PARK: Register Wake: Difference between revisions

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Dieses Register ist nur bei Scaler-basierten Berechnungen verfügbar. Bei allen anderen PARK-Berechnungsoptionen sind die Wakemodell-Einstellungen auf dem [[PARK: Register Optionen (Standard)| Register Optionen]]. Zu den Einstellungen '''Wake decay-Konstante: Einheitlich / Sektorweise''' siehe dort, insb. auch der Abschnitt '''Erweiterte Optionen'''.


Dieses Register ist nur bei Scaler-basierten Berechnungen verfügbar. Bei allen anderen PARK-Berechnungsoptionen sind die Wakemodell-Einstellungen auf dem [[PARK: Register Optionen| Register Optionen]]
Auf dieser Seite werden nur die [[#Erweiterte Parkoptionen|Erweiterten Parkoptionen]] und die [[#Deep-Array-Features für große Windfarmen|Deep-Array-Features]] erläutert.
Zu den Einstellungen '''Wake decay-Konstante: Einheitlich / Sektorweise''' siehe dort. Auf dieser Seite werden nur die [[#Erweiterte Parkoptionen|Erweiterten Parkoptionen]] und die [[#Deep-Array-Features für große Windfarmen|Deep-Array-Features]] erläutert.




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====Erweiterte Parkoptionen====
====Wake-Modell====
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{{Fundort|Wake decay-Konstante &rarr; Erweitert &rarr; '''Zeitschrittweise anhand Turbulenz'''}} ermöglicht es, die Wake-decay-Konstante mit den Turbulenzbedingungen am Standort variieren zu lassen, anstatt lediglich einen Jahresmittelwert anzugeben.
Es kann zwischen den folgenden Optionen gewählt werden:
* '''Kein Wake-Modell''', d.h. dass alle WEA als frei stehend betrachtet werden und alle weiteren Eingaben auf diesem Register obsoloet sind
* '''N.O. Jensen (RISØ/EMD)'''
* '''N.O. Jensen (EMD) : 2005'''
**'''Ohne Spiegel-Wakes''': Diese Option sollte nur gesetzt werden, wenn eine ältere windPRO-Berechnung exakt reproduziert werden muss. Für höchstmögliche Genauigkeit sollten [[Spiegel-Wake]]s aktiviert bleiben (siehe <ref>windPRO Technical Note 5: Park model revision; EMD 2016; [http://help.emd.dk/knowledgebase/content/TechNotes/TechNote_5_Park%20model%20revision.pdf Weblink]</ref>, Kapitel 2).
* '''N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018    ''===EMPFOHLEN==='''''
* '''WakeBlaster'''
* '''Eddy Viscosity Model (J.F.Ainslie): 1988'''
 
EMD empfiehlt das Modell '''N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018'''. Für weitere Informationen siehe [[Wakeverlust-Modell]]e.
 
 
'''Wake decay-Konstante:'''
 
'''Einheitlich''' oder '''Sektorweise''': Diese Optionen werden auf der Seite [[PARK: Register Optionen (Standard)|Register Optionen (Standard)]] erläutert
 
'''Erweitert''' &rarr; '''Zeitschrittweise anhand Turbulenz''' ermöglicht es, die Wake-decay-Konstante mit den Turbulenzbedingungen am Standort variieren zu lassen, anstatt lediglich einen Jahresmittelwert anzugeben.


Die Methode benötigt
Die Methode benötigt
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*oder eine Turbulenzzeitreihe in einem METEO-Objekt, die den gesamten Zeitraum der Zeitreihen-Berechnung abdeckt. In diesen Fall wird die Turbulenz, um sie aus der gewählten Zeitreihe an die WEA-Positionen zu modellieren, zunächst in eine Zeitreihe der Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit umgerechnet; die Standardabweichung wird als konstant für den Standort und die Höhen angenommen. Aus der Standardabweichung und der vom Scaler modellierten mittleren Windgeschwindigkeit für die WEA-Standorte wird die Turbulenz für die WEA-Positionen berechnet.
*oder eine Turbulenzzeitreihe in einem METEO-Objekt, die den gesamten Zeitraum der Zeitreihen-Berechnung abdeckt. In diesen Fall wird die Turbulenz, um sie aus der gewählten Zeitreihe an die WEA-Positionen zu modellieren, zunächst in eine Zeitreihe der Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit umgerechnet; die Standardabweichung wird als konstant für den Standort und die Höhen angenommen. Aus der Standardabweichung und der vom Scaler modellierten mittleren Windgeschwindigkeit für die WEA-Standorte wird die Turbulenz für die WEA-Positionen berechnet.


In beiden Fällen wird die WEA-spezifische Turbulenz zu einem Zeitpunkt in eine Wake-decay-Konstante umgerechnet, die der Wake-Berechnung der entsprechenden WEA zugrunde gelegt wird.
In beiden Fällen wird die WEA-spezifische Turbulenz zu einem Zeitpunkt in eine Wake-decay-Konstante umgerechnet, die der Wake-Berechnung der entsprechenden WEA zugrunde gelegt wird. Die Umrechnung von Turbulenz in Wake-decay-Konstante basiert auf einfachen linearen Gleichungen. Die aktuellen EMD-Empfehlungen für On- und Offshore finden Sie in [[Wakeverlust-Modell#Die Wake-Decay-Konstante (WDC)|diesem Abschnitt]]. Die Parameter der linearen Gleichnung können auch manuell modifiziert werden.  


Die Umrechnung von Turbulenz in Wake-decay-Konstante ist eine einfache lineare Gleichung, deren Parameter modifizeirt werden können. Die Standardparameter sind


Skalierung (A): 0,47
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Offset (B) = 0,004


Diese werden als sicher und robust betrachtet, wobei aber vorausgesetzt wird, dass die Turbulenzdaten angemessen zutreffend sind.
Die Grafik oben zeigt die Beziehung zwischen Turbulenz und WDC für PARK 2. Die DTU-Emfpehlungen beschränken sich auf einen Wert für On- und einen für Offshore. Es ist jedoch in zahlreichen DTU-Veröffentlichungen dokumentiert, dass die Turbulenzintensität einen signifikanten Einfluss auf die Wakeverluste hat, weshalb die Auswahl der WDC die Standort-TI berücksichtigen sollte.




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'''Windrichtung in Wake-Berechnung von''': Wenn für einen Zeitschritt der Zeitreihe die Wake-Verluste modelliert werden, so muss dem Modell eine einzige Windrichtung zugrunde liegen. Wenn aufgrund der modellierten Windbedingungen die Windrichtung von WEA zu WEA differiert, so muss eine Entscheidung für eine Referenzrichtung getroffen werden. Standardmäßig wird die erste WEA in der Berechnung (siehe [[PARK: Register WEA| Register WEA]]) verwendet.
'''Windrichtung in Wake-Berechnung von''': Wenn für einen Zeitschritt der Zeitreihe die Wake-Verluste modelliert werden, so muss dem Modell eine einzige Windrichtung zugrunde liegen. Wenn aufgrund der modellierten Windbedingungen die Windrichtung von WEA zu WEA differiert, so muss eine Entscheidung für eine Referenzrichtung getroffen werden. Standardmäßig wird die [[Neue WEA]] mit der niedrigsten [[Systemkennung]] in der Berechnung (siehe [[PARK: Register WEA| Register WEA]]) verwendet. Sind nur Existierende WEA in der Berechnung, wird von diesen diejenige mit der niedrigsten Systemkennung verwendet.


Die Entscheidung ist bedeutsam, wenn z.B. eine Berechnung mit nur Existierenden WEA und eine mit Neuen+Existierenden WEA durchgeführt wird. Dann kann nämlich - abgesehen vom Wake-Effekt der Neuen WEA – das Ergebnis für die Existierenden WEA zwischen den beiden Berechnungen leicht abweichen, da in der ersten Berechnung eine andere WEA für die Richtung in der Wake-Modellierung zuständig ist als in der zweiten (Neue WEA stehen stets am Anfang der Liste). In so einem Fall sollte für beide Berechnungen dieselbe WEA als Referenz-WEA für die Windrichtung der Wake-Modellierung gewählt werden.
Die Entscheidung ist bedeutsam, wenn z.B. eine Berechnung mit nur Existierenden WEA und eine mit Neuen+Existierenden WEA durchgeführt wird. Dann kann nämlich - abgesehen vom Wake-Effekt der Neuen WEA – das Ergebnis für die Existierenden WEA zwischen den beiden Berechnungen leicht abweichen, da in der ersten Berechnung eine andere WEA für die Richtung in der Wake-Modellierung zuständig ist als in der zweiten (Neue WEA stehen stets am Anfang der Liste). In so einem Fall sollte für beide Berechnungen dieselbe WEA als Referenz-WEA für die Windrichtung der Wake-Modellierung gewählt werden.
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====Deep-Array-Features für große Windfarmen====
====Deep-Array-Features für große Windfarmen====
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Die Deep-Array-Features betreffen nur die Wakemodelle '''N.O. Jensen (RISØ/EMD)''' und '''N.O. Jensen (EMD) 2005'''. Das PARK2-Modell wurde bereits mit Fokus auf große Windfarmen entwickelt und benötigt hierfür keine besondere Ertüchtigung.
{{Hervorhebung|Die hier aufgeführten Features können im Rahmen von POST-construction Analysen (z.B. mit [[PERFORMANCE CHECK (DE)|PERFORMANCE CHECK]]) verwendet werden, um eine Feinabstimmung des Wakemodells an die gemessenen Daten vorzunehmen. Die gewonnenen Erkenntnisse können für Prognoserechnungen verwendet werden, wenn eine '''ähnliche Windfarm''' in '''vergleichbarer Umgebung''' und mit '''vergleichbaren klimatischen Gegebenheiten''' geplant wird.}}
'''Wake-Überlagerungsmodell'''
'''Wake-Überlagerungsmodell'''


