Lasten - Anhang V: Sektormanagement: Difference between revisions

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This appendix describes the curtailment or “wind sector management” calculations in SITE COMPLIANCE and LOAD RESPONSE. The detailed curtailment calculations require curtailment settings to be defined on the WTG objects individually and that the Curtailment option has been checked on the main setup tab of SITE COMPLIANCE.
Die Definitionen des erweiterten Sektormanagements für SITE COMPLIANCE erfolgt direkt in den WEA-Objekten und wird berücksichtigt, wenn im Register Hauptteil der SITE COMPLIANCE-Berechnung der entsprechende Haken gesetzt ist.


'''Curtailment in SITE COMPLIANCE'''
'''Sektormanagement in SITE COMPLIANCE'''


In SITE COMPLIANCE, the curtailment settings will NOT influence the calculation of the ambient wind climate parameters. The ambient wind shear or turbulence is the same no matter if the turbine is in operation or not. However, the wake induced turbulence behind a wind turbine depends strongly on, whether or not the turbine is operating or shut down (or running in a reduced mode). Hence, in SITE COMPLIANCE, the curtailment will only influence the “Effective turbulence” IEC main check, as it combines both the ambient and wake contributions to turbulence.
In SITE COMPLIANCE werden die klimatischen Parameter der Hauptprüfungen nicht durch die Festlegungen zum  Sektormanagement verändert. Die Umgebungsparameter wie Windscherung oder Umgebungsturbulenz bleiben gleich, egal ob eine WEA in Betrieb ist oder nicht. Lediglich für die Turbulenz im Nachlauf einer WEA ist es entscheidend, ob die WEA läuft oder abgeschaltet ist (bzw. in reduziertem Modus läuft). In SITE COMPLIANCE wird daher das Sektormanagement nur bei der Berechnung der [[Hauptprüfung: Effektive Turbulenz|Hauptprüfung Effektive Turbulenz]] berücksichtigt, in der die Umgebungsturbulenz mit den Nachlaufeffekten kombiniert wird.
In the Effective turbulence check, the effect of curtailment is quite simple. For each wake situation between two turbines, it is considered whether the wake generating turbine is curtailed or not for each direction wind speed bin. In case the wake generating turbine is curtailed, its wake contribution is omitted for the speed and direction in question. The wake of any further upstream turbines might become important and contribute to the turbulence as the Frandsen wake model only considers the wake turbulence of the nearest upstream turbine (in operation).
The wake signature, sometimes called “view angles”, typically has a fixed width of 22 degrees in the Frandsen model (see Appendix II - Frandsen Effective turbulence model). Hence, a simplifying assumption is needed to handle partial curtailment within the direction interval generating the wake. A basic assumption is adopted saying that each degree where the wake generating turbine is curtailed within the 22 degree directional interval, leads to one degree less wake at the receiving WTG.


'''Curtailment in LOAD RESPONSE'''
In der [[Hauptprüfung: Effektive Turbulenz|Hauptprüfung Effektive Turbulenz]] und nach Ed. 4 Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte wird für jede Nachlaufsituation zwischen zwei WEA geprüft, ob sich die WEA in jeder Richtung und Windgeschwindigkeitsklasse in normalem Betrieb befindet oder nicht. Wenn hier ein Sektormanagement stattfindet, wird der Wake-Anteil für die reduzierte Windrichtung und Windgeschwindigkeitsklasse ignoriert. Wenn sich davorliegend weitere WEA befinden, könnte nun deren Nachlauf wichtiger werden und die Effektive Turbulenz erhöhen, da nach Frandsen-Modell nur die nächstgelegenen (laufenden) WEA berücksichtigt werden.


The effect of curtailment on the load calculation for a wind turbine is more intuitive and directly influences the turbine itself in contrast to the effect of curtailment on the wake effects. For directions and wind speeds where the turbine is shut down, it will experience much reduced fatigue compared to being in operation. On the other hand, there is a minor contribution to fatigue from the additional starts and stops required from the implementation of the curtailment rules.
Die Wake-Aufweitung wird gemäß [[Lasten - Anhang II: Frandsen Effective turbulence model|Frandsen-Modell]] mit einer festen Größe von 22° angenommen. Um auch eine teilweise Abschaltung im Nachlaufsektor berücksichtigen zu können, muss eine vereinfachte Annahme getroffen werden. Hier wird angenommen, dass für jedes Grad im 22°-Richtungsintervall, in dem die nachlauf-produzierende WEA abgeschaltet ist, die nachfolgende WEA 1 Grad weniger Wakes erhält.
The current version of LOAD RESPONSE (windPRO 3.1) implements the main fatigue design load case DLC1.2 “Normal operation”. To calculate the effect of the additional starts and stops enforced by the curtailment would require implementation of the load cases DLC3.1 “Start up” and DLC4.1 “Normal shut down”, but also a detailed time series calculation to estimate the needed number of additional stops and starts. This is not possible with the current version of SITE COMPLIANCE and LOAD RESPONSE, but it is a clear goal to include these elements in the future versions.
To compensate for the simplification of not directly accounting for the fatigue of the additional starts and stops, a simple assumption has been made. Whenever a turbine is shut down, the fatigue load (DEL) contribution of wind speed and direction bin is not decreased to zero (or nearly zero), but reduced by a fixed fraction. If the fatigue of the starts and stops was explicitly accounted for, the fraction would be very close to zero, but since they are not accounted for, the fraction is set to 0.5.


