KR102540822B1 - Real-time power optimization method for wind farm and apparatus performing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 풍력 발전 단지(WF)의 실시간 전력 최적화 방법은, 상기 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 상기 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집하는 단계; 상기 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, 상기 WT를 노드로, 상기 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계; 기정의된 적응형 가지치기 알고리즘을 이용해 상기 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계; 및 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프에 따른 네트워크 토폴로지에 따라 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 기정의된 비중앙 집중형 최적화 솔루션을 적용하는 단계;를 포함한다.A method for real-time power optimization of a wind farm (WF) according to the present invention includes collecting parameters for the plurality of WTs, which are associated with the output power of the wind farm; Generating a wake weight coefficient matrix numerically representing the wake effect acting on each other of the plurality of WTs and a unique wake direction graph representing the wake effect acting on each other with the WTs as nodes and direction lines. ; performing a pruning process on the unique wake-directed graph using a predefined adaptive pruning algorithm to generate a pruned wake-directed graph in which subsets are completely separated; and applying a predefined decentralized optimization solution to independently control clustered subsets according to the network topology according to the pruned wake-directed graph.

Description

풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법 및 이를 수행하는 장치{REAL-TIME POWER OPTIMIZATION METHOD FOR WIND FARM AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}Real-time power optimization method of wind farm and apparatus performing the same

본 발명은 복수의 풍력 터빈들로 구성되는 풍력 발전 단지의 전력 생산 및 계산 속도를 최대화시킬 수 있는 실시간 전력 최적화 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a real-time power optimization technique capable of maximizing the power generation and calculation speed of a wind farm composed of a plurality of wind turbines.

다수의 풍력 터빈으로 구성되는 풍력 발전 단지는 후류(wake) 효과의 영향으로 인해 최대 전력을 확보하는데 한계가 있다. 보다 구체적으로, 하류에 위치하는 풍력 터빈은 상류의 풍력 터빈에 의한 풍속 결손으로 자유 스트림에서 작동했을 때보다 적은 전력을 생산할 수 있다. 이러한 후류 효과는 풍력 발전 단지의 출력 전력에 많은 영향을 미치고 있다. Wind farms composed of a plurality of wind turbines have limitations in securing maximum power due to the influence of a wake effect. More specifically, wind turbines located downstream can produce less power than when operating in a free stream due to wind speed deficits with upstream wind turbines. This wake effect has a great influence on the output power of wind farms.

이러한 후류 효과를 대응한 다양한 최적화 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 종래 기술의 경우 전력 생산량 및 계산 속도 측면에서 한계가 있으며, 특히 변동하는 바람 조건 등에 대응하여 실시간으로 최적의 제어를 수행하는 것은 불가능한 상황이다. Various optimization techniques to cope with this wake effect have been proposed. However, in the case of the prior art, there are limitations in terms of power output and calculation speed, and in particular, it is impossible to perform optimal control in real time in response to fluctuating wind conditions.

한국공개특허 10-2013-0039156호Korean Patent Publication No. 10-2013-0039156

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 전력 생산량 및 계산 속도를 최대화할 수 있는 동시에, 변동하는 대기 조건에 대응하여 실시간으로 최적 제어를 가능케 하는, 풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법 및 이를 수행하는 장치를 제공하고자 한다. The present invention was derived to solve the above-described problems, and a real-time power optimization method of a wind farm, which can maximize power output and calculation speed, and enable optimal control in real time in response to fluctuating atmospheric conditions, and It is intended to provide a device that performs this.

본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 풍력 터빈(WT)들을 포함하여 구성되는 풍력 발전 단지(WF)의 실시간 전력 최적화 방법은, 상기 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 상기 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집하는 단계; 상기 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, 상기 WT를 노드로, 상기 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계; 기정의된 적응형 가지치기 알고리즘을 이용해 상기 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계; 및 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프에 따른 네트워크 토폴로지에 따라 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 기정의된 비중앙 집중형 최적화 솔루션을 적용하는 단계;를 포함한다.According to one aspect of the present invention, a method for real-time power optimization of a wind farm (WF) comprising a plurality of wind turbines (WTs) includes: Collecting parameters for; Generating a wake weight coefficient matrix numerically representing the wake effect acting on each other of the plurality of WTs and a unique wake direction graph representing the wake effect acting on each other with the WTs as nodes and direction lines. ; performing a pruning process on the unique wake-directed graph using a predefined adaptive pruning algorithm to generate a pruned wake-directed graph in which subsets are completely separated; and applying a predefined decentralized optimization solution to independently control clustered subsets according to the network topology according to the pruned wake-directed graph.

일 실시예에서, 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계는, 기정의된 임계값을 일정 값만큼 변화시키며 상기 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기 프로세스를 수행하되, 하위 집합들간 공유 터빈 없이 하위 집합들이 완전히 분리될 때까지 상기 가지치기 프로세스를 수행할 수 있다.In one embodiment, the generating of the pruned wake direction graph may include changing a predefined threshold by a predetermined value and performing a pruning process on the wake direction graph, but without a shared turbine between the subsets. The pruning process may be performed until they are completely separated.

일 실시예에서, 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계는, 하위 집합들을 완전히 분리시킬 수 있는 복수의 임계값들을 도출하는 단계; 상기 도출된 임계값들에 따라 가지치기된 웨이크 방향 그래프 각각에 대하여 전력 생산량 정보 및 계산 속도 정보를 산출하는 단계; 상기 산출된 전력 생산량 결과 정보 및 계산 속도 결과 정보에 기초하여, 상기 도출된 임계값들 중 최적 임계값을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최적의 임계값을 이용하여 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment, generating the pruned wake directed graph may include deriving a plurality of threshold values capable of completely separating subsets; calculating power generation information and calculation speed information for each pruned wake direction graph according to the derived threshold values; determining an optimal threshold value among the derived threshold values based on the calculated power generation result information and calculation speed result information; and generating the pruned wake direction graph using the determined optimal threshold.

일 실시예에서, 상기 최적 임계값을 결정하는 단계는, 상기 도출된 임계값들 중, 기설정된 기준 전력 생산량 값을 초과하며, 가장 높은 계산 속도를 나타내는 임계값을 최적 임계값으로 결정할 수 있다.In an embodiment, in the determining of the optimal threshold value, among the derived threshold values, a threshold value exceeding a predetermined reference power generation value and exhibiting the highest calculation speed may be determined as the optimal threshold value.

일 실시예에서, 상기 비중앙 집중형 최적화 솔루션은, 상기 WF의 출력 전력을 최대화하는 WT의 요 각도 및 축 계수 각각에 대한 최적화 값을 포함하며, 기정의된 최적화 알고리즘에 의해 도출되되, 상기 최적화 알고리즘은, BAS(beetle antennae search) 알고리즘에 몬테 카를로 법칙(MC, Monte Carlo law) 법칙이 임베디드된 MC-BAS 알고리즘에 해당할 수 있다. In one embodiment, the decentralized optimization solution includes optimization values for each of the yaw angle and axial coefficient of the WT that maximizes the output power of the WF, and is derived by a predefined optimization algorithm, wherein the optimization The algorithm may correspond to an MC-BAS algorithm in which a Monte Carlo law (MC) law is embedded in a beetle antennae search (BAS) algorithm.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 복수의 풍력 터빈(WT)들을 포함하여 구성되는 풍력 발전 단지(WF)의 최적화를 위한, 풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 장치는, 상기 복수의 WT들 사이의 웨이크 상호 작용에 따른 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 상기 웨이크 방향 그래프에 기초하여 상기 복수의 WT들의 네트워크 토폴로지를 결정하는 네트워크 토폴로지 결정부; 및 상기 결정된 네트워크 토폴로지에 따라, 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 기정의된 비중앙집중형 최적화 솔루션을 적용하는 전력 조정 최적화부;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, an apparatus for real-time power optimization of a wind farm for optimizing a wind farm (WF) including a plurality of wind turbines (WTs) includes wake between the plurality of WTs. a network topology determination unit generating a wake direction graph according to interactions and determining a network topology of the plurality of WTs based on the wake direction graph; and a power adjustment optimization unit applying a predefined non-centralized optimization solution to independently control the clustered subsets according to the determined network topology.

여기에서, 상기 네트워크 토폴로지 결정부는, 상기 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 상기 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집하고, 상기 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, 상기 WT를 노드로, 상기 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 기정의된 적응형 가지치기 알고리즘을 이용해 상기 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 상기 생성된 가지치기된 웨이크 방향 그래프에 기초하여 상기 복수의 WT들에 대한 네트워크 토폴로지를 결정한다.Here, the network topology determination unit collects parameters for the plurality of WTs associated with the output power of the wind farm, and wake weighting that numerically represents a wake effect acting on each other among the plurality of WTs. A coefficient matrix and a unique wake direction graph representing the WT as a node and the wake influence acting on each other as a direction line are generated, and a branch for the unique wake direction graph is generated using a predefined adaptive pruning algorithm. A pruning process is performed to generate a pruned wake directed graph in which subsets are completely separated, and a network topology for the plurality of WTs is determined based on the generated pruned wake directed graph.

본 발명은, 적응형 가지치기 알고리즘을 이용해 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하여 하위 집합들이 완전히 분리된 네트워크 토폴리지를 결정하고, 결정된 네트워크 토폴로지에 따라, 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하는 비중앙집중형 최적화 솔루션을 적용함으로써, 전력 생산량 및 계산 속도를 최대화할 수 있는 동시에, 변동하는 대기 조건에 대응하여 실시간으로 최적 제어를 가능케 한다. The present invention determines a network topology in which subsets are completely separated by generating a pruned wake-directed graph using an adaptive pruning algorithm, and independently controls the clustered subsets according to the determined network topology. By applying a centralized optimization solution, it is possible to maximize power generation and calculation speed, while enabling optimal control in real time in response to fluctuating atmospheric conditions.

도 1 내지 11은 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법을 설명하기 위한 참조도이다.
도 12는 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
1 to 11 are reference views for explaining a real-time power optimization method of a wind farm according to the present invention.
12 is a block diagram illustrating an apparatus for optimizing real-time power of a wind farm according to the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 서설1. Introduction

WF(wind farm) 제어 전략은, 생산 전력의 증가, 터빈의 수명 개선, 에너지 그리드 통합을 개선하기 위한 전력 기준 신호 추적(power reference signals) 등 다양한 목표를 달성하는 데 사용될 수 있다. 최근 대규모 WF을 위한 전력 생산 최적화 및 제어에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 비선형 최적화 알고리즘을 실시간으로 구현하고 변동하는 대기 및 터빈 조건에 대응하는데 한계가 있다. WF의 규모가 커짐에 따라 종래의 중앙 집중형 최적화 기술(centralized optimization techniques)은 활용되기 어렵다. 이에, 최적화를 수행하고 온라인 계산 시간을 최소화하기 위해 효율적인 비중앙 집중형 비선형 최적화 알고리즘(non-centralized nonlinear optimization algorithms)이 필요하다 할 것이다.Wind farm (WF) control strategies can be used to achieve a variety of goals, such as increasing production power, improving the lifetime of turbines, and tracking power reference signals to improve energy grid integration. Recently, research on power generation optimization and control for large-scale WF is being conducted. However, there are limitations in real-time implementation of nonlinear optimization algorithms and in responding to fluctuating atmospheric and turbine conditions. As the scale of WF increases, conventional centralized optimization techniques are difficult to utilize. Therefore, efficient non-centralized nonlinear optimization algorithms are needed to perform optimization and minimize online computation time.

