The wind power industry is one of the fastest-growing renewable energy industries in the world. Since more energy can be extracted from wind when the density is higher, a lot of the investments made in the wind power industry are made in cold climates. But with cold climates come harsh weather conditions such as icing. The icing on wind power rotor blades causes the aerodynamic properties of the blade to shift and with further ice accretion, the wind power plant can come to a standstill causing a loss of power, until the ice is melted. How big these losses are, depend greatly on site-specific variables such as elevation, temperature, and precipitation. The literature claims these ice-related losses can correspond to 10-35% of the annual expected energy output. Some studies have been made to standardize an ice loss determining method to be used by the industry, yet a standardization of calculating these losses do not exist. It was therefore interesting for this thesis to investigate the different methods that are being used. By using historical Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) data for two different sites located in Sweden, a robust ice determining code was created to identify ice losses. Nearly 32 million data points are being analyzed, and the data itself is provided by Siemens Gamesa which is one of the biggest companies within the wind power industry. A sensitivity analysis was made, and it was shown that a reference dataset reaching from May to September for four years could be used to clearly identify ice losses. To find the ice losses, three different scenarios were tested. The three scenarios use different temperature intervals to find ice losses. For scenario 1 all data points below 0 degrees are investigated. And for scenario 2 and 3 this interval is stretching from 3 degrees and below versus 5 degrees and below. It was found that Scenario 3, was the optimal way to identify the ice losses. Scenario 3 filtered the raw data so that only data points with a temperature below five degrees was used. For the two sites investigated, the annual ice losses were found to lower the annual energy output by 5-10%. Further, the correlation between temperature, precipitation, and ice losses was investigated. It was found that low temperature and high precipitation is strongly correlated to ice losses.

Wind turbines are becoming a more common sight and a more important part in the power grid. The benefits are mainly that wind energy is a renewable energy source and a single wind turbine can produce enough electricity to cover several households’ annual electricity need and not producing carbon dioxide as a rest product. Drawbacks are fluctuation in wind speed, which makes it difficult to regulate. The turbines need to be placed far from cities which cause losses in transmission in the national power grid.  In cold areas with long winters there is a risk of high energy losses due to iced blades. If there is ice accretion on the wind turbine blades it can cause a production loss and in extension economical losses by not selling the electricity. Finding those events is of high interest and there are methods to prevent and remove ice. However, there are occasions when there is ice on the blades, but no sensors signal this, and the production loss is a fact. There is a presumed production loss of 5-25 % annually due to icing on wind turbines in Sweden, depending on where the site is located. There is no general method for detecting ice in the industry but there are several methods available developed by different parties.  In this master’s thesis, a software has been developed in cooperation with Siemens Gamesa Renewable Energy to identify production losses on wind turbines due to icing using historical SCADA data. The software filters the raw data to construct a reference curve, to which data during cold weather is compared. It was found that low temperature causes ice losses, and the risk of an ice loss increases as temperature decreases. The annual losses at investigated wind farms were 4-10 % of the expected annual production. / Vindkraftverk blir en allt vanligare syn och en viktigare del i kraftnätet. Fördelarna är framförallt att det är en förnybar energykälla, det blir inga koldioxidutsläpp när vindkraftverken har installerats och ett vindkraftverk kan täcka flera hushålls årliga elbehov. Nackdelar är att vinden inte går att kontrollera och elproduktionen inte är garanterad eller konstant. Vindkraftverk placeras långt ifrån tätorter, vilket leder till förluster under distribution.  I kalla regioner med långa vintrar uppstår en risk för energiförluster på grund av nedisade turbinblad. Om det finns ispåbyggnad på turbinbladen kan det orsaka produktionsförluster och följaktligen en ekonomisk förlust. Det är av stort intresse i att upptäcka dessa och det finns flera metoder för att förbygga is och även avisning. Det antas vara produktionsförluster på 5-25 % årligen på grund av is i Sverige, beroende på vindparkens placering. Det finns ingen generell metod för att upptäcka is inom industrin, men det finns flera metoder utvecklade av olika parter.  I det här examensarbetet har en mjukvara utvecklats i samarbete med Siemens Gamesa Renewable Energy för att upptäcka produktionsförluster hos vindkraftverk orsakade av nedisade turbinblad genom att använda SCADA-data. Mjukvaran filtrerar rådata för att beräkna en referenskurva, mot vilken data för kallt väder kan jämföras. Den visar att det finns korrelation mellan låg temperatur och produktionsförluster samt att risken för produktionsförlust ökar då temperaturen sjunker. De årliga produktionsförlusterna hos de undersökta vindparkerna var 4-10 % av den förväntade årliga produktionen.

