Impact of yaw-based wind farm control on wind turbines

Over the last decades, the issue of fossil fuel pollution has become more important leading to an increasing interest in renewable energy. Although wind is one of the lowest-priced energy resource, academic and industrial institutions are trying to find solutions to use wind plants in an optimised manner trying to further reduce the cost of energy. In this perspective, coordinated wind farms control may be one of the solutions to obtain a higher overall power production and a longer lifetime of turbines. However, the use of these wind farm control techniques requires an accurate analysis for what concerns the maximum and fatigue loads experienced by a single wind turbine, whether the latter may constitute the machine on which the control operates or the machine which is affected by the active control. This analysis is of crucial importance because it establishes whether the chosen control can be directly applied to existing wind turbines or, on the contrary, it is possible to design them by optimising such a control. This Thesis will focus on understanding the effects of the application of a specific control on existing machines, in order to clarify the real feasibility of the application of these strategies on current wind farms, through methodologies based on highly detailed numerical models. In particular, we analyse accurately the impact of this control on a single upwind machine which aims to actively control the wake by yaw-misalignment. Therefore, in this work we investigate in detail the incidence of this strategy on the key performance indicators in terms of power production, ultimate and fatigue loads through a parametric analysis carried out on two turbines of different characteristics and sizes with the objective to search for potential analogies. Subsequently, with a higher knowledge of the phenomenon, we provide a structurally-feasible configuration of a 10MW wind turbine rotor able to satisfy the requirements dictated by the active control. Results of the study will show that a possible implementation of yaw-misalignment to steer the wakes must be carefully evaluated to avoid excessive loadings which may compromise the structural integrity of the turbines.

Negli ultimi decenni la questione dell'inquinamento da combustibili fossili è diventata più importante, portando a un crescente interesse per le energie rinnovabili. Sebbene il vento sia una delle risorse energetiche più economiche, le istituzioni accademiche e industriali stanno cercando di trovare soluzioni per utilizzare gli impianti eolici nel modo più ottimizzato possibile, cercando di ridurre maggiormente il costo dell'energia. In questa prospettiva, il controllo coordinato dei parchi eolici può essere una delle soluzioni per ottenere una produzione di energia complessiva più elevata e una vita più lunga delle turbine. Tuttavia, l'uso di queste tecniche di controllo del parco eolico richiede un'analisi accurata per quanto riguarda i carichi massimi e a fatica sperimentati da una singola turbina, sia se quest'ultima costituisce la macchina su cui opera il controllo, o sia se questa sia la macchina interessata dal controllo attivo. In quest'ottica, questa analisi è di importanza cruciale perché stabilisce se il controllo scelto può essere applicato direttamente alle turbine eoliche esistenti o se, al contrario, è possibile progettarli ottimizzando tale controllo. Questa Tesi si concentrerà sulla comprensione degli effetti dell'applicazione di una di queste strategie su macchine esistenti, al fine di chiarirne la reale fattibilità negli attuali parchi eolici, attraverso metodologie basate su modelli numerici altamente dettagliati. In particolare, analizziamo con precisione il comportamento di una singola macchina posta a monte, che mira attivamente a guidare la scia sfruttando il disallineamento dell'angolo di imbardata. Pertanto, in questo lavoro studiamo in dettaglio l'incidenza di questa strategia sugli indicatori chiave di prestazione della turbina in termini di produzione di energia, carichi finali e di fatica attraverso un'analisi parametrica effettuata su due turbine di diverse caratteristiche e taglia con l'obiettivo di osservare se si possono trovare punti comuni. Successivamente, con una maggiore conoscenza del fenomeno, forniamo una configurazione strutturalmente fattibile di un rotore di una turbina eolica da 10 MW in grado di soddisfare i requisiti dettati dal controllo scelto. Gli esiti dello studio mostreranno che una possibile implementazione del disallineamento dell'imbardata per guidare le scie deve essere valutata attentamente in modo da evitare carichi eccessivi che possano compromettere l'integrità strutturale delle turbine.