대규모 WF의 경우 통신 부담이 매우 크다. 이러한 부담을 줄이기 위해서는 효율적인 비중앙 집중형 클러스터링 접근법이 필요하며, 이를 통해 대규모 WF을 더 작은 그룹 또는 여러 개의 독립적인 터빈 하위 집합으로 분할할 수 있다. 여기에서, 각 그룹은 하위 집합의 터빈에 한정하여 통신하는 로컬 컨트롤러에 연결된다. 통신 구조는 이웃 그룹으로 확장될 수 있으나, 이 때 효과적인 터빈 클러스터링 방법론이 필요하다. 클러스터링 방법론에 관한 종래 연구로서, 물리적 거리를 고려한 클러스터링 방법과, 터빈에 의해 유도된 다운스트림 속도 계수에 기초한 클러스터링 방법 등 다양한 방법론이 제안된 바 있다. 그러나 이러한 종래의 연구들은 특정 풍향 문제만 해결할 수 있을 뿐 복잡한 풍향 문제를 효과적으로 처리할 수 없었다. 이에, 웨이크 효과를 고려한 보다 효율적인 클러스터링 방법론이 필요하다.In the case of a large-scale WF, the communication burden is very high. To reduce this burden, an efficient decentralized clustering approach is required, through which large WFs can be partitioned into smaller groups or multiple independent subsets of turbines. Here, each group is connected to a local controller that communicates only to a subset of the turbines. The communication structure can be extended to neighboring groups, but in this case, an effective turbine clustering methodology is required. As a prior study on clustering methodologies, various methodologies such as a clustering method considering physical distance and a clustering method based on a downstream velocity coefficient induced by a turbine have been proposed. However, these conventional studies could only solve a specific wind direction problem and could not effectively deal with a complicated wind direction problem. Accordingly, a more efficient clustering methodology considering the wake effect is required.

또 다른 중요한 측면은 비선형 및 비콘벡스 문제(nonlinear and non-convex problems)에 대한 효율적인 최적화 알고리즘을 제안하는 것이다. WF 제어와 최적화 문제는 비콘벡스 문제이다. 이에, 경사도 기반 최적화(gradient-based optimization) 방법은 국소 최적화 수렴(local optima convergence)으로 인해 어려움이 있으며, 해(solution)는 초기 추측의 영향을 받는다. 이와 관련하여 EA(Evolutionary Algorithms), PSO(Particle swarm optimization), GA(genetic algorithm) 등 다양한 알고리즘이 제안된 바 있으나, 이러한 종래의 연구들은 실시간 최적화를 수행하는데 한계가 있었다.Another important aspect is to propose an efficient optimization algorithm for nonlinear and non-convex problems. WF control and optimization problems are non-convex problems. Thus, the gradient-based optimization method has difficulty due to local optima convergence, and the solution is affected by the initial guess. In this regard, various algorithms such as evolutionary algorithms (EA), particle swarm optimization (PSO), and genetic algorithm (GA) have been proposed, but these conventional studies have limitations in performing real-time optimization.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 보다 개선된 비중앙 집중형 전력 최적화 방법(decentralized power optimization scheme)을 제안하고자 한다. 특히, 본 발명은 계산 성능을 향상시키고 발전 생산량을 극대화하기 위해 BAS(beetle antennae search)라고 명명한 지능형 알고리즘을 제안한다. 이를 위해, 통신 이웃 터빈으로 구성된 하위 세트를 클러스터링하기 위해 희소화된 웨이크 방향 그래프(sparse wake digraph)를 정의하며, 비콘벡스 전력 최적화 문제를 해결하기 위해 희소 통신 네트워크 토폴로지(sparse communication network topology)를 기반으로 하는 MC-BAS 최적화 알고리즘을 제안한다.The present invention has been made to solve this problem, and proposes a more improved decentralized power optimization scheme. In particular, the present invention proposes an intelligent algorithm named BAS (beetle antennae search) to improve calculation performance and maximize power generation output. To this end, we define a sparse wake digraph to cluster subsets composed of communicating neighbor turbines, and based on the sparse communication network topology to solve the beaconvex power optimization problem. We propose an MC-BAS optimization algorithm with

이하에서는, 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 조정 최적화 기술에 대하여 도면 및 수식 등을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the tuning and optimization technology of a wind farm according to the present invention will be described in more detail with reference to drawings and equations.

2. 요 각도를 고려한 가우시안 기반 웨이크 모델(Gaussian-based wake model)2. Gaussian-based wake model considering yaw angle

적응형 웨이크 방향 그래프(adaptive wake digraphs)를 생성하기 위하여 터빈에 의한 웨이크 분포를 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 이하에서는, 웨이크 방향 제어를 위해 WF 전력 최적화에 사용되는 축 계수(axial factor) 및 요 각도(yaw angle)를 고려한 WT(wind turbine) 웨이크 모델에 대해 설명한다. WT 웨이크 모델은 웨이크 결손(deficit), 웨이크 편향(deflection), 웨이크 조합(combination) 및 난류(turbulence) 모델을 포함하여 구성될 수 있으며, 웨이크 오버랩 면적, 하류 터빈의 유입 풍속, 전력 생산 및 추력 부하를 계산하는 모델도 포함될 수 있다.It is important to accurately determine the wake distribution by turbines in order to generate adaptive wake digraphs. Hereinafter, a wind turbine (WT) wake model considering an axial factor and a yaw angle used for optimizing WF power for wake direction control will be described. The WT wake model can be configured including wake deficit, wake deflection, wake combination and turbulence models, including wake overlap area, downstream turbine inlet wind speed, power production and thrust load. A model that calculates may also be included.

웨이크의 속도 결손은, 자기 유사성 이론(self-similarity theory)에 기초하고 자유 전단 흐름(free shear flows)에 종종 사용되는, 가우시안 웨이크 모델을 가정하여 계산될 수 있다. 먼 웨이크(far wake)에서 터빈 후측의 3차원 속도 결손에 대한 해석식은 단순화된 나비에-스토크스 식(Navier-Stokes equations)을 통해 도출될 수 있다.Wake's rate deficit can be calculated assuming a Gaussian wake model, which is based on self-similarity theory and is often used for free shear flows. The analytical equation for the 3-dimensional velocity deficit at the rear of the turbine at the far wake can be derived through simplified Navier-Stokes equations.

[식 (1)][Equation (1)]

Figure 112021109649062-pat00001
Figure 112021109649062-pat00001

여기에서, V는 웨이크에서의 속도,

Figure 112021109649062-pat00002
는 WF에서의 자유 스트림 유입 풍속, x는 유동 방향, y는 가로 방향,
Figure 112021109649062-pat00003
는 웨이크 중심선, z는 수직 방향,
Figure 112021109649062-pat00004
는 허브 높이,
Figure 112021109649062-pat00005
는 y 방향에서의 웨이크 확장(expansion),
Figure 112021109649062-pat00006
는 z방향에서의 웨이크 확장, C는 웨이크 중심에서의 속도 결손이다.where V is the velocity at wake,
Figure 112021109649062-pat00002
is the free stream inlet wind speed in the WF, x is the flow direction, y is the transverse direction,
Figure 112021109649062-pat00003
is the wake centerline, z is the vertical direction,
Figure 112021109649062-pat00004
is the hub height,
Figure 112021109649062-pat00005
is the wake expansion in the y direction,
Figure 112021109649062-pat00006
is the wake extension in the z direction, and C is the velocity deficit at the center of the wake.

도 1은 두 개 터빈의 웨이크 방향 제어에 대한 예시이다. 여기에서,

Figure 112021109649062-pat00007
는 상류 터빈 i의 요 각도,
Figure 112021109649062-pat00008
는 편향 각도(deflection angle),
Figure 112021109649062-pat00009
는 웨이크 편향(wake deflection)을 나타낸다. 한편, 검은 색 점선은 비 기울임 상태(non-yawed conditions)에서 상류 터빈의 웨이크를 나타내고, 붉은 선은 기울임 상태(yawed conditions)에서 상류 터빈 j의 웨이크를 나타낸다.1 is an example of wake direction control of two turbines. From here,
Figure 112021109649062-pat00007
is the yaw angle of the upstream turbine i,
Figure 112021109649062-pat00008
is the deflection angle,
Figure 112021109649062-pat00009
represents a wake deflection. On the other hand, the black dotted line represents the wake of the upstream turbine in non-yawed conditions, and the red line represents the wake of the upstream turbine j in the yawed condition.

웨이크 편향은 웨이크를 하류 터빈에서 다른 곳으로 리디렉션하는데 활용된다. 웨이크 편향각과 요 비정렬(yaw misalignment)의 관계는 다음와 같이 정의될 수 있다.Wake deflection is utilized to redirect wakes from downstream turbines. The relationship between the wake deflection angle and yaw misalignment can be defined as follows.

[식 (2)][Equation (2)]

Figure 112021109649062-pat00010
Figure 112021109649062-pat00010

여기에서,

Figure 112021109649062-pat00011
는 터빈의 요 각도,
Figure 112021109649062-pat00012
는 추력 계수와 발전기 토크,
Figure 112021109649062-pat00013
는 초기 웨이크 편향을 나타낸다.
Figure 112021109649062-pat00014
와 근거리 웨이크(near wake)의 거리
Figure 112021109649062-pat00015
Figure 112021109649062-pat00016
간의 관계는 다음과 같이 정의될 수 있다.From here,
Figure 112021109649062-pat00011
is the yaw angle of the turbine,
Figure 112021109649062-pat00012
is the thrust factor and generator torque,
Figure 112021109649062-pat00013
denotes the initial wake deflection.
Figure 112021109649062-pat00014
and the distance of the near wake
Figure 112021109649062-pat00015
and
Figure 112021109649062-pat00016
The relationship between them can be defined as:

[식 (3)][Equation (3)]

Figure 112021109649062-pat00017
Figure 112021109649062-pat00017

터빈 모델은 풍속, 팁 속도 비율(tip speed ratio), 블레이드 피치 각도에 기초하는 동력 계수(power coefficient)

Figure 112021109649062-pat00018
와 추력 계수(thrust coefficient)
Figure 112021109649062-pat00019
로 구성된다. 본 발명에서,
Figure 112021109649062-pat00020
Figure 112021109649062-pat00021
곡선은 FAST와 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 5MW 터빈에 대한 적합 데이터(fitting data)를 형성하는데 사용되었다.The turbine model provides a power coefficient based on wind speed, tip speed ratio, and blade pitch angle.
Figure 112021109649062-pat00018
and thrust coefficient
Figure 112021109649062-pat00019
consists of In the present invention,
Figure 112021109649062-pat00020
and
Figure 112021109649062-pat00021
The curves were used to form fitting data for FAST and the National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5 MW turbine.

