Intelligent Data Fusion for Applied Decision Support

Data fusion technologies are widely applied to support a real-time decision-making in complicated, dynamically changing environments. Due to the complexity in the problem domain, artificial intelligent algorithms, such as Bayesian inference and particle swarm optimization, are employed to make the decision support system more adaptive and cognitive. This dissertation proposes a new data fusion model with an intelligent mechanism adding decision feedback to the system in real-time, and implements this intelligent data fusion model in two real-world applications. The first application is designing a new sensor management system for a real-world and highly dynamic air traffic control problem. The main objective of sensor management is to schedule discrete-time, two-way communications between sensors and transponder-equipped aircraft over a given coverage area. Decisions regarding allocation of sensor resources are made to improve the efficiency of sensors and communications, simultaneously. For the proposed design, its loop nature takes account the effect of the current sensor model into the next scheduling interval, which makes the sensor management system able to respond to the dynamically changing environment in real-time. Moreover, it uses a Bayesian network as the mission manager to come up with operating requirements for each region every scheduling interval, so that the system efficiently balances the allocation of sensor resources according to different region priorities. As one of this dissertation\u27s contribution in the area of Bayesian inference, the resulting Bayesian mission manager is shown to demonstrate significant performance improvement in resource usage for prioritized regions such as a runway in the air traffic control application for airport surfaces. Due to wind\u27s importance as a renewable energy resource, the second application is designing an intelligent data-driven approach to monitor the wind turbine performance in real-time by fusing multiple types of maintenance tests, and detect the turbine failures by tracking the turbine maintenance statistics. The current focus has been on building wind farms without much effort towards the optimization of wind farm management. Also, under performing or faulty turbines cause huge losses in revenue as the existing wind farms age. Automated monitoring for maintenance and optimizing of wind farm operations will be a key element in the transition of wind power from an alternative energy form to a primary form. Early detection and prediction of catastrophic failures helps prevent major maintenance costs from occurring as well. I develop multiple tests on several important turbine performance variables, such as generated power, rotor speed, pitch angle, and wind speed difference. Wind speed differences are particularly effective in the detection of anemometer failures, which is a very common maintenance issue that greatly impacts power production yet can produce misleading symptoms. To improve the detection accuracy of this wind speed difference test, I discuss a new method to determine the decision boundary between the normal and abnormal states using a particle swarm optimization (PSO) algorithm. All the test results are fused to reach a final conclusion, which describes the turbine working status at the current time. Then, Bayesian inference is applied to identify potential failures with a percentage certainty by monitoring the abnormal status changes. This approach is adaptable to each turbine automatically, and is advantageous in its data-driven nature to monitor a large wind farm. This approach\u27s results have verified the effectiveness of detecting turbine failures early, especially for anemometer failures

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

Modelling, control and sensorless speed estimation of micro-wind turbines for deployment in Antarctica

This paper presents the modelling, control and sensorless speed estimation of two micro-wind turbines deployed by the British Antarctic Survey (BAS) in Antarctica. Mathematical models for the generators attached to an Ampair 100 and Rutland 913 wind turbines and their experimental validation are given. Also, a model for the wind turbines, particularly taking into account the power coefficient Cp versus tip speed ratio λ relationship was proposed and successfully evaluated on a wind turbine emulator test rig. This paper describes an analogue speed estimator board and a Kalman filter for estimating the shaft speed. These estimators use only DC side measurements to match the characteristics of the current version of the turbine control board. The wind turbine control and speed estimators were tested on the emulator test rig using real wind data from BAS research bases in Antarctica. Using only DC side measurements leads to low computation requirements to execute the algorithms in comparison to commonly used schemes that rely on AC measurements. In addition, the estimation algorithms are based on the model of a PM generator connected to a diode rectifier, as they can be used in a wider range of applications, including DC to DC converters with MPPT algorithms based on speed measurements

Large Grid-Connected Wind Turbines

This book covers the technological progress and developments of a large-scale wind energy conversion system along with its future trends, with each chapter constituting a contribution by a different leader in the wind energy arena. Recent developments in wind energy conversion systems, system optimization, stability augmentation, power smoothing, and many other fascinating topics are included in this book. Chapters are supported through modeling, control, and simulation analysis. This book contains both technical and review articles

Analysis of the experimental spectral coherence in the Nysted Wind Farm

In this paper, it is analysed the coherence between wind speeds located in a horizontal plane corresponding to hub height of wind turbines in a large wind farm. The coherence is calculated through real data from Nysted Offshore Wind Farm. Concretely, the wind speed measured in the 72 Wind Turbines and in 2 of the meteorological masts during 9 months. The results are analysed in the scale of power fluctuations in large offshore wind farms. This analysis shows the needing of a new spectral coherence model.The work presented in this paper has been done in the research Project ”Power Fluctuations from large offshore wind farms” financed by the Danish Transmission System Operator Energinet.dk as PSO 2004 project number 6506. A. Vigueras-Rodr´ıguez is supported by the Spanish Ministerio de Educaci´on y Ciencia through the grant program “Becas FPU” and from the national research project “ENE2006-15422-C02-02