Wind farm optimization redirecting flow through yaw control : numerical and experimental analysis

Wind turbines are clustered in wind farms for economic reasons. Aerodynamic interaction between the wind and the turbine perturbates the flow field, generating a flow structure called turbine wake. The wake is characterized by increased incident turbulence and velocity deficit with respect to the unperturbed velocity of the flow. Wakes interaction with downstream turbines results in a decreased turbine lifetime and plant efficiciency. Nowadays these effects are neglected by the commercial wind farm controller on the market. Each turbine is considered at individual level and not as a player of a global system. Supercontroller capable to consider aerodynamic interactions are being developed and allows to improve the wind farm performances considerably. In this thesis, wind farm control-oriented wake models are analysed. Validation is carried out through experimental measurements performed at the Polimi wind tunnel. This work was possible thanks to scaled G1 models supplied by TU Munchen. The models under investigation are dynamic as WindFarmSimulator (WFSim), and static as FLOw Redirection and Induction in Steady-state (FLORIS), developed by TU Delft. Besides of the validation procedure, model parameters and complexity are evaluated, with a view to computational cost problems. A proposal of supercontroller is developed with all components, individually tested. Starting from standalone reference wind turbine controller, supercontroller is introduced comprehensive of wake model and observer for estimating all input parameters necessary to determine the control action properly. Technique chosen to optimize the wind farm efficiency is active yaw control capable to induce significant wake redirection. At last, control variable optimization is performed for 3x1 wind turbines array by means of FLORIS model, with specific focus on yaw control. This configuration was also tested in wind tunnel environment and therefore experimental data are compared to the predictive numerical model to optimize the performances of this small wind farm.

Le turbine eoliche vengono raggruppate in impianti per ragioni economiche. L’interazione aerodinamica fra il vento e la turbina genera una perturbazione all’interno del campo di moto chiamata scia. La scia è caratterizzata da un aumento della turbolenza incidente e da un deficit di velocità rispetto alla velocità del flusso imperturbato. L’impatto della scia sulle turbine retrostanti causa una diminuzione del ciclo di vita della macchina e una diminuzione in termini di efficienza dell’impianto. Questi effetti vengono trascurati dai controllori per impianti eolici attualmente in commercio. Ogni turbina viene considerata a livello individuale e non come un elemento all'interno di un sistema globale. Supercontrollori che considerano le interazioni aerodinamiche sono in fase di sviluppo e consentono di migliorare le performance dell’impianto in maniera considerevole. In questa tesi vengono analizzati i modelli di scia orientati al controllo di impianti eolici. Una validazione dettagliata viene eseguita attraverso le misure effettuate presso la galleria del vento del Politecnico di Milano. Lo studio è stato reso possibile grazie ai modelli in scala G1 messi a disposizione dalla Technische Universität München. I modelli presi in considerazioni sono di natura dinamica, WindFarmSimulator (WFSim), e statica, FLOw Redirection and Induction in Steady-state (FLORIS), sviluppati dalla Technische Universiteit Delft. Oltre alla validazione, sono stati analizzati i parametri di modello e la complessità dello stesso con il derivante costo computazionale. Un modello di supercontrollore è stato sviluppato con tutti i suoi componenti, testati singolarmente. Partendo dal controllo di riferimento per singola turbina, si è introdotto il supercontrollore comprensivo del modello di scia e di un osservatore al fine di stimare tutti i parametri necessari per determinare l’azione di controllo. La tecnica di controllo per ottimizzare il rendimento di impianto è il ridirezionamento attivo in yaw del flusso incidente. Infine, utilizzando il modello FLORIS sono state ottimizzate le variabili di controllo per un array di turbine 3x1, con particolare riferimento al controllo in yaw. Tale configurazione è stata testata all’interno della galleria del vento e, pertanto, è reso disponibile il confronto fra i dati sperimentali e il modello numerico predittivo delle performance di questo piccolo impianto eolico.