Wind power has become a major supplier of electricity in the European market in the last years. In 2020, 13% of electricity generated on the European continent was wind energy (onshore and offshore) and these shares are projected to increase in the next years due to reasons such as climate change and the energy security aspect. While an increased share of renewable electricity in the electricity mix has a lot of benefits, it also comes with challenges. One of these challenges are the electricity market design and the offtake mechanisms that find application. If national expansion goals for wind energy are to be achieved, wind power plants need to be profitable and hence be an attractive and competitive investment. If wind farms are running within the prevalent merit order system where the energy source with the highest marginal cost sets the electricity price, there is a risk of low or even negative income at times of high wind or solar irradiation. The unforeseeable and potentially low revenues also lead to worse conditions in the financing of wind projects, resulting in high financing costs. To counteract this challenge, governments have set up policy frameworks and subsidies and owners of wind farms have adopted different offtake mechanisms such as pay-as-produced PPAs (power purchase agreements) and baseload PPAs. Additionally, many operators hedge their assets, meaning that risks are reduced by deployment of different offtake mechanisms. All of this is where this study ties in. The objective was to evaluate how the design of markets and offtakes and their respective pricing level and predictability impact the best turbine fit in North and Central Europe. To get to an answer, two key onshore markets within the region have been chosen and characterized, namely Germany and Sweden. Two different turbine types, one with a low capacity factor but high rated power and one with a lower rated power but high capacity factor, have been examined in these markets in order to evaluate which turbine type performs better. A third turbine type which is a new concept in the technology demonstrator stage has been added to the study to assess its performance as compared to the existent turbines. The evaluation has been performed in form of a Use Case Analysis and Sensitivity Study. Finally, the results have been compared and generalized into key takeaways that can be transferred into other markets in the region of North and Central Europe. The study finds that different market characteristics and offtake mechanisms do in fact impact turbine selection and the best turbine fit. Important factors that have been found in this research are the key financial metric (NPV and IRR), market constraints such as a grid constraint, and offtake mechanisms and the predictability of revenues that comes with the offtake. The main impacts on wind turbine selection that can be tied to offtake mechanisms are the payment received per unit of electricity and the level of security that comes with the offtake mechanism. Constant incomes improve financing conditions, meaning that resources from crediting institutes are granted at better conditions if the income can be anticipated. For both markets, the optimal turbine fit varies depending on the boundary conditions. High capacity factor turbines have been found to be a better fit if the developing company considers the IRR as focal financial metric. If the NPV is the focal metric, the results are less clear: While low capacity turbines are a better fit for sites with low revenues from electricity pricing and lower wind conditions, turbines with high rated power benefit from high and secured electricity pricing and high wind speeds where rated power is reached. The German EEG as a special case promotes installation of high capacity turbines due to high and constant revenues per MWh. While the overall Value Pool (payment per MWh of electricity) is higher for Germany, business cases in Sweden benefit from higher turbine lifetimes. / Vindkraft har under de senaste åren blivit en viktig leverantör av el på den europeiska marknaden. År 2020 var 13 % av elproduktionen på den europeiska kontinenten vindkraft (på land och till havs) och dessa andelar förväntas öka under de kommande åren på grund av orsaker som klimatförändringar och energisäkerhet. Även om en ökad andel förnybar el i elmixen har många fördelar, kommer den också med utmaningar. En av dessa utmaningar är elmarknadens utformning och de uttagsmekanismer som tillämpas. Om de nationella utbyggnadsmålen för vindkraft ska kunna uppnås måste vindkraftverken vara lönsamma och därmed utgöra en attraktiv och konkurrenskraftig investering. Om vindkraftsparkerna drivs inom det rådande merit order-systemet, där den energikälla som har högst marginalkostnad sätter elpriset, finns det risk för låga eller till och med negativa intäkter vid tillfällen med mycket vind eller solinstrålning. De oförutsägbara och potentiellt låga intäkterna leder också till sämre villkor för finansiering av vindkraftsprojekt, vilket resulterar i höga finansieringskostnader. För att motverka denna utmaning har flera regeringar inrättat politiska ramverk och subventioner och ägare av vindkraftsparker har infört olika uppköpsmekanismer såsom PPA (Power Purchase Agreement) med betalning efter produktion och