Gaussian processes for modelling wind turbine power curves

Abstract

Modelling wind turbine power curves is a hugely important problem in management and monitoring wind power on wind farms. Such models are commonly utilised (i) to report to the authorities the energy that the wind farm will deliver to the national provider, (ii) to provide a tool to monitor the good functionality/operation of each wind turbine by comparing the expected and observed output power, (iii) to evaluate the wind farm development in a location in which only weather characteristics have been measured and (iv) to impute missing data of a wind turbine that has temporarily stopped without deleting the data of the other turbines. We provide a novel approach based on multi-task Gaussian processes that provides probabilistic answers to the above questions and we demonstrate that it outperforms single-task Gaussian process modelling. Our final model specification predicts the joint density of power curves for given wind speeds, wind directions, temperature and air pressure.

Η μοντελοποίηση καμπύλης ισχύος σε ανεμογεννήτριες είναι υψίστης σημασίας για τη διαχείριση και παρακολούθηση ενός αιολικού πάρκου. Μοντέλα καμπυλών ισχύος χρησιμοποιούνται (i) για την αναφορά της εκτιμώμεμενης παραγωγής ενέργειας του αιολικού πάρκου στην Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας, (ii) για την παροχή ενός εργαλείου παρακολούθησης καλής λειτουργίας κάθε ανεμογεννήτριας συγκρίνοντας την αναμενόμενη και την παρατηρούμενη ενέργεια, (iii) για την αξιολόγηση της ανάπτυξης του αιολικού πάρκου σε μια τοποθεσία στην οποία έχουν μετρηθεί μόνο οι επικρατούσες καιρικές συνθήκες και (iv) για να αντικατασταθούν ελλείπουσες τιμές από μια ανεμογεννήτρια που έχει σταματήσει προσωρινά χωρίς την αναγκαία διαγραφή των δεδομένων των άλλων ανεμογεννητριών. Προτείνουμε μια πρωτότυπη προσέγγιση Γκαουσιανών διαδικασιών πολλαπλών εργασιών η οποία ξεπερνά σε απόδοση τις μέχρι τώρα εφαρμοζόμενες τεχνικές μοντελοποίησης Γκαουσιανών διαδικασιών μιας εργασίας ενώ ταυτόχρονα απαντά πιθανολογικά στα παραπάνω ερωτήματα. Το τελικό μας μοντέλο προβλέπει την από κοινού κατανομή των καμπυλών ισχύος των ανεμογεννητριών του αιολικού πάρκου δεδομένης της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου, της θερμοκρασίας καθώς και της πίεσης του αέρα.