Scaler:Post-Kalibrierung

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Mit einer Post-Kalibrierung können nach der Anwendung des physikalischen Strömungsmodells weitere, empirisch ermittelte Anpassungen in Abhängigkeit von der Windrichtung, der Tages- oder Jahreszeit vorgenommen werden.

Die Post-Kalibrierung ist ein sehr wichtiger Teil eines Scalers. Mesoskalen-Daten können häufig die Dynamik des Windes gut vorhersagen, benötigen aber stets eine Nachbearbeitung, um auch das absolute Niveau der Windgeschwindigkeiten gut zu treffen. Zusätzlich können in der Post-Kalibrierungen unzutreffende Tendenzen der Mesoskalen-Daten, z.B. bezüglich des Tagesgangs oder der sektorweisen Windgeschwindigkeiten, korrigiert werden. Im Zusammenhang mit Windmessungen kann eine Post-Kalibrierung beispielsweise verwendet werden, um Mastschatten herauszurechnen oder im Fall von Gondelmessungen um Kalibrierungsprobleme zu beheben (siehe hierzu auch PERFORMANCE CHECK).

Einfache Post-Kalibrierung anhand von WEA-Erträgen

Eine Post-Kalibrierung benötigt normalerweise eine lokale Datenquelle, gegen die die Kalibrierung durchgeführt wird. Im einfachsten (aber auch ungenausten) Fall ist dies die Windindex-Korrigierte Produktion (WKP) von existierenden WEA, die in der Nähe des beplanten Standorts stehen.

Die WKP wird im Existierende WEA-Objekt als Eigenschaft angegeben. Wird dann eine PARK-Berechnung durchgeführt, zeigt windPRO auf dem Bericht Referenz-WEA einen Gütefaktor an, der angibt, um wie viel Prozent die Ausgangs-Winddaten korrigiert werden müssen, um die WKP zu treffen.

Achtung: Bezugsgröße ist hier historisch bedingt die Produktion, nicht die mittlere Windgeschwindigkeit. Da die Post-Kalibrierung auf Windgeschwindigkeiten wirkt, muss der Gütefaktor etwa halbiert werden; also: ist der Gütefaktor z.B. 106%, so ist die Haupt-Skalierung für die Post-Kalibrierung 1,03 (Daumenregel: Die Produktion nimmt etwa doppelt so stark zu wie die Windgeschwindigkeit).

Eventuell benötigt diese Methode weitere Iterationen, bevor die WKP bestmöglich getroffen wird.

Post-Kalibrierung anhand von Messzeitreihen oder WEA-SCADA-Zeitreihen

Wenn eine lokale Zeitreihe vorliegt, anhand derer eine Post-Kalibrierung von Meso-Daten vorgenommen werden soll, so wird die Bestimmung der Postkalibrierungs-Faktoren in der Regel im METEO-Analyzer (für Windmessungen) oder in PERFORMANCE CHECK (für WEA-SCADA-Zeitreihen) vorgenommen.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass dieser Einsatz der Postkalibrierung eine mögliche Alternative zu einer Langzeitkorrektur mit MCP ist. Bei MCP entfällt die Möglichkeit, Tages- und Jahresgänge anzupassen, dafür bietet MCP in der Regel eine bessere Handhabung von unterschiedlichen Richtungsverteilungen. Eine Entscheidung für den einen oder anderen Weg muss anhand der Qualität der Eingangsdaten und der Anforderungen an die Ergebnisse getroffen werden.

Der empfohlene Ablauf einer Post-Kalibrierung anhand von Messzeitreihen oder WEA-SCADA-Zeitreihen ist wie folgt:

1. Ermittlung der Hauptskalierung und des Haupt-Offsets
2. Kalibrierung nach Sektor
3. Kalibrierung nach Monat
4. Erneute Kalibrierung nach Sektor
5. Wenn benötigt: Kalibrierung nach Tageszeit

Ad 1 – Die Hauptskalierung / der Hauptoffset werden benötigt, um das Energieniveau von Meso-Daten in den grundsätzlich richtigen Bereich zu bringen. Dies kann Skalierungen um bis zu 25% nach oben oder unten erforderlich machen. Generell kann damit gerechnet werden, dass Mesoskalen-Modelle die Windverhältnisse umso stärker überschätzen, je weiter von der Küste der Standort liegt. Die Hauptskalierung muss vorgenommen werden, bevor genauere Skalierungen (wie in den Schritten 2-5) durchgeführt werden.

Wenn keine ausreichenden Referenzdaten vorliegen, führen Sie eine einfache Post-Kalibrierung anhand von WEA-Erträgen durch. Wenn aber die Referenzdaten als Zeitreihe vorliegen, sollte die Haupt-Skalierung und der Haupt-Offset mittels MCP und Excel ermittelt werden.