PPA för basbelastning. Dessutom säkrar många operatörer sina tillgångar, vilket innebär att riskerna minskas genom användning av olika upptagningsmekanismer. Målet var att utvärdera hur utformningen av marknader och upptag samt deras respektive prisnivå och förutsägbarhet påverkar den bästa turbinanpassningen i Nord- och Centraleuropa. För att komma fram till ett svar har representativa marknader inom regionen valts ut och karakteriserats, nämligen Tyskland och Sverige. Två olika turbintyper, en med låg kapacitetsfaktor men hög nominell effekt och en med lägre nominell effekt men hög kapacitetsfaktor, har undersökts på dessa marknader för att utvärdera vilken turbintyp som presterar bättre. En tredje turbintyp som är ett nytt koncept i teknikdemonstratorstadiet har lagts till i studien för att bedöma dess prestanda jämfört med de befintliga turbinerna. Utvärderingen har utförts i form av en användningsfallsanalys och en känslighetsstudie. Slutligen har resultaten jämförts och generaliserats till viktiga slutsatser som kan överföras till andra marknader i regionen Nord- och Centraleuropa. Studien visar att olika marknadsegenskaper och uppköpsmekanismer påverkar valet av turbin och vilken turbin som passar bäst. Viktiga faktorer som har hittats i denna forskning är det viktigaste finansiella måttet (NPV och IRR), marknadsbegränsningar som spetshöjd eller nätbegränsningar, och uppköpsmekanismer och förutsägbarheten av intäkter som kommer med uppköpet. De viktigaste faktorerna som påverkar valet av vindkraftverk och som kan kopplas till avsättningsmekanismer är den betalning som erhålls per enhet el och den säkerhetsnivå som följer med avsättningsmekanismen. Konstanta inkomster förbättrar finansieringsvillkoren, vilket innebär att resurser från kreditinstitut beviljas på bättre villkor om inkomsterna kan förutses. För båda marknaderna varierar den optimala turbinpassningen beroende på gränsvillkoren. Turbiner med hög kapacitet har visat sig passa bättre om utvecklingsföretaget betraktar internräntan som ekonomiska nyckeltal. Om NPV är det centrala måttet är resultaten mindre tydliga: Medan turbiner med låg kapacitet passar bättre för platser med låga intäkter från elpriser och lägre vindförhållanden, gynnas turbiner med hög nominell effekt av höga och säkra elpriser och höga vindhastigheter där nominell effekt uppnås. Det tyska EEG är ett specialfall som främjar installation av turbiner med hög kapacitet på grund av höga och konstanta intäkter per MWh. Medan den totala värdepoolen (betalning per MWh el) är högre för Tyskland, gynnas affärsfall i Sverige av högre livslängd för turbinerna.

Due to the increase of rotor size in horizontal axis wind turbine (HAWT) during the past 25 years in order to achieve higher power output, all wind turbine components and blades in particular, have to withstand higher structural loads. This upscalingproblem could be solved by applying technologies capable of reducing aerodynamic loads the rotor has to withstand, either with passive or active control solutions. These control devices and techniques can reduce the fatigue load upon the blades up to 40% and therefore less maintenance is needed, resulting in an important money savings for the wind farm manager. This project consists in a study of load control techniques for offshore wind turbines from an aerodynamic and aeroelastic point ofview, with the aim to assess a cost effective, robust and reliable solution which could operate maintenance free in quite hostile environments. The first part of this study involves 2D and 3D aerodynamic and aeroelastic simulations to validate the computational model with experimental data and to analyze the interaction between the fluid and the structure. The second part of this study is an assessment of the unsteady aerodynamic loads produced by a wind gust over the blades and to verify how a trailing edge flap would influence the aerodynamic control parameters for the selected wind turbine blade. / På grund av ökningen av rotorstorleken hos horisontella vindturbiner (HAWT) under de senaste 25 åren, en design som har uppstod för att uppnå högre effekt, måste alla vindkraftkomponenter och blad stå emot högre strukturella belastningar. Detta uppskalningsproblem kan lösas genom att använda metoder som kan minska aerodynamiska belastningar som rotorn måste tåla, antingen med passiva eller aktiva styrlösningar. Dessa kontrollanordningar och tekniker kan minska utmattningsbelastningen på bladen med upp till 40 % och därför behövs mindre underhåll, vilket resulterar i viktiga besparingar för vindkraftsägaren. Detta projekt består av en studie av lastkontrolltekniker för havsbaserade vindkraftverk ur en aerodynamisk och aeroelastisk synvinkel, i syfte att bedöma en kostnadseffektiv, robust och pålitlig lösning som kan fungera underhållsfri i tuffa miljöer. Den första delen av denna studie involverar 2D- och 3D-aerodynamiska och aeroelastiska simuleringar för att validera beräkningsmodellen med experimentella data och för att analysera interaktionen mellan fluiden och strukturen. Den andra delen av denna studie är en bedömning av de ojämna aerodynamiska belastningarna som produceras av ett vindkast över bladen och för att verifiera hur en bakkantklaff skulle påverka de aerodynamiska styrparametrarna för det valda vindturbinbladet.

