A reliable wind speed forecasting method is crucial for the applications in wind engineering. In this study, the generalized S-transform (GST) is innovatively applied for wind speed forecasting to uncover the time-frequency characteristics in the non-stationary wind speed data. The improved grey wolf optimizer (IGWO) is employed to optimize the adjustable parameters of GST to obtain the best time-frequency resolution. Then a hybrid method based on IGWO-optimized GST is proposed to validate the effectiveness and superiority for multi-step non-stationary wind speed forecasting. The historical wind speed is chosen as the first input feature, while the dynamic time-frequency characteristics obtained by IGWO-optimized GST are chosen as the second input feature. Comparative experiment with six competitors is conducted to demonstrate the best performance of the proposed method in terms of prediction accuracy and stability. The superiority of the GST compared to other time-frequency analysis methods is also discussed by another experiment. It can be concluded that the introduction of IGWO-optimized GST can deeply exploit the time-frequency characteristics and effectively improving the prediction accuracy.
Kim, Hyungyu;Kim, Kwansoo;Paek, Insu;Yoo, Neungsoo
Journal of Power Electronics
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v.15
no.4
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pp.1047-1053
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2015
A time-domain simulation tool to predict the dynamic power output of wind turbines in an offshore wind farm was developed in this study. A wind turbine model consisting of first or second order transfer functions of various wind turbine elements was combined with the Ainslie's eddy viscosity wake model to construct the simulation tool. The wind turbine model also includes an aerodynamic model that is a look up table of power and thrust coefficients with respect to the tip speed ratio and pitch angle of the wind turbine obtained by a commercial multi-body dynamics simulation tool. The wake model includes algorithms of superposition of multiple wakes and propagation based on Taylor's frozen turbulence assumption. Torque and pitch control algorithms were implemented in the simulation tool to perform max-Cp and power regulation control of the wind turbines. The simulation tool calculates wind speeds in the two-dimensional domain of the wind farm at the hub height of the wind turbines and yields power outputs from individual wind turbines. The NREL 5MW reference wind turbine was targeted as a wind turbine to obtain parameters for the simulation. To validate the simulation tool, a Danish offshore wind farm with 80 wind turbines was modelled and used to predict the power from the wind farm. A comparison of the prediction with the measured values available in literature showed that the results from the simulation program were fairly close to the measured results in literature except when the wind turbines are congruent with the wind direction.
This investigation presents reviews of many research results on lightning damage to wind turbines and lightning protection strategies from IEC Standard, Europe, USA, Japan and Korea. There have been few studies on lightning protection of wind turbines in Korea, while various investigations have been performed in the other countries. It is necessary to apply some good lightning protection strategies of IEC Standard and the other countries to Korea. Those are as follows: The guideline for lightning protection of wind turbines should be established based on IEC Standards. It needs to be carried out both development of software and experimental studies for understanding the types of lightning damage to wind turbines and compiling the database. In order to minimize the lightning damage to wind turbines, it is a key factor for wind farm owners and researchers to provide the information about the damage cases and wind farm operation technique.
Cheng, X.X.;Zhao, L.;Ge, Y.J.;Dong, J.;Demartino, C.
Wind and Structures
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v.24
no.2
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pp.119-144
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2017
The traditional method for the simulation of high Reynolds number (Re) effects on wind loads on cooling tower models in wind tunnels focuses only on the mean wind pressure distribution. Based on observed effects of some key factors on static/dynamic flow characteristics around cooling towers, the study reported in this paper describes a comprehensive simulation method using both mean and fluctuating wind pressure distributions at high Re as simulation targets, which is indispensable for obtaining the complete full-scale wind effects in wind tunnels. After being presented in this paper using a case study, the proposed method is examined by comparing the full covariance matrices and the cross-spectral densities of the simulated cases with those of the full-scale case. Besides, the cooling tower's dynamic structural responses obtained using the simulated wind pressure fields are compared with those obtained by using the full-scale one. Through these works, the applicability and superiority of the proposed method is validated.
Lalonde, Eric R.;Dai, Kaoshan;Lu, Wensheng;Bitsuamlak, Girma
Wind and Structures
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v.29
no.3
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pp.195-207
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2019
This paper presents an overview of wind turbine research techniques including the recent application of hybrid testing. Wind turbines are complex structures as they are large, slender, and dynamic with many different operational states, which limits applicable research techniques. Traditionally, numerical simulation is widely used to study turbines while experimental tests are rarer and often face cost and equipment restrictions. Hybrid testing is a relatively new simulation method that combines numerical and experimental techniques to accurately capture unknown or complex behaviour by modelling portions of the structure experimentally while numerically simulating the remainder. This can allow for increased detail, scope, and feasibility in wind turbine tests. Hybrid testing appears to be an effective tool for future wind turbine research, and the few studies that have applied it have shown promising results. This paper presents a literature review of experimental and numerical wind turbine testing, hybrid testing in structural engineering, and hybrid testing of wind turbines. Finally, several applications of hybrid testing for future wind turbine studies are proposed including multi-hazard loading, damped turbines, and turbine failure.