Im N.O.Jensen-Wakemodell werden die Windgeschwindigkeits-Reduktionen mehrerer WEA, die eine einzelne WEA treffen, über die Wurzel der Summe der Quadrate (RSS-Methode, Root-Sum-Square) summiert. Eine Alternative ist, die Reduktionen direkt zu summieren (Lineare Methode). Tests zeigen, dass die Lineare Methode die Windgeschwindigkeit deutlich zu stark reduziert. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass die RSS-Methode in großen Windfarmen, bei der sich viele Wakes überschneiden, zu wenig reduziert.
Teil eines Wakemodells ist das sog. Wake-Überlagerungsmodell (wake combination model), das festlegt, wie der Effekt von sich überlagernden Wakes berechnet wird. Die zusätzlichen Einstellungen zum Wake-Überlagerungsmodell unterscheiden sich je nachdem, welches Wakemodell ausgewählt ist.


Eine Kombination beider Methoden kann in großen Windfarmen (ab etwa 5 Reihen orthogonal zur Windrichtung) zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen<ref>u.a. Gerd Habenicht: Offshore Wake Modelling; Präsentation am 29.6.2011 bei Renewable UK Offshore Wind 2011</ref>. Durch die Einstellungen unter '''Wake-Überlagerungsmodell''' können beide Methoden mit unterschiedlicher Gewichtung kombiniert werden.
Im Wakemodell '''N.O. Jensen (RISØ/EMD)''' (NO-Original) werden die Windgeschwindigkeits-Reduktionen mehrerer WEA standardmäßig zu 100% über die Wurzel der Summe der Quadrate (RSS-Methode, Root-Sum-Square) summiert:


[[File:DE_PARK(26.1).png|600px]]
Eine lineare Gewichtung der Einzelwakes führt insgesamt zu höheren Wakeverlusten. Wird in einem der beiden Felder ein Faktor eingegeben, so wird das andere Feld automatisch ausgefüllt (Summe = 1,0).
Generell performt die Standardeinstellung gut, auch bei großen Windfarmen. Die Einstellungsmöglichkeit wird dennoch angeboten, um bei Post-Construction-Analysen anhand von konkreten Standortbezogenen Daten das Wakemodell noch genauer kalibrieren zu können.
Das Wakemodell '''N.O. Jensen (EMD) 2005''' handhabt die Reduktionen standardmäßig so wie NO-Original; Tests zeigen allerdings, dass die Wake-Verluste in großen Windfarmen (ab etwa 5 Reihen orthogonal zur Windrichtung) bei diesem Modell unterschätzt werden. Deshalb kann hier eine Kombination beider Methoden zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen<ref>u.a. Gerd Habenicht: Offshore Wake Modelling; Präsentation am 29.6.2011 bei Renewable UK Offshore Wind 2011</ref>. Durch die Einstellungen unter '''Wake-Überlagerungsmodell''' können beide Methoden mit unterschiedlicher Gewichtung kombiniert werden.


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In empirischen Untersuchungen stellte sich eine Gewichtung von 35% Linear / 65% RSS-Gewichtung als taugliche Parameterkombination heraus (siehe [[Wakemodell-Validierungstests (Englisch)]]). Dies ist die aktuelle Standardeinstellung, wenn die Deep-Array-Features aktiviert sind.


In empirischen Untersuchungen stellte sich eine Gewichtung von 35% Linear / 65% RSS-Gewichtung als taugliche Parameterkombination heraus (siehe ##Validierungskapitel##). Dies ist die aktuelle Standardeinstellung, wenn die Deep-Array-Features aktiviert sind.


Im Wakemodell '''N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018''' werden die Reduktionen direkt summiert (Lineare Methode). Dies ist ein integraler Bestandteil des Wakemodells, der nicht verändert werden kann.