L'objectif de cette thèse est de proposer l'approche la plus appropriée afin de minimiser le coût d'intégration de petite éolienne dans un micro-réseau DC urbain. Une petit éolienne basé sur un machine synchrone à aimant permanent (MSAP) est considéré à étudier. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, micro-réseau DC, et la production d'énergie éolienne, est fait. Comme le capteur mécanique de cette structure est relativement d'un coût élevé, les différents types de contrôle pour un système de conversion éolienne sont présentés afin de choisir une structure active de conversion d'énergie et un MSAP sans capteur. Par conséquent, un estimateur de vitesse/position est nécessaire pour contrôler le système. Ainsi, les méthodes différentes proposées dans la littérature sont considérées et classifiées à étudier dans les détails, puis les plus efficaces et largement utilisés sont à vérifier dans la simulation et expérimentalement pour le système étudié. Les méthodes choisies sont: estimation de la flux de rotor avec boucle à verrouillage de phase (PLL), observateur à mode glissement (SMO), observateur de Luenberger d'ordre réduit, et filtre de Kalman étendu (EKF). Face à d'autres méthodes, l'estimateur basé sur un modèle EKF permet une commande sans capteur dans une large plage de vitesse et estime la vitesse de rotation avec une réponse rapide. Le réglage des paramètres EKF est le problème principal à sa mise en œuvre. Par conséquent, pour résoudre ce problème, la thèse présente une méthode adaptative, à savoir réglage-adaptatif d’EKF. En conséquence, et grâce à cette approche, le coût total du système de conversion est réduite et la performance est garantie et optimisée. / The aim of this thesis is to propose the most appropriate approach in order to minimize the cost of integration of a wind generator into a DC urban microgrid. A small-scale wind generator based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is considered to be studied. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and wind power generation is done. As the mechanical sensor for this structure is relatively of high cost, various types of wind conversion system control are presented in order to choose an energy conversion active structure and a sensorless PMSM. Therefore, a speed/position estimator is required to control the system. Thus, different methods proposed in literatures are considered and classified to be studied in details, and then the most effective and widely used ones are to be verified in simulation and experimentally for the studied system. The methods which are chosen are: rotor flux estimation with phase locked loop (PLL), sliding mode observer (SMO), Luenberger observer of reduced order, and extended Kalman filter (EKF). Facing to other methods, the EKF model-based estimator allows sensorless drive control in a wide speed range and estimates the rotation speed with a rapid response. The EKF parameters tuning is the main problem to its implementation. Hence, to solve this problem, the thesis introduces an adaptive method, i.e. adaptive-tuning EKF. As a result and grace to this approach, the total cost of conversion system is reduced and the performance is guaranteed and optimized.

