Development of a wind farm controller and wind farm control algorithm for wind tunnel testing

In the last years, the energy production based on renewable energies and particularly wind energy, is experiencing a period of great expansion. This increase has lead to the need to organize the wind turbines in wind farms in order to reduce the occupied areas. However, the compression of the wind turbines in wind farm has lead to interaction phenomenon of the wakes generated by the upstream wind turbines on the downstream ones, that generate a drop in the wind farm total power production. In this overview, the research is focusing the attention on this problem, in order to improve the wind farm performance, developing different approaches, first among everything the numerical one. In the present work a real-time controller able to control a wind farm made up of two wind turbines for wind tunnel application has been developed. In the first part, the author explain how the ISO-TSR partialization works, i.e. the control policy that has been developed in order to reduce the power of upstream wind turbine and so the effects of the its wake on the downstream one. The control policy consists in a power set-point sending, asking to the wind turbine a certain percentage of the power available in that wind condition. In the second part, the author explain how the wind farm controller works, its development and the functioning logic of the automatic and manual modes. In the automatic mode, the controller try to optimize the power production of the complete wind farm through a "Simulated Annealing" algorithm. As a conclusion, the results obtained through the test bench testing are presented. The ability of controller to follow a trajectory partialized with the ISO-TSR approach, as well as the ability to switch from a partilization to another is demonstrated. Eventually, the ability of the controller to realize a real-time control in the wind tunnel is shown.

Negli ultimi anni, la produzione di energia attraverso fonti rinnovabili, in particolar modo l'energia eolica, stanno vivendo un momento di grande espansione. Questo incremento ha reso necessaria l'organizzazione di queste macchine in grandi parchi eolici al fine di limitare gli spazi occupati. L'organizzazione delle macchine in parchi eolici porta, tuttavia, a fenomeni di interazione della scia generata dalle macchine poste a monte su quelle poste a valle del vento, che si traducono in un calo delle prestazioni delle ultime e quindi ad una riduzione delle prestazioni dell'intero parco eolico. Di fronte a questo problema, la ricerca sta dedicando numerose energie al fine di migliorare le prestazioni complessive dei parchi eolici, sviluppando numerosi approcci, primo fra tutti quello numerico. In questo lavoro è stato affrontato lo sviluppo di un controllore real-time di un parco eolico composto da due macchine per la sperimentazione di leggi di controllo in galleria del vento. Nella prima parte, viene spiegata la politica di controllo, chiamata parzializzazione ISO-TSR, che è stata sviluppata al fine di ridurre la potenza generata dalla macchina posta a monte, riducendo così gli effetti della propria scia su quella posta a valle. La politica di controllo si basa sull'invio di un set-point di potenza, richiedendo a ciascuna macchina l'erogazione di una certa percentuale della potenza disponibile date le condizione di vento. Nella seconda parte, viene descritto in modo dettagliato il funzionamento e lo sviluppo del controllore e la logica di funzionamento della modalità manuale ed automatica. Nella modalità automatica, il controllore ricerca la parzializzazione che ottimizza la potenza prodotta attraverso l' algoritmo “Simulated Annealing”. Infine, vengono mostrati i risultati ottenuti dai test effettuati al banco prova. Viene mostrata la capacità di inseguire le traiettorie parzializzate con il metodo ISO-TSR in ogni condizione di vento, la capacità di passare da una parzializzazione ad un’altra e la capacità del controllore di realizzare un controllo real-time in galleria del vento.