Ad 2 – Wenn eine grundsätzliche Anpassung des Energieniveaus stattgefunden hat, beginnt die Feinjustierung, in der Regel mit einer Anpassung der mittleren Sektor-Windgeschwindigkeiten (siehe Post-Kalibrierung nach Richtung, Tages- und Jahreszeit). Beachten Sie, dass die Sektorhäufigkeiten bereits weitgehend übereinstimmen sollten, bevor Sie die Sektor-Windgeschwindigkeiten ändern, da ansonsten kritische Änderungen des Energieniveaus möglich sind. Verwenden Sie zur Evaluation, ob Richtungshäufigkeiten angeglichen werden müssen, den METEO-Analyzer (METEO-Analyzer → Register Grafiken → Unterregister Windrose → Häufigkeit ) und/oder MCP Berechnungsfenster MCP → Register Justierung → Felder Richt.wechsel . Korrigieren Sie die Richtungen ggf. im jeweiligen METEO-Objekt durch einen Offset (siehe Rekalibrieren von Messdaten).

Ad 3 – Eine Post-Kalibrierung nach Monat kann verwendet werden, um unzutreffende saisonale Trends der Meso-Daten aufgrund von wechselnder Rauigkeit zu korrigieren. Die Oberflächenrauigkeit wechselt nach Vegetationsperiode, teilweise sogar sehr deutlich (z.B. bei Maisanbau oder bei langanhaltenden Schneedecken im Winter). Mesoskalen-Modelle kompensieren dies zum Teil, Mikroskalen-Modelle aber nicht. Dies führt zu einem saisonalen Bias von modellierten Daten gegenüber Messungen, die über die Post-Kalibrierung ausgeglichen werden sollten (siehe Post-Kalibrierung nach Richtung, Tages- und Jahreszeit).

Ad 4 – die Saisonale Korrektur in Schritt (3) beeinflusst auch die Richtungs-Windgeschwindigkeiten, da einige Richtungen in bestimmten Jahreszeiten häufiger vorkommen als in anderen. Da die Richtungs-Kalibrierung als besonders wichtig gilt, wird empfohlen, diese nach der Saisonalen Korrektur erneut durchzuführen. Beachten Sie, dass die Kalibrierungsfaktoren, die hier anhand der Techniken im Abschnitt Post-Kalibrierung nach Richtung, Tages- und Jahreszeit gefunden werden, mit den Faktoren aus Schritt (2) multipliziert werden müssen.

Ad 5 – Eine Kalibrierung nach Tageszeit kann als letzter Schritt durchgeführt werden (siehe Post-Kalibrierung nach Richtung, Tages- und Jahreszeit). Eine gute Abbildung des korrekten Tagesgangs kann beispielsweise in Verhandlungen eines Power Purchase Agreements (PPA, Vertrag über den Ankauf von elektrischer Energie aus WEA) eine wichtige Rolle spielen, da die Tageszeit, zu der Erträge anfallen unter anderem auch darüber entscheiden, wie viel Speicher- oder Reservekapazität vorgehalten werden müssen.

Die Post-Kalibrierung nach Windgeschwindigkeit (im obigen Ablauf nicht genannt) ermöglicht es, für bestimmte Windgeschwindigkeitsklassen feste Skalierungsfaktoren anzugeben. Ein sinnvoller Einsatz hierfür ist beispielsweise eine nicht-lineare Nachkalibrierung von Windgeschwindigkeiten aus Gondelmessungen. Sie sollte jedoch mit äußerster Vorsicht angewandt werden, wenn die Höhe, in der die Postkalibrierungs-Faktoren bestimmt werden, und die Höhe, auf die sie angewandt werden (also die Nabenhöhe der WEA), sich unterscheiden. Die Postkalibrierung unterscheidet nicht zwischen 8 m/s in 30 m Höhe und 8 m/s in 80m Höhe über Grund – für das Windprofil hat es aber durchaus eine Bedeutung, wenn die 8 m/s ungeachtet der Höhe mit einem festen Faktor multipliziert werden.

Ermittlung der Haupt-Skalierung und des Haupt-Offsets mittels MCP

Wenn die Post-Kalibrierung eingesetzt wird, um die Beziehung zwischen Mesoskalen-Daten und einer Mastmessung zu simulieren, ist eines der Ziele stets, aus den Meso-Daten eine vergleichbare Windgeschwindigkeits-Verteilung wie am Mast erzeugen zu können. Dies kann mit der im Folgenden beschriebenen Prozedur erreicht werden.

Es wird dazu in MCP die Messzeitreihe als lokale Zeitreihe verwendet. Als Referenzzeitreihe wählen Sie Scaler auf Referenzdaten anwenden mit dem EMD Default Meso-Scaler und der gewünschten Mesoskalenzeitreihe. Diese wird durch den Scaler an die Position der Messung modelliert. Wenden Sie auf dem Register Justierung ggf. notwendige Filter an.

