Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The harvested energy of wind can be transferred to the generators either through a gearbox or through an intermediate medium such as hydraulic fluids. In this method, high-pressure hydraulic fluids are utilized to collect the energy of single or multiple wind turbines and transfer it to a central generation unit. In this unit, the mechanical energy of the hydraulic fluid is transformed into electric energy. The prime mover of hydraulic energy transfer unit, the wind turbine, experiences the intermittent characteristics of wind. This energy variation imposes fluctuations on generator outputs and drifts their angular velocity from desired frequencies. Nonlinearities exist in hydraulic wind power transfer and are originated from discrete elements such as check valves, proportional and directional valves, and leakage factors of hydraulic pumps and motors. A thorough understanding of hydraulic wind energy transfer system requires mathematical expression of the system. This can also be used to analyze, design, and predict the behavior of large-scale hydraulic-interconnected wind power plants. This thesis introduces the mathematical modeling and controls of the hydraulic wind energy transfer system. The obtained models of hydraulic energy transfer system are experimentally validated with the results from a prototype. This research is classified into three categories. 1) A complete mathematical model of the hydraulic energy transfer system is illustrated in both ordinary differential equations and state-space representation. 2) An experimental prototype of the energy transfer system is built and used to study the behavior of the system in different operating configurations, and 3) Controllers are designed to address the problems associated with the wind speed fluctuation and reference angular velocity tracking. The mathematical models of hydraulic energy transfer system are also validated with the simulation results from a SimHydraulics Toolbox of MATLAB/Simulink®. The models are also compared with the experimental data from the system prototype. The models provided in this thesis do consider the improved assessment of the hydraulic system operation and efficiency analysis for industrial level wind power application.

The electricity market is facing major changes in the coming years, with major production facilities that must be replaced and climate targets that are required to be met. The approach to the targets in the electricity market has been to invest in renewable energy, mostly in the form of wind power. However, it is an intermittent production type where production depends on weather conditions and planning cannot be predetermined. As a result, the price of electricity has varied a lot in recent years and has also become very low, which causes profitability challenges for the electricity producers. One consequence is the closure of four nuclear reactors due to lack of profitability. This creates a more uncertain environment for the Swedish industry, which is dependent on both low electricity prices and reliable power supply. A way to counter this has been the “Energy Agreement”, that partly aims to promote the use of nuclear power for their total technical service life. The electrical system will change until 2030 in many ways, but how this will go is difficult to predict. By creating three different scenarios that reflect likely future changes, it has been possible to draw conclusions about what is necessary to change for the electricity system to be robust and competitive in the future. These scenarios consider wind power, active nuclear reactors, export opportunities and future electricity prices. These three scenarios have included identification of the most important parameters that need to be changed or considered by 2030. These parameters have been divided into price issues, delivery security and taxes with subsequent proposals. The most important items under these are to maintain the marginal cost based pricing model, create incentives for flexibility of electricity users and for manufacturers to provide the power grid with inertia. These require special focus to create a robust and flexible system, but remaining points are required as well to handle these issues. These points resulted in a framework that should form the basis for decision making. The framework should also be used in its entirety to analyze situations that may arise during the transition from today's market to the future's renewable electricity system. / Elmarknaden står inför stora förändringar de kommande åren, med stora produktionsanläggningar som måste ersättas och klimatmål som förväntas uppfyllas. Tillvägagångssättet har på den svenska elektricitetsmarknaden varit att satsa på förnybar energi, mestadels i form av vindkraft. Det är dock ett intermittent produktionsslag där produktionen är väderberoende och inte går att planera. Elpriset har till följd av detta varierat mycket under de senaste åren och blivit väldigt lågt, något som orsakar lönsamhetsproblem för producenterna. Ett resultat av detta är stängningen av fyra kärnreaktorer till följd av bristande lönsamhet, vilket skapar en oroligare situation för den svenska industrin som är beroende av både låga elpris och en tillförlitlig eltillförsel. Ett sätt att möta konflikten mellan producenternas olönsamhet och industrins krav är Energiöverenskommelsen, som delvis syftar till att göra kärnkraften med konkurrenskraftig. Elsystemet kommer att förändras till 2030 på många vis, men hur detta kommer gå till är svårt att förutsäga. Genom att skapa tre olika scenarion som speglar troliga framtida förändringar, har det gått att dra slutsatser om vad som är nödvändigt att förändra för att elsystemet ska vara robust och konkurrenskraftigt även i framtiden. Dessa scenarion tar hänsyn till vindkraftsutbyggnad, aktiva kärnreaktorer, exportmöjligheter och framtida elpris. Dessa tre scenarion har inburit identifiering av de viktigaste parametrar som måste förändras eller tas i beaktande till 2030. Dessa har delats upp i prisfrågor, leveranssäkerhet samt skatter med efterföljande förslag. De viktigaste punkterna under dessa är att behålla marginalprissättningen, skapa incitament för flexibilitet hos elanvändare och för producenter att tillhandahålla svängmassa. Dessa kräver särskilt fokus för att skapa ett robust och flexibelt system, men resterande punkter behövs för att hantera dessa frågor. Dessa punkter resulterade i ett ramverk som bör ligga till grund för beslutsprocesser. Ramverket bör också användas i sin helhet för att analysera situationer som kan uppstå under omställningen från dagens marknad till framtidens förnybara elsystem.

