I n t ern a t i o n a l   J o u rn a l   o f   E l e ct ri ca l   a n d   C o mp u t er   E n g i n eeri n g   ( I J E C E )   V o l .   11 ,   N o .   1 ,   F e b ru a ry   2 021 ,   pp .   47 ~ 56   I S S N :  208 8 - 87 08 ,   D O I :  10. 115 91 / i j e c e . v11 i 1 . pp 47 - 56             47       Jo u r n al   h om e pa ge :  h t t p : / / i j e c e . i a e s c o r e . c o m   C om m e r ci al   w i n d t u rbi n es  m od el i ng  u s i n g s i n gl e  an d  c om po s i t e   c u m u l a t i v e pro bab i l i t y den s i t y  f unc t i on s       O t hm a n   A .   M.   O ma r 1 ,   H a m dy   M .   A hm e d 2 ,   R e d a   A.   E l ba r ko u k y 3   1, 3 D e pa rt m e nt  P hys i c s  a nd  E ngi ne e ri ng  M a t h e m a t i c s ,  F a c ul t y  of  E ngi ne e ri ng,  A i n S ha m s  U ni ve r s i t y,   E gypt   2 H i ghe r Ins t i t ut e  of E ng i ne e ri ng ,   E l - S horouk A c a de m y,   E l - S horouk Ci t y ,  E gypt       A rt i cl e  I n f o     A B S T RA C T   Ar t i c l e   h i s t o r y :   R ecei v ed   Ma y  2,   2 02 0   Re v i s e d   J un  16 ,   202 0   A ccep t e d   Ju l   1 ,   202 0       A s  w i nd t urb i n e s  m or e   w i d el y  u s ed  w i t h  n ew er   m an u f act u r ed  t y p es   an d   l a rge r  e l e c t ri c a l   pow e r s c a l e s ,  a   bri e f  m a t h e m a t i c a l  m ode l l i ng  fo r t he s e  w i nd   t urbi ne s  op e ra t i ng pow e r  c urv e s  i s  ne e de d  f or opt i m a l  s i t e  m a t c hi ng   s e l e c t i ons .  In t h i s  pa pe r,  24  c om m e rc i a l  w i nd  t ur bi ne s  w i t h di ff e r e nt  ra t i ngs   a nd di ff e re nt  m a nufa c t ur e s  a r e  m ode l l e d us i ng s i ngl e   c um ul a t i v e   proba bi l i t y   de ns i t y   fun c t i o ns  m ode l l i ng e qua t i ons .  A  ne w  m e a n   of a  c om pos i t e   c um ul a t i v e  pro ba bi l i t y  de ns i t y  func t i on  i s  u s e d for  be t t e r  m od e l l i n g   accu r acy . I n v as i v e w eed  o p t i m i z a t i on  a l gor i t hm  i s  us e d t o  e s t i m a t e  di ff e re n t   m ode l s  de s i gn i n g pa ra m e t e rs .  T he  be s t   c um ul a t i ve  de ns i t y func t i on m od e l   for e a c h w i nd t urbi ne  i s  r e a c h e d t hrough  c om pa ri ng t h e  RM S E  of e a c h   m ode l .  Re s ul t s  s how e d t ha t   W e i bul l - G a mm a  c o mp o s ite  is  th e  b e s t mo d e ll in g  t e c hn i que  fo r 37 . 5% of t h e  r e a c he d re s ul t s .   Ke y wo r d s :   Cu m u l a t i v e   p r o b a b i l i t y   d e ns i t y  f un c tion s   M a t h e m a t i c a l   m o d e l l i n g   P o we r  c u rv e s   W i n d   t u r b i n e s   T hi s  i s  an ope n   ac c e s s  ar t i c l e  un de r  t he   CC B Y - SA   l i c e n s e.     C or r e s po n di n g  A u t h or :   O t h m a n   A.   M.   