PARK: Register Wake

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

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 (A): 0,47

Offset (B) = 0,004

Diese werden als sicher und robust betrachtet, wobei aber vorausgesetzt wird, dass die Turbulenzdaten angemessen zutreffend sind.

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

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.

Eine Kombination beider Methoden kann in großen Windfarmen (ab etwa 5 Reihen orthogonal zur Windrichtung) zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen. 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 Validierungskapitel). Dies ist die aktuelle Standardeinstellung, wenn die Deep-Array-Features aktiviert sind.

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 vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.

Die Formel für die Reduktion lautet y = A * ln(x) + B, wobei A und B frei definiert werden können.

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:

• Version 1: Halb-aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv
• Version 2: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv

Beispiel:

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)

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.

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:

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.

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.

Reduktion der WDC nach Anzahl der vorgelagerten WEA für die beiden Methoden

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.

Literatur: