Large-eddy simulations, wake models, and control: Power grid frequency support with wind farms

Improved integration of wind farms into frequency regulation services is vital for increasing renewable energy production while maintaining power system stability. In particular, wind farms of the future will need to be able to provide secondary frequency regulation by tracking a power reference signal controlled by the grid operator. Wind farm wake models, estimation methods, and control techniques are developed to improve wind farm secondary frequency regulation capabilities. Large-eddy simulations (LES), where the large scales are directly simulated, are combined with the actuator disk model, which represents a wind turbine as a drag disk, to simulate large wind farms. LES provides an ideal test bed for wake model validation and control algorithm development. A dynamic wind farm model is developed for time-varying changes in wind farm thrust and validated against LES of a wind farm at start up. A new yawed wind turbine theory is derived for the near-disk inviscid region of the flow and compared to numerical simulations. This model yields more accurate predictions of the initial transverse velocity and wake skewness angle than existing models. We use these predictions as initial conditions in an extended dynamic wake model for yawed turbines and compare predicted wake deflection with wind tunnel experiments. Sensing and estimation methods are developed to assimilate power measurements into the new dynamic wake model. Using LES, the dynamic wake model, and sensing and estimation methods, we propose the use of model-based receding horizon control to provide secondary frequency regulation for a power grid using thrust coefficient modulation. We implement the controller in high-fidelity numerical simulations of a wind farm with 84 turbines and then test the controlled farm's ability to track a power reference signal. The results demonstrate the ability of the control algorithm to track two types of power reference signals used by a US independent system operator. Furthermore, the controller achieves accurate power tracking and reduces loss of revenue in the bulk power market by requiring less setpoint reduction (derate) than the power level control range. The control design is subsequently extended to include generator torque, blade pitch actuation, and the rotational inertia of the rotor

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

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

Power Management for Energy Systems

The thesis deals with control methods for flexible and efficient power consumption in commercial refrigeration systems that possess thermal storage capabilities, and for facilitation of more environmental sustainable power production technologies such as wind power. We apply economic model predictive control as the overriding control strategy and present novel studies on suitable modeling and problem formulations for the industrial applications, means to handle uncertainty in the control problems, and dedicated optimization routines to solve the problems involved. Along the way, we present careful numerical simulations with simple case studies as well as validated models in realistic scenarios. The thesis consists of a summary report and a collection of 13 research papers written during the period Marts 2010 to February 2013. Four are published in international peer-reviewed scientific journals and 9 are published at international peer-reviewed scientific conferences

Wind Turbine Controls for Farm and Offshore Operation

Development of advanced control techniques is a critical measure for reducing the cost of energy for wind power generation, in terms of both enhancing energy capture and reducing fatigue load. There are two remarkable trends for wind energy. First, more and more large wind farms are developed in order to reduce the unit-power cost in installation, operation, maintenance and transmission. Second, offshore wind energy has received significant attention when the scarcity of land resource has appeared to be a major bottleneck for next level of wind penetration, especially for Europe and Asia. This dissertation study investigates on several wind turbine control issues in the context of wind farm and offshore operation scenarios. Traditional wind farm control strategies emphasize the effect of the deficit of average wind speed, i.e. on how to guarantee the power quality from grid integration angle by the control of the electrical systems or maximize the energy capture of the whole wind farm by optimizing the setting points of rotor speed and blade pitch angle, based on the use of simple wake models, such as Jensen wake model. In this study, more complex wake models including detailed wind speed deficit distribution across the rotor plane and wake meandering are used for load reduction control of wind turbine. A periodic control scheme is adopted for individual pitch control including static wake interaction, while for the case with wake meandering considered, both a dual-mode model predictive control and a multiple model predictive control is applied to the corresponding individual pitch control problem, based on the use of the computationally efficient quadratic programming solver qpOASES. Simulation results validated the effectiveness of the proposed control schemes. Besides, as an innovative nearly model-free strategy, the nested-loop extremum seeking control (NLESC) scheme is designed to maximize energy capture of a wind farm under both steady and turbulent wind. The NLESC scheme is evaluated with a simple wind turbine array consisting of three cascaded variable-speed turbines using the SimWindFarm simulation platform. For each turbine, the torque gain is adjusted to vary/control the corresponding axial induction factor. Simulation under smooth and turbulent winds shows the effectiveness of the proposed scheme. Analysis shows that the optimal torque gain of each turbine in a cascade of turbines is invariant with wind speed if the wind direction does not change, which is supported by simulation results for smooth wind inputs. As changes of upstream turbine operation affects the downstream turbines with significant delays due to wind propagation, a cross-covariance based delay estimate is proposed as adaptive phase compensation between the dither and demodulation signals. Another subject of investigation in this research is the evaluation of an innovative scheme of actuation for stabilization of offshore floating wind turbines based on actively controlled aerodynamic vane actuators. For offshore floating wind turbines, underactuation has become a major issue and stabilization of tower/platform adds complexity to the control problem in addition to the general power/speed regulation and rotor load reduction controls. However, due to the design constraints and the significant power involved in the wind turbine structure, a unique challenge is presented to achieve low-cost, high-bandwidth and low power consumption design of actuation schemes. A recently proposed concept of vertical and horizontal vanes is evaluated to increase damping in roll motion and pitch motion, respectively. The simulation platform FAST has been modified including vertical and horizontal vane control. Simulation results validated the effectiveness of the proposed vertical and horizontal active vane actuators

Wind Farm Modeling for Design and Active Power Control of Wind Farms

As the interest in reducing carbon emissions continues, wind energy has become a prominent component of a carbon-free electrical supply. However, as wind continues to grow its presence in the electrical grid, a better understanding of its potential contributions is needed. One of the components that is required for this understanding is deeper knowledge of the physics of wind farms to improve physics-based modeling and more accurately predict the wind farm power output. Another component is discovering the extent to which wind farms can dynamically respond to the needs of the grid through power tracking where the wind farm tracks a power reference signal controlled by the grid operator. In this work, we first present a coupled physics-based model for a wind farm to predict the total power out of wind farms of arbitrary geometry. The model combines two reduced order models, the first with a smaller scale on the order of individual turbines, and the other with a larger scale on the order of the scale of the whole farm. By coupling these two models, and the physics that they capture, the coupled model is able to provide insight and information on the behavior of the wind farm and predict the power output for multiple wind farm configurations. The results are verified with multiple large eddy simulation (LES) wind farm codes. This work also presents a control-oriented wind farm model and its application to active power control. This control-oriented model uses a graph theory approach to represent the wind farm and the interactions between the turbines. This enables the model to represent dynamic changes that affect the wind farm, such as a change in wind direction or a dynamic yaw change. The effect of such changes is challenging to represent with conventional wake models. The model was validated for both representing a dynamic wind direction change and a dynamic yaw change. This model was incorporated into an inner and outer loop control framework where the outer loop consists of a yaw model-constrained optimal control and the inner loop consists of a pitch control. The controller was applied to an LES wind farm plant and showed the potential of dynamic yaw control in different wind farm operating conditions