O m a r,     D e p ar t e m en t   o f   P h y s i cs   a n d   E n g i n eer i n g  M at h em at i cs ,   F a c ul t y  o f   E ng i ne e r i n g,   Ai n  S ha m s   U ni ve r s i t y,   A bdo   B a s h a   s qu a re ,   A bb a s s ia ,   C a ir o1 151 7,   E gy pt .   E m a il:  O s m a n_ a hm e d@ e n g. a s u . e du . e g       1.   I N T R O D U C T I O N   Mo de l l i n g o f  r e ne wa bl e  e ne r gy  r e s ou r c e s  t o m a xi m i z e  t h e  be s t  us e   of  t he m  c a n be   m a de  t h r o u gh  u s i n g  b e s t  m at h em at i cal  m o d el l i n g  t ech n i q u es  w h i c h  g i v e  a g r eat  ef f ect  o n  m o r e  d e s c r i b i n g   t h e  p r o b a b i l i s t i c   na t u r e  o f  t he s e  r e s o u r c e s .   W i n d e ne r gy i s  on e  o f  m os t  c om m o nl y  us e d r e ne w a bl e   e ne r g y r e s o ur c e s  t oda y   es p eci al l y  i n  e l ect r i cal  p o w er  en g i n ee r i n g .   W i n d   p o w e r  i s  t r an s f er r e d  i n t o  el ect r i cal  p o w er   b y  t h e  m e an   o f   w i n d  t ur bi ne s .  Ma t h e m a t i c a l  m o d e l l i n g  o f  w i n d   t u r b i n e s  r e s u l t s   i n  f o r e c a s t i n g   t h e  g e n e r a t e d   e l e c t r i c a l  p o w e r   f r om  t he m  a n d a l s o  he l p s  t o c o m pa r e   di f f e r e nt  t ur bi ne s  pe r f o r m a nc e   on  s a m e  s i t e  l oc a t i on  a s  a  t ool   f o r   opt i m a l   s i t e   m a t c hi ng .   E a c h  wi n d  t u r bi ne   h a s   a   po w e r   c ur ve   de s c r i bi n g  t he   r e l a t i on  be t w e e n   i n put   w i nd   s pe e d   a n d tur b i n e   o u t p u t   e l e c t r i c a l  p o w e r  [ 1 ] .  T h es e c u r v es  ar e  v a r i ed  acc o r d i n g  t o  d i f f e r en t  m an u f act u r er s  a n d   di f f e r e nt  ge ne r a t e d po we r  r a t i ngs .   T h e  m at h em at i cal  m o d el s  w h i ch  ar e   u s e d  t o   d es cr i b e t h e  w i n d   t u r b i n e s    ope r a t i n g p o w e r  c u r ve s  wi l l  be  di f f e r e nt .   E a c h wi nd  t ur bi ne  c u r ve  ha s  t hr e e   m a i n  poi nt s  c ut - i n s pe e d p oi nt     (2 - 5   m / s )   at  w h i ch   t u r b i n e s t ar t s   t o  o p er at e an d  g en e r at e   po w e r ,  r a te d s pe e d   po in t  ( 7 - 1 6  m / s )   a t  w h i c h  w i n d   t ur bi ne  ge n e r at es  i t s  r at ed   p o w er  a n d  cu t - o ut  s pe e d  ( 20 - 3 0 m / s )  a t  w hi c h t u r bi ne  i s  s h ut d ow n t o p r e ve nt  i t   f r om  da m a ge .   T he s e  r a n ge s  o f  c ut - i n   s p e ed ,  r a t ed   s p e ed  an d  cu t - out  s pe e d a r e  r e a c h e d  f ro m  m a n u fa c t u re r s ’  t e s t s .   T he   m os t   c o m m onl y  us e d  m a t he m a t i c a l   m o d e l s   t o  a p pr o xi m a t e   w i n d  s pe e d - p o w e r   ch a r act er i s t i cs   cu r v e   f o r  t he  t u r bi ne s  a r e  l i ne a r  f u n c t i ons  [ 2] ,  q ua dr a t i c  f unc t i o n s  [ 3 ] ,  c ubi c  f u nc t i on s  [ 4] ,  s pl i ne  f u nc t i o ns   [ 5]  a nd   l o g i s t i c   f u n c t i o n s   [ 6 ] .   