Partitioning approach for large wind farms: active power control for optimizing power reserve

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Deep neural learning based distributed predictive control for offshore wind farm using high fidelity LES data

The paper explores the deep neural learning (DNL) based predictive control approach for offshore wind farm using high fidelity large eddy simulations (LES) data. The DNL architecture is defined by combining the Long Short-Term Memory (LSTM) units with Convolutional Neural Networks (CNN) for feature extraction and prediction of the offshore wind farm. This hybrid CNN-LSTM model is developed based on the dynamic models of the wind farm and wind turbines as well as higher-fidelity LES data. Then, distributed and decentralized model predictive control (MPC) methods are developed based on the hybrid model for maximizing the wind farm power generation and minimizing the usage of the control commands. Extensive simulations based on a two-turbine and a nine-turbine wind farm cases demonstrate the high prediction accuracy (97% or more) of the trained CNN-LSTM models. They also show that the distributed MPC can achieve up to 38% increase in power generation at farm scale than the decentralized MPC. The computational time of the distributed MPC is around 0.7s at each time step, which is sufficiently fast as a real-time control solution to wind farm operations

Adaptive Signal Processing Strategy for a Wind Farm System Fault Accommodation

In order to improve the availability of offshore wind farms, thus avoiding unplanned operation and maintenance costs, which can be high for offshore installations, the accommodation of faults in their earlier occurrence is fundamental. This paper addresses the design of an active fault tolerant control scheme that is applied to a wind park benchmark of nine wind turbines, based on their nonlinear models, as well as the wind and interactions between the wind turbines in the wind farm. Note that, due to the structure of the system and its control strategy, it can be considered as a fault tolerant cooperative control problem of an autonomous plant. The controller accommodation scheme provides the on-line estimate of the fault signals generated by nonlinear filters exploiting the nonlinear geometric approach to obtain estimates decoupled from both model uncertainty and the interactions among the turbines. This paper proposes also a data-driven approach to provide these disturbance terms in analytical forms, which are subsequently used for designing the nonlinear filters for fault estimation. This feature of the work, followed by the simpler solution relying on a data-driven approach, can represent the key point when on-line implementations are considered for a viable application of the proposed scheme

Model Predictive Control for Enhancing Wind Farms Participation in Ancillary Services

The increasing penetration of Renewable Energy (RE) systems into the electric grid is creating new challenges into the power system. The unpredictable and variable nature of renewable power generation is increasing the imbalances between generation and demand. For this reason, wind farms, which are the main source of RE in Europe, are required nowadays to support the grid, providing services of voltage and frequency regulation. To be able to increase their power production during a frequency event, Wind Power Plants (WPPs) need to work below their maximum generation capacity, keeping an additional amount of power, called power reserve, that can be injected into the grid when required. The power reserve of a wind farm strongly depends on the interaction among the wind turbines. The wake effect produced by the upstreams turbines affects the wind condition that each turbine faces and reduces their maximum available power. This study aims to present the effects of different distribution of the Wind turbines (WTs) individual power contribution on the power reserve. Three control strategies, based on Model Predictive Control (MPC), are tested on a fifteen turbines wind farm under different wind conditions. Simulation results show that, in almost all cases, prioritizing the power contribution of the most downstream turbines and deloading the upstream ones, leads to a maximization of the wind farm power reserve. Furthermore, an additional MPC strategy aiming to combine active and reactive power control, for providing both frequency and voltage regulation at the Point of Common Coupling (PCC), is presented. The advantage of a combined active and reactive power control is the possibility of improve the voltage support capability of the WPPs, by controlling the active power set-points. The MPC is also tested on a fifteen turbines wind farm, in order to validate the performances of the controller while solving the multi-objective problem. The ability of the controller to handle simultaneously the different requirements is proven

