Wake redirecting using feedback control to improve the power output of wind farms

In future, a wind turbine will not only be seen as a single systems operating independently, but also as a component of a larger interacting system, the wind farm. To increase the efficiency of a wind farm, two main concepts have been proposed: axial induction control and wake redirecting. This contribution focuses on the latter. Remote sensing technologies in wind energy applications have opened new ways to control wind turbines. In this contribution, a further step is taken by using a remote sensing device for redirecting the wake of a wind turbine. A controller is proposed which uses the yaw actuator of a wind turbine to steer the wake center of the turbine to a desired position. The wake propagation from the wind turbine to the measurement location is modeled with a time delay. This forms a challenging problem for controller design. The controller follows the idea of the internal model principle and uses a model to predict the system behavior avoiding an overestimation of the error. Further, an adaptive filter is proposed in order to filter uncontrollable frequencies from the wake center estimation. The estimation from lidar measurement data is assumed to be perfect. Closed-loop simulations are conducted using the nominal system and a wind farm simulation tool, which was adapted to the scenario. The results are compared to the uncontrolled baseline case and a statically applied yaw offset. They show an increase in the total power output of the wind farm. Together with wake tracking methods, the approach can be considered as a promising step towards closed-loop wind farm control

Lidar-based wake tracking for closed-loop wind farm control

This work presents two advancements towards closed-loop wake redirection of a wind turbine. First, a model-based wake-tracking approach is presented, which uses a nacelle-based lidar system facing downwind to obtain information about the wake. The method uses a reduced-order wake model to track the wake. The wake tracking is demonstrated with lidar measurement data from an offshore campaign and with simulated lidar data from a simulation with the Simulator fOr Wind Farm Applications (SOWFA). Second, a controller for closed-loop wake steering is presented. It uses the wake-tracking information to set the yaw actuator of the wind turbine to redirect the wake to a desired position. Altogether, the two approaches enable a closed-loop wake redirection

A New Wind Farm Active Power Control Strategy to Boost Tracking Margins in High-demand Scenarios

This paper presents a new active power control algorithm designed to maximize the power reserve of the individual turbines in a farm, in order to improve the tracking accuracy of a power reference signal. The control architecture is based on an open-loop optimal set-point scheduler combined with a feedback corrector, which actively regulate power by both wake steering and induction control. The methodology is compared with a state-of-the-art PI-based controller by means of high-fidelity LES simulations. The new wind farm controller reduces the occurrence of local saturation events, thereby improving the overall tracking accuracy, and limits fatigue loading in conditions of relatively high-power demand

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

Analytical solution for the cumulative wake of wind turbines in wind farms

This paper solves an approximate form of conservation of mass and momentum for a turbine in a wind farm array. The solution is a fairly simple explicit relationship that predicts the streamwise velocity distribution within a wind farm with an arbitrary layout. As this model is obtained by solving flow-governing equations directly for a turbine that is subject to upwind turbine wakes, no ad hoc superposition technique is needed to predict wind farm flows. A suite of large-eddy simulations (LES) of wind farm arrays is used to examine self-similarity as well as validity of the so-called conservation of momentum deficit for turbine wakes in wind farms. The simulations are performed with and without the presence of some specific turbines in the wind farm. This allows us to systematically study some of the assumptions made to develop the analytical model. A modified version of the conservation of momentum deficit is also proposed to provide slightly better results at short downwind distances, as well as in the far wake of turbines deep inside a wind farm. Model predictions are validated against the LES data for turbines in both full-wake and partial-wake conditions. While our results highlight the limitation in capturing the flow speed-up between adjacent turbine columns, the model is overall able to acceptably predict flow distributions for a moderately sized wind farm. Finally, the paper employs the new model to provide insights on the accuracy of common wake superposition methods

Wind Farm Coordinated Control and Optimisation

This thesis develops and implements computationally efficient and accurate wind farm coordinated control strategies increasing energy per area by mitigating wake losses. Simulations with data from the Brazos, Le Sole de Moulin Vieux (SMV) and Lillgrund wind farms show an increase of up to 8% in farm production and up to 6% in efficiency. A live field implementation of coordinated control strategies show that curtailing upstream turbine by up to 17% in full or near-full wake conditions can increase downstream turbine’s production by up to 11%. To the best knowledge of the author, this is the first practical implementation of Light Detection And Ranging (LiDAR) based coordinated control strategies in an operating wind farm. With coordinated control, upstream turbines are curtailed using coefficient of power or yaw offsets in such a way that the decrease in upstream turbines’ production is less than the increase in downstream turbines’ production resulting in net gain. This optimum curtailment is achieved with on-line coordinated control which requires an accurate and fast processing wind deficit model and an optimiser which achieves the desired results with high processing speed using minimum overheads. Performance evaluation of carefully selected optimisers was undertaken using an objective function developed for increasing farm production based on coordinated control. This evaluation concluded that Particle Swarm Optimisation (PSO) is the most suitable optimiser for on-line coordinated control due to its high processing speed, computational efficiency and solution quality. The standard Jensen model was used as a starting point for developing a fast processing and accurate wind deficit model referred to as the Turbulence Intensity based Jensen Model (TI-JM), taking wake added turbulence intensity and deep array effect into consideration. The TI-JM uses free-stream and wake-added turbulence intensities for predicting effective values of wake decay coefficients deep inside the farm. This model is validated using WindPRO and data from three wind farms case studies as benchmarks. A methodology for assessing the impact of wakes on farm production is developed. This methodology visualises wake effects (in 360°) by calculating power production using data from the wind farms (case-studies). The wake affected wind conditions are further analysed by calculating relative efficiency. The innovative coordinated control strategies are evaluated using data from the wind farms case studies and WindPRO as benchmarks. A live field implementation of coordinated control strategies demonstrated that the production of downstream turbines can be increased by curtailing upstream turbines. This field setup consisted of two operating wind turbines equipped with modern LiDAR. Analyses of the high frequency real time data were performed comparing field results with simulations. It was found that simulations are in good agreement (within a range of 1.5%) with field results

Analysis of control-oriented wake modeling tools using lidar field results

The objective of this paper is to compare field data from a scanning lidar mounted on a turbine to control-oriented wind turbine wake models. The measurements were taken from the turbine nacelle looking downstream at the turbine wake. This field campaign was used to validate control-oriented tools used for wind plant control and optimization. The National Wind Technology Center in Golden, CO, conducted a demonstration of wake steering on a utility-scale turbine. In this campaign, the turbine was operated at various yaw misalignment set points, while a lidar mounted on the nacelle scanned five downstream distances. Primarily, this paper examines measurements taken at 2.35 diameters downstream of the turbine. The lidar measurements were combined with turbine data and measurements of the inflow made by a highly instrumented meteorological mast on-site. This paper presents a quantitative analysis of the lidar data compared to the control-oriented wake models used under different atmospheric conditions and turbine operation. These results show that good agreement is obtained between the lidar data and the models under these different conditions.</p