[论文解读] Influence of atmospheric conditions on the power production of utility-scale wind turbines in yaw misalignment

Michael F. Howland, Carlos Moral González+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Wind Energy Research and Development被引用 4

一句话总结

本研究提出了一套基于物理的模型，用于预测在偏航失准情况下的大型风力涡轮机的功率输出，考虑了大气风切变、风向切变以及涡轮机控制系统的影响。研究发现，功率近似遵循 cos²(γ) 的关系，而非标准的 cos³(γ)，且由于叶轮截面风速与风向梯度的存在，导致显著的非对称性，从而否定了当前在尾流转向优化中广泛使用的对称模型。

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.

研究动机与目标

• 解决对称功率模型（例如 P ∝ cos³(γ)）在预测偏航失准时功率损失方面的不准确性。
• 量化大气风切变和风向切变如何影响偏航涡轮机的非对称功率响应。
• 开发一个整合了涡轮机控制系统（发电机扭矩）和空间风速剖面的预测模型。
• 利用印度实际大气条件下大型风电机组的现场数据验证该模型。
• 通过引入基于场地的非对称功率预测，取代通用的功率损失假设，实现更精确的尾流转向控制。

提出的方法

• 基于叶片元动量（BEM）理论，构建模型以计算在偏航失准状态下叶轮盘面的气动载荷。
• 利用测风塔和激光雷达（LiDAR）数据，整合叶轮高度范围内实测的风速与风向剖面。
• 对发电机扭矩控制系统进行建模，以计算角速度 Ω(γ)，其与以往模型假设的 cos(γ) 不成比例。
• 利用计算得到的 Ω(γ) 和局部风况，计算作为偏航角函数的功率输出 P(γ)。
• 基于印度西北部一个真实风电场中多台大型风电机组的现场测量数据，对模型进行验证。
• 将模型预测结果与标准的 cos³(γ) 模型进行对比，并评估正负偏航角下功率响应的非对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气风切变和风向切变如何影响偏航失准风力涡轮机的功率输出？
• RQ2 为何标准的 cos³(γ) 模型无法准确预测偏航涡轮机的实际功率损失？
• RQ3 发电机扭矩控制系统如何影响在偏航失准条件下涡轮机的角速度与功率输出？
• RQ4 偏航涡轮机的功率响应在偏航方向上非对称的程度有多大？
• RQ5 是否可以通过整合风速剖面与控制系统动力学的物理模型，提升尾流转向应用中功率预测的准确性？

主要发现

• 在发电机扭矩控制下，由于角速度无法跟随 cos(γ) 变化，导致偏航失准风力涡轮机的功率近似遵循 cos²(γ)，而非 cos³(γ)。
• 功率响应呈现非对称性：正负偏航角下的功率损失不同，这是由于叶轮截面风速与风向梯度所致。
• 来自印度大型风电场的现场数据证实，标准的 cos³(γ) 模型低估了功率损失，且无法捕捉非对称特性。
• 该模型对 P(γ) ≈ P(0)·cos²(γ) 的预测，结合场地特异性偏差，与实验数据高度吻合，验证了方法的有效性。
• 非对称性源于风切变、风向切变、叶片旋转方向以及涡轮机控制系统动态的综合作用。
• 未来的尾流转向策略必须采用基于场地的非对称功率模型，而非依赖对称的 cos³(γ) 近似，以避免次优控制。