Advanced wind farm control strategies for enhancing grid support

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al maig 2020Nowadays, there is rising concern among Transmission System Operators about the declining of system inertia due to the increasing penetration of wind energy, and other renewable energy systems, and the retirements of conventional power plants. On the other hand, by properly operating wind farms, wind generation may be capable of enhancing grid stability and ensuring continued security of power supply. In this doctoral thesis, new control approaches for designing wind farm optimization-based control strategies are proposed to improve the participation of wind farms in grid support, specially in primary frequency support.Hoy en día, existe una significativa preocupación entre los Operadores de Sistemas de Transmisión sobre la cresciente penetración de le energía eólica y la tendiente eliminación de las centrales eléctricas convencionales que implica la disminución de la inercia del sistema eléctrico. Operando adecuadamente los parques eólicos, la generación eólica puede mejorar la estabilidad de la red eléctrica y garantizar la seguridad y un continuo suministro de energía. Esta tesis doctoral propone nuevas estrategias para diseñar controladores basados en optimización dinámica para parques eólicos y mejorar la participación de los parques eólicos en el soporte de la red eléctrica. En primer lugar, esta tesis doctoral presenta los enfoques clásicos para el control de parques y turbinas eólicas y cómo los conceptos de control existentes pueden ser explotados para hacer frente a los nuevos desafíos que se esperan de los parques eólicos. Esta tesis doctoral asigna un interés especial a cómo formular la función objetivo de que la reserva de potencia sea maximizada, para ayudar por el suporte de frequencia, y al mismo tiempo seguir la potencia demandada por la red. Sin embargo, el impacto de la estela de viento generada por una turbina sobre otras turbinas necesita ser minimizado para mejorar la reserva de potencia. Por lo tanto, a lo largo de esta tesis se proponen estrategias de control centralizado para parques eólicos enfocadas en distribuir óptimamente la energía entre las turbinas para que el impacto negativo de la estela en la reserva de potencia total se reduzca. Se discuten dos técnicas de control para proporcionar los objetivos de control mencionados anteriormente. Un algoritmo de control óptimo para encontrar la mejor distribución de potencia entre las turbinas en el parque mientras se resuelve un problema iterativo de programación lineal. En segundo lugar, se utiliza la técnica de control predictivo basada en modelo para resolver un problema de control multi-objetivo que también podría incluir, junto con la maximización de reserva de potencia, otros objetivos de control, tales como la minimización de las perdidas eléctricas en los cables de la red de interconexión entre turbinas y un controlador/supervisor. Además, la investigación realizada resalta la capacidad de las estrategias de control propuestas en esta tesis para proporcionar mayor reserva de potencia respecto a los conceptos comúnmente usados para distribuir la potencia total del parque eólico. La idea principal detrás del diseño de una estrategia de control de parques eólico es de encontrar una solución óptima dentro de un cálculo computacional relativamente bajo. Aunque los controladores centralizados propuestos en esta tesis reaccionan rápidamente a los cambios en la potencia de referencia enviada desde el controlador, algunos problemas pueden ocurrir cuando se consideran parques eólicos de gran escala debido a los retrasos existentes por el viento entre turbinas. Bajo estas circunstancias, la producción de energía de cada turbina está altamente acoplada con la propagación de la estela y, por ende, con las condiciones de funcionamiento de las otras turbinas. Esta tesis doctoral propone un esquema de control de parques eólicos no centralizados basado en una estrategia de partición para dividir el parque eólico en sub-conjuntos independientes de turbinas. Con la estrategia de control propuesta, el tiempo de cálculo se reduce adecuadamente en comparación con la estrategia de control centralizado mientras que el rendimiento en la distribución óptima de potencia es ligeramente afectado. El rendimiento de todas las estrategias de control propuestas en esta tesis se prueba con un simulador de parque eólico que modela el comportamiento dinámico del efecto de estela mediante el uso de un conocido y consolidado modelo dinámico de estela y, para un análisis más realista, algunas simulaciones se realizan con software avanzado basado en la técnica de Large Eddy Simulation.Postprint (published version