[식 (4)][Equation (4)]

Figure 112021109649062-pat00022
Figure 112021109649062-pat00022

여기에서,

Figure 112021109649062-pat00023
는 발전기 효율,
Figure 112021109649062-pat00024
는 공기 밀도,
Figure 112021109649062-pat00025
는 로터 스윕 영역(swept area),
Figure 112021109649062-pat00026
는 요 비정렬의 보정 계수,
Figure 112021109649062-pat00027
는 요각,
Figure 112021109649062-pat00028
는 식 (1)을 통해 계산되는 유효 풍속을 나타낸다. 식 (1) 내지 (4)에 표현된 바와 같이, 생산 전력은 축 계수
Figure 112021109649062-pat00029
와 요각
Figure 112021109649062-pat00030
을 조정함으로써 최적화될 수 있다.From here,
Figure 112021109649062-pat00023
is the generator efficiency,
Figure 112021109649062-pat00024
is the air density,
Figure 112021109649062-pat00025
is the rotor sweep area,
Figure 112021109649062-pat00026
is the correction factor for yaw misalignment,
Figure 112021109649062-pat00027
is the yaw,
Figure 112021109649062-pat00028
represents the effective wind speed calculated through equation (1). As expressed in equations (1) to (4), the produced power is the axial coefficient
Figure 112021109649062-pat00029
with yaw
Figure 112021109649062-pat00030
can be optimized by adjusting

3. WF의 분리 토폴리지(decoupled topology)3. Decoupled topology of WF

대규모 WF는 가중치(weight)에 기초하여 적어도 하나의 하위 집합으로 분리될 수 있다. 하위 집합을 결정하는 방법으로 가장 가까운 물리적 이웃의 연결, K-평균 알고리즘(K-means algorithms), k-중간 클러스터링 알고리즘(k-Median clustering algorithm)이 있다. 본 발명에서, 클러스터링 지수(clustering index)는 부분적 또는 전체일 수 있는 터빈들

Figure 112021109649062-pat00031
간 강도의 크기이다. 대규모 WF는 여러 개의 분리된 하위 집합으로 정의될 수 있다. 이하에서는 두 가지 항목으로 분류하여 설명한다. 웨이크 상호작용이 있는 WF에 대한 적응형 웨이크 방향 그래프(adaptive wake digraphs)를 얻는 방법과, 출력 전력 최적화를 위한 축 유도 및 요 제어 조치 기반의 비중앙 집중형 제어 전략(decentralized control strategy)이다. 이러한 제어 전략은 도 2와 같이 요약될 수 있다.A large-scale WF may be separated into at least one subset based on a weight. Methods for determining subsets include the connection of nearest physical neighbors, K-means algorithms, and k-Median clustering algorithms. In the present invention, turbines whose clustering index can be partial or full.
Figure 112021109649062-pat00031
is the magnitude of the liver strength. A large WF can be defined as several disjoint subsets. Hereinafter, two items are classified and described. A method for obtaining adaptive wake digraphs for WF with wake interaction and a decentralized control strategy based on axis guidance and yaw control measures for output power optimization. This control strategy can be summarized as shown in FIG. 2 .

3.1. WF의 고유 웨이크 방향 그래프(original wake graph)3.1. WF's original wake graph

WF에 N개의 터빈이 있다고 가정할 때, 웨이크 분포는 고유 가중 방향 그래프(original weighted directed graph)로 설명될 수 있다. 이하에서는, 고유 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00032
를 구성하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.Assuming there are N turbines in WF, the wake distribution can be described as an original weighted directed graph. In the following, the eigenwake directed graph
Figure 112021109649062-pat00032
The method of configuring is described in detail.

(정의 1) 고유 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00033
을 정의한다. 여기에서, 꼭지점
Figure 112021109649062-pat00034
은 터빈을 나타내고, 에지
Figure 112021109649062-pat00035
는 상류 터빈과 하류 터빈간 웨이크 분포를 나타내며,
Figure 112021109649062-pat00036
는 두 노드 사이 상호작용의 강도를 나타내기 위한 가중치(weight)로 사용될 수 있다. (Definition 1) eigenwake direction graph
Figure 112021109649062-pat00033
define Here, the vertex
Figure 112021109649062-pat00034
represents a turbine, and the edge
Figure 112021109649062-pat00035
Represents the wake distribution between the upstream and downstream turbines,
Figure 112021109649062-pat00036
may be used as a weight to indicate the strength of an interaction between two nodes.

[식 (5)][Equation (5)]

Figure 112021109649062-pat00037
Figure 112021109649062-pat00037

식 (5)에서

Figure 112021109649062-pat00038
는 음수가 아닌 값이다. 상류 터빈
Figure 112021109649062-pat00039
이 하류 터빈
Figure 112021109649062-pat00040
에 웨이크 효과를 발휘하는 경우,
Figure 112021109649062-pat00041
는 아래와 같은 수학식으로 표현될 수 있다.in equation (5)
Figure 112021109649062-pat00038
is a non-negative value. upstream turbine
Figure 112021109649062-pat00039
this downstream turbine
Figure 112021109649062-pat00040
In the case of exerting a wake effect on
Figure 112021109649062-pat00041
can be expressed in the following equation.

[식 (6)][Equation (6)]

Figure 112021109649062-pat00042
Figure 112021109649062-pat00042

식 (6)에서

Figure 112021109649062-pat00043
는 도 2에 표현되어 있으며, x는 상류 터빈과 하류 터빈 사이의 물리적 거리를 나타내고, D는 터빈 로터의 직경을 나타낸다. 한편, 제어 속도가 변화하는 웨이크 분포에 대응할 수 있을 만큼 충분히 높도록, 웨이크 분포는 제어 기간 동안 일정하게 유지되어야 한다는 점에 유의해야 한다.in equation (6)
Figure 112021109649062-pat00043
is represented in FIG. 2, where x represents the physical distance between the upstream and downstream turbines, and D represents the diameter of the turbine rotor. On the other hand, it should be noted that the wake distribution must remain constant during the control period so that the control speed is high enough to correspond to the changing wake distribution.

꼭지점(터빈)

Figure 112021109649062-pat00044
의 통신 이웃은
Figure 112021109649062-pat00045
로 표현된다.Vertex (Turbine)
Figure 112021109649062-pat00044
communication neighbors of
Figure 112021109649062-pat00045
is expressed as

Figure 112021109649062-pat00046
Figure 112021109649062-pat00047
사이의 공유 통신 이웃은
Figure 112021109649062-pat00048
로 표현되며, 여기에서, Ti는 WF에서의 터빈 번호를 의미한다.
Figure 112021109649062-pat00046
and
Figure 112021109649062-pat00047
Shared communication between neighbors is
Figure 112021109649062-pat00048
where Ti denotes the turbine number in WF.

3.2. 가지치기된(pruned) 적응형 웨이크 방향 그래프3.2. Pruned adaptive wake direction graph

대부분의 터빈에서, 한 터빈과 다른 터빈의 연결 정도(coupling degree)는 높거나 낮을 수 있다. 이에, 고유 웨이크 방향 그래프를 가지치기하여 가지치기된(또는 희소화된) 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00049
를 도출할 수 있다. For most turbines, the degree of coupling between one turbine and another can be high or low. Therefore, the pruned (or sparse) wake-directed graph by pruning the unique wake-directed graph.
Figure 112021109649062-pat00049
can be derived.

(정의 2) 가지치기된 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00050
를 정의한다. 여기에서, 가지치기된 에지
Figure 112021109649062-pat00051
Figure 112021109649062-pat00052
로 정의될 수 있다. (Definition 2) pruned wake directed graph
Figure 112021109649062-pat00050
define Here, the pruned edge
Figure 112021109649062-pat00051
Is
Figure 112021109649062-pat00052
can be defined as

[식 (7)][Equation (7)]

Figure 112021109649062-pat00053
Figure 112021109649062-pat00053

적응형 임계값(adaptive threshold)은

Figure 112021109649062-pat00054
로 정의되며, 여기에서, k는 하이퍼 파라미터이며,
Figure 112021109649062-pat00055
는 기본 임계값을 나타낸다. The adaptive threshold is
Figure 112021109649062-pat00054
is defined as, where k is a hyperparameter,
Figure 112021109649062-pat00055
represents the default threshold.

기본 임계값

Figure 112021109649062-pat00056
은 전체 웨이크 가중 계수의 기하학적 중위값(geometric median)으로 정의된다. 여기에서, 기하학적 중위값은,
Figure 112021109649062-pat00057
개의 포인트(
Figure 112021109649062-pat00058
)가 주어졌을 때 유클리드 거리(Euclidean distance)의 합을 최소화하는 값(
Figure 112021109649062-pat00059
)을 의미한다. default threshold
Figure 112021109649062-pat00056
is defined as the geometric median of the total wake weighting coefficients. Here, the geometric median is
Figure 112021109649062-pat00057
points (
Figure 112021109649062-pat00058
) is given, the value that minimizes the sum of Euclidean distances (
Figure 112021109649062-pat00059
) means.

[식 (8)][Equation (8)]

Figure 112021109649062-pat00060
Figure 112021109649062-pat00060

3.3. 터빈 클러스터링에 의한 WF의 분리 토폴리지3.3. Separation topology of WF by turbine clustering

분리 기술(decoupling technique)은 일반적인 통신 토폴로지에 필요하다. 그러나 가지치기 정도를 결정하는 방법론에 관한 선행 연구는 아직 활발하게 진행되고 있지 않다. 이와 관련하여, 본 발명은 최적의 하위 집합으로 분리할 수 있는 적절한 임계값을 도출하기 위한 적응형 가지치기 알고리즘을 제안하고자 한다.A decoupling technique is required for common communication topologies. However, prior research on the methodology for determining the degree of pruning has not yet been actively conducted. In this regard, the present invention proposes an adaptive pruning algorithm for deriving an appropriate threshold value capable of separating into optimal subsets.

풍향

Figure 112021109649062-pat00061
각각에 대한 희소 웨이크 방향 그래프
Figure 112021109649062-pat00062
에 기초하여 클러스터링 하위 집합
Figure 112021109649062-pat00063
이 정의될 수 있다. 주어진 풍향
Figure 112021109649062-pat00064
은 이에 대응하는 클러스터 하위 집합
Figure 112021109649062-pat00065
을 갖는다. 여기에서, M은 하위 집합의 수이다. WF의 레이아웃에 따라 고유 웨이크 방향 그래프
Figure 112021109649062-pat00066
를 구축하고, 터빈의 통신 이웃을 결정하기 위한 웨이크 가중 매트릭스
Figure 112021109649062-pat00067
를 계산한다. 여기에서, 도 3을 참조하여 가지치기된 적응형 웨이크 방향 그래프를 이용한 터빈 클러스터링 알고리즘에 대해 설명한다. wind direction
Figure 112021109649062-pat00061
Sparse wake directed graph for each
Figure 112021109649062-pat00062
Clustering subsets based on
Figure 112021109649062-pat00063
this can be defined. given wind direction
Figure 112021109649062-pat00064
is the corresponding subset of clusters
Figure 112021109649062-pat00065
have Here, M is the number of subsets. A unique wake direction graph according to the layout of the WF
Figure 112021109649062-pat00066
and the wake weighting matrix to determine the communication neighbors of the turbine
Figure 112021109649062-pat00067
Calculate Here, a turbine clustering algorithm using a pruned adaptive wake direction graph will be described with reference to FIG. 3 .