This may seem as a very conservative assumption, but, since the DEL is used in the very non-linear fatigue calculation (see Appendix IV - Theory of LOAD RESPONSE and Fatigue, page 105) using the Wöhler exponent, this is not the case. For a Wöhler exponent of m=10, the fatigue damage contribution of a curtailed wind speed and direction bin is reduced to 0.1% and for m=5 it is reduced to 3%.
'''Sektormanagement in LOAD RESPONSE'''
 
Der Effekt des Sektormanagements wirkt auf die Lasten  noch direkter als nur über den Nachlaufeffekt. Während der Abschaltung/Reduzierung erfährt die WEA deutlich geringere Ermüdung als im normalen Betrieb, andere Belastungen durch die zusätzlichen Start- und Stoppvorgänge werden etwas stärker.
 
LOAD RESPONSE in windPRO berücksichtigt den Hauptlastfall bei normalem Produktionsbetrieb, DLC1.2, über ein Response-Modell. Die Lastfälle DLC3.1 (Start), DLC4.1 (Abschaltung) und DLC 6.4 (Parken) werden über die akkumulierte Betrachtung als "Weitere DLC" hinzugefügt. Zur Berücksichtigung zusätzlicher Start- und Stoppvorgänge durch Sektormanagement, müsste eine detaillierte Zeitreihe eingebunden werden, um die genaue Anzahl dieser Vorgänge berechnen zu können. Das ist mit der derzeitigen, statistikbasierten Methodik in SITE COMPLIANCE und LOAD RESPONSE nicht umsetzbar, aber ein Ziel für spätere Versionen.
 
Aufgrund dieser Einschränkung wurde ein vereinfachter Ansatz gewählt: Ist die WEA aufgrund von Sektormanagement ausgeschaltet, wird die Ermüdungslast (DEL) nicht komplett auf Null gesetzt, sondern um einen Bruchteil reduziert. Wenn die Start- und Stoppvorgänge separat ermittelt würden, wäre dieser Wert nahezu Null, aber um diese mit zu berücksichtigen, wurde er auf 0,5 gesetzt:
   
DEL<sub>curtailed</sub> = 0,5 DEL<sub>operating</sub>
 
Dies mag recht konservativ erscheinen, aber da die DEL in der nicht-liniearen Ermüdungslastberechnung in Kombination mit dem Wöhler-Exponenten genutzt wird, siehe [[Lasten - Anhang IV: Theorie der Ermüdungslasten und LOAD RESPONSE]], ist das nicht der Fall. Mit einem Wöhler-Exponent von m=10 wird der Anteil einer Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsklasse an den Ermüdungslasten auf 0,1% reduziert, mit m=5 auf 3%.
 
Die Integration der Lasten in LOAD RESPONSE folgt den festen Werten von 1 Grad (auf halbe Grad zentriert) und 0,5 m/s auf X,25 m/s und X,75 m/s zentriert. Werden bei den Abschaltbedingungen feinere Werte verwendet, wird auf diese festen Werte gerundet. Die Rundungsfehler sind sind dabei allerdings im vernachlässigbaren Bereich.
 
 
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Die Definitionen des erweiterten Sektormanagements für SITE COMPLIANCE erfolgt direkt in den WEA-Objekten und wird berücksichtigt, wenn im Register Hauptteil der SITE COMPLIANCE-Berechnung der entsprechende Haken gesetzt ist.

Sektormanagement in SITE COMPLIANCE

In SITE COMPLIANCE werden die klimatischen Parameter der Hauptprüfungen nicht durch die Festlegungen zum Sektormanagement verändert. Die Umgebungsparameter wie Windscherung oder Umgebungsturbulenz bleiben gleich, egal ob eine WEA in Betrieb ist oder nicht. Lediglich für die Turbulenz im Nachlauf einer WEA ist es entscheidend, ob die WEA läuft oder abgeschaltet ist (bzw. in reduziertem Modus läuft). In SITE COMPLIANCE wird daher das Sektormanagement nur bei der Berechnung der Hauptprüfung Effektive Turbulenz berücksichtigt, in der die Umgebungsturbulenz mit den Nachlaufeffekten kombiniert wird.

