Aktiv girreglering för ökad vindkraftsproduktion

Påverkan från vakar bakom vindkraftverken (områden med uppbromsad och turbulent vind) i en vindkraftspark medför produktionsförluster för nedströms vindkraftverk med upp till 20%. Denna effekt kan minskas med hjälp av aktiv girreglering, genom att avleda vakens riktning bort från bakomliggande turbiner, därmed ökar den totala produktionen.

Videon visar hur vågvägen kan modifieras genom att gira turbinen. Mjukvaran som används är FAST.Farm.

Bakgrund

I vindkraftsparker kan turbiner som är placerade nedströms, i vak av någon uppströms turbin, uppleva minskade vindhastigheter. Detta kan leda till produktionsförluster på cirka 10-20%. Dessutom kan ökad turbulens i vaken resultera i högre utmattningsbelastningar på grund av vakens inverkan.

En lösning för att mildra dessa effekter är att justera girvinkeln på uppströms turbiner, och styra vaken bort från nedströms turbiner (se video). Genom att avleda vaken kan vindkraftparkens totala effekt potentiellt öka. Denna girjustering kan dock också påverka de strukturella belastningarna på de girade turbinerna, vilket kan påverka deras livslängd.

För att fullt ut förstå alla konsekvenser är det viktigt att undersöka både den potentiella ökningen av kraftproduktionen och påverkan på utmattningslaster för de girade turbinerna.

Detta projekt har använt den nyligen släppta mjukvaran FAST.Farm för att analysera prestanda, laster och dynamik och därigenom bedöma potentialen med aktiv girreglering.

Konturplottar som visar de ursprungliga samt avböjda vakarna i stationärt tillstånd när turbinerna har girats med en optimal girvinkeln. Lägg märke till hur den sista raden av turbiner inte är girade.

Forskningsresultat

Projektet har utvecklat och implementerat en innovativ algoritm för aktiv girreglering (Eng. Active Yaw Control, AYC) med den aeroelastiska koden FAST.Farm för att utvärdera potentialen för AYC att öka vindkraftsproduktionen.

Projektet har gett flera viktiga resultat:

En strategi för aktiv girreglering har skapats för vindkraftsparken. Dess teori bygger på spelteoretiska antaganden kombinerat med ett artificiellt neuralt nätverk (ANN). Resultaten visade att denna strategi kan leda till en maximal ökning av elproduktionen med 2,6%.
I överensstämmelse med resultat från andra studier bekräftar denna teori att aktiv girreglering inte avsevärt ökar de totala turbinutmattningsbelastningarna. Vissa lastkomponenter, som torsionsmoment i tornet och böjmoment i tornbotten (for-after), kan uppleva högre utmattningsbelastningar. Andra, komponenter, som böjmoment i bladroten (flapwise) och böjmoment i tornbotten (side-side), kan uppleva minskade utmattningsbelastningar.
Aktiv girkontroll är beroende av mätningar av vindhastighet, vindriktning och turbulensintensitet, eftersom dessa storheter påverkar resultaten. Ytterligare forskning behövs för att utveckla förbättrade metoder för att mer noggrant analysera dessa faktorers inverkan på vindkraftsparknivå.