'''Änderung der Wake-decay-Konstante'''


Allerdings neigt diese Parameterkombination dazu, die Reduktionen ''in der Mitte der Windfarm'' zu überschätzen. Eine zusätzliche Korrektur wurde in Gaumont 2012<ref>Mathieu Gaumond: Evaluation and Benchmarking of Wind Turbine Wake Models; DTU, 30.06.2012</ref> vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.
'''Änderung der Wake-decay-Konstante (nur bei N.O.Jensen (EMD) 2005)'''


Eine Kombination von linearer und RSS-Gewichtung führt beim Wakemodell N.O.Jensen (EMD) 2005 dazu, dazu, dass Reduktionen ''in der Mitte der Windfarm'' oft zu hoch ausfallen. Eine zusätzliche Korrektur wurde in Gaumont 2012<ref>Mathieu Gaumond: Evaluation and Benchmarking of Wind Turbine Wake Models; DTU, 30.06.2012</ref> vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.


[[File:DE_PARK(27).png|600px]]
Wie die WDC anhand der vorgelagerten WEA berechnet wird, wurde im Laufe der verschiedenen windPRO-Versionen weiterentwickelt. Die Versionen 1 und 2 sind derzeit nur noch aus Kompatibilitätsgründen verfügbar, bei aktuellen Projekten sollte stets Version 3 verwendet werden.


Version 1: Halb-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA
Version 2: Voll-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA ab WEA 2
Version 3: Voll-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA ab WEA 1


Die Formel für die Reduktion lautet y = A * ln(x) + B, wobei A und B frei definiert werden können.
[[File:DE_PARK(27).png|600px]]


Der Wert '''Max x''' bezieht sich auf die maximale Anzahl der vorgelagerten WEA, die in der Formel verwendet wird.


Für die Methode existieren zwei unterschiedliche Methoden:
Es wird geraten, diese Modifikationen vor allem in Post-Construction-Projekten einzusetzen, wo ein Abgleich mit den tatsächlichen Erträgen möglich ist. Die Erfahrung zeigt, dass die Wake-Effekte in den einzelnen Reihen so häufig genauer modelliert werden können, wogegen die mittleren Wake-Verluste für den Gesamtpark sich häufig nur marginal ändern (siehe [[Wakemodell-Validierungstests (Englisch)]]).
*Version 1: Halb-aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv
*Version 2: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv


Es wird empfohlen, ab Reihe 5 nicht weiter zu reduzieren.


'''Beispiel''':
Die Wirkungsweise der Modifikation (Version 3) inklusive empfohlener Modellparameter ist unten dargestellt. Parametersatz 1 wird für den Anfang empfohlen. Wenn die Modellierungsergebnisse die tatsächlichen Verhältnisse (wie in PERFORMANCE CHECK analysiert) nicht korrekt wiedergeben, können die Parametersätze 2 (weniger starke Reduktion) oder 3 (stärkere Reduktion) probiert werden.


Drei WEA stehen in Hauptwindrichtung hintereinander, WEA N1, N2 und N3. N1 steht vorne und erleidet deshalb keine Wake-Effekte, N3 steht hinten und erfährt Wake-Effekte von den beiden davor stehenden WEA.


'''Version 1''': Um die Wake an N3 zu berechnen, wird die Wake von N1 mit einer Reduktion der WDC für zwei WEA berücksichtigt (da sie sich mit einer weiteren WEA-Wake überlagert), die Wake von N2 wird nur mit einer Reduktion der WDC für eine WEA berücksichtigt (da sie sich mit 0 weiteren WEA-Wakes überlagert)
'''Mehrere Reihen: Reduktion der WDC anhand der Anzahl Luv-WEA'''


'''Version 2''': Es spielt lediglich die Gesamtzahl der Wake-gebenden WEA eine Rolle. An N3 werden die Wakes beider vorgelagerten WEA jeweils mit einer WDC-Reduktion für zwei WEA berücksichtigt.
{|class = "wikitable"
|||Par.Satz1||Par.Satz2||Par.Satz3
|-
|A||-0,3||-0,2||-0,5
|-
|B||1,4||1,3||1,5
|}


Die beiden Versionen der Methode verlangen unterschiedliche Parameter für A und B. Die Parameter für Version 1 sind im obigen Screenshot wiedergegeben, für Version 2 sehen sie so aus:
Für '''mehrreihige Windfarmen''' wird es normalerweise notwendig sein, die WDC anhand der Anzahl Luv-WEA zu '''reduzieren'''. Diese Reduktion kann stärker oder schwächer entsprechend dem verwendeten Parametersatz ausfallen. Die folgende Grafik zeigt, wie sich eine Ausgangs-WDC von 0,05 modifiziert würde. Die x-Achse zeigt die Anzahl der vorgelagerten WEA, die drei Linien repräsentieren die verschiedenen Parametersätze.