Accurate forecasts of wind speed and power production are of great value for wind power producers. In Southwest Iceland, wind power installations are being planned by various entities. This study aims to create optimal wind speed and wind power production forecasts for wind power production in Southwest Iceland by applying statistical post-processing methods to a deterministic HARMONIE-AROME forecast at a single point in space. Three such methods were implemented for a 22 month-long set of forecast-observation samples in 1h resolution: Temporal Smoothing (TS), Observational Distributions on Discrete Intervals (ODDI - a relatively simple classification algorithm) and Quantile Regression Forest (QRF - a relatively complicated Machine Learning Algorithm). Wind power forecasts were derived directly from forecasts of wind speed using an idealized power curve. Four different metrics were given equal weight in the evaluation of the methods: Root Mean Square Error (RMSE), Miss Rate of the 95-percent forecast interval (MR95), Mean Median Forecast Interval Width (MMFIW - a metric to measure the forecast sharpness) and Continuous Ranked Probability Score (CRPS). Of the three methods, TS performed inadequately while ODDI and QRF performed significantly better, and similarly to each other. Both ODDI and QRF predict wind speed and power production slightly more accurately than deterministic AROME in terms of their Root Mean Square Error. In addition to an overall evaluation of all three methods, ODDI and QRF were evaluated conditionally. The results indicate that QRF performs significantly better  than ODDI at forecasting wind speed and wind power at wind speeds above 13 m/s. Else, no strong discrepancies were found between their conditional performance. The results of this study are limited by a relatively scarce data set and correspondingly short time series. The results indicate that applying statistical post-processing methods of varying complexity to deterministic wind speed forecasts is a viable approach to gaining a probabilistic insight into the wind power potential at a given location.

The aim of the study is to analyze the possibility of how and where wind farms should be integrated on the electrical grid. The challenges mainly concern grid capacity and transmission losses. Economic factors will be regarded as well. To fulfill the aim, the Skellefteälven river in Sweden is selected as study object. A regional grid along the river is thereupon simulated with regards to five existing hydro power plants, four electrical consumption points, and the national grid. Additionally, four wind farms are placed on probable sites around the grid. Considering the large amount of data to be calculated in this study, a grid model assembled through numerical analysis in MATLAB is henceforth deemed optimal. Through load flow simulation, the voltage variations and power losses are calculated. Hence, the costs of the losses is found. The investment costs for upgrading the grid are also determined. As the results show, an upgrade of the electrical grid certainly requires a relatively large investment sum. Nevertheless, the return of the project will eventually surpass the initial costs. Accordingly, there are economic benefits of investing in upgrading the grid capacity. / Syftet med studien är att analysera möjligheten till hur och var vindkraftsparker borde integreras i elnätet. Utmaningarna rör främst nätkapacitet och ledningsförluster. Ekonomiska faktorer kommer även att undersökas. För att uppnå syftet bedrivs en fallstudie, där Skellefteälven väljs som studieområde. Ett regionalnät är utformat längs älven med hänsyn till fem existerande vattenkraftverk, fyra valda konsumtionsnoder och stamnätet. Utöver dessa placeras även fyra vindkraftsparker ut på lämpliga ställen. Med tanke på hur mycket data som behandlas vid beräkningarna simuleras därför nätet med hjälp av numerisk analys i MATLAB. Genom att köra effektflödesberäkningar räknas spänningsvariationer och effektförluster fram. Därifrån kan kostnader för ledningsförluster tas fram. Vidare framtas även investeringskostnader för uppgradering av nätet. Resultaten visar att en uppgradering kräver en relativt stor investeringssumma. Däremot kommer inkomsten efter en genomförd uppgradering tillslut att överstiga initialkostnaden. Därav finns det ekonomiska fördelar med att investera i en ökad nätkapacitet.

