ2 环境条件（TI、空气密度、风切变、veer）对功率曲线的形状和幅值有何影响？
• RQ3 该参数模型在多种涡轮型号上再现厂家功率曲线的效果如何？
• RQ4 哪些输入参数对生成功率曲线的准确性和不确定性影响最大？

主要发现

• 该模型能够再现涡轮功率曲线，并已针对厂家数据中的 91 种涡轮型号进行了验证。
• 湍流强度对功率曲线有显著影响，尤其在名义风速附近。
• 空气密度影响在区域 II 存在，但通常小于 TI 影响。
• 风切变和风 veer 对功率曲线的影响相对温和，其中 veer 的影响略大于风切变。
• 截断风速对功率曲线的影响最大，超过穿入风速；额定功率和转子面积是最敏感的设计参数。
• 最大 Cp 值（Cp,max）及其参数化对所得功率曲线有显著影响，甚至大于所选的 Cp(lambda, beta) 形式。