PARK: Register Wake: Difference between revisions

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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) unterschätzt werden. Deshalb kann hier eine Kombination beider Methoden zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen<ref name="WK2">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.
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 name="WK2">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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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 name="WK3"/> vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.
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 name="WK3"/> 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


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Die Formel für die Reduktion lautet y = A * ln(x) + B, wobei A und B frei definiert werden können.
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)]]).
 
Der Wert '''Max x''' bezieht sich auf die maximale Anzahl der vorgelagerten WEA, die in der Formel verwendet wird.
 
Für die Methode existieren drei unterschiedliche Methoden:
*Version 1: Halb aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv
*Version 2: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv, angefangen mit der 2. WEA
*Version 3: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv, angefangen mit der 1. WEA
 


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


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.
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.


'''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)


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


{|class = "wikitable"
|||Par.Satz1||Par.Satz2||Par.Satz3
|-
|A||-0,3||-0,2||-0,5
|-
|B||1,4||1,3||1,5
|}


Die verschiedenen Versionen der Methode verlangen unterschiedliche Parameter für A und B. Die Parameter für Version 1 sind im obigen Screenshot wiedergegeben, für Version 2 und 3 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]]


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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 Version 2 und 3 zu weitaus höheren WDC-Reduktionen führt, empfehlen wir dort, dass die Reduktion nur bis zur fünften WEA zunimmt und ab dann konstant bleibt. Bei Version 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
|}


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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''
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'''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)]].
'''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)]].
Beachten Sie, dass 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:
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Revision as of 14:56, 23 December 2019

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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 Optionen

  • 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

Standardeinstellung und Empfehlung ist N.O. Jensen (RISØ/EMD). Für weitere Informationen siehe Wakeverlust-Modelle.


Erweiterte Parkoptionen

Wake decay-Konstante → 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 ist eine einfache lineare Gleichung, deren Parameter modifizeirt werden können. Die Standardparameter sind

Skalierung (c): 0,4

Offset (d) = 0,0

Diese werden Onshore als sicher und robust betrachtet, wobei aber vorausgesetzt wird, dass die Turbulenzdaten angemessen zutreffend sind. Bezüglich Offshore-Situationen zeigen mehrere Testfälle, dass der Faktor 0,4 hier zu niedrig ist. Das im Fenster verlinkte Dokument gibt hier Empfehlungen ab.


(Hier klicken für Versionen vor windPRO 3.2)

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


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 Register WEA) 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 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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