[[File:DE_PARK(27.1).png|400px]]


[[File:DE_PARK(28).png|600px]]




Diese Option wird, da noch keine ausreichenden unabhängigen empirischen Befunde vorliegen, derzeit als experimentell betrachtet. Es hat sich aber in eigenen Validierungsprojekten als eine Methode herausgestellt, die die Ergebnisse signifikant verbessert. Insbesondere die Resultate der einzelnen WEA-Reihen werden exakter, wogegen sich bei der Mittelwert bei den voreingestellten Standardwerten nur geringfügig ändert.
'''Einzelne Reihe: Erhöhen der WDC anhand der Anzahl Luv-WEA'''


Da Methode 2 zu weitaus höheren WDC-Reduktionen führt, empfehlen wir dort, dass die Reduktion nur bis zur fünften WEA zunimmt und ab dann konstant bleibt. Bei Methode 1 nimmt die Reduktion standardmäßig bis zur 25. WEA zu – die Reduktion der WDC ist hier moderater, wodurch die Änderung der Wakeverluste nur gering ausfällt. Nur die am weitesten entfernten WEA erfahren die volle Reduktion der WDC.
Zahlreiche Tests mit '''einreihgen''' Windfarmen zeigen, dass im Fall einer Windrichtung längs der WEA-Reihe die Wakeverluste im Lee tatsächlich geringer sind, als mit Standardeinstellungen berechnet. Die Änderung der Wake-Decay-Konstante nach Anzahl vorgelagerter WEA kann aber auch invers angewandt werden, so dass die WDC bei mehr WEA im Luv ''höher'' wird. Die folgenden Einstellungen wurden in Verbindung mit N.O.Jensen (EMD) 2005 für einreihige Windfarmen mit bis zu 7 WEA getestet:


{|class = "wikitable"
|||Par.Satz1||Par.Satz2||Par.Satz3
|-
|A||0,6||0,3||0,9
|-
|B||0,6||0,8||0,4
|}


[[File:DE_PARK(29).png|600px]]
Auch hier repräsentiert Parametersatz 1 die mittlere Erhöhung, Satz 2 für geringere und Satz 3 für stärkere Erhöhung:


''Reduktion der WDC nach Anzahl der vorgelagerten WEA für die beiden Methoden''
[[File:DE_PARK(27.2).png|400px]]




'''Praxisanmerkung''': Eine korrekte Wakeverlust-Berechnung erfordert eine stimmige Balance zwischen verwendetem Wakemodell (z.B. N.O.Jensen 2005-Implementierung), der Wake-decay-Konstante und evtl. den Deep-Array-Einstellungen (Lineare Gewichtung und WDC-Verringerung nach vorgelagerten WEA). Laufende Experimente zeigen, dass eine 35%ige lineare Gewichtung in Kombination mit einer anhand einer Turbulenzzeitreihe modifizierten Wake-decay-Konstante die beste Reproduktion von tatsächlich gemessenen Wakeverlusten bringt. Wenn eine Lineare Gewichtung von 100% verwendet wird, sollte die WDC um 0,03 erhöht werden (von 0,04 auf 0,07 Offshore). Dann werden zwar die Wakeverluste entlang der Reihen überschätzt, aber das 360°-Ergebnis ist für den Testfall HR-1 gut. Für weitere Infos siehe das ##Validierungskapitel##.
'''Praxisanmerkung''': Eine korrekte Wakeverlust-Berechnung erfordert eine stimmige Balance zwischen verwendetem Wakemodell, der Wake-decay-Konstante und evtl. den Deep-Array-Einstellungen (Lineare Gewichtung und WDC-Verringerung nach vorgelagerten WEA). Laufende Experimente zeigen, dass bei '''N.O.Jensen (EMD) 2005''' eine 35%ige lineare Gewichtung in Kombination mit einer anhand einer Turbulenzzeitreihe modifizierten Wake-decay-Konstante die beste Reproduktion von tatsächlich gemessenen Wakeverlusten bringt. Wenn eine Lineare Gewichtung von 100% verwendet wird, sollte die WDC um 0,03 erhöht werden (von 0,04 auf 0,07 Offshore). Dann werden zwar die Wakeverluste entlang der Reihen überschätzt, aber das 360°-Ergebnis ist für den Testfall HR-1 gut. Für weitere Infos siehe [[Wakemodell-Validierungstests (Englisch)]].