Die mittlere Windgeschwindigkeit und die Standardabweichung beider Zeitreihen wird hier angegeben:

Berechnungsfenster MCP (DE) → Register Modell-Input → Statistiken 

(Hier klicken für Versionen vor windPRO 3.2)

In MCP2005 werden auf dem Correlate-Register nach dem Einladen der Daten die Mittlere Windgeschwindigkeit und Standardabweichung für beide Zeitreihen angegeben:

Wird in der MCP-Analyse festgestellt, dass die Messdaten eine signifikanten Richtungsverdrehung gegenüber den Referenzdaten haben, kann dies auf ein Kalibrierungsproblem der Windfahne des Messmasts hinweisen. Dies sollte durch eine Rekalibrierung im METEO-Objekt behoben werden, bevor fortgefahren wird.

Ziel ist, dass die kumulative Verteilung der modellierten Daten denen der Messung entsprechen soll:

Um dieses Ziel zu erreichen, werden Skalierung und Offset, die nach der Modellierung angewandt werden (=Post-Kalibrierung) nach den folgenden Formeln bestimmt:

Oder, in Excel (Formeln unter den Ergebnisfeldern):

Die so berechneten Skalierungs- und Offset-Parameter werden dann im Scaler als Hauptskalierung / Hauptoffset angegeben und bilden gegebenenfalls den Ausgangspunkt für weitere Post-Kalibrierungen:

Post-Kalibrierung nach Richtung, Tages- und Jahreszeit

Im Folgenden wird die Ermittlung von Post-Kalibrierungs-Parametern für eine Anpassung der richtungsweisen Windgeschwindigkeiten (Sektor) an eine Referenzquelle, z.B. eine Mastmessung oder SCADA-Daten einer WEA, dargestellt. In Bezug auf den Ablauf der Aktionen lässt sich dieses auch auf die Anpassung des Jahres- oder Tagesgangs (Monat bzw. Tageszeit) übertragen.

Die Ermittlung der Parameter wird im METEO-Analyzer durchgeführt. Ausgangspunkt ist die Erzeugung einer künstlichen Zeitreihe durch den Scaler an der Position der Referenzdaten-Zeitreihe (siehe METEO-Analyzer:Scaling).

Rufen Sie nach Erzeugen der Zeitreihe auf: METEO-Analyzer → Register Grafiken → Unterregister Zeitreihe → Radar .

Mit der Excel-Schaltfläche in der linken oberen Ecke jeder Grafik im METEO-Analyzer können die Daten der Grafik in die Zwischenablage und von dort aus in Excel kopiert werden:

Beachten Sie die Warnung für Polare Grafiken im Bild oben, um die Richtungsangaben im Folgenden besser interpretieren zu können. Die Reihenfolge der exportierten Daten ist dennoch stets ab Nord im Uhrzeigersinn, die Richtungen sind im Grafiktool nur anders benannt.

Beispiel einer Kopie der obigen Grafik in Excel (Spalten A-D) sowie einer Berechnung des Verhältnisses der richtungsweisen mittleren Windgeschwindigkeiten (Spalte F):

Spalte F ist der Faktor, mit der eine durch den Scaler berechnete Windgeschwindigkeit multipliziert werden muss, um die gemessenen Verhältnisse besser zu repräsentieren.

Die Daten werden in den Scaler kopiert:

Scaler → Register Post-Kalibrierung → Häkchen Sektor → [ggf. Sektorzahl anpassen] → Schaltfläche Einfügen aus Zwischenablage 

Wird anschließend die Scaler-Zeitreihe erneut erzeugt, ergibt sich in aller Regel eine vollständige Übereinstimmung der mittleren Windgeschwindigkeiten in allen Sektoren zwischen der gemessenen und der Scaler-Zeitreihe in der Messhöhe, die dem Prozess zugrunde gelegt wurde. Auf anderen, ebenfalls durch den Scaler erzeugten Messhöhen am selben Mast kann es dennoch zu Abweichungen kommen, z.B. durch den Mastschatten.

Nach den Sektorweisen Windgeschwindigkeiten können andere aggregierte Ergebnisse evaluiert werden:

Jahresgang:

Die Variation der Windgeschwindigkeiten während des Jahres stimmt gut überein. Wenn es einen nennenswerten Jahreszeitlichen Bias gäbe (z.B. aufgrund von jahreszeitlich variierender Vegetation und somit Rauigkeit), könnte dieser mit derselben Technik behandelt werden, mit der auch die sektorweisen Windgeschwindigkeiten angepasst wurden. Dies trifft ebenso für den Tagesgang zu.

Beachten Sie, dass die Post-Kalibrierung auch als Kompensation für vom Modell ungenügend abgebildete Terraineffekte dienen kann. Wenn z.B. der Hügel-Speedup über- oder unterschätzt wird, kann dies durch Post-Kalibrierung ausgeglichen werden. In diesem Fall dürfte die Post-Kalibrierung aber natürlich nur in den Bereichen eingesetzt werden, in denen dieser Hügel-Speedup tatsächlich existiert. Insbesondere im Komplexen Gelände sollte deshalb die Post-Kalibrierung sehr vorsichtig angewandt werden.

Wenn mehrere Messmasten am Standort verfügbar sind, ermöglicht dies eine sehr viel bessere Überprüfung der Post-Kalibrierung.

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