Effect of Yaw and Wake in Power Production at Skomakerfjellet Wind Park

Abstract

Utvinning av energi fra vinden er i teorien en enkel oppgave. Vind er imidlertid en kompleks naturkraft. TrønderEnergi kontrollerer en vindpark bestående av fire vindturbiner på Skomakerfjellet i Trøndelag. Turbinområdet ligger i komplekst terreng som forårsaker turbulent vind og ujevn belastning på rotorbladene.

Hensikten med denne oppgaven er å belyse de ulike faktorene som påvirker kraftproduksjon fra vindturbiner i en vindpark. Studiet i denne oppgaven er fullført basert på data fra vindturbinene på Skomakerfjellet mottatt fra TrønderEnergi. Vindhastighetsdata er hentet fra en vindmåler plassert på nacellen til hver av de fire vindturbinene. Pitch- og yaw-målinger ble hentet fra kontrollsystemet. Studiet involverer analyse av faktorer som påvirker kraftproduksjon, samt et forslag til hvordan man kan optimalisere kraftuttaket på parknivå.

Yaw- og pitch-regulering er en del av det integrerte kontrollsystemet for vindturbiner. Kontrollsystemet sikrer effektiv utvinning av energi fra den rådende vinden, samt forlenger maskinens levetid. Kraftproduksjon er et resultat av vindmøllenes evne til å utnytte energi fra vinden under varierende forhold. Mens energien blir utvinnet, danner turbinbladens rotasjon en vake bak rotorplanet. Dette påvirker alle nedstrøms turbiner ved å redusere kraftproduksjonen på grunn av en reduksjon i vindhastighet, samt en økning i turbulens.

I gjennomsnitt produserer nedstrøms turbinen 17,54% mindre kraft når den er i vaken. Det er observert en reduksjon i kraftproduksjon og vindhastighet, samt en økning i turbulens. Endringen i disse faktorene bekrefter at vaken er årsaken til denne kraftreduksjonen. Et forslag om vake-styring presenteres. Å begrense oppstrøms vindturbinen til en feiljustering på 18,33° vil sikre at vindparken kan gi samme effekt som opprinnelig.

Extraction of energy in the wind is in theory a simple task. However, the wind is a complex force of nature. TrønderEnergi controls a wind park consisting of four wind turbines at Skomakerfjellet in Trøndelag. The turbine site sits in complex terrain which causes turbulent wind and uneven loads on the rotor blades.

The purpose of this study is to highlight the various factors that affect power production from wind turbines in a wind park. Research in this thesis is completed based on data from the wind turbines at Skomakerfjellet received from TrønderEnergi. Wind speed data is obtained from an anemometer placed on the nacelle of each of the four wind turbines. Pitch and yaw measurements were obtained from the control system. The study involves analysis of factors that influence power production as well as a suggestion on how to optimize the power output at park level.

Yaw and pitch regulation is a part of the wind turbine’s integrated control system. The control system ensures efficient extraction of energy from the prevailing wind, as well as extending the life span of the machines. Power production is a result of the wind turbine’s capability to exploit energy from the wind under various conditions. While extracting energy, the rotation of the turbine blades forms a wake behind the rotor plane. This affects any downstream turbines by reducing power production because of a deficit in wind speed as well as an increase in turbulence.

On average, the downstream turbine produces 17.54% less power when being situated in the wake. It is observed a decrease in power production and wind speed, as well as an increase in turbulence. The changes in these characteristics confirm that wake most likely is the cause of this reduction in power. A suggestion of wake steering is presented. Confining the upstream wind turbine in a yaw misalignment of 18.33° will theoretically ensure that the wind park can provide the same power output as originally.