In der Hauptprüfung Effektive Turbulenz und nach Ed. 4 Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte wird für jede Nachlaufsituation zwischen zwei WEA geprüft, ob sich die WEA in jeder Richtung und Windgeschwindigkeitsklasse in normalem Betrieb befindet oder nicht. Wenn hier ein Sektormanagement stattfindet, wird der Wake-Anteil für die reduzierte Windrichtung und Windgeschwindigkeitsklasse ignoriert. Wenn sich davorliegend weitere WEA befinden, könnte nun deren Nachlauf wichtiger werden und die Effektive Turbulenz erhöhen, da nach Frandsen-Modell nur die nächstgelegenen (laufenden) WEA berücksichtigt werden.

Die Wake-Aufweitung wird gemäß Frandsen-Modell mit einer festen Größe von 22° angenommen. Um auch eine teilweise Abschaltung im Nachlaufsektor berücksichtigen zu können, muss eine vereinfachte Annahme getroffen werden. Hier wird angenommen, dass für jedes Grad im 22°-Richtungsintervall, in dem die nachlauf-produzierende WEA abgeschaltet ist, die nachfolgende WEA 1 Grad weniger Wakes erhält.

Sektormanagement in LOAD RESPONSE

Der Effekt des Sektormanagements wirkt auf die Lasten noch direkter als nur über den Nachlaufeffekt. Während der Abschaltung/Reduzierung erfährt die WEA deutlich geringere Ermüdung als im normalen Betrieb, andere Belastungen durch die zusätzlichen Start- und Stoppvorgänge werden etwas stärker.

LOAD RESPONSE in windPRO berücksichtigt den Hauptlastfall bei normalem Produktionsbetrieb, DLC1.2, über ein Response-Modell. Die Lastfälle DLC3.1 (Start), DLC4.1 (Abschaltung) und DLC 6.4 (Parken) werden über die akkumulierte Betrachtung als "Weitere DLC" hinzugefügt. Zur Berücksichtigung zusätzlicher Start- und Stoppvorgänge durch Sektormanagement, müsste eine detaillierte Zeitreihe eingebunden werden, um die genaue Anzahl dieser Vorgänge berechnen zu können. Das ist mit der derzeitigen, statistikbasierten Methodik in SITE COMPLIANCE und LOAD RESPONSE nicht umsetzbar, aber ein Ziel für spätere Versionen.

Aufgrund dieser Einschränkung wurde ein vereinfachter Ansatz gewählt: Ist die WEA aufgrund von Sektormanagement ausgeschaltet, wird die Ermüdungslast (DEL) nicht komplett auf Null gesetzt, sondern um einen Bruchteil reduziert. Wenn die Start- und Stoppvorgänge separat ermittelt würden, wäre dieser Wert nahezu Null, aber um diese mit zu berücksichtigen, wurde er auf 0,5 gesetzt:

DELcurtailed = 0,5 DELoperating

Dies mag recht konservativ erscheinen, aber da die DEL in der nicht-liniearen Ermüdungslastberechnung in Kombination mit dem Wöhler-Exponenten genutzt wird, siehe Lasten - Anhang IV: Theorie der Ermüdungslasten und LOAD RESPONSE, ist das nicht der Fall. Mit einem Wöhler-Exponent von m=10 wird der Anteil einer Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsklasse an den Ermüdungslasten auf 0,1% reduziert, mit m=5 auf 3%.

Die Integration der Lasten in LOAD RESPONSE folgt den festen Werten von 1 Grad (auf halbe Grad zentriert) und 0,5 m/s auf X,25 m/s und X,75 m/s zentriert. Werden bei den Abschaltbedingungen feinere Werte verwendet, wird auf diese festen Werte gerundet. Die Rundungsfehler sind sind dabei allerdings im vernachlässigbaren Bereich.


SITE COMPLIANCE & LOAD RESPONSE
SITE COMPLIANCE: Überblick ♦ Schritt-für Schritt ♦ Berechnung ♦ Ergebnisse
Hauptprüfungen: Komplexität ♦ Extremwind ♦ Turbulenz ♦ Windverteilung ♦ Windshear ♦ Neigung der Anströmung♦ Luftdichte
Andere Prüfungen: Erdbebenrisiko ♦ Temperaturbereich ♦ Blitzrate
LOAD RESPONSE: Überblick ♦ Berechnung ♦ WEA-Modelle ♦ Ergebnisse
Anhang: Gumbel Theory of Extremes ♦ Frandsen-Modell ♦ Grenzen in SITE COMPLIANCE ♦ Theorie Ermüdungslasten ♦ Sektormanagement ♦ IEC 61400-1 Ed.2 ♦ IEC 61400-1 Ed.4 ♦ Weiterbetrieb ♦ Siteres ♦ Tropical Cyclone Analysis ♦ Downscaling, Offshore-Modus & Spektralkorrektur
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