The effect of mean angle of wind attack on the flutter critical wind speed of two generic bridge deck cross-sections, viz, one closed box type streamlined section (deck-1) and closed box trapezoidal bluff type section with extended flanges/overhangs (deck-2) type of section have been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD) based forced vibration simulation method. Owing to the importance of the effect of the amplitude of forcing oscillation on the flutter onset, its effect on the flutter derivatives and flutter onset have been studied, especially at non-zero mean angles of wind attack. The flutter derivatives obtained have been used to evaluate flutter critical wind speeds and flutter index of the deck sections at non-zero mean angles of wind attack studied and the same have been validated with those based on experimental results reported in literature. The value of amplitude of forcing oscillation in torsional degree of freedom for CFD based simulations is suggested to be in the range of 0.5° to 2°, especially for bluff bridge deck sections. Early onset of flutter from numerical simulations, thereby conservative estimate of occurrence of instability has been observed from numerical simulations in case of bluff bridge deck section. The study aids in gaining confidence and the extent of applicability of CFD during early stages of bridge design, especially towards carrying out studies on mean incident wind effects.
High-rise buildings are very slender and flexible. Their low stiffness values make them vulnerable to horizontal loads, such as those associated with wind or earthquakes. For high-rise buildings, the threat to serviceability caused by wind-induced vibration is an important problem. To estimate the serviceability under wind action, the response acceleration of a building at the roof height is used. The response acceleration is estimated by the same wind speed at all wind directions. In general, the effect of wind direction is not considered. Therefore, the response accelerations obtained are conservative. If buildings have typical plans and strong winds blow from relatively constant wind directions, it is necessary to account for the wind direction to estimate the response accelerations. This paper presents three methods of evaluating the response accelerations while considering the effects of wind direction. These three serviceability evaluation methods were estimated by combining the wind directional frequency data obtained from a weather station with the results of a response analysis using wind tunnel tests. Finally, the decrease in the efficiencies of the response acceleration for each serviceability evaluation method was investigated by comparing the response acceleration for the three methods accounting for wind direction with the response acceleration in which wind direction was not considered.
A multi-platform offshore wind farm is receiving the worldwide attention for the sake of maximizing the wind power capacity and the dynamic stability at sea. But, its wind power efficiency is inherently affected by the interference of wake disturbed by the rotating blades, so its layout should be appropriately designed to minimize such wake interference. In this context, the purpose of this paper is to introduce a layout optimization for multi-platform offshore wind farm consisted of 2.5MW spar-type floating wind turbines. The layout is characterized by the arrangement type of wind turbines, the spacing between wind turbines and the orientation of wind farm to the wind direction, but the current study is concerned with the spacing for a square-type wind farm oriented with the specific angle. The design variable and the objective function are defined by the platform length and the total material volume of the wind farm. The maximum torque loss and overlapping section area are taken as the constraints, and their meta-models expressed in terms of the design variable are approximated using the existing experimental data and the geometry interpretation of wake flow.
Wind tunnel aeroelastic model tests of the Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) standard tall building were conducted using a three-degree-of-freedom base hinged aeroelastic(BHA) model. Experimental investigation into the effects of coupled translational-torsional motion, cross-wind/torsional frequency ratio and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness on the wind-induced response characteristics and wind excitation mechanisms was carried out. The wind tunnel test results highlight the significant effects of coupled translational-torsional motion, and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness, on both the normalised along-wind and cross-wind acceleration responses for reduced wind velocities ranging from 4 to 20. Coupled translational-torsional motion and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness also have significant impacts on the amplitude-dependent effect caused by the vortex resonant process, and the transfer of vibrational energy between the along-wind and cross-wind directions. These resulted in either an increase or decrease of each response component, in particular at reduced wind velocities close to a critical value of 10. In addition, the contribution of vibrational energy from the torsional motion to the cross-wind response of the building model can be greatly amplified by the effect of resonance between the vortex shedding frequency and the torsional natural frequency of the building model.
Due to the irregular shape and the deviation of stiffness center and gravity center, buildings always suffer from complex surface load and vibration response under wind action. This study is dedicated to analyze the surface wind load and wind-induced response of an irregular building, and to discuss the possibility of top swimming pool as a TLD to diminish wind-induced vibration of the structure. Wind tunnel test was carried out on a hotel with irregular shape to analyze the wind load and structural response under 8 wind incident angles. Then a precise numerical model was established and calibrated through experimental results. The top swimming pool was designed according to the principle of frequency modulation, and equations of motion of the control system were derived theoretically. Finally, the wind induced response of the structure controlled by the pool was calculated numerically. The results show that both of wind loads and wind-induced responses of the structure are significantly different with wind incident angle varies, and the across-wind response is nonnegligible. The top swimming pool has acceptable damping effect, and can be designed as TLD to mitigate wind response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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