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'''Literatur''':
'''Literatur''':
<references/>
<references/>
<br>{{Energieinhalt}}
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Dieses Register ist nur bei Scaler-basierten Berechnungen verfügbar. Bei allen anderen PARK-Berechnungsoptionen sind die Wakemodell-Einstellungen auf dem Register Optionen. Zu den Einstellungen Wake decay-Konstante: Einheitlich / Sektorweise siehe dort, insb. auch der Abschnitt Erweiterte Optionen.

Auf dieser Seite werden nur die Erweiterten Parkoptionen und die Deep-Array-Features erläutert.



Wake-Modell

Es kann zwischen den folgenden Optionen gewählt werden:

  • Kein Wake-Modell, d.h. dass alle WEA als frei stehend betrachtet werden und alle weiteren Eingaben auf diesem Register obsoloet sind
  • N.O. Jensen (RISØ/EMD)
  • N.O. Jensen (EMD) : 2005
    • Ohne Spiegel-Wakes: Diese Option sollte nur gesetzt werden, wenn eine ältere windPRO-Berechnung exakt reproduziert werden muss. Für höchstmögliche Genauigkeit sollten Spiegel-Wakes aktiviert bleiben (siehe [1], Kapitel 2).
  • N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018 ===EMPFOHLEN===
  • WakeBlaster
  • Eddy Viscosity Model (J.F.Ainslie): 1988

EMD empfiehlt das Modell N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018. Für weitere Informationen siehe Wakeverlust-Modelle.


Wake decay-Konstante:

Einheitlich oder Sektorweise: Diese Optionen werden auf der Seite Register Optionen (Standard) erläutert

Erweitert → Zeitschrittweise anhand Turbulenz ermöglicht es, die Wake-decay-Konstante mit den Turbulenzbedingungen am Standort variieren zu lassen, anstatt lediglich einen Jahresmittelwert anzugeben.

Die Methode benötigt

  • Entweder einen Scaler, der Turbulenz-Scaling beinhaltet (siehe Scaler:Turbulenz)
  • oder eine Turbulenzzeitreihe in einem METEO-Objekt, die den gesamten Zeitraum der Zeitreihen-Berechnung abdeckt. In diesen Fall wird die Turbulenz, um sie aus der gewählten Zeitreihe an die WEA-Positionen zu modellieren, zunächst in eine Zeitreihe der Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit umgerechnet; die Standardabweichung wird als konstant für den Standort und die Höhen angenommen. Aus der Standardabweichung und der vom Scaler modellierten mittleren Windgeschwindigkeit für die WEA-Standorte wird die Turbulenz für die WEA-Positionen berechnet.

In beiden Fällen wird die WEA-spezifische Turbulenz zu einem Zeitpunkt in eine Wake-decay-Konstante umgerechnet, die der Wake-Berechnung der entsprechenden WEA zugrunde gelegt wird. Die Umrechnung von Turbulenz in Wake-decay-Konstante basiert auf einfachen linearen Gleichungen. Die aktuellen EMD-Empfehlungen für On- und Offshore finden Sie in diesem Abschnitt. Die Parameter der linearen Gleichnung können auch manuell modifiziert werden.



Die Grafik oben zeigt die Beziehung zwischen Turbulenz und WDC für PARK 2. Die DTU-Emfpehlungen beschränken sich auf einen Wert für On- und einen für Offshore. Es ist jedoch in zahlreichen DTU-Veröffentlichungen dokumentiert, dass die Turbulenzintensität einen signifikanten Einfluss auf die Wakeverluste hat, weshalb die Auswahl der WDC die Standort-TI berücksichtigen sollte.


Windrichtung in Wake-Berechnung von: Wenn für einen Zeitschritt der Zeitreihe die Wake-Verluste modelliert werden, so muss dem Modell eine einzige Windrichtung zugrunde liegen. Wenn aufgrund der modellierten Windbedingungen die Windrichtung von WEA zu WEA differiert, so muss eine Entscheidung für eine Referenzrichtung getroffen werden. Standardmäßig wird die Neue WEA mit der niedrigsten Systemkennung in der Berechnung (siehe Register WEA) verwendet. Sind nur Existierende WEA in der Berechnung, wird von diesen diejenige mit der niedrigsten Systemkennung verwendet.