Variable renewable energy (VRE) is becoming more present in the energy mix as society aims to shift power production from fossil fuels. Solar and wind power are VRE sources, which can result in fluctuations in the input to the network, creating supply uncertainty. The Swedish Transmission system operator (TSO), Svenska kraftnät (Svk), is obliged to ensure stability in the network, which must be considered when approving applications for subscriptions of connections to the transmission network. In the stability investigations performed before approving applications, Svk assumes that solar and wind power produces at their maximum capacity at their connection point before approving applications, to ensure safe and stable power system operation under any weather conditions. However, this might be an over-conservative assumption as the share of VRE sources increases. This is because there is an anti-correlation between wind and solar power, which results in a few colliding hours when both produce at full capacity. This study investigates the correlation between solar and wind power, evaluates the probability of high wind and solar power production coinciding at different percentages of their capacity, and analyses the potential for aggregating them in the studies performed to approve connections to the transmission network. The research method applied was an inductive approach, where a statistical analysis using Pearson's correlation and conditional probability was conducted based on reanalysed data collected from ERA5 and STRÅNG databases. The analysis showed a weak complementary correlation coefficient for all time periods, and the probability of very high production coinciding is small. If it occurs, it is more likely to happen during the first part of the year. The results show a spatial correlation in the probability. By implementing integration strategies, the conclusion is that there is a controllable risk when increasing the capacity. Even if there is a risk, it can be worth taking as more VRE sources can be connected to the transmission network. / Förnybar energi har blivit mer närvarande i dagens energimix när samhället strävar efter att förändra kraftproduktionen från fossilt till förnybara källor. Sol- och vindkraft är varierande förnybara energikällor vilket skapar fluktationer i inmatning till nätet samt ökad osäkerhet kring mängden tillgänglig produktion. Systemoperatören (TSO), Svenska kraftnät (Svk) är skyldig att säkerhetställa stabilitet i nätet, vilket måste beaktas vid ansökningar om anslutningar till transmissionsnätet. Denna studie undersöker därför korrelationen mellan sol- och vindkraft, samt utvärderar sannolikheten att hög sol- och vindkrafts produktion sammanfaller samtidigt. Forskningsmetoden som tillämpades var en induktiv metod, där en statistisk analys med Pearsons korrelationskoefficient såväl som sannolikheten mellan att deras produktion sammanföll samtidigt utfördes, baserat på återskapad väderdata insamlad från ERA5 och STRÅNG. Analysen visade svag komplementär korrelationskoefficient för alla tidsperioder och sannolikheten för att mycket hög produktion sammanfaller var liten. De tillfällen som produktionen sammanföll inträffade majoriteten under början av året. Genom implementering av de tillvalda strategierna är slutsatsen att det finns en kontrollerbar risk när man ökar den tillåtna anslutna kapaciteten sol- och vindkraft i transmissionsnätet. Det finns också en antikorrelation mellan sol- och vindkrafs produktion vilket resulterade i endast ett fåtal sammanfallande timmar när båda producerar på maximal kapacitet.

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.

Vietnam has fundamental advantages to implement the wind power project. Because of being surrounded by sea areas, wind power projects in Vietnam have a promise future. However, implementing an ecotechnic analysis of a wind power project has a fairly challenge because of seasonal change as well as input data’s fluctuation. The paper presented a method based on Matlab programming utilized for ecotechnic analysis the wind power projects. The math diagram built with the consideration of all input data’s changing will be shown to make the ecotechnic analysis easier and faster. The results deducted from Matlab programming will be compared with ones made by expertise method. The conclusion about advantages of method is pointed out to help project managers have another choice in making ecotechnic analysis of wind power project. / Việt Nam có những thuận lợi cơ bản để thực thu các dự án điện gió. Do đặc điểm địa lý, bao quanh bởi khá nhiều các vùng biển, các dự án điện gió của Việt Nam có tính khả thi và một tương lai đầy hứa hẹn. Tuy vậy, thực thi các phân tích kinh tế kỹ thuật của một dự án điện gió có thách thức không nhỏ bởi những thay đổi của yếu tố mùa cũng như những thay đổi của các yếu tố đầu vào. Bài báo giới thiệu một phương pháp dựa vào quá trình lập trình trên Matlab, ứng dụng để phân tích kinh tế kỹ thuật các dự án điện gió. Lưu đồ thuật toán được xây dựng có xem xét đến sự thay đổi của các yếu tố đầu vào sẽ giúp quá trình phân tích nhanh hơn và dễ dàng hơn. Các kết quả thu được sẽ được so sánh với các kết quả được tiến hành theo phương pháp chuyên gia. Kết luận về những ưu điểm của phương pháp cũng được đưa ra để giúp các nhà quản lý các dự án điện gió có được lựa chọn nữa trong tiến hành phân tích kinh tế kỹ thuật các dự án điện gió.