스텝 1 : WF의 레이아웃 (X, Y)에 기초하여, 풍향

Figure 112021109649062-pat00068
, 풍속
Figure 112021109649062-pat00069
, 터빈 간 거리 x, 반경 D,
Figure 112021109649062-pat00070
등 터빈과 관련된 파라미터를 수집 또는 결정한다.Step 1: Based on WF's layout (X,Y), wind direction
Figure 112021109649062-pat00068
, wind speed
Figure 112021109649062-pat00069
, the distance between the turbines x, the radius D,
Figure 112021109649062-pat00070
Collect or determine parameters related to the turbine.

스텝 2 : 희소성 정도 상대 오차(sparseness degree relative error)

Figure 112021109649062-pat00071
로 재학습(re-train)한다. 희소화 작업은 일부 에지를 제거할 수 있도록 특정 구조적 패턴이 있는 일부 파라미터에 대해 수행된다. Step 2: sparseness degree relative error
Figure 112021109649062-pat00071
Re-train with The sparsization operation is performed on some parameters with certain structural patterns so that some edges can be removed.

스텝 3 : 고유 웨이크 방향 그래프에 대해 가지치기 프로세스를 진행하여 가지치기된 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00072
를 도출한다.Step 3: Pruning the pruned wake-directed graph by performing a pruning process on the unique wake-directed graph.
Figure 112021109649062-pat00072
derive

스텝 4 : 웨이크 방향 그래프를 클러스터링한다. 여기에서, 각 하위 집합의 리드 터빈은 자유 스트림 속도

Figure 112021109649062-pat00073
를 경험하는 터빈으로 결정된다. 또한, 웨이크 방향 그래프
Figure 112021109649062-pat00074
의 연결 정보를 통해 리드 터빈의 통신 이웃을 결정하며, 여기에서, BFS(depth-first tree search) 알고리즘을 통해 동일한 하위 집합
Figure 112021109649062-pat00075
로 클러스터링되는 꼭지점을 찾을 수 있다. Step 4: Cluster the wake directed graph. Here, the lead turbines of each subset are free-stream velocities.
Figure 112021109649062-pat00073
is determined by the turbine experiencing Also, the wake directed graph
Figure 112021109649062-pat00074
The communication neighbors of the lead turbine are determined through the connection information of the same sub-set through the depth-first tree search (BFS) algorithm.
Figure 112021109649062-pat00075
You can find vertices clustered with .

스텝 5 : 만약 클러스터링된 하위 집합

Figure 112021109649062-pat00076
사이에 공유 셋
Figure 112021109649062-pat00077
가 존재하면, k의 값을 증가(
Figure 112021109649062-pat00078
)시켜 스텝 2로 회귀하고, 존재하지 않으면 스텝 6을 진행한다. Step 5: If the clustered subset
Figure 112021109649062-pat00076
shared between three
Figure 112021109649062-pat00077
If exists, increase the value of k (
Figure 112021109649062-pat00078
) to return to step 2, and if it does not exist, proceed to step 6.

스텝 6 : 스텝 2의 k 값을 기초로 출력 전력 및 계산 시간을 계산하고, 각 파라미터들을 저장한다. Step 6: Calculate the output power and calculation time based on the k value of step 2, and save each parameter.

스텝 7 : 만약

Figure 112021109649062-pat00079
의 계수들이 모두 0이 아니라면,
Figure 112021109649062-pat00080
하여 스텝 2로 회귀하고, 다른 k 값에 따른 모든 파라미터들과 비교하여 최적 값을 도출한다. 만약
Figure 112021109649062-pat00081
의 계수들이 모두 0이라면, 스텝 8을 진행한다.Step 7: If
Figure 112021109649062-pat00079
If the coefficients of are all non-zero,
Figure 112021109649062-pat00080
and returns to step 2, and compares all parameters according to other values of k to derive an optimal value. if
Figure 112021109649062-pat00081
If the coefficients of are all 0, proceed to step 8.

스텝 8 : 가지치기된 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00082
에 기초하여, 터빈 클러스터링 하위 집합
Figure 112021109649062-pat00083
을 결정하고, 다른 k값에 따른 모든 파라미터들을 분석하여 최적 k 값을 선택한다.Step 8: Pruned Wake Direction Graph
Figure 112021109649062-pat00082
Based on, the turbine clustering subset
Figure 112021109649062-pat00083
is determined, and an optimal k value is selected by analyzing all parameters according to different k values.

도 3을 참조하면, 하위 집합에 공유 터빈이 없으며, 최적 제어를 위한 파라미터 k가 있다(한편, 최적의 k값에 대해서는 후술한다). 적응형 값 k는 오프라인 상에서 결정될 수 있으며, 풍속과 방향이 변경될 때마다 k를 업데이트할 수 있도록 룩업 테이블이 구성될 수 있다. Referring to FIG. 3, there is no shared turbine in the subset, and there is a parameter k for optimal control (on the other hand, the optimal value of k will be described later). An adaptive value k may be determined offline, and a lookup table may be configured to update k whenever the wind speed and direction change.

4. WF 제어 전략4. WF control strategy

4. 1. MC-BAS(Monte Carlo law with the BAS) 제어기4. 1. MC-BAS (Monte Carlo law with the BAS) controller

본 발명에 따른 BAS 알고리즘 접근법을 사용하여 WF의 요 설정 및 축 유도 계수 설정을 최적화함으로써 총 전력 생산량을 최대화할 수 있다. WF 비용 함수(cost function)는 비선형 및 비콘벡스 최적화 문제로 식 (4)에 제시된다. 여기에서, 본 발명은 이러한 최적화 문제를 해결하기 위한 BAS 알고리즘을 제안한다. 본 발명에 따른 BAS 알고리즘은 효율성을 최적화하기 위해 함수의 특정 형태나 기울기 정보에 대한 사전 지식이 필요하지 않으며, 다른 알고리즘에 비해 계산 시간을 크게 단축하고 최적화 속도를 높일 수 있다. The total power output can be maximized by optimizing the yaw setting and axial induction coefficient setting of the WF using the BAS algorithm approach according to the present invention. The WF cost function is presented in equation (4) as a nonlinear and non-convex optimization problem. Here, the present invention proposes a BAS algorithm to solve this optimization problem. The BAS algorithm according to the present invention does not require prior knowledge of a specific shape of a function or gradient information to optimize efficiency, and can significantly reduce calculation time and speed up optimization compared to other algorithms.

BAS 알고리즘은 빠른 최적화 및 수렴의 장점이 있지만, 반복 프로세스 진행 중 최적의 로컬 값에 빠질 수 있으며 최적의 글로벌 값을 결정할 수 없다. 이는 BAS가 스텝 사이즈에 지나치게 의존하기 때문이다. 이러한 BAS의 문제점을 해결하고 개선하기 위해, 본 발명은 알고리즘의 반복성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 어닐링 알고리즘(SA)의 몬테 카를로(MC, Monte Carlo) 법칙을 제안한다. 본 발명에 따른 개선된 알고리즘이 웨이크 스티어링 제어에 적용되어 WF의 전력 생산을 극대화할 수 있다. 시뮬레이트 어닐(Simulate Anneal)은 몬테 카를로 기반의 최적화 문제 솔루션이다. 최적 목표값(target)은 대상의 어닐링 프로세스와 목표값의 가장 낮은 에너지를 시뮬레이션하여 결정될 수 있다. 시뮬레이션된 어닐링은 검색 프로세스에 랜덤 변수를 통합한다. 즉, 특정 확률로 현재 솔루션보다 더 나쁜 솔루션을 포함하므로 로컬 최적화를 종료할 가능성이 증가한다.The BAS algorithm has the advantages of fast optimization and convergence, but it can fall into the optimal local value during the iterative process and cannot determine the optimal global value. This is because BAS is overly dependent on the step size. In order to solve and improve these BAS problems, the present invention proposes the Monte Carlo (MC) law of the annealing algorithm (SA), which can greatly improve the repeatability and stability of the algorithm. The improved algorithm according to the present invention can be applied to wake steering control to maximize the power generation of the WF. Simulate Anneal is a Monte Carlo based optimization problem solution. The optimal target value may be determined by simulating the annealing process of the target and the lowest energy of the target value. Simulated annealing incorporates random variables into the retrieval process. That is, the probability of ending the local optimization increases as it contains a solution that is worse than the current solution with a certain probability.

본 발명에 따른 수정된 BAS 알고리즘은 아래와 같다. The modified BAS algorithm according to the present invention is as follows.

1) 랜덤 방향 벡터1) Random direction vector

딱정벌레의 검색 동작을 시뮬레이션하기 위해 방향 벡터를 다음과 같이 정의한다.To simulate the search behavior of the beetle, we define the direction vector as:

[식 (9)][Equation (9)]

Figure 112021109649062-pat00084
Figure 112021109649062-pat00084

여기에서, rand(k,1)는 랜덤 함수를 나타내고, k는 위치의 차원(dimension)을 나타낸다.Here, rand(k,1) represents a random function, and k represents the dimension of a position.

2) 딱정벌레 더듬이의 오른쪽과 왼쪽의 좌표는 다음과 같이 정의된다.2) The right and left coordinates of the beetle antennae are defined as follows.

[식 (10)][Equation (10)]

Figure 112021109649062-pat00085
Figure 112021109649062-pat00085

여기에서 t는 반복 횟수를 나타내며,

Figure 112021109649062-pat00086
Figure 112021109649062-pat00087
은 각각 t 반복에서 딱정벌레의 오른쪽과 왼쪽 더듬이에 대한 공간 위치를 나타내고, d는 왼쪽과 오른쪽 더듬이 사이의 거리를 나타낸다.where t represents the number of iterations,
Figure 112021109649062-pat00086
class
Figure 112021109649062-pat00087
denotes the spatial location for the beetle's right and left antennae at iteration t, respectively, and d denotes the distance between the left and right antennae.

3) 적합도 값(fitness value)3) fitness value

[식 (11)][Equation (11)]

Figure 112021109649062-pat00088
Figure 112021109649062-pat00088

여기에서

Figure 112021109649062-pat00089
Figure 112021109649062-pat00090
는 현재 공간 위치에서 오른쪽 수염과 왼쪽 수염의 적합도 값을 나타내고, f(-)는 적합성 함수를 나타낸다.From here
Figure 112021109649062-pat00089
and
Figure 112021109649062-pat00090
denotes the fitness values of the right and left whiskers at the current spatial location, and f(-) denotes the fitness function.

4) 위치 사전 업데이트(Pre-update position)4) Pre-update position

[식 (12)][Equation (12)]

Figure 112021109649062-pat00091
Figure 112021109649062-pat00091

반복에 기초하여 딱정벌레의 위치를 사전 업데이트한다. 여기에서, sign(-)은 심볼함수(symbol function)이며,

Figure 112021109649062-pat00092
는 t 반복에서 알고리즘의 스텝 크기 계수(step size factor)이다.Pre-update the beetle's position based on iterations. Here, sign(-) is a symbol function,
Figure 112021109649062-pat00092
is the step size factor of the algorithm at t iterations.

5) 몬테 카를로 법칙을 사용한 수용 솔루션(Accepted solution)5) Accepted solution using the Monte Carlo law

SA 알고리즘의 몬테 카를로 법칙은 BAS에 임베디드될 수 있다. 반복 프로세스에서 확률 P는 BAS의 전역 최적화 능력(global optimization ability)을 향상시키기 위해 하위 솔루션을 수용하는 데 사용된다. The Monte Carlo laws of the SA algorithm can be embedded in BAS. In the iterative process, the probability P is used to accept sub-solutions to improve the global optimization ability of BAS.