Die Entscheidung ist bedeutsam, wenn z.B. eine Berechnung mit nur Existierenden WEA und eine mit Neuen+Existierenden WEA durchgeführt wird. Dann kann nämlich - abgesehen vom Wake-Effekt der Neuen WEA – das Ergebnis für die Existierenden WEA zwischen den beiden Berechnungen leicht abweichen, da in der ersten Berechnung eine andere WEA für die Richtung in der Wake-Modellierung zuständig ist als in der zweiten (Neue WEA stehen stets am Anfang der Liste). In so einem Fall sollte für beide Berechnungen dieselbe WEA als Referenz-WEA für die Windrichtung der Wake-Modellierung gewählt werden.

In komplexem Gelände mit großen Richtungsänderungen innerhalb der Windfarm kann es außerdem sinnvoll sein, gezielt eine WEA in der Mitte des Standorts als Referenz-WEA zu wählen, anstatt einfach nur die erste WEA zu nehmen, die vielleicht eher am Rand der Windfarm steht und nicht besonders repräsentativ für die Windrichtung ist.

Die Auswahl beeinflusst außerdem die berechnete sektorweise aggregierte freie Windgeschwindigkeit, da durch die Referenz-WEA festgelegt wird, welchem Sektor ein Zeitstempel zugeordnet wird.


Deep-Array-Features für große Windfarmen

Die Deep-Array-Features betreffen nur die Wakemodelle N.O. Jensen (RISØ/EMD) und N.O. Jensen (EMD) 2005. Das PARK2-Modell wurde bereits mit Fokus auf große Windfarmen entwickelt und benötigt hierfür keine besondere Ertüchtigung.

Die hier aufgeführten Features können im Rahmen von POST-construction Analysen (z.B. mit PERFORMANCE CHECK) verwendet werden, um eine Feinabstimmung des Wakemodells an die gemessenen Daten vorzunehmen. Die gewonnenen Erkenntnisse können für Prognoserechnungen verwendet werden, wenn eine ähnliche Windfarm in vergleichbarer Umgebung und mit vergleichbaren klimatischen Gegebenheiten geplant wird.


Wake-Überlagerungsmodell

Teil eines Wakemodells ist das sog. Wake-Überlagerungsmodell (wake combination model), das festlegt, wie der Effekt von sich überlagernden Wakes berechnet wird. Die zusätzlichen Einstellungen zum Wake-Überlagerungsmodell unterscheiden sich je nachdem, welches Wakemodell ausgewählt ist.

Im Wakemodell N.O. Jensen (RISØ/EMD) (NO-Original) werden die Windgeschwindigkeits-Reduktionen mehrerer WEA standardmäßig zu 100% über die Wurzel der Summe der Quadrate (RSS-Methode, Root-Sum-Square) summiert:

Eine lineare Gewichtung der Einzelwakes führt insgesamt zu höheren Wakeverlusten. Wird in einem der beiden Felder ein Faktor eingegeben, so wird das andere Feld automatisch ausgefüllt (Summe = 1,0).

Generell performt die Standardeinstellung gut, auch bei großen Windfarmen. Die Einstellungsmöglichkeit wird dennoch angeboten, um bei Post-Construction-Analysen anhand von konkreten Standortbezogenen Daten das Wakemodell noch genauer kalibrieren zu können.


Das Wakemodell N.O. Jensen (EMD) 2005 handhabt die Reduktionen standardmäßig so wie NO-Original; Tests zeigen allerdings, dass die Wake-Verluste in großen Windfarmen (ab etwa 5 Reihen orthogonal zur Windrichtung) bei diesem Modell unterschätzt werden. Deshalb kann hier eine Kombination beider Methoden zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen[2]. Durch die Einstellungen unter Wake-Überlagerungsmodell können beide Methoden mit unterschiedlicher Gewichtung kombiniert werden.

In empirischen Untersuchungen stellte sich eine Gewichtung von 35% Linear / 65% RSS-Gewichtung als taugliche Parameterkombination heraus (siehe Wakemodell-Validierungstests (Englisch)). Dies ist die aktuelle Standardeinstellung, wenn die Deep-Array-Features aktiviert sind.


Im Wakemodell N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018 werden die Reduktionen direkt summiert (Lineare Methode). Dies ist ein integraler Bestandteil des Wakemodells, der nicht verändert werden kann.


Änderung der Wake-decay-Konstante (nur bei N.O.Jensen (EMD) 2005)

Eine Kombination von linearer und RSS-Gewichtung führt beim Wakemodell N.O.Jensen (EMD) 2005 dazu, dazu, dass Reduktionen in der Mitte der Windfarm oft zu hoch ausfallen. Eine zusätzliche Korrektur wurde in Gaumont 2012[3] vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.