Advanced wind farm control strategies for enhancing grid support

Nowadays, there is rising concern among Transmission System Operators about the declining of system inertia due to the increasing penetration of wind energy, and other renewable energy systems, and the retirements of conventional power plants. On the other hand, by properly operating wind farms, wind generation may be capable of enhancing grid stability and ensuring continued security of power supply. In this doctoral thesis, new control approaches for designing wind farm optimization-based control strategies are proposed to improve the participation of wind farms in grid support, specially in primary frequency support.Hoy en día, existe una significativa preocupación entre los Operadores de Sistemas de Transmisión sobre la cresciente penetración de le energía eólica y la tendiente eliminación de las centrales eléctricas convencionales que implica la disminución de la inercia del sistema eléctrico. Operando adecuadamente los parques eólicos, la generación eólica puede mejorar la estabilidad de la red eléctrica y garantizar la seguridad y un continuo suministro de energía. Esta tesis doctoral propone nuevas estrategias para diseñar controladores basados en optimización dinámica para parques eólicos y mejorar la participación de los parques eólicos en el soporte de la red eléctrica. En primer lugar, esta tesis doctoral presenta los enfoques clásicos para el control de parques y turbinas eólicas y cómo los conceptos de control existentes pueden ser explotados para hacer frente a los nuevos desafíos que se esperan de los parques eólicos. Esta tesis doctoral asigna un interés especial a cómo formular la función objetivo de que la reserva de potencia sea maximizada, para ayudar por el suporte de frequencia, y al mismo tiempo seguir la potencia demandada por la red. Sin embargo, el impacto de la estela de viento generada por una turbina sobre otras turbinas necesita ser minimizado para mejorar la reserva de potencia. Por lo tanto, a lo largo de esta tesis se proponen estrategias de control centralizado para parques eólicos enfocadas en distribuir óptimamente la energía entre las turbinas para que el impacto negativo de la estela en la reserva de potencia total se reduzca. Se discuten dos técnicas de control para proporcionar los objetivos de control mencionados anteriormente. Un algoritmo de control óptimo para encontrar la mejor distribución de potencia entre las turbinas en el parque mientras se resuelve un problema iterativo de programación lineal. En segundo lugar, se utiliza la técnica de control predictivo basada en modelo para resolver un problema de control multi-objetivo que también podría incluir, junto con la maximización de reserva de potencia, otros objetivos de control, tales como la minimización de las perdidas eléctricas en los cables de la red de interconexión entre turbinas y un controlador/supervisor. Además, la investigación realizada resalta la capacidad de las estrategias de control propuestas en esta tesis para proporcionar mayor reserva de potencia respecto a los conceptos comúnmente usados para distribuir la potencia total del parque eólico. La idea principal detrás del diseño de una estrategia de control de parques eólico es de encontrar una solución óptima dentro de un cálculo computacional relativamente bajo. Aunque los controladores centralizados propuestos en esta tesis reaccionan rápidamente a los cambios en la potencia de referencia enviada desde el controlador, algunos problemas pueden ocurrir cuando se consideran parques eólicos de gran escala debido a los retrasos existentes por el viento entre turbinas. Bajo estas circunstancias, la producción de energía de cada turbina está altamente acoplada con la propagación de la estela y, por ende, con las condiciones de funcionamiento de las otras turbinas. Esta tesis doctoral propone un esquema de control de parques eólicos no centralizados basado en una estrategia de partición para dividir el parque eólico en sub-conjuntos independientes de turbinas. Con la estrategia de control propuesta, el tiempo de cálculo se reduce adecuadamente en comparación con la estrategia de control centralizado mientras que el rendimiento en la distribución óptima de potencia es ligeramente afectado. El rendimiento de todas las estrategias de control propuestas en esta tesis se prueba con un simulador de parque eólico que modela el comportamiento dinámico del efecto de estela mediante el uso de un conocido y consolidado modelo dinámico de estela y, para un análisis más realista, algunas simulaciones se realizan con software avanzado basado en la técnica de Large Eddy Simulation

Model predictive control strategy in waked wind farms for optimal fatigue loads

With the rapid growth of wind power penetration, wind farms (WFs) are required to implement frequency regulation that active power control to track a given power reference. Due to the wake interaction of the wind turbines (WTs), there is more than one solution to distributing power reference among the operating WTs, which can be exploited as an optimization problem for the second goal, such as fatigue load alleviation. In this paper, a closed-loop model predictive controller is developed that minimizes the wind farm tracking errors, the dynamical fatigue load, and and the load equalization. The controller is evaluated in a mediumfidelity model. A 64 WTs simulation case study is used to demonstrate the control performance for different penalty factor settings. The results indicated the WF can alleviate dynamical fatigue load and have no significant impact on power tracking. However, the uneven load distribution in the wind turbine system poses challenges for maintenance. By adding a trade-off between the load equalization and dynamical fatigue load, the load differences between WTs are significantly reduced, while the dynamical fatigue load slightly increases when selecting a proper penalty factor.Comment: Accepted by Electric Power Systems Researc