[식 (13)][Equation (13)]

Figure 112021109649062-pat00093
Figure 112021109649062-pat00093

여기에서,

Figure 112021109649062-pat00094
는 사전 업데이트 위치를 나타내고,
Figure 112021109649062-pat00095
는 마지막 반복에서 최적 위치를 나타내며, exp(-)는 지수 함수를 나타내며, T는 최고 온도를 나타낸다. From here,
Figure 112021109649062-pat00094
represents the pre-update position,
Figure 112021109649062-pat00095
denotes the optimal position at the last iteration, exp(-) denotes the exponential function, and T denotes the maximum temperature.

6) 스텝 사이즈6) Step size

[식 (14)][Equation (14)]

Figure 112021109649062-pat00096
Figure 112021109649062-pat00096

여기서 d와

Figure 112021109649062-pat00097
는 더듬이의 길이와 스텝 사이즈를 나타내며,
Figure 112021109649062-pat00098
Figure 112021109649062-pat00099
는 초기값을 나타내고,
Figure 112021109649062-pat00100
Figure 112021109649062-pat00101
는 t 반복에서 알고리즘의 스텝 사이즈 계수이며, 두 파라미터
Figure 112021109649062-pat00102
Figure 112021109649062-pat00103
는 사용자에 의해 설정된다. here d and
Figure 112021109649062-pat00097
represents the length of the antennae and the step size,
Figure 112021109649062-pat00098
and
Figure 112021109649062-pat00099
represents the initial value,
Figure 112021109649062-pat00100
and
Figure 112021109649062-pat00101
is the step size coefficient of the algorithm at t iterations, and the two parameters
Figure 112021109649062-pat00102
and
Figure 112021109649062-pat00103
is set by the user.

몬테 카를로 법칙은 BAS 알고리즘과 혼합될 수 있으며, 그룹화된 MC-BAS 알고리즘의 기본 프로세스는 아래 알고리즘 1과 같이 정리될 수 있다. The Monte Carlo law can be mixed with the BAS algorithm, and the basic process of the grouped MC-BAS algorithm can be summarized as Algorithm 1 below.

[알고리즘 1][Algorithm 1]

Figure 112021109649062-pat00104
Figure 112021109649062-pat00104

4. 2. 비중앙 집중형 MC-BAS 제어기(Decentralized MC-BAS controller)4. 2. Decentralized MC-BAS controller

본 발명을 대규모 WF의 최적 전력 제어를 위한 비중앙 집중형 제어 방식을 제안한다. WF은 여러 개의 독립적인 WT 클러스터들로 분리되며, 이들의 통신 이웃은 희소 웨이크 방향 그래프(sparse wake digraph)의 네트워크 토폴로지에 의해 결정될 수 있다. 이에, 호스트 컴퓨터의 전력 제어를 실현하기 위해 WF에 대한 비중앙 집중형 제어 전략을 제안한다. 각 WT 클러스터는 적응형 가지치기 웨이크 방향 그래프의 서로 다른 통신 네트워크 토폴로지에 분산된 여러 개의 이웃 WT으로 구성된다. 본 발명에 따른 비중앙 집중형 제어 방식은 도 2와 같다. 주어진 클러스터링 하위 집합

Figure 112021109649062-pat00105
에 대한 비중앙 집중형 전력 제어는 다음과 같은 단일 목적 최적화 문제(single-objective optimization problem)를 기반으로 한다. The present invention proposes a non-centralized control method for optimal power control of a large-scale WF. A WF is split into several independent WT clusters, and their communication neighbors can be determined by the network topology of the sparse wake digraph. Therefore, we propose a non-centralized control strategy for WF to realize power control of the host computer. Each WT cluster consists of several neighboring WTs distributed in different communication network topologies in an adaptive pruning wake-directed graph. The non-centralized control scheme according to the present invention is shown in FIG. 2 . given clustering subset
Figure 112021109649062-pat00105
Decentralized power control for is based on the following single-objective optimization problem.

비선형 프로그래밍 문제(NLP, nonlinear programming problems)를 위한 단일 목적 최적화 도구(optimizer)는 BAS 알고리즘을 이용하여 WF의 전력 생산을 최대화하고 동시에 풍속

Figure 112021109649062-pat00106
을 최대화하는 요(yaw)에 대한 최적화 값
Figure 112021109649062-pat00107
과 축 계수(axial factor)에 대한 최적화 값
Figure 112021109649062-pat00108
을 찾는다. 여기에서, 전체 WF 비중앙 집중형 최적화 함수
Figure 112021109649062-pat00109
는 다음과 같이 표현될 수 있다. A single-purpose optimizer for nonlinear programming problems (NLP) uses the BAS algorithm to maximize the power production of the WF and simultaneously
Figure 112021109649062-pat00106
Optimization value for yaw that maximizes
Figure 112021109649062-pat00107
Optimization values for axial factor and
Figure 112021109649062-pat00108
look for Here, the full WF decentralized optimization function
Figure 112021109649062-pat00109
can be expressed as

[식 (15)][Equation (15)]

Figure 112021109649062-pat00110
Figure 112021109649062-pat00110

여기에서, f(x)는 전체 WF의 총 전력, i는 하위 집합, j는 터빈, M은 WF의 분리된 하위 집합의 수, K는 WF의 터빈 수를 나타낸다. 요 각도

Figure 112021109649062-pat00111
Figure 112021109649062-pat00112
내지 와
Figure 112021109649062-pat00113
의 범위를 가지며, 축 계수
Figure 112021109649062-pat00114
Figure 112021109649062-pat00115
내지
Figure 112021109649062-pat00116
의 범위를 갖는다. 또한, 전력
Figure 112021109649062-pat00117
Figure 112021109649062-pat00118
내지 정격 전력
Figure 112021109649062-pat00119
의 범위를 갖는다. 예를 들어, 도 6(d)를 참조하면, WF은 각각 일정 개수의 터빈으로 구성된 13개의 하위 집합(M=13)으로 분리된다. 대규모 WF에 대한 실시간 제어를 보장하기 위해서는 통신 및 데이터 부담을 최소화할 필요가 있으며, 이 때 각 클러스터 하위 집합은 전체 숫자의 일부에 불과하므로 독립적으로 신속하게 제어될 수 있다. 한편, 중앙 집중형 알고리즘(centralized algorithm)은 경우, 하위 집합은 하나(M=1)이며, 이웃 터빈은 전체 터빈 K={25}으로 볼 수 있다. 즉, M과 K의 값을 다르게 설정하면 상이한 풍속, 풍향 및 제어 방식에 대한 최대 출력 전력을 설명하는 데 사용할 수 있다.where f(x) is the total power of the entire WF, i is a subset, j is a turbine, M is the number of discrete subsets of a WF, and K is the number of turbines in a WF. yaw angle
Figure 112021109649062-pat00111
Is
Figure 112021109649062-pat00112
come out
Figure 112021109649062-pat00113
has a range of, and the axial coefficient
Figure 112021109649062-pat00114
Is
Figure 112021109649062-pat00115
pay
Figure 112021109649062-pat00116
has a range of Also, power
Figure 112021109649062-pat00117
Is
Figure 112021109649062-pat00118
rated power
Figure 112021109649062-pat00119
has a range of For example, referring to FIG. 6(d), WF is divided into 13 subsets (M=13) each composed of a certain number of turbines. To ensure real-time control over large WFs, it is necessary to minimize the communication and data burden, where each cluster subset is only a fraction of the total number and can be independently and quickly controlled. On the other hand, in the case of a centralized algorithm, the subset is one (M = 1), and the neighboring turbines can be viewed as all turbines K = {25}. That is, different values of M and K can be used to account for the maximum output power for different wind speeds, wind directions and control schemes.

5. 시뮬레이션 및 검토 5. Simulation and Review

바람의 불규칙성 및 간헐성(intermittence)으로 인해 풍속과 풍향은 일정하지 않다. 이에 풍배도(wind rose)의 확률에 기초해 10분 동안의 평균값을 계산하여 대략적인 일정한 값을 얻음으로써 이를 단순화할 수 있다. 본 시뮬레이션에서 평균 풍속은 8m/s로, 풍향의 범위는

Figure 112021109649062-pat00120
로 설정되었으며, 하나의 제어 사이클 내에서 일정한 값을 갖는 것으로 가정하였다. Wind speed and direction are not constant due to wind irregularities and intermittence. Accordingly, this can be simplified by calculating the average value for 10 minutes based on the probability of wind rose to obtain an approximately constant value. In this simulation, the average wind speed is 8 m/s, and the wind direction range is
Figure 112021109649062-pat00120
was set to , and it was assumed to have a constant value within one control cycle.

동일한 25개의 터빈(NREL-5MW Type III WT)을 사용한 시뮬레이션 결과를 통해 중앙 집중형(centralized) 및 비중앙 집중형(decentralized) 최적화 방법에 대한 성능을 검증하고자 한다. WF의 배치 구조는 도 3에 도시된 바와 같으며, D=126m, 공칭 출력(nominal power) P=5MW, 각 터빈 사이의 세로 거리 200m, 가로 거리 500m으로 설정되었다.The simulation results using the same 25 turbines (NREL-5MW Type III WT) are used to verify the performance of the centralized and decentralized optimization methods. The layout structure of the WF is as shown in FIG. 3, where D = 126 m, nominal power P = 5 MW, and the vertical distance between each turbine is 200 m and the horizontal distance is 500 m.

테스트는 자유 풍속과 방향에서 평균 10분 동안 실시된다. 또한 알고리즘을 확장하기 위해 각각 N=4, N=9, N=25 WT를 갖는 3개의 WF를 설정하였으며, 요각

Figure 112021109649062-pat00121
초기값은 0이고 범위는 [-30, 30]으로, 축 계수
Figure 112021109649062-pat00122
초기 값은 1/3이고 범위는 [0, 1/3]으로 설정되었다. The test is conducted for an average of 10 minutes in free wind speed and direction. In addition, to extend the algorithm, three WFs with N = 4, N = 9, and N = 25 WT were set, respectively.
Figure 112021109649062-pat00121
Initial value is 0, range is [-30, 30], axis coefficient
Figure 112021109649062-pat00122
The initial value is 1/3 and the range is set to [0, 1/3].

한편, 웨이크 효과는 도 4(0, 25, 45, 90도의 풍향 각각에 대한 고유 웨이크 방향 그래프)에 도시된 바와 같이 레이아웃에 따른 풍향 및 풍속에 높은 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 4 (a unique wake direction graph for wind directions of 0, 25, 45, and 90 degrees), it can be confirmed that the wake effect is highly influenced by the wind direction and wind speed according to the layout.

5. 1. 적응형 가지치기 웨이크 방향 그래프의 처리5. 1. Processing of adaptive pruning wake directed graphs

본 발명에 따른 가지치기 웨이크 방향 그래프 클러스터링 방법을 사용하여 대형 WF를 복수의 하위 집합으로 분할하는 클러스터 방법(상기 3. 참조)을 설명한다. 도 5와 6은 각각 풍향 90 및 45도에 대한 고유 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00123
와 가지치기된 웨이크 방향 그래프
Figure 112021109649062-pat00124
를 나타낸다. 분리된 통신 토폴리지는 적합한 가지치기 웨이크 방향 그래프에 의해 도출될 수 있다.A clustering method (see 3. above) for dividing a large WF into a plurality of sub-sets using the branched wake-directed graph clustering method according to the present invention will be described. 5 and 6 are graphs of unique wake directions for wind directions of 90 and 45 degrees, respectively.
Figure 112021109649062-pat00123
and a pruned wake-directed graph
Figure 112021109649062-pat00124
indicates The isolated communication topology can be derived by suitable pruning wake direction graphs.