Wie die WDC anhand der vorgelagerten WEA berechnet wird, wurde im Laufe der verschiedenen windPRO-Versionen weiterentwickelt. Die Versionen 1 und 2 sind derzeit nur noch aus Kompatibilitätsgründen verfügbar, bei aktuellen Projekten sollte stets Version 3 verwendet werden.

Version 1: Halb-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA Version 2: Voll-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA ab WEA 2 Version 3: Voll-aggregierte Reduktion nach Anzahl Luv-WEA ab WEA 1


Es wird geraten, diese Modifikationen vor allem in Post-Construction-Projekten einzusetzen, wo ein Abgleich mit den tatsächlichen Erträgen möglich ist. Die Erfahrung zeigt, dass die Wake-Effekte in den einzelnen Reihen so häufig genauer modelliert werden können, wogegen die mittleren Wake-Verluste für den Gesamtpark sich häufig nur marginal ändern (siehe Wakemodell-Validierungstests (Englisch)).

Es wird empfohlen, ab Reihe 5 nicht weiter zu reduzieren.

Die Wirkungsweise der Modifikation (Version 3) inklusive empfohlener Modellparameter ist unten dargestellt. Parametersatz 1 wird für den Anfang empfohlen. Wenn die Modellierungsergebnisse die tatsächlichen Verhältnisse (wie in PERFORMANCE CHECK analysiert) nicht korrekt wiedergeben, können die Parametersätze 2 (weniger starke Reduktion) oder 3 (stärkere Reduktion) probiert werden.


Mehrere Reihen: Reduktion der WDC anhand der Anzahl Luv-WEA

Par.Satz1 Par.Satz2 Par.Satz3
A -0,3 -0,2 -0,5
B 1,4 1,3 1,5

Für mehrreihige Windfarmen wird es normalerweise notwendig sein, die WDC anhand der Anzahl Luv-WEA zu reduzieren. Diese Reduktion kann stärker oder schwächer entsprechend dem verwendeten Parametersatz ausfallen. Die folgende Grafik zeigt, wie sich eine Ausgangs-WDC von 0,05 modifiziert würde. Die x-Achse zeigt die Anzahl der vorgelagerten WEA, die drei Linien repräsentieren die verschiedenen Parametersätze.


Einzelne Reihe: Erhöhen der WDC anhand der Anzahl Luv-WEA

Zahlreiche Tests mit einreihgen Windfarmen zeigen, dass im Fall einer Windrichtung längs der WEA-Reihe die Wakeverluste im Lee tatsächlich geringer sind, als mit Standardeinstellungen berechnet. Die Änderung der Wake-Decay-Konstante nach Anzahl vorgelagerter WEA kann aber auch invers angewandt werden, so dass die WDC bei mehr WEA im Luv höher wird. Die folgenden Einstellungen wurden in Verbindung mit N.O.Jensen (EMD) 2005 für einreihige Windfarmen mit bis zu 7 WEA getestet:

Par.Satz1 Par.Satz2 Par.Satz3
A 0,6 0,3 0,9
B 0,6 0,8 0,4

Auch hier repräsentiert Parametersatz 1 die mittlere Erhöhung, Satz 2 für geringere und Satz 3 für stärkere Erhöhung:


Praxisanmerkung: Eine korrekte Wakeverlust-Berechnung erfordert eine stimmige Balance zwischen verwendetem Wakemodell, der Wake-decay-Konstante und evtl. den Deep-Array-Einstellungen (Lineare Gewichtung und WDC-Verringerung nach vorgelagerten WEA). Laufende Experimente zeigen, dass bei N.O.Jensen (EMD) 2005 eine 35%ige lineare Gewichtung in Kombination mit einer anhand einer Turbulenzzeitreihe modifizierten Wake-decay-Konstante die beste Reproduktion von tatsächlich gemessenen Wakeverlusten bringt. Wenn eine Lineare Gewichtung von 100% verwendet wird, sollte die WDC um 0,03 erhöht werden (von 0,04 auf 0,07 Offshore). Dann werden zwar die Wakeverluste entlang der Reihen überschätzt, aber das 360°-Ergebnis ist für den Testfall HR-1 gut. Für weitere Infos siehe Wakemodell-Validierungstests (Englisch).


Literatur:

  1. ↑ windPRO Technical Note 5: Park model revision; EMD 2016; Weblink
  2. ↑ u.a. Gerd Habenicht: Offshore Wake Modelling; Präsentation am 29.6.2011 bei Renewable UK Offshore Wind 2011
  3. ↑ Mathieu Gaumond: Evaluation and Benchmarking of Wind Turbine Wake Models; DTU, 30.06.2012



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