Die Windenergie an Land (Onshore-Windenergie) ist neben der Photovoltaik eine der tragenden Säulen der Energiewende in Deutschland. Wie schon in der Vergangenheit wird auch zukünftig der Ausbau der Onshore-Windenergie, mit dem Ziel eine umweltgerechte und sichere Energieversorgung für zukünftige Generationen aufzubauen, durch die Politik massiv vorangetrieben. Für eine planvolle Umsetzung der Energiewende, insbesondere im Bereich der Windenergie, müssen Kenntnisse über den zur Verfügung stehenden Raum und der Wirkungsweise standortspezifischer Faktoren auf planungsrechtlicher Ebene vorhanden sein. In der vorliegenden Arbeit wurde die Region Deutschland auf das für dieWindenergie an Land nutzbare Flächenpotenzial analysiert, von diesem allgemein gültige Energiepotenziale abgeleitet und in einer Sensitivitätsanalyse die Einflüsse verschiedener Abstände zwischen den Windenergieanlagen und Siedlungsstrukturen auf das ermittelte Energiepotenzial untersucht. Des Weiteren wurden für die beobachteten Zusammenhänge zwischen den Distanz- und Energiepotenzialänderungen mathematische Formeln erstellt, mit deren Hilfe eine Energiepotenzialänderung in Abhängigkeit von spezifischen Siedlungsdistanzänderungen vorhersagbar sind. Die Analyse des Untersuchungsgebiets (USG) hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Flächenpotenzials wurde anhand eines theoretischen Modells, welches die reale Landschaft mit ihren unterschiedlichen Landschaftstypen und Infrastrukturen widerspiegelt, umgesetzt. Auf Basis dieses Modells wurden so genannte „Basisflächen“ sowie für die Onshore-Windenergie nicht nutzbare Flächen (Tabu- oder Ausschlussflächen) identifiziert und mittels einer GIS-Software (Geographisches Informationssystem) verschnitten. Die Identifizierung der Ausschlussflächen erfolgte über regionalisierte beziehungsweise im gesamten USG geltende multifaktorielle Bestimmungen für die Platzierung von Windenergieanlagen (WEA). Zur Gewährleistung einer einheitlichen Konsistenz wurden die verschiedenen Regelungen, welche aus den unterschiedlichsten Quellen stammen, vereinheitlicht, vereinfacht und in einem so genannten „Regelkatalog“ festgeschrieben. Die Berechnung des im USG maximal möglichen Energiepotenzials erfolgte durch eine Referenzanlage, welche im USG räumlich verteilt platziert wurde. Die Energiepotenziale (Leistungs- und Ertragspotenzial) leiten sich dabei aus der Kombination der räumlichen Lage der WEA, den technischen Leistungsspezifikationen der Referenzanlage und dem regionalem Windangebot ab. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für die Berechnung der Energiepotenziale lag in der im Vorfeld durchzuführenden Windenergieanlagenallokation auf den Potenzialflächen begründet. Zu diesem Zweck wurde die integrierte Systemlösung „MAXPLACE“ entwickelt. Mit dieser ist es möglich, WEA unter Berücksichtigung von anlagenspezifischen, wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Aspekten in einzelnen oder zusammenhängenden Untersuchungsregionen zu platzieren. Im Gegensatz zu bereits bestehenden Systemlösungen (Allokationsalgorithmen) aus anderen Windenergie-Potenzialanalysen zeichnet sich die integrierte Systemlösung „MAXPLACE“ durch eine sehr gute Effizienz, ein breites Anwendungsspektrum sowie eine einfache Handhabung aus. Der Mindestabstand zwischen den WEA und den Siedlungsstrukturen stellt den größten Restriktionsfaktor für das ermittelte Energiepotenzial dar. Zur Bestimmung der Einflussnahme von Siedlungsdistanzänderungen auf das Energiepotenzial wurde mit Hilfe des erstellten Landschaftsmodells eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. In dieser wurden die vorherrschenden Landschafts- und Infrastrukturen analysiert und daraus standortbeschreibende Parameter abgeleitet. Neben der konkreten Benennung der Energiepotenzialänderungen, wurden für das gesamte USG mathematische Abstraktionen der beobachteten Zusammenhänge in Form von Regressionsformeln ermittelt. Diese Formeln ermöglichen es, ohne die in dieser Arbeit beschriebene aufwendige Methodik nachzuvollziehen, mit nur wenigen Parametern die Auswirkungen einer Siedlungsdistanzänderung auf das Energiepotenzial innerhalb des Untersuchungsgebiets zu berechnen.