In the rapidly growing wind energy market, regions with cold climates are currently in the spotlight owing to their abundance of wind resources. However, the operation of wind turbines in cold climate conditions is challenged by serious icing problems. Ice accretion on the rotor blades of a wind turbine results in a decline in power production, an increase in fatigue loads, and raises health and safety concerns. To mitigate these adverse effects, ice protection systems (IPS) are now widely being employed. These systems mainly rely on costly blade heating techniques, yet their efficiency is limited and they cannot effectively prevent or remove ice build-up under all ambient conditions. In this study, the performance of five identical wind turbines, each equipped with an electrothermal heating IPS, is analyzed over several icing events. All data are collected from an undisclosed wind park located in northern Sweden. Historical wind turbine data is studied to explore the extent of icing-induced losses and IPS activities, as well as the dependence of blade icing and IPS efficiency on meteorological conditions. Based on the results from the analysis, suggestions will be provided on how the control settings of the IPS can be modified to increase the de-icing effectiveness and reduce ice-related production losses. For the purposes of better understanding the performance of the wind turbines and their IPS in icing conditions, an analytic dashboard has been internally developed. To derive quantitative information about the IPS efficiency, a set of standardized metrics is utilized. An internal algorithm has been developed that classifies various forms of ice losses and different status codes of wind turbines. These ice losses and turbine status codes are monitored and analyzed using the analytic dashboard. Statistical analysis indicates that the most substantial source of ice losses is the stoppages caused by blade icing, whereas losses during de-icing operations are relatively insignificant. Results from the IPS performance analysis show that the icing-induced losses are further influenced by the inconsistency in the IPS behavior. The systems have shown to be inefficient even when operating under conditions of wind speed and ambient temperature that fall within their specified operational limits, indicating their dependence on external conditions. In the majority of icing events, a delay in IPS activation was observed, particularly when these events coincided with periods of high wind speeds. Moreover, the heating of the blades is not sufficient, as multiple attempts to melt the accreted ice are often required, yet success is not always achieved. The difficulty in validating whether the blades are free of ice stems from the fact that the heat is emitted only from the blade’s leading edge. The author suggests specific immediate measures to improve the control of the IPS, including changing the threshold values for IPS triggering and adjusting the duration and frequency of ice removal cycles. These measures are confined by constraints tied to Intellectual Property Rights, limiting the extent to which elements in the IPS control settings can be modified by the wind operator. Nevertheless, if these constraints are relaxed, there exists significant untapped potential for further optimizing the control of IPS. / På den snabbt växande vindkraftsmarknaden är regioner med kallt klimat för närvarande i fokus på grund av deras rikliga vindresurser. Driften av vindkraftverk i kalla klimatförhållanden utmanas dock av allvarliga problem med isbildning. Isbildning på vindkraftverkens rotorblad leder till minskad kraftproduktion, ökade utmattningsbelastningar och ger upphov till hälso- och säkerhetsproblem. För att mildra dessa negativa effekter används nu isskyddssystem (IPS) i stor utsträckning. Dessa system är huvudsakligen beroende av kostsamma tekniker för uppvärmning av bladen, men deras effektivitet är begränsad och de kan inte effektivt förhindra eller avlägsna isbildning under alla omgivningsförhållanden. I denna studie analyseras prestandan hos fem identiska vindkraftverk, vart och ett utrustat med en IPS för elektrotermisk uppvärmning, under flera nedisningshändelser. Alla data har samlats in från en icke namngiven vindkraftspark i norra Sverige. Historiska vindturbindata studeras för att undersöka omfattningen av nedisningsinducerade förluster och IPS-aktiviteter, samt beroendet av bladnedisning och IPS-effektivitet på meteorologiska förhållanden. Baserat på resultaten från analysen kommer förslag att ges på hur kontrollinställningarna för IPS kan modifieras för att öka avisningseffektiviteten och minska isrelaterade produktionsförluster. För att bättre förstå hur IPS-utrustade vindkraftverk presterar under isförhållanden har en analysverktyg utvecklats internt. För att få kvantitativ information om IPS-effektiviteten används en uppsättning standardiserade mätvärden. En intern algoritm har utvecklats som klassificerar olika former av isförluster och olika statuskoder för vindturbiner. Dessa isförluster och turbinstatuskoder övervakas och analyseras med hjälp av analysverktyget. Statistisk analys visar att den mest betydande källan till isförluster är de stopp som orsakas av isbildning på bladen, medan förluster under avisning är relativt obetydliga. Resultaten från IPS-prestandaanalysen visar att de isinducerade förlusterna påverkas ytterligare av inkonsekvensen i IPS-beteendet. Systemen har visat sig vara ineffektiva även när de arbetar under förhållanden med vindhastighet och omgivningstemperatur som faller inom deras angivna operativa gränser, vilket visar att de är beroende av yttre förhållanden. Vid de flesta isbildningstillfällen observerades en fördröjning av IPS-aktiveringen, särskilt när dessa händelser sammanföll med perioder med höga vindhastigheter. Vidare är uppvärmningen av bladen inte tillräcklig, eftersom det ofta krävs flera försök att smälta den ackumulerade isen, men man lyckas inte alltid. Svårigheten att avgöra om bladen är fria från is beror på att värmen endast avges från bladets framkant. Studien föreslår specifika omedelbara åtgärder för att förbättra kontrollen av IPS, inklusive ändring av tröskelvärdena för IPS-aktivering och justering av varaktigheten och frekvensen för isborttagningscykler. Dessa åtgärder begränsas av immateriella rättigheter, som begränsar i vilken utsträckning operatören kan ändra IPS-kontrollinställningarna. Om dessa begränsningar lättas finns det dock en betydande outnyttjad potential för ytterligare optimering av kontrollen av IPS.