도 5는 고유 웨이크 방향 그래프가 가지치기된 웨이크 방향 그래프와 동일하다는 것을 보여준다. 이는 풍향이 90도일 때 모든 웨이크 효과가 확산 없이 하류 터빈에 집중되기 때문이다. 이 경우, 높은 웨이크 상호 작용에 따른 낮은 효율로 인해 WF의 전력 생산량이 낮아진다. Figure 5 shows that the eigenwakedirection graph is equivalent to the pruned wakedirection graph. This is because when the wind direction is 90 degrees, all wake effects are concentrated on the downstream turbine without diffusion. In this case, the power yield of the WF is low due to the low efficiency due to the high wake interaction.

반면, 풍향이 45도인 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 고유 웨이크 방향 그래프는 적응형 가지치기 웨이크 방향 그래프와 상이하다. 또한, 가지치기된 웨이크 방향 그래프

Figure 112021109649062-pat00125
는 k마다 상이할 수 있다. 도 6(c)의 경우 임계값은
Figure 112021109649062-pat00126
로, 도 6(b)의 고유 웨이크 방향 그래프에서 해당 임계값보다 낮은 엣지(
Figure 112021109649062-pat00127
)는 제거되는 것을 확인할 수 있다. 도 6(d)의 경우 임계값은
Figure 112021109649062-pat00128
로, 도 6(c)의 가지치기 고유 웨이크 방향 그래프에서 해당 임계값보다 낮은 엣지가 제거되어, 공유 터빈이 없는 13개의 하위 집합으로 분리되는 것을 확인할 수 있다. 도 5 및 6을 참조하면, 외부 관련 변수(external relevant variable)
Figure 112021109649062-pat00129
가 웨이크 효과에 영향을 미치며 이에 따라 웨이크 토폴로지가 파라미터에 의존한다는 것을 확인할 수 있다. 주어진 풍향에 대해, 최적으로 분리된 하위 집합을 도출하기 위한 최적의 k를 결정하는 것이 중요하다. 하이퍼 파라미터 k의 튜닝 방법은 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. On the other hand, when the wind direction is 45 degrees, as shown in FIG. 6 , the unique wake direction graph is different from the adaptive pruning wake direction graph. Also, a pruned wake directed graph
Figure 112021109649062-pat00125
may be different for each k. In the case of FIG. 6(c), the threshold is
Figure 112021109649062-pat00126
, an edge lower than the corresponding threshold value in the unique wake direction graph of FIG. 6 (b) (
Figure 112021109649062-pat00127
) can be confirmed to be removed. In the case of FIG. 6(d), the threshold is
Figure 112021109649062-pat00128
, it can be confirmed that edges lower than the corresponding threshold are removed from the pruning eigenwake direction graph of FIG. 6(c) and separated into 13 subsets without shared turbines. 5 and 6, an external relevant variable
Figure 112021109649062-pat00129
affects the wake effect, and it can be confirmed that the wake topology depends on the parameters. For a given wind direction, it is important to determine the optimal k to derive optimally separated subsets. The tuning method of the hyper parameter k will be described in detail with reference to FIG. 7 .

도 7은 적응형 웨이크 방향 그래프의 가지치기 프로세스를 설명하기 위한 참조도(풍향 45도,

Figure 112021109649062-pat00130
)이다. K의 범위에 따른 하위 집합의 수 및 공유 터빈의 유무를 정리하면 아래 표 1과 같다. 7 is a reference diagram for explaining a pruning process of an adaptive wake direction graph (wind direction of 45 degrees,
Figure 112021109649062-pat00130
)am. Table 1 below summarizes the number of subsets according to the range of K and the presence or absence of shared turbines.

[표 1][Table 1]

Figure 112021109649062-pat00131
Figure 112021109649062-pat00131

표 1을 참조하면, k값의 변화에 따른 하위 집합의 수 및 공유 터빈의 유무를 확인할 수 있다. 여기에서, 비중앙 집중형 제어 전략 수립을 위해 공유 터빈이 없는(하위 집합들이 모두 분리된) 2.5 내지 7.3에 해당하는 k의 범위에 주목할 필요가 있다. 다음으로, 해당 범위 내에서 최적의 k 값을 결정하는 방법론이 제시되어야 한다. 적응형 임계값은 출력 전력과 계산 시간을 비교하여 제안될 수 있으며, 비교 결과는 아래 표 2와 같을 수 있다. 표 2는 k값의 변화에 따른 가지치기 웨이크 방향 그래프의 결과를 비교한 것이다. Referring to Table 1, the number of subsets according to the change in k value and the existence of shared turbines can be confirmed. Here, it is necessary to pay attention to the range of k corresponding to 2.5 to 7.3 without a shared turbine (subsets are all separated) for establishing a non-centralized control strategy. Next, a methodology for determining the optimal k value within the range should be presented. An adaptive threshold may be proposed by comparing output power and calculation time, and the comparison result may be shown in Table 2 below. Table 2 compares the results of pruning wake direction graphs according to the change in k value.

[표 2][Table 2]

Figure 112021109649062-pat00132
Figure 112021109649062-pat00132

표 2를 참조하면, k>5.7인 경우 출력 전력이 기설정된 기준 값보다 작아 해당 범위에서는 최적값이 선택될 수 없다. 다음으로, k=5.7일 때 계산 시간이 가장 작아 k=5.7가 최적값으로 선택될 수 있다. 제어기의 속도는 실시간 제어 관점에서 중요한 요소이다. 이러한 조건에서, 가지치기된 웨이크 방향 그래프는 13개의 하위 집합으로 분리되며, 보다 상세하게는 N1={T1,T8,T15}, N2={T2,T9}, N3={T3,T10}, N4={T4}, N5={T5}, N6={T6,T13,T20}, N7={T7,T14}, N8={T11,T18,T25}, N9={T12,T19}, N10={T16,T23}, N11={T17,T24}, N12={T21}, N13={T22}이다. Referring to Table 2, when k>5.7, the output power is smaller than a preset reference value, so an optimum value cannot be selected in the corresponding range. Next, when k = 5.7, the calculation time is the smallest, and k = 5.7 may be selected as an optimal value. The speed of the controller is an important factor in terms of real-time control. Under these conditions, the pruned wake directed graph is separated into 13 subsets, more specifically N1={T1,T8,T15}, N2={T2,T9}, N3={T3,T10}, N4 ={T4}, N5={T5}, N6={T6,T13,T20}, N7={T7,T14}, N8={T11,T18,T25}, N9={T12,T19}, N10={ T16,T23}, N11={T17,T24}, N12={T21}, N13={T22}.

상기에서 설명한 방법을 사용하여, 풍향의 범위를 0도에서 90도까지 15도씩 확장할 수 있다. 상이한 풍향 조건 하에서, 웨이크 방향 그래프의 가지치기를 통해 통신 토폴로지를 분리하기 위해, k1 내지 k3의 범위에서 k를 변경하여 테스트를 진행하였으며, k2는 본 발명에 따른 적응형 가지치기 알고리즘을 통해 도출된 최적값이다.Using the method described above, the wind direction range can be expanded by 15 degrees from 0 degrees to 90 degrees. Under different wind direction conditions, in order to separate the communication topology through pruning of the wake direction graph, the test was conducted by changing k in the range of k1 to k3, and k2 was derived through the adaptive pruning algorithm according to the present invention. is the optimal value.

[표 3][Table 3]

Figure 112021109649062-pat00133
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한편, 실시간 제어 목적을 위해 계산 효율에 더 초점을 맞추어 최적값 k2를 결정하는 것이 바람직하다. 표 3을 참조하면, 최적값 k2는 기설정된 기준 값보다 높은 출력 전력을 나타내며, 그 중 가장 짧은 제어 시간을 나타내는 k값으로 결정된 것임을 확인할 수 있다. On the other hand, for real-time control purposes, it is desirable to determine the optimum value k2 with more focus on computational efficiency. Referring to Table 3, it can be confirmed that the optimum value k2 represents an output power higher than the predetermined reference value, and is determined as a k value representing the shortest control time among them.

5. 2. 중앙 집중형 및 비중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘의 비교5. 2. Comparison of centralized and non-centralized MC-BAS algorithms

중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘의 효율성은 상기 4.에서 확인할 수 있다. 그러나 중앙 집중형 알고리즘은 통신 및 계산 요구가 높은 대규모 WF에는 적합하지 않다. 이에, 종래의 PSO 및 GA 알고리즘에 비해 여러 장점이 있는 비중앙 집중형 MC-BAS 통신 프레임워크를 제안한다. 이하에서는, 중앙 집중형 및 비중앙 집중형 알고리즘을 계산 시간 및 정확도 측면에서 비교 설명한다.The efficiency of the centralized MC-BAS algorithm can be confirmed in 4. above. However, centralized algorithms are not suitable for large-scale WFs with high communication and computational demands. Therefore, we propose a non-centralized MC-BAS communication framework that has several advantages over conventional PSO and GA algorithms. In the following, centralized and non-centralized algorithms are compared and described in terms of computation time and accuracy.

적응형 가지치기 웨이크 방향 그래프를 기반으로 클러스터 하위 집합이 완전히 분리되면 통신 아키텍처를 수립할 수 있다. 비중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘은 분리된 솔루션 통신 아키텍처를 기반으로 제안된다. 새로운 알고리즘의 효과를 검증하기 위해 비중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘을 중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘 및 그리디(greedy) 알고리즘과 비교한다. 그 결과는 도 8 및 표 4와 같다. Based on the adaptive pruning wake-directed graph, the communication architecture can be established once the cluster subsets are completely separated. A decentralized MC-BAS algorithm is proposed based on a separate solution communication architecture. To verify the effectiveness of the new algorithm, the non-centralized MC-BAS algorithm is compared with the centralized MC-BAS algorithm and the greedy algorithm. The results are shown in FIG. 8 and Table 4.

각 출력 전력의 결과는 도 8에 나타나 있으며, 총 출력 전력의 비교는 표 4와 같다. MC-BAS 제어 방법을 사용하여 중앙 집중형 및 비중앙 집중형 방식을 구현하는 경우, 총 생산 전력은 그리디 제어 방법과 비교하여 증가된다. MC-BAS 중앙 집중형 및 비중앙 집중형 제어 체계의 경우, 전체 전력 출력을 최적화하기 위해 웨이크 효과를 고려한다. 여기에서, 대부분의 상류 터빈은 출력 전력을 줄이는 반면 하류 터빈은 출력 전력을 증가시켜 전체 전력 생산량을 증가시킬 수 있다. 계산된 시간은 중앙 집중형 및 비중앙 집중형 방식간 차이가 있다. 비중앙 집중형 방식의 제어 속도는 표 4에 나타낸 바와 같이 해결해야 할 터빈이 적기 때문에 중앙 집중형 방식보다 높다.The result of each output power is shown in FIG. 8, and the comparison of the total output power is shown in Table 4. When the centralized and non-centralized methods are implemented using the MC-BAS control method, the total generated power is increased compared to the greedy control method. For MC-BAS centralized and non-centralized control schemes, the wake effect is taken into account to optimize the overall power output. Here, most of the upstream turbines can reduce the output power while the downstream turbines increase the output power to increase the total power output. The calculated time differs between centralized and non-centralized methods. The control speed of the decentralized method is higher than that of the centralized method because there are fewer turbines to solve, as shown in Table 4.

