Impact of combinations of wind farm controllers on wind turbine loads

Research of strategies to reduce cost of energy for wind generators resulted in the construction of wind farm increasingly bigger. But although the lower distance reduces installation and maintenance costs, some turbines might operate inside the wake produced by another generator, resulting in lower energy production, as well as higher deterioration of the components. A promising solution to this problem is to introduce a wind farm controller which coordinates the single machines to increase the overall energy harvested. However, while some of these strategies show an increase in energy efficiency, the negative effect they have on the structure might break safety boundaries, requiring a redesign of the turbine in order to withstand the increase in loads given by the controller. This Thesis investigates the possible combination of two different wind farm controllers: one based on deflecting the wake away from downstream turbines by imposing a yaw angle, with an increase on overall energy production at the cost of the upstream turbine, which experiences an increase in loads. The second aims at down-regulating the front row machine to reduce wake effects, and at the same time, the loads on the controlled turbine. The goal is to determine whether a combination of the two is able to keep the load envelope unchanged with respect to the uncontrolled turbine, such that is possible to safely install the wind farm controller on already existing plants. The research has been performed by adopting the aeroservoelastic solver Cp-Lambda, which represent the state of the art in wind turbine design, on a 10MW machine, following procedures akin to modern certification requirements. The focus went on the upwind turbine which is being controlled and how different configurations of the two strategies affect the key performance indicators. Results show that such combination can be advantageous, in fact even a small reduction in power below 6% is sufficient to balance the negative effect on the blade loads brought by the yaw-based control. However, the same cannot be said for tower and hub loads, where down regulating is not enough to counter the effects of the misalignment.

La ricerca di strategie per ridurre il costo dell'energia dei generatori eolici ha portato alla costruzione di parchi eolici sempre più grandi e compatti. Mentre la vicinanza riduce i costi, alcune turbine si possono trovare nella condizione di operare all'interno della scia generata da un generatore vicino, con una minore produzione energetica e un maggior deterioramento della macchina. Una soluzione è quella di introdurre un controllore del parco eolico che coordina le turbine in modo da aumentare la produzione complessiva. Tuttavia, mentre alcune strategie mostrano un incremento in efficienza elettrica, l'effetto che hanno sulla struttura della macchina porta a implicazioni sulla sicurezza, richiedendo un redesign della turbina eolica in modo da sostenere l'incremento nei carichi portato dal controllo. In questa Tesi si è investigata la combinazione di due diversi controlli di wind farm: il primo basato sul deviare la scia lontano dalle altre turbine imponendo un angolo di imbardata, aumentando l'efficienza del parco eolico a scapito della turbina a monte, la quale vede un aumento dei carichi. Il secondo si basa sul depotenziare la macchina in prima fila in modo da ridurre gli effetti di scia, e allo stesso tempo, i carichi. L'obbiettivo è quello di stabilire se, combinandole, fosse possibile mantenere i carichi invariati rispetto alla turbina senza controllo, in modo da poter installare le logiche in parchi eolici già esistenti. La ricerca è stata effettuata utilizzando il risolutore aeroservoelastico Cp-Lambda su una macchina da 10MW in modo affine alle procedure di certificazione vigenti. L'attenzione è stata posta sulla turbina a monte su cui verrebbe attivato il controllo e su come diverse combinazioni delle due strategie impattano sugli indicatori di prestazione chiave. I risultati dimostrano che la combinazione può essere vantaggiosa, infatti anche un depotenziamento inferiore al 6% è sufficiente per bilanciare l'effetto sui carichi della pala introdotto dal controllo di imbardata. Tuttavia, lo stesso non si può dire per la torre e l'hub, dove l'introduzione del depotenziamento non è sufficiente per contrastare gli effetti del disallineamento.