Wind farm modelling has been an area of rapidly increasing interest with numerous analytical as well as computational-based approaches developed to extend the margins of wind farm efficiency and maximise power production. In this work, we present the novel ML framework WakeNet, which can reproduce generalised 2D turbine wake velocity fields at hub-height over a wide range of yaw angles, wind speeds and turbulence intensities (TIs), with a mean accuracy of 99.8% compared to the solution calculated using the state-of-the-art wind farm modelling software FLORIS. As the generation of sufficient high-fidelity data for network training purposes can be cost-prohibitive, the utility of multi-fidelity transfer learning has also been investigated. Specifically, a network pre-trained on the low-fidelity Gaussian wake model is fine-tuned in order to obtain accurate wake results for the mid-fidelity Curl wake model. The robustness and overall performance of WakeNet on various wake steering control and layout optimisation scenarios has been validated through power-gain heatmaps, obtaining at least 90% of the power gained through optimisation performed with FLORIS directly. We also demonstrate that when utilising the Curl model, WakeNet is able to provide similar power gains to FLORIS, two orders of magnitude faster (e.g. 10 minutes vs 36 hours per optimisation case). The wake evaluation time of wakeNet when trained on a high-fidelity CFD dataset is expected to be similar, thus further increasing computational time gains. These promising results show that generalised wake modelling with ML tools can be accurate enough to contribute towards active yaw and layout optimisation, while producing realistic optimised configurations at a fraction of the computational cost, hence making it feasible to perform real-time active yaw control as well as robust optimisation under uncertainty.


翻译:风电场建模是一个备受关注的领域,已经发展出许多分析和计算方法以扩大风电场的效率边界,将发电量最大化。本文介绍了一种新型的机器学习(ML)框架WakeNet,它能够在各种偏航角度、风速和涡流强度(TIs)范围内,以高达99.8%的平均准确率复现广义的2D涡轮机尾流速度场,相对于利用最先进的风电场建模软件FLORIS计算的解决方案。由于为网络训练而生成足够高保真度数据的成本可能是禁止的,因此还研究了多保真度传递学习的效用。具体而言,利用低保真度高斯尾流模型对预训练网络进行微调,以获得中保真度卷曲尾流模型的准确尾流结果。WakeNet在各种尾流控制和布局优化情景下的稳健性和整体表现通过功率增益热力图进行了验证,直接获得FLORIS优化得到的功率收益至少90%。我们还证明,当利用卷曲模型时,WakeNet能够在两个数量级更快(例如,每个优化案例10分钟与36小时)。期待WakeNet在使用高保真度CFD数据集进行训练时的尾流评估时间也是相似的,从而进一步提高计算时间节省。这些有前途的结果表明,采用ML工具的广义尾流建模可以足够准确地为主动偏航和布局优化做出贡献,同时在一小部分计算成本下产生逼真的优化配置,因此能够在不确定性下进行实时主动偏航控制以及稳健的优化。

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