Modelling and Simulation of Wind Power System Considering Wake Effect Using DigSILENT

Abstract

Increasing demand for electricity, coupled with depletion of fossil fuel sources, has accelerated the integration of renewable energies into conventional power generation in Nigeria. Wind energy, recognized for its environmental benefits, faces challenges related to the wake effect resulting in decreased wind velocity downstream of wind turbines (WITs). This turbulence adversely affects power generation efficiency, necessitating the optimization of wind farm layouts (WFALO) to mitigate operational and maintenance costs. This research employs DigSILENT for modeling and simulation, considering wake effects to enhance wind power system efficiency. Mathematical formulations for non-wake, full wake, partial wake, and multiple wake effects were employed. The impact of wake effects on a 15 MW wind farm featuring six 2.5 MW-rated wind generators operating at 20 kV was analyzed in DigSILENT environment considering three scenarios. In scenario one the wind travelled from first to the last row at the rated speed of 11.5 m/s and travel time of 100 s. In scenario two the wind speed was increased from 7 m/s to 10 m/s at the same travel time 100 s. And finally in scenario three the wind speed was reduced from 10 m/s to 7 m/s at the same travel time of 100 s. The outcomes revealed a reduction in wind speed by 1.1, 1.3, and 1.5 m/s for the respective cases, resulting in corresponding percentage decreases in power output of 15%, 18%, and 20%. This underscores the significant impact of wake effects on wind turbine performance, demonstrating that the wind speed diminishes progressively due to these effects

La demande croissante d’électricité, associée à l’épuisement des sources de combustibles fossiles, a accéléré l’intégration des énergies renouvelables dans la production d’électricité conventionnelle au Nigeria. L’énergie éolienne, reconnue pour ses bénéfices environnementaux, est confrontée à des défis liés à l’effet de sillage entraînant une diminution de la vitesse du vent en aval des éoliennes (WIT). Ces turbulences affectent négativement l’efficacité de la production d’électricité, nécessitant l’optimisation de la configuration des parcs éoliens (WFALO) pour atténuer les coûts d’exploitation et de maintenance. Cette recherche utilise DigSILENT pour la modélisation et la simulation, en prenant en compte les effets de sillage afin d’améliorer l’efficacité du système éolien. Des formulations mathématiques pour les effets de non-sillage, de sillage complet, de sillage partiel et de sillage multiple ont été utilisées. L’impact des effets de sillage sur un parc éolien de 15 MW comprenant six éoliennes de 2,5 MW fonctionnant à 20 kV a été analysé dans l’environnement DigSILENT en considérant trois scénarios. Dans le premier scénario, le vent s’est propagé du premier au dernier rang à une vitesse nominale de 11,5 m/s et un temps de déplacement de 100 s. Dans le deuxième scénario, la vitesse du vent est passée de 7 m/s à 10 m/s pour un même temps de trajet de 100 s. Et enfin, dans le troisième scénario, la vitesse du vent a été réduite de 10 m/s à 7 m/s pour un même temps de trajet de 100 s. Les résultats ont révélé une réduction de la vitesse du vent de 1,1, 1,3 et 1,5 m/s dans les cas respectifs, entraînant une diminution correspondante en pourcentage de la puissance de sortie de 15 %, 18 % et 20 %. Cela souligne l’impact significatif des effets de sillage sur les performances des éoliennes, démontrant que la vitesse du vent diminue progressivement en raison de ces effets.