Intelligent Frequency Support for Offshore Wind

Abstract

Med den økende etterspørselen etter fornybare energikilder, blir vind energi mer og mer utnyttet i moderne energinett, og som et resultat kreves det at vindturbiner m˚a bidra til frekvensstøtte. Vind turbiner i en vindpark er normalt optimalisert individuelt for˚a generere den høyeste mengden energi tilgjengelig, men mangler evnen til ˚a delta i frekvensstøtte som følge av dette. I tillegg kan vakeeffekten mellom vindturbiner i en vindpark utnyttes for ˚a optimalisere den totale genererte kraften til hele vindparken s˚a vel som den potensielle kinetiske energien fra rotasjonsbladene. I denne masteroppgaven foresl˚as ulike kontrollstrategier med m˚al om ˚a optimalisere generert energi, maksimere kinetisk energi tilgjengelig i rotoren og en strategi basert p˚a ˚a avlaste vindparken samtidig som den kinetiske energien maksimeres. Optimaliseringsstrategien er basert p˚a regulering av rotasjonshastigheten til turbinen og turbin-blad-vinkel-variablene til turbinen. En ikke-null-vinkelbasert kontroll og en null-vinkel-basert kontrollmetode benyttes, hvor hver metode kan maksimere kraften og kinetisk energi i vindparken henholdsvis ved ˚a bruke turbin-blad-vinkel-kontrolleren og utnytte vake-effekten mellom oppstrøms og nedstrøms vind turbiner. I større vindparken kan mengden variabler være for stor til ˚a optimalisere effektivt og raskt nok. For ˚a løse problemet, er en metode for ˚a gruppere turbinene i grupper basert p˚a vindretningen foresl˚att, hvor turbiner i samme gruppe gis samme rotorhastighet og turbin-blad-vinkel variabler. Hver kontrollmetode er beskrevet gjennom en litteraturgjennomgang og testet gjennom simulering for en under-/overfrekvenshendelse, og frekvensrespons, aktiv effekt og kinetisk energi m˚ales.

With the increasing demand for renewable energy sources, wind energy is becoming more and more utilized in modern energy grids, and as a result, wind turbines (WT)s are required to aid in frequency support. WTs in a wind farm (WF) are normally optimized individually in order to generate the highest amount of power available, but lack the ability to participate in frequency support as a result. Additionally, the wake interaction between WTs in a WF can be exploited in order to optimize the total generated power of the entire WF as well as the potential kinetic energy from the rotational blades. In this master thesis, different control strategies are proposed with the goal of optimizing generated power, maximizing kinetic energy available in the rotor and a de-loaded power strategy while maximizing the kinetic energy. The optimization strategy is based on regulating the rotor speed and the pitch angle variables of the turbine. A non-zero-pitchangle-based control and a zero-pitch-angle-based control method is utilized, where each method can maximize the power and kinetic energy in the WF respectively by utilizing the pitch controller and exploiting the wake interaction between upstream and downstream WTs. In larger WFs, the amount of variables can be too large to optimize effectively and quick enough. In order to solve the problem, a method of clustering the WTs into groups based on the wind direction is proposed, where WTs in the same group are given the same rotor speed and pitch angle references. Each control method is described through a literature review and tested through simulation for an under/over-frequency event, and frequency response, active power and kinetic energy is measured.