A Study on Application of Nacelle LiDAR to Wind Turbine Power Performance Verification

Abstract

After constructing and commissioning a wind farm, the power performance of wind turbines should be tested; and further, the measured power curve should be verified by comparing it with the guaranteed power curve provided by a manufacturer in accordance with International Electrotechnical Commission (IEC) 61400-12 standards. Hence, the meteorological mast (met mast) must be installed at a minimum of 100 m above the ground level because that large wind turbines with a hub height beyond 100 m have been developed. However, the installation is costly and time consuming. To solve this problem, a lot of studies for application of light detection and ranging (LiDAR) systems to wind turbine power performance testing have been carried out in the pioneering countries. The ground LiDAR has been already applied to derive the rotor equivalent wind speed (REWS) suggested in IEC 61400-12-1 2nd edition. Meanwhile, for the application of nacelle LiDAR to wind turbine power performance testing, a project team IEC 61400-50-3 was organized, and they have been working towards publishing the official international standard IEC 61400-50-3 by the end of 2020. To clarify the difference in the wind turbine power curves obtained by a cup anemometer, REWS, and nacelle LiDAR measurements, the wind turbine power performance measurement was experimentally performed at the Haengwon wind farm on Jeju Island, South Korea. A 2-beam nacelle LiDAR mounted on the nacelle of a 1.5 MW test wind turbine was used with a met mast and a ground LiDAR positioned at a distance 2.5 times the rotor diameter from the turbine. To establish the standard for nacelle LiDAR data filtering, the characteristics of nacelle LiDAR measurements were firstly analyzed by dividing them into three parts: weather conditions (temperature, humidity, pressure, amount of precipitation), mechanical movement (rotation of wind turbine blades, tilt variation of nacelle LiDAR), and nacelle LiDAR data availability. After data filtering, the reliability of the nacelle LiDAR measurements was assessed by comparing it with the cup anemometer wind speed on a met mast. Therefore, various weather conditions and mechanical movements did not disturb reliable data measurement. Nacelle LiDAR measurements with an availability of 80 % or more could be used for checking nacelle LiDAR wind data reliability. The reliability of nacelle LiDAR was extremely high with a regression coefficient of 98 % and coefficient of determination of 97 %. The REWS was derived from cup anemometer and ground LiDAR measurements in accordance with the IEC 61400-12-1 2nd edition. The scatter plots were drawn using the wind data measured by each instrument and compared in terms of the standard deviation. The power curve by nacelle LiDAR measurements (PCNL) was then compared with those by the cup anemometer measurements (PCCup) and REWS (PCREWS) according to IEC 61400-12-1 1st and 2nd editions. To quantitatively identify the difference in the power curves, the relative error of PCNL was calculated by assuming that the power curves with the IEC standards are references. Consequently, the relative error for the power output in the bin interval of 0.5 m/s before the rated wind speed was high, whereas that after the rated was close to 0 %. The relative errors with PCCup and PCREWS were 3.01 % and 3.51 % on average, respectively. Additionally, a study on the application of the nacelle transfer function by nacelle LiDAR (NTFNL) was conducted for the power performance measurement of multiple wind turbines at the Dongbok wind farm on Jeju Island, South Korea. A 4-beam nacelle LiDAR was mounted on the nacelle of a 2 MW wind turbine to measure wind conditions in front of the turbine rotor, and an 80 m high met mast was installed near another wind turbine to measure the free-stream wind speed. The NTF was determined by a table method, and then the power curve drawn using the NTFNL (PCNTF,NL) was compared with those drawn in compliance with IEC 61400-12-1 and 61400-12-2 (PCCup and PCNTF,Cup). The combined standard uncertainties of the power curves were calculated to clarify the magnitude of the components of the uncertainties. The uncertainties of annual energy production (AEP) were also estimated by assuming that wind speed is a Rayleigh wind speed distribution. The results revealed that PCNTF,NL was in good agreement with the power curves drawn in accordance with the IEC standards. The difference between combined standard uncertainties of PCNTF,NL and PCNTF,Cup was within the range 3.5 % to 8.3 %.

