Determining and analysing production losses due to ice on wind turbines using SCADA data

• Main Author: Felding, Oscar
• Format: Others
• Language: English
• Published: Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik 2021
• Subjects: Wind turbines; ice accretion; ice losses; SCADA; cold climate; Vindturbin; ispåbyggnad; isförluster; SCADA-data; kallt klimat; Energy Engineering; Energiteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-83287

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