T he   m o de l l i ng  f unc t i o ns   a r e  cat eg o r i zed   i n t o   p i ece w is e   c on tinuo us   f u n c tion s   a nd  s in gl e   co nt i n u ou s   f u n c t i ons .   A ut ho r s  i n  [ 7]   r e a c he d t ha t  m o de l l i n g  wi n d  t ur bi ne  e l e c t r i c a l  p o w e r  c ur ve  u s i n g  s i ngl e   c o n tinuo us   f u n c t i o n s   i s  b e t t e r   t h a n  u s i n g   pi e c e w i s e   c o nt i nu o us  f unc t i ons   m ode l l i n g w he r e  pi e c e w i s e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 87 08   I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g,   V o l .   11 ,   No .   1,   F e b r ua r y  2 02 1  :    47   -   56   48   m o d el l i n g  t ech n i q u es  g i v e  h i g h e r  er r o r s   es p eci al l y   a t   t he   r a t e d wi n d s pe e d p oi nt .   A s   u s i n g  l o g i s t i c  f u n c t i o n s   i n t hi s  a r e a  o f   m o de l l i ng  r e s u l t s  i n ve r y  g oo d a pp r o xi m a t i ons ,   so   a ut h or s  us e d a   ne w  p r op os e d m o di f i c a t i on  o f   a  4 - pa r a m e t e r s   l o gi s t i c   f u n c t i on  m ode l l i n g  t o  gi ve   be t t e r   m o de l l i ng  a c c ur a c y  t ha n  t he   d e f a u l t   4 - p ar am e t e r s   l ogi s t i c  f u nc t i o ns .   A ut ho r s  i n  [ 8 ]  m a de  a  c o m p r e he ns i ve   r e vi e w  a bo ut  w i nd t u r bi ne s   po we r  c ur ve s   m o de l l i n g   t e c hni q ue s .  P o w e r  c ur ve s   d u r i n g m ode l l i n g  a r e  c a t e g or i z e d i nt o de t e r m i ni s t i c  m ode l l i ng a n d  pr ob a b i l i s t ic   m o d e l l i n g .  M a t h e m a t i c a l   c u r v e   f i t t i n g  a n d   a r t i f i c i a l  i n t e l l i g e n c e  t e c h n i q u e s  a r e   e x a m p l e s   o f  d e t e r m i n i s t i c   m o de l i ng  [ 9,   1 0] .   C u r ve  f i t t i ng  m o de l s  ha ve   t wo   s ub s e c t i o ns  o ne  of   t he m   i s   s e gm e nt e d  c ur ve  f i t t i ng m ode ls   l i k e  l i n e a r  f u n c t i o n s ,   p o l y n o m i a l  f u n c t i o n s  a n d  e x p o n e n t i a l  f u n c t i o ns  [ 11 - 13 ] .  T he  s e c on d s u bs e c t i on i s   i n t e g r a t e d  c u r v e  f i t t i n g  m o d e l s  l i k e   d o u b l e  e x p o n e n t i a l - ba s e d  f u nc t i o ns  a nd l ogi s t i c   f un c tion s  [ 14 ,   1 5] .     T he  a c c u r a c y   of  di f f e r e nt  m ode l s  i s   de s c r i be d  t h r ou g h t h e  f ol l o w i n g c o m m o nl y   us e d  c r i t e r i a :  m e a n  a bs ol ut e   e r ro r  ( MA E ) ,   r oot   m e a n   s qua r e   e r r o r   ( R MS E )   a nd   de t e r m i n a t i on  c oe f f i c i e nt   R 2 .     A ut ho r s  i n  [ 1 6 ]  us e d  ni ne   di f f e r e nt  l ogi s t i c   f u nc t i o ns  e q ua t i ons  t o  m o de l  s i x c om m onl y  us e d  w i n d  t ur bi ne s .  