기존의 국제표준 IEC(International Electrotechnical Commission) 61400-12 시 리즈에 따라 풍력터빈 출력성능평가를 수행하기 위해서는 반드시 기상탑 (Meteorological mast)이 설치되어야 한다. 오늘 날, 현대의 풍력터빈이 대형화되 고 풍력산업이 해상풍력에 초점이 맞춰짐에 따라 허브높이 100 m 이상의 기상탑 설치가 요구되고, 이에 따라 기상탑 설치 시에 경제적, 시간적, 공간적 문제 등의 어려움이 발생한다. 이에 대한 해결책으로 풍력터빈 출력성능평가에 라이다 (Light detection and ranging, LiDAR) 시스템 도입을 위한 연구가 세계 풍력 선 도국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 지상기반 라이다(Ground LiDAR)는 IEC 61400-12-1 제2판의 로터등가풍속(Rotor equivalent wind speed, REWS) 도 출을 위하여 이미 적용되고 있다. 한편, 풍력터빈 출력성능평가에 나셀 라이다 (Nacelle LiDAR)를 적용하기 위하여 IEC PT 61400-50-3이 조직되어 세계의 나 셀 라이다 전문가들이 2020년 말 국제표준 발행을 목표로 활발한 연구를 수행하 고 있다. 하지만, 나셀 라이다 데이터의 신뢰성 검증 및 풍력터빈 출력성능평가 에 적용, 검증한 연구사례는 많지 않으며, 다양한 조건에서의 더 많은 현장 시험 및 검증이 요구되고 있다. 이 논문은 풍력터빈 출력성능평가에 나셀 라이다 시스 템의 적용 가능성을 확인하기 위한 나셀 라이다 기반의 풍력터빈 출력성능평가 현장시험 평가결과를 나타낸다. 제주도 행원 풍력발전단지의 1.5 MW 풍력터빈을 대상으로 2빔 나셀 라이다 측정 데이터를 이용한 풍력터빈 출력곡선이 그려졌고, 풍력터빈으로부터 로터직 경 2.5배 거리에 위치한 기상탑의 컵 풍속계와 지상기반 라이다의 측정 데이터로 부터 IEC 61400-12-1 제1판 및 제2판에 따라 그려진 출력곡선들과 비교하였다. 풍력터빈 출력곡선 작성에 앞서 나셀 라이다 데이터의 데이터 오차처리 기준을 수립하기 위하여 다양한 조건에서의 나셀 라이다 측정 데이터 특성이 분석되었 다. 나셀 라이다 측정 데이터 특성은 기상상태(온도, 습도, 기압, 강수량), 기계거 동(로터 블레이드 회전, 나셀 라이다 틸트 변화), 데이터 가용률에 따른 반송파 대 잡음비(Carrier-to-noise ratio, CNR) 신호 및 측정 정확도로 분류하여 분석되 었다. 측정 데이터 특성 분석 결과를 토대로 나셀 라이다 데이터를 오차처리 하 였고, 컵 풍속계 풍속과의 선형회귀분석을 통하여 데이터 신뢰성을 검증하였다. 그 결과, 나셀 라이다 데이터 측정 시에 다양한 기상조건 변화에도 CNR 값은 정상 범위임을 확인하였고, 로터 블레이드 회전은 나셀 라이다 데이터의 정상적 인 측정에 방해요소로 작용하지 않음을 확인하였다. 또한, 데이터 가용률 80 % 이상의 측정 데이터가 유효함을 알 수 있었다. 컵 풍속계 풍속 데이터와의 선형 회귀분석 결과는 회귀계수와 결정계수가 거의 1에 근접함에 따라 나셀 라이다 측정 데이터의 신뢰성은 매우 높음을 알 수 있었다. 나셀 라이다 및 컵 풍속계 풍속, 지상기반 라이다를 이용한 로터등가풍속에 대한 출력 산포도가 비교되었 고, 빈 방법을 이용하여 출력곡선들이 그려졌다. 출력곡선들 간의 차이를 정량적 으로 식별하기 위하여 IEC 표준에 따른 출력곡선들을 참값으로 가정하여 0.5 m/s 빈 간격의 나셀 라이다 출력곡선의 상대오차를 계산하였다. 그 결과, 정격풍 속 이전 구간의 상대오차는 다소 높았지만, 정격풍속 이후 구간의 상대오차는 거 의 0 %에 가까웠다. 전 구간의 평균 상대오차는 컵 풍속 출력곡선의 경우 3.01 %, 로터등가풍속 출력곡선의 경우 3.51 % 이였다. 추가적으로 다수 풍력터빈의 출력성능평가를 위하여 나셀 라이다 기반 나셀변 환함수(Nacelle transfer function, NTF)의 적용 가능성이 연구되었다. 이 연구는 제주도 동복 풍력발전단지의 2 MW 풍력터빈 2기(동복 풍력터빈 1호기, 15호기) 를 대상으로 수행되었다. 동복 풍력터빈 1호기 나셀 위에 설치된 4빔 나셀 라이 다와 나셀 풍속계로부터 측정된 풍속 데이터를 이용하여 나셀 라이다 기반 NTF 가 도출되었으며, 도출된 나셀 라이다 기반 NTF를 동복 풍력터빈 1호기와 15호 기에 각각 적용하여 출력곡선들을 작성하였다. 작성된 나셀 라이다 기반 NTF 출력곡선들은 동복 풍력터빈 15호기로부터 로터직경 2.5배 거리에 위치한 기상탑 컵 풍속계 데이터로부터 IEC 61400-12-1 및 IEC 61400-12-2에 따라 그려진 컵 풍속계 출력곡선 및 컵 풍속 기반 NTF 출력곡선과 선형회귀분석을 통하여 비교되었다. 또한, 각 출력곡선에 대한 합성표준불확도가 추정되었고, 합성표준불 확도를 이루는 각 요소 별 불확도가 평가되었다. 이 때, 나셀 라이다 풍속에 대 한 불확도를 추정하기 위한 불확도 요소와 불확도 추정 방법이 제안되었다. 그 결과, 나셀 라이다 기반 NTF 출력곡선은 IEC 국제표준에 따라 그려진 출력곡선 들과의 회귀계수 및 결정계수가 거의 1에 가까우며 높은 상관성을 보였다. 나셀 라이다 기반 NTF 출력곡선과 IEC 61400-12-2에 근거하여 그려진 컵 풍속계 기 반 NTF 출력곡선의 합성표준불확도 차이는 3.5 ∼ 8.3 % 범위 내였다.