Validation of a superposed ROM for wind farm control

Within the wind energy sector, the role of wind farms is drawing an increasing attention as it promises a significant cost reduction due to an economy of scale. Yet, the potential of wind power plants is still not fully exploited by the current turbine control strategies, which neglect the aerodynamic interactions taking place in the cluster. Thus, wind farm control strategies are becoming more and more appealing as they would allow an increase in power production and a better load management, ultimately lowering the cost of energy. To foster the research of these novel control methods, it is required the development of wind farm models that can describe with high-fidelity the plant dynamic at a low computational costs. These contrasting requirements seem satisfied by reduced-order models (ROMs) generated from previous computational fluid dynamics (CFD) simulations of the entire plant. However, the latter may become a burden - or even unfeasible - when dealing with farms of increasing complexity and size. This thesis presents a possible way to circumvent this problem as it would allow the generation of a ROM assembling more manageable CFD data of the flow behaviour around individual turbines. At first, the work focuses on the superposition of time-averaged wakes, obtained using the SOWFA tool. In this regard, a novel method is proposed which is able to achieve better performance than the standard superposition schemes. Then, in order to synthesize a ROM, the power outputs of the superposed turbines should be predicted. In doing so, the thesis adopts two distinct procedures, namely the same superposition framework mentioned before and the FLORIS code. Finally, alternative approaches for the generation of the projector are investigated with the goal of lowering the computational burden demanded by the proper orthogonal decomposition (POD) technique, widely employed. Albeit the present research was carried on to promote the development of a wake steering farm control with a yaw-actuation, all the findings and the designed framework may be readily extended to other plant control strategies.

Nell’ambito dell’energia eolica, il ruolo dei parchi eolici ha assunto un’attenzione sempre maggiore, promettendo una riduzione di costi significativa grazie ad un’economia di scala. il potenziale di tali parchi tuttavia non è ancora pienamente sfruttato dalle strategie di controllo attuali, che trascurano le interazioni aerodinamiche all’interno dei gruppi di turbine. Strategie di controllo coordinato (wind farm control) appaiono perciò sempre più interessanti poiché garantiscono un aumento della potenza prodotta e una migliore gestione dei carichi, portando in ultima analisi ad una riduzione del costo dell’energia. Ai fini di favorirne lo studio, risulta vantaggioso sviluppare modelli di parco eolico capaci di descrivere fedelmente la dinamica dell’impianto con un basso costo computazionale. Questi requisiti contrastanti sono soddisfatti da modelli ad ordine ridotto (ROMs) generati da precedenti simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) dell’intero impianto. D’altra parte, queste ultime possono diventare eccessivamente onerose all’aumentare della complessità e delle dimensioni del parco eolico. Questa tesi presenta un modo possibile per risolvere tale problema, favorendo la generazione di un ROM assemblando dati CFD riguardanti la dinamica della corrente attorno ad una turbina singola, più gestibili rispetto ad una simulazione dell’intero parco. In primo luogo il lavoro si concentra sulla sovrapposizione di scie mediate nel tempo, ricavate utilizzando il software numerico SOWFA. A questo proposito, viene proposto un nuovo metodo di sovrapposizione, capace di ottenere risultati migliori rispetto agli altri schemi usualmente adottati. Inoltre, ai fini della sintesi di un modello ridotto, le potenze prodotte dalle turbine devono essere stimate. Per raggiungere questo obiettivo, due diverse procedure sono state adottate, ovvero lo stesso schema di sovrapposizione precedente e il software FLORIS. In ultimo, si esamina la generazione di un proiettore tramite approcci alternativi, ai fini di limitare il carico computazionale imposto dalla tecnica di proper orthogonal decomposition (POD), ampiamente utilizzata. Sebbene la presente analisi sia stata effettuata per facilitare lo sviluppo di un controllo del parco eolico basato sul ridirezionamento della scia in yaw, tutti i risultati possono essere estesi a differenti strategie di controllo.