Recognizing the imperative transition towards renewable energy sources to combat climate change, this study explores the outlooks for offshore wind power in Norway, a country endowed with extensive coastlines and favourable wind conditions. The thesis sets out to support decision-making processes by synthesizing contemporary research and applying context-specific insights to the southern half of the Norwegian economic zone (NEZ) into a comprehensive Spatial-Multi-criteria Analysis (SMCA). Through meticulous research, sub-criteria relevant to the geographical information systems-based SMCA are identified across four major categories: Wind, Techno-economic, Environ-mental, and Social considerations. Through the adoption of the Analytic hierarchy process (AHP) framework, the analysis generates suitability maps for all identified sites within the NEZ, facilitating a ranking procedure for both floating and bottom-fixed sites. By, among else, incorporating potential grid connection points and distance to suitable ports, this thesis offers a novel contribution to the limited body of literature on offshore wind power SMCA in the NEZ. Additionally, through state of the art data sets on mammal presence and cumulative impact on seabirds, the study not only advances the academic discourse on offshore wind power planning but also offers practical tools for policymakers and industry practitioners. The findings underscore the complexity of offshore wind farm siting, highlighting the impor-tance of a balanced consideration of various criteria to ensure sustainable and economically viable energy production. Significantly, amongst sites suitable for floating foundations, Ves-tavind A emerges as the prime location for wind farm development. The bottom rankings, however, are claimed by different sites depending on which weighting schema is applied. For future studies on the topic, important building blocks include incorporating data on seabed conditions such as geology and sloping into the SMCA alongside including more sub-criteria linked to met-ocean conditions (e.g., cut-out periods of the wind turbines caused by extreme weather). / Mot bakgrund av den globala omställningen till en alltmer grön energimix utforskar denna studie utsikterna för havsbaserad vindkraft i Norge, ett land med vidsträckta kustlinjer och gynnsamma vindförhållanden. Uppsatsen syftar till att stödja beslutsprocesser genom att sammanställa samtida forskning och tillämpa insikter anpassade till den södra halvan av Norges ekonomiska zon (NEZ) i en omfattande rumslig analys. Slutprodukten blir en relativ rangordning av en uppsättning områden som alla, enligt norska myndigheter, lämpar sig för installation av havsbaserad vindkraft. Genom noggrann efterforskning identifieras olika faktorer (subkriterier) som anses rel-evanta för den rumsliga analysen, dessa delas up i fyra övergripande kategorier: Vind, Tekno-ekonomiska faktorer, Miljöaspekter och Sociala aspekter. Med hjälp av en särskild viktningsmodell, där faktorerna ställs mot varandra och prioriteras utifrån deras relativa betydelse, genereras lämplighetskartor för alla platser inom studieområdet. Denna process ligger sedermera till grund för den ovannämnda rangordningen och görs både för platser som är tänkta för flytande och bottenfast havsbaserad vindkraft. Genom att bland an-nat inkludera potentiella anslutningspunkter till elnätet och avstånd till hamnar, som speficifkt lämpars sig för vindturbininstallationer, bidrar detta forskningsarbete med nytt innehåll till den vetenskapliga litteraturen. Därtill kan studien, utöver att bidra till den akademiska diskursen, komma att fungera som ett praktiskt verktyg för beslutsfattare och yrkesverksamma inom industrin. Resultaten påminner läsaren om komplexiteten i placeringen av havsbaserade vindkraftverk, vilket bekräftar vikten av en balanserad beaktning av olika kriterier. Detta för att kunna säkerställa att nya energiprojekt presterar bra utifrån ett miljömässigt och socialt perspektiv samtidigt som den ekonomiska lönsamheten säkras. Sett till de områden som studien utreder framstår Vestavind A som det bäst lämpade området för utveckling av havsbaserad vindkraft. De lägsta placeringarna upptas emellertid av olika platser beroende på hur de olika kriterierna viktas. Några förslag på hur denna studie kan utvecklas för att fortsatt kunna bidra till nya insikter inom forskningsområdet är att inkludera data om bottenförhållanden (exempelvis geologi och lutning) i den rumsliga analysen, samt att addera subkriterier med en naturlig koppling till meteorologiska aspekter såsom avbrottsperioder för vindturbiner till följd av extremväder.

No description available.

No description available.