Engineering models enhancement for wind farm wake simulation and optimization

The wake of a single wind turbine is by itself a complex flow field, but for a wind farm the interactions of the wakes of all the rotors must be accounted as well. Control methods should investigate the different alternatives for improving the power production of the whole farm, mainly, by manipulating the properties of the interaction medium, the wakes. FLOw Redirection and Induction in Steady State - FLORIS is a useful and reliable software that uses engineering models for comprehending the behavior of a multiple wind turbine wakes flow field. Although it is already trustful for the calculation of these flows, it can still be enhanced to improve and add new capabilities, paying attention to not increasing indiscriminately its complexity. In the present work adjustments to the logic of the program and some of its components are proposed for improving the capacities of the software. The basic knowledge about the wind farm control methods and the general characteristics that should be covered by the wake submodels are explained. Additionally, FLORIS is reviewed in detail, including a comparison between both versions of the software: the one written in Python and FLORISSE M written in MATLAB. For this a 2x1 wind farm with DTU 10MW turbines was used. The integrated optimization algorithm is explained and then augmented for optimizing additional variables of interest like the tilt angle and the hub height. The result of simple and combined optimizations for a 2x1-DTU 10MW are also presented. The principal existing issues found on the online available version of the software are the complexity of the input LUT for the yaw control method and the wrong consideration of the tilt rotations. This thesis proposes two different routines for determining the values of pP and pT, for enabling the use of simpler inputs. Additionally, adjustments to the Jimenez and Zones models are implemented for a correct tilt consideration, achieving the same wake behavior vertically and horizontally. The most significant contribution is to the power distribution, by the proper consideration of the sign of the thrust angle. The qualitative corrections are compared with experimental data found for a 3x1 power plant with TUM G1 turbines for evaluating their effectiveness. The new version of FLORIS will allow a more reliable consideration of the effects of the wakes over the downwind turbines, and with this, more accurate online control systems that include the program may be developed. Initial wind farm layout design and considerations are also benefited from additional variables optimization.

La scia di una singola turbina eolica è un campo di moto complesso già considerata singolarmente, ma per un parco eolico anche le interazioni delle scie di tutti i rotori devono essere considerate. Metodi di controllo dovrebbero analizzare le diverse alternative per aumentare la produzione di potenza dell'intero parco, essenzialmente manipolando le proprietà del mezzo di interazione, cioè le scie. FLOw Redirection and Induction in Steady State – FLORIS è un software pratico e attendibile che sfrutta modelli ingegneristici per caratterizzare il comportamento di un campo di moto dominato dalla scia di turbine multiple. Nonostante sia già affidabile per il calcolo di questi flussi, può ulteriormente essere esteso migliorando funzionalità esistenti e aggiungendone di nuove, facendo attenzione a non incrementare indefinitamente la sua complessità. In questo lavoro di tesi sono presentate alcune modifiche apportate alla logica del programma e ad alcune sue componenti con l’obiettivo di incrementarne le capacità. Sono presentate le nozioni di base sui metodi di controllo solitamente applicati ai parchi eolici e le caratteristiche generali dei modelli che descrivono la scia di una turbina eolica. Inoltre, FLORIS è descritto in dettaglio, includendo un paragone tra le due versioni del software: quella scritta in Python e FLORISSE M scritta in MATLAB. Per questa un parco eolico 2x1 con turbine DTU 10MW è stata usata. L'algoritmo di ottimizzazione integrata è spiegato ed esteso per ottimizzare ulteriori variabili di interesse come l'angolo di tilt e l'altezza del mozzo. Sono presentati i risultati ottenuti per una ottimizzazione singola e combinata della stessa configurazione 2x1 di turbine DTU 10MW. Le principali limitazioni riscontrate nella versione del software disponibile, sono legate alla complessa gestione degli input LUT per il metodo di controllo dell’angolo di imbardata e all’erronea introduzione delle modifiche nella inclinazione. Per superare questi limiti sono state studiate due differenti routine in grado di determinare i valori di pP e pT, cosi da semplificare la procedura di input delle variabili di interesse. In aggiunta, alcune migliorie sono apportate ai modelli di Jimenez e Zones, ora implementati con una corretta considerazione dell’angolo di inclinazione. Questo permette di ottenere un comportamento invariabile della scia nella direzione orizzontale e verticale. Un'altra significativa modifica riguarda il calcolo della distribuzione di potenza, influenzata dalla corretta implementazione dell’effetto del segno dell’angolo di spinta. Gli effetti delle correzioni apportate sono evidenziati attraverso il confronto tra i risultati forniti dal software e quelli ricavati sperimentalmente per un parco eolico 3x1 con turbine TUM G1. La nuova versione di FLORIS permette una più affidabile modellazione degli effetti della scia della prima turbina sulle successive, rendendo così possibile lo sviluppo di un sistema di controllo online più accurato che includa FLORIS stesso. Anche la progettazione e lo sviluppo di un parco eolico possono beneficiare di un processo di ottimizzazione reso più attendibile dalla migliore gestione delle variabili.