Validierung von Ertragssteigerungen und Lastreduktionen in Offshore-Windparks durch angepasste dynamischen Windrichtungsnachführung (YawDyn); Teilvorhaben A: Implementierung und Erprobung dynamischer Windrichtungsnachführungskonzepte; Teilvorhaben B: Entwicklung und Validierung dynamischer Windrichtungsnachführungskonzepte

Abstract

Das Verbundforschungsprojekt „Validierung von Ertragssteigerungen und Lastreduktionen in Offshore-Windparks durch angepasste dynamische Windrichtungsnachführung“ (YawDyn) wurde im Zeitraum vom 1.November 2019 bis 31. Dezember 2023 durchgeführt. Ocean Breeze Energy GmbH & Co. KG (OBE) hat das Projekt geleitet und zusammen mit dem Projektpartner Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (FW-OL) am Projekt gearbeitet. Das übergeordnete Forschungsziel war die Senkung der Energiegestehungskosten von Offshore-Windparks. Hierfür wurden zwei neuartige Methoden für die Windrichtungsnachführung (Gierregelung) erforscht und validiert, die der Erhöhung des Energieertrags und Reduktion der Betriebskosten dienen. Die neuartigen Regelungskonzepte wurden schrittweise durch Simulationen, Labortest und Erprobung an Onshore-Anlagen und final im Offshore-Windpark wissenschaftlich untersucht. In AP1 Reglerentwicklung hat FW-OL das Konzept der stabilitätsabhängigen Gierregelung entwickelt und der passiven Nachlaufablenkung weiterentwickelt. Die beiden Konzepte wurden an die Anlage BARD 5.0 angepasst und für das Layout des Testfelds mit zwei Prototypen der BARD 5.0 am Rysumer Nacken sowie einen Teil des Windparks BO1 angewendet. Die Strömungsbedingungen wurden aus einer Untersuchung der historischen Windmessungen im Windpark BO1 abgebildet. OBE hat die notwendigen Eingriffe und Erweiterungen am WEA-Regler der BARD 5.0 vorgenommen und die damit verbundenen Risiken untersucht und quantifiziert. In AP2 Reglererprobung hat OBE mit Unterstützung von FW-OL die Onshore-Erprobung der Regelalgorithmen an den Prototypen-WEA am Testfeld Rysumer Nacken durchgeführt. FW-OL hat die Messdaten aus dem Versuch analysiert und auf Basis der erlangten Ergebnisse die Regelalgorithmen für den Einsatz im Offshore Windpark optimiert. In AP3 Reglervalidierung hat OBE auf auf vier WEA im Offshore-Windpark BO1 meteorologische Sensoren sowie hochgenaue GNSS-Systeme von FW-OL zur Messung des Gierwinkels auf vier WEA installiert und zusammen mit FW-OL die Nordung des Gier-SCADA-Signals auf allen vier WEA überprüft. Der angepasste Regelalgorithmus wurde implementiert und in zweitlich wechselnden Intervallen auf jeweils einem WEA-Paar aktiviert. FW-OL hat die Messdaten hinsichtlich der Leistungssteigerung und der Reduktion der Giervorgänge ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verringerung von Giervorgängen mit dem neu entwickelten Gierregler. Die Notwendigkeit der Korrektur von Messdaten bei WEA-Schrägstellung wurde nachgewiesen und die Methode zur Korrektur der Windfahnenmessung ausschließlich mit Standardsensorik wurde erfolgreich validiert. In AP4 Potenzialstudie und Anwendungsempfehlung wurde eine Potenzialstudie für den Einsatz der angepassten Regler im gesamten Windpark BO1 durchgeführt. AP5 Projektkoordination beinhaltete die Leitung und Koordination des Forschungsvorhabens. Datei-Upload durch TIB The joint research project „Validation of energy yield increases and load reductions in offshore wind farms through adapted dynamic wind direction tracking“ (YawDyn) was carried out in the period from 1 November 2019 to 31 December 2023. Ocean Breeze Energy GmbH & Co. KG (OBE) led the project and worked together with the project partner Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (FW-OL). The overall research goal was the reduction of energy production costs of offshore wind farms by increasing the energy production and reducing operational costs. To this aim, the novel wind turbine yaw control methods were developed and validated. The control methods were validated in simulations, in the lab and on prototype onshore turbines, and finally in the part of the offshore wind park BO1. In WP1 Control development, FW-OL has developed the a novel yaw controller based on atmospheric parameters and further developed the concept of passive wake deflection. Both concepts were adapted for the wind turbines BARD 5.0. The layout with two prototype turbines BARD 5.0 in Rysumer Nacken and a part of the wind farm BO1 was used. Typical inflow conditions were analysed using historical wind measurements in the wind farm BO1. OBE has made the required modifications in the wind turbine controller and analysed risks involved in changing the control algorithms. In WP2 Control tests, OBE with the support from FW-OL has carried on the onshore experiments with new control algorithms on two prototype wind turbines in Rysumer Nacken. FW-OL has analysed the measurement data and fine-tuned the control algorithms for application in the offshore wind farm BO1. In WP3 Controller validation, OBE has installed meteorological sensors and highly accurate GNNS systems from FW-OL for yaw angle measurements on four wind turbines in the offshore wind farm BO1. Together with FW-OL, OBE has checked and adjusted the norting of the turbines. The prepared control algorithms were implemented on the turbines and activated at alternating intervals always on one of the wind turbine pairs at a time. FW-OL has analysed the measurement data in terms of power increase and the reduction of yaw manoeuvres. The results show a clear potential for reducing the number of yaw manoeuvres with the novel yaw controller. Furthermore, the need for correction of sensor measurements in the misaligned operation has been demonstrated, and the method for correcting the wind vane measurements only with standard turbine sensors has been successfully validated. In WP4 Potential study and application recommendation, the results were analysed in terms of possible gains when the test control algorithms would be implemented in the entire wind farm. In WP5 Project coordination, the joint project was coordinated and managed.