[표 4][Table 4]

Figure 112021109649062-pat00134
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전력 증가율(

Figure 112021109649062-pat00135
)은 그리디 중앙 집중형 알고리즘의 P_total 기준선(baseline)에서 증가한 전력의 비율이다. 표 4는 비중앙 집중형 및 중앙 집중형 MC-BAS 방법에 따르면 다양한 풍향 조건에서
Figure 112021109649062-pat00136
이 증가됨을 보여주며, 또한 비중앙 집중형 MC-BAS 방법의 계산 시간(T_total)이 중앙 집중형 방법의 1/3 미만으로 감소됨을 보여준다.power increase rate (
Figure 112021109649062-pat00135
) is the ratio of power increased from the P_total baseline of the greedy centralized algorithm. Table 4 shows the non-centralized and centralized MC-BAS methods under various wind direction conditions.
Figure 112021109649062-pat00136
increases, and also shows that the computation time (T_total) of the non-centralized MC-BAS method is reduced to less than 1/3 of that of the centralized method.

중앙 집중형 및 비중앙 집중형 MC-BAS 알고리즘에 의한 평균 총 전력은 기준선에 비해 각각 14.4%, 11.3676% 개선된다. 이는 비중앙 집중형 MC-BAS이 중앙 집중형 MC-BAS 방법에 비해 약 3.0324%의 전력 손실이 있음을 나타낸다. 이에, 본 발명에 따른 제어 전략은 실시간 제어와 대규모 WF의 이익의 관점에서 전력 출력의 향상 및 계산 속도 개선에 유용하다. The average total power by the centralized and non-centralized MC-BAS algorithms improves by 14.4% and 11.3676%, respectively, compared to the baseline. This indicates that the non-centralized MC-BAS has a power loss of about 3.0324% compared to the centralized MC-BAS method. Thus, the control strategy according to the present invention is useful for improvement of power output and improvement of calculation speed in view of the benefits of real-time control and large-scale WF.

5. 3. MC-BAS 알고리즘과 다른 알고리즘의 비교5. 3. Comparison of MC-BAS algorithm with other algorithms

일반적으로 반복 횟수(iteration)가 많을수록 계산이 더 정확하다. 이하에서는 최적의 제어 액션에 도달하기 위한 수행해야 하는 반복 횟수의 최소화 관점에서 설명한다. In general, the more iterations, the more accurate the calculation. Hereinafter, a description will be made from the viewpoint of minimizing the number of iterations to be performed to reach the optimal control action.

도 9를 참조하면, 계산 시간은 100 내지 300회로 20회씩 반복 횟수가 증가할수록 상당히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반복 횟수는 계산 시간을 줄이는 데 중요한 역할을 하여 통신 부담을 줄여준다. 이에 정확한 반복 값은 최적화 알고리즘의 중요한 튜닝값이다. MC-BAS의 계산 시간은 PSO(Particle swarm optimization) 및 GA(genetic algorithm)보다 짧다. MC-BAS는 PSO의 약 1/9, GA의 약 1/4의 속도로 계산한다. 이에, 본 발명에 따른 MC-BAS 방법은 속도 면에서 다른 지능형 방법(GA 및 PSO)보다 우수하다. Referring to FIG. 9 , it can be seen that the calculation time significantly increases as the number of iterations increases by 20 times from 100 to 300 times. The number of iterations plays an important role in reducing the computation time, thereby reducing the communication burden. Accordingly, the exact iteration value is an important tuning value of the optimization algorithm. The calculation time of MC-BAS is shorter than that of PSO (Particle swarm optimization) and GA (genetic algorithm). MC-BAS calculates at about 1/9 of PSO and 1/4 of GA. Thus, the MC-BAS method according to the present invention is superior to other intelligent methods (GA and PSO) in terms of speed.

도 10은 4개의 서로 다른 제어 알고리즘에 의한 풍향 및 반복에 따른 발전량을 보여준다. PSO 제어 방법은 대부분의 반복에서 다른 방법보다 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 그러나 반복 횟수가 140을 초과하면 MC-BAS 알고리즘의 총 생산량은 PSO 알고리즘 과 같아진다. 한편, GA 알고리즘의 주요 단점은 도 10(b) 및 (c)에 나타난 바와 같이 반복에 따라 변화되는 출력 전력의 불안정성이다. 이에, GA 알고리즘은 WF에 적합하지 않다. Figure 10 shows the amount of power generation according to the wind direction and repetition by four different control algorithms. The PSO control method can produce more power than other methods in most iterations. However, when the number of iterations exceeds 140, the total yield of the MC-BAS algorithm becomes the same as that of the PSO algorithm. On the other hand, the main disadvantage of the GA algorithm is the instability of the output power that changes with repetition, as shown in FIGS. 10(b) and (c). Therefore, the GA algorithm is not suitable for WF.

도 11은 서로 다른 제어 알고리즘에 의한 풍향의 변화에 따른 발전량 및 계산 시간을 보여준다. 도 11(a) 및 (c)를 참조하면, MC-BAS의 총 발전량은 PSO의 발전량과 비슷하며, 대부분의 풍향에서 그리디 알고리즘보다 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10(b) 및 (d)를 참조하면, MC-BAS 알고리즘은 PSO 알고리즘보다 계산 시간이 단축됨을 확인할 수 있다. 11 shows the amount of power generation and calculation time according to the change of wind direction by different control algorithms. 11(a) and (c), it can be seen that the total power generation of MC-BAS is similar to that of PSO and is superior to the greedy algorithm in most wind directions. Also, referring to FIGS. 10(b) and (d), it can be confirmed that the MC-BAS algorithm shortens the calculation time compared to the PSO algorithm.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 MC-BAS 알고리즘은 다른 알고리즘과 비교하여 출력 전력을 증가시키고 동시에 계산 시간을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 적응형 가지치기 웨이크 방향 그래프의 알고리즘을 통해 대규모 WF를 다수의 하위 집합으로 분리할 수 있으며, 각 하위 집합을 동일한 컨트롤러를 통해 실시간으로 제어할 수 있다.As described above, the MC-BAS algorithm according to the present invention has an advantage of increasing output power and reducing calculation time compared to other algorithms. In addition, the algorithm of the adaptive pruning wake-directed graph according to the present invention can separate a large-scale WF into a plurality of sub-sets, and each sub-set can be controlled in real time through the same controller.

6. 본 발명에 따른 실시간 전력 최적화 장치6. Real-time power optimization device according to the present invention

이하에서는, 도 12를 참조하여, 앞서 설명한 본 발명에 따른 WF에 대한 실시간 전력 최적화 방법을 수행하는 실시간 전력 최적화 장치(이하, 전력 최적화 장치)에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to FIG. 12, a real-time power optimization device (hereinafter, a power optimization device) that performs the real-time power optimization method for a WF according to the present invention described above will be described.

본 발명에 따른 전력 최적화 장치는 상술한 전력 최적화 방법을 수행하는 컴퓨팅 장치로, 네트워크 토폴로지 결정부(100) 및 전력 조정 최적화부(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 전력 최적화 장치의 구성들은 단일의 디바이스(예: 중앙 제어 장치)에 포함되어 구현될 수 있으며, 복수의 장치에 분산(예 : 중앙 제어 장치 및 각 WT에 포함된 제어 장치 등)되어 구현될 수 있다. 한편, 이러한 예시는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 앞서 설명한 전력 최적화 방법이 구현된 디바이스라면, 종류, 명칭, 구현된 디바이스의 수 등에 한정되지 않고 본 발명에 따른 전력 최적화 장치로 해석되어야 할 것이다. A power optimization device according to the present invention is a computing device that performs the above-described power optimization method, and may include a network topology determining unit 100 and a power adjustment optimization unit 200 . Here, components of the power optimization device may be implemented by being included in a single device (eg, central control unit), or implemented by being distributed to a plurality of devices (eg, central control unit and control unit included in each WT, etc.) It can be. On the other hand, this example is not intended to limit the scope of the present invention, and if the device in which the power optimization method described above is implemented, it is not limited to the type, name, number of implemented devices, etc., and is interpreted as a power optimization device according to the present invention. It should be.

이하에서는, 네트워크 토폴로지 결정부(100) 및 전력 조정 최적화부(200)의 동작에서 대하여 설명하며, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략한다. Hereinafter, operations of the network topology determining unit 100 and the power adjustment optimization unit 200 will be described, and descriptions overlapping with those described above will be omitted.

네트워크 토폴로지 결정부(100)는 복수의 WT들 사이의 웨이크 상호 작용에 따른 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 웨이크 방향 그래프에 기초하여 상기 복수의 WT들의 네트워크 토폴로지를 결정한다. The network topology determination unit 100 generates a wake direction graph according to a wake interaction between a plurality of WTs, and determines a network topology of the plurality of WTs based on the wake direction graph.

전력 조정 최적화부(200)는 네트워크 토폴로지 결정부(100)에 의해 결정된 네트워크 토폴로지에 따라, 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 기정의된 비중앙집중형 최적화 솔루션을 적용한다. 여기에서, 비중앙집중형 최적화 솔루션은, 상기 WF의 출력 전력을 최대화하는 WT의 요 각도 및 축 계수 각각에 대한 최적화 값을 포함하며, 기정의된 최적화 알고리즘에 의해 도출될 수 있다. 일 실시예에서, 최적화 알고리즘은, BAS(beetle antennae search) 알고리즘에 몬테 카를로 법칙(MC, Monte Carlo law) 법칙이 임베디드된 MC-BAS 알고리즘에 해당할 수 있다. The power adjustment optimizer 200 applies a predefined non-centralized optimization solution to independently control the clustered subsets according to the network topology determined by the network topology determiner 100 . Here, the non-centralized optimization solution includes optimization values for each of the yaw angle and axial coefficient of the WT maximizing the output power of the WF, and may be derived by a predefined optimization algorithm. In one embodiment, the optimization algorithm may correspond to an MC-BAS algorithm in which a Monte Carlo law (MC) law is embedded in a beetle antennae search (BAS) algorithm.

즉, 상기 1. 내지 5.에서 설명한 전력 최적화 방법을 수행하는데 있어, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 복수의 WT들에 대한 네트워크 토폴로지를 결정하는 프로세스를, 전력 조정 최적화부(200)는 비중앙집중형 최적화 전략(솔루션)을 생성하며 하위 집합들 각각에 대해 비중앙집중형 최적화 솔루션을 적용하는 프로세스를 수행하는 구성이다. That is, in performing the power optimization method described in 1. to 5. above, the network topology determining unit 100 performs the process of determining the network topology for a plurality of WTs, and the power adjustment optimization unit 200 performs a non-centralized process. It is a configuration that creates a centralized optimization strategy (solution) and performs the process of applying a decentralized optimization solution to each of the subsets.

일 실시예에서, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는, 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집할 수 있다. 이후, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, WT를 노드로, WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성할 수 있다. In one embodiment, the network topology determiner 100 may collect parameters for a plurality of WTs that are associated with the output power of the wind farm. Thereafter, the network topology determining unit 100 includes a wake weight coefficient matrix that numerically represents the wake effect acting on each of the plurality of WTs, and a unique matrix representing the wake effect acting between the WTs as a direction line with the WTs as nodes. You can create a wake-directed graph.

이후, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 기정의된 적응형 가지치기 알고리즘을 이용해 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성할 수 있다. Thereafter, the network topology determination unit 100 performs a pruning process on the unique wake direction graph using a predefined adaptive pruning algorithm to generate a pruned wake direction graph in which subsets are completely separated. can do.

일 실시예에서, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 기정의된 임계값을 일정 값만큼 변화(하이퍼 파라미터 k 값을 변화시키는 방식으로 임계값을 변화) 시키며 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기 프로세스를 수행할 수 있다. 여기에서, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 하위 집합들간 공유 터빈 없이 하위 집합들이 완전히 분리될 때까지 가지치기 프로세스를 수행할 수 있다. (상기 5. 1 참조)In an embodiment, the network topology determiner 100 changes a predefined threshold by a predetermined value (changes the threshold by changing the value of hyper parameter k) and performs a pruning process on the wake direction graph. can Here, the network topology determining unit 100 may perform a pruning process until the subsets are completely separated without sharing turbines between the subsets. (See 5.1 above)

일 실시예에서, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 하위 집합들을 완전히 분리시킬 수 있는 복수의 임계값들을 도출하고, 상기 도출된 임계값들에 따라 가지치기된 웨이크 방향 그래프 각각에 대하여 전력 생산량 정보 및 계산 속도 정보를 산출할 수 있다. 여기에서, 네트워크 토폴로지 결정부(100)는 산출된 전력 생산량 결과 정보 및 계산 속도 결과 정보에 기초하여, 도출된 임계값들 중 최적 임계값을 결정하고, 결정된 최적의 임계값을 이용하여 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성할 수 있다. (상기 5. 1 참조)In one embodiment, the network topology determining unit 100 derives a plurality of threshold values capable of completely separating subsets, and for each wake direction graph pruned according to the derived threshold values, power generation information and Calculation speed information can be calculated. Here, the network topology determining unit 100 determines an optimal threshold value among the derived threshold values based on the calculated power generation result information and calculation speed result information, and prunes using the determined optimal threshold value. You can create a wake-directed graph. (See 5.1 above)

이상에서 설명한 본 발명에 따른 조정 최적화 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The adjustment optimization method according to the present invention described above can be implemented as computer readable codes on a computer readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium is distributed in computer systems connected through a network, so that computer-readable codes can be stored and executed in a distributed manner.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The preferred embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art with ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and these modifications, changes, and The additions should be viewed as falling within the scope of the following claims.

100: 네트워크 토폴리지 결정부
200: 전력 조정 최적화부
100: network topology determination unit
200: power adjustment optimization unit

Claims (6)

복수의 풍력 터빈(WT)들을 포함하여 구성되는 풍력 발전 단지(WF)의 실시간 전력 최적화 방법에 있어서,
상기 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 상기 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집하는 단계;
상기 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, 상기 WT를 노드로, 상기 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계;
상기 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계; 및
상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프에 따른 네트워크 토폴로지에 따라 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 비중앙 집중형 최적화 솔루션을 적용하는 단계;
를 포함하며,
상기 가지치기(pruning) 프로세스는
하위 집합들을 완전히 분리시킬 수 있는 복수의 임계값들을 도출하고, 상기 도출된 임계값들에 따라 가지치기된 웨이크 방향 그래프 각각에 대하여 전력 생산량 정보 및 계산 속도 정보를 산출하고, 상기 산출된 전력 생산량 결과 정보 및 계산 속도 결과 정보에 기초하여, 상기 도출된 임계값들 중 최적 임계값을 결정한 후, 상기 결정된 최적의 임계값을 이용하여 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하며,
상기 비중앙 집중형 최적화 솔루션은
상기 WF의 출력 전력을 최대화하는 WT의 요 각도 및 축 계수 각각에 대한 최적화 값을 포함하며, BAS(beetle antennae search) 알고리즘에 몬테 카를로 법칙(MC, Monte Carlo law) 법칙이 임베디드된 MC-BAS 알고리즘에 해당하는 최적화 알고리즘에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는,
풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법.
In the real-time power optimization method of a wind farm (WF) composed of a plurality of wind turbines (WT),
collecting parameters for the plurality of WTs associated with the output power of the wind farm;
Generating a wake weight coefficient matrix numerically representing the wake effect acting on each other of the plurality of WTs and a unique wake direction graph representing the wake effect acting on each other with the WTs as nodes and direction lines. ;
performing a pruning process on the unique wake directed graph to generate a pruned wake directed graph in which subsets are completely separated; and
applying a decentralized optimization solution to independently control clustered subsets according to the network topology according to the pruned wake-directed graph;
Including,
The pruning process is
A plurality of threshold values capable of completely separating subsets are derived, power yield information and calculation speed information are calculated for each of the pruned wake direction graphs according to the derived threshold values, and the calculated power yield results Based on the information and calculation speed result information, after determining an optimal threshold among the derived thresholds, generating the pruned wake direction graph using the determined optimal threshold;
The above decentralized optimization solution is
Includes optimized values for each of the yaw angle and axial coefficient of the WT that maximizes the output power of the WF, and the Monte Carlo law (MC) law is embedded in the BAS (beetle antennae search) algorithm MC-BAS algorithm Characterized in that it is derived by an optimization algorithm corresponding to,
A real-time power optimization method for wind farms.
제1항에 있어서, 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하는 단계는,
하위 집합들간 공유 터빈 없이 하위 집합들이 완전히 분리될 때까지 상기 가지치기 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는,
풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법.
The method of claim 1, wherein generating the pruned wake-directed graph comprises:
Characterized in that the pruning process is performed until the subsets are completely separated without a shared turbine between the subsets.
A real-time power optimization method for wind farms.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 최적 임계값을 결정하는 단계는,
상기 도출된 임계값들 중, 기설정된 기준 전력 생산량 값을 초과하며, 가장 높은 계산 속도를 나타내는 임계값을 최적 임계값으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법.
The method of claim 1, wherein determining the optimal threshold value comprises:
Characterized in that, among the derived threshold values, a threshold value exceeding a preset reference power output value and indicating the highest calculation speed is determined as an optimal threshold value,
A real-time power optimization method for wind farms.
제1항에 있어서, 상기 비중앙 집중형 최적화 솔루션은,
상기 WF의 출력 전력을 최대화하는 WT의 요 각도 및 축 계수 각각에 대한 최적화 값을 포함하며, BAS(beetle antennae search) 알고리즘에 몬테 카를로 법칙(MC, Monte Carlo law) 법칙이 임베디드된 MC-BAS 알고리즘에 해당하는 최적화 알고리즘에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는,
풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 방법.
The method of claim 1, wherein the non-centralized optimization solution,
Includes optimized values for each of the yaw angle and axial coefficient of the WT that maximizes the output power of the WF, and the Monte Carlo law (MC) law is embedded in the BAS (beetle antennae search) algorithm MC-BAS algorithm Characterized in that it is derived by an optimization algorithm corresponding to,
A real-time power optimization method for wind farms.
복수의 풍력 터빈(WT)들을 포함하여 구성되는 풍력 발전 단지(WF)의 최적화를 위한, 풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 장치에 있어서,
상기 복수의 WT들 사이의 웨이크 상호 작용에 따른 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 상기 웨이크 방향 그래프에 기초하여 상기 복수의 WT들의 네트워크 토폴로지를 결정하는 네트워크 토폴로지 결정부; 및
상기 결정된 네트워크 토폴로지에 따라, 클러스터링된 하위 집합들을 독립적으로 제어하도록 비중앙집중형 최적화 솔루션을 적용하는 전력 조정 최적화부;를 포함하되,
상기 네트워크 토폴로지 결정부는,
상기 풍력 발전 단지의 출력 전력과 연관되는, 상기 복수의 WT들에 대한 파라미터를 수집하고, 상기 복수의 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 수치적으로 나타내는 웨이크 가중 계수 행렬과, 상기 WT를 노드로, 상기 WT들 상호간에 작용하는 웨이크 영향을 방향 선으로 나타내는 고유 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 상기 고유 웨이크 방향 그래프에 대한 가지치기(pruning) 프로세스를 수행하여, 하위 집합들이 완전히 분리되는 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하고, 상기 생성된 가지치기된 웨이크 방향 그래프에 기초하여 상기 복수의 WT들에 대한 네트워크 토폴로지를 결정하며,
상기 가지치기(pruning) 프로세스는
하위 집합들을 완전히 분리시킬 수 있는 복수의 임계값들을 도출하고, 상기 도출된 임계값들에 따라 가지치기된 웨이크 방향 그래프 각각에 대하여 전력 생산량 정보 및 계산 속도 정보를 산출하고, 상기 산출된 전력 생산량 결과 정보 및 계산 속도 결과 정보에 기초하여, 상기 도출된 임계값들 중 최적 임계값을 결정한 후, 상기 결정된 최적의 임계값을 이용하여 상기 가지치기된 웨이크 방향 그래프를 생성하며,
상기 비중앙 집중형 최적화 솔루션은
상기 WF의 출력 전력을 최대화하는 WT의 요 각도 및 축 계수 각각에 대한 최적화 값을 포함하며, BAS(beetle antennae search) 알고리즘에 몬테 카를로 법칙(MC, Monte Carlo law) 법칙이 임베디드된 MC-BAS 알고리즘에 해당하는 최적화 알고리즘에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는,
풍력 발전 단지의 실시간 전력 최적화 장치.
An apparatus for real-time power optimization of a wind farm for optimizing a wind farm (WF) composed of a plurality of wind turbines (WT), comprising:
a network topology determination unit generating a wake direction graph according to a wake interaction between the plurality of WTs and determining a network topology of the plurality of WTs based on the wake direction graph; and
A power adjustment optimization unit for applying a decentralized optimization solution to independently control clustered subsets according to the determined network topology;
The network topology determining unit,
A wake weighting coefficient matrix that collects parameters for the plurality of WTs associated with the output power of the wind farm and numerically represents a wake effect acting on each other among the plurality of WTs, and the WT as a node , generate a unique wake direction graph representing the wake influence acting on each other as a direction line, and perform a pruning process on the unique wake direction graph, so that the subsets are completely separated. generating a directed graph and determining a network topology for the plurality of WTs based on the generated pruned wake directed graph;
The pruning process is
A plurality of threshold values capable of completely separating subsets are derived, power yield information and calculation speed information are calculated for each of the pruned wake direction graphs according to the derived threshold values, and the calculated power yield results Based on the information and calculation speed result information, after determining an optimal threshold among the derived thresholds, generating the pruned wake direction graph using the determined optimal threshold;
The above decentralized optimization solution is
Includes optimized values for each of the yaw angle and axial coefficient of the WT that maximizes the output power of the WF, and the Monte Carlo law (MC) law is embedded in the BAS (beetle antennae search) algorithm MC-BAS algorithm Characterized in that it is derived by an optimization algorithm corresponding to,
A real-time power optimizer for wind farms.
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