I n  [ 1 7] ,  a ut ho r s   us e d  w e i b ul l  c um ul a t i ve  p r oba b i l i t y de ns i t y  f u nc t i on  m ode l l i n g  a s  a   ne w t ool  t o   m o de l   di f f e r e n t  s i x  w i nd  t ur bi ne s   w i th  g e n e r a tion  pow e r  r a ng e s  ( 2 - 7  M W ) .  W e i b u l l   c u m u l a t i v e  d e n s i t y   f u n c t i o n   g i v e s  l o w e r  RM S E  t h a n  a l l  t y p e s  o f   4 - p o i n t  l o g i s t i c  f u n c t i o n s  w i t h  s i m p l e r  m o d e l l i n g  e q u a t i o n .     I n t hi s   pa pe r  a s  a n e xt e ns i o n  f o r   p r e v i o u s  l i t e r a t u r e ,   d i f f e r e n t  s i n g l e  c u m u l a t i v e  p r o b a b i l i t y  d e n s i t y  f u n c t i o n s   a nd  a   ne w  a pp r oa c h  o f  a  c o m p os i t e  c u m ul a t i ve  p r o ba bi l i t y d e ns i t y  f u n c t i on a r e   us e d  t o m o de l   l ar g e r  s cal e   w i n d  s pe e d  a n d p ow e r  va l ue s .   T o c he c k t h e s e  m ode l s   va l i di t y,   d i f f er e n t  2 4  c o m m er ci al  w i n d  t u r b i n es  ar e   m o de l l e d.  T he  ge ne r a t e d  po we r  o f  t he s e   w i nd t ur b i ne s   c o ve r s   t he  r a nge  ( 2 0 0 KW - 7 MW ) .   T he  us e d s i ngl e   c u m u l a t i v e  p r o b a b i l i t y  d e n s i t y   f u n c t i o n s  f o r   m o d e l l i n g  a r e  w e i b u l l ,  g a m m a   a n d   l o g - n o r m a l  d i s t r i b u t i o n   f un c tion s .   A l s o   a  n e w   c o m p o s i t e  o f  w e i b u l l   –   g a m m a   c u m u l a t i v e   p r o b a b i l i t y  d e n s i t y  f u n c t i o n   i s  g e n e r a t e d   a nd c o m pa r e d  wi t h s i n gl e   d i s t r i but i o n f u n c t i ons   us e d i n  t hi s  pa pe r  t o  r e a c h  m o r e  a c c ur a t e  m o de l l i ng  of     t h e   d i f f e r e n t   w i n d  t u r b i n e s .  E a c h   w i n d  t u r b i n e  i s  m o d e l l e d   us i n g a l l  c um ul a t i ve   de ns i t y  f u nc t i ons  m e n t i one d   in  t h is  p a pe r   a nd  f i n a ll y  r e s u lt s  a r e   c o m pa r e d  t o  r e a c h   m or e   a c c ur a t e   m od e l   i n  e a c h  c a s e   u s i ng  R MS E   c om p a r is on .       2.   MA T H E M AT I C AL   M O DE L L I NG   W I T H   C U MUL A T I VE   DE N S I T Y  F U N C T I O N S     M a t h e m a t i c a l  m o d e l l i n g  i s   u s e d  i n  t hi s  pa p e r   t o  de s c r i be  w i n d  t ur bi ne s  out put   p o we r  a c c or di n g   t o   va l i d  wi n d s p e e d i n p ut s .  T he   us e d  s i n gl e  c um ul a t i ve   d e ns i t y  f u nc t i o n m o de l s  a r e   w e i b ul l ,  ga m m a  a n d    l o g - n or m a l .  Al s o a  c o m pos i t e  c um ul a t i ve  de ns i t y f u nc t i on  m o de l  i s  us e d.  I t  c o ns i s t s  of   t wo t e r m s ,  t h e  fi rs t   t e r m  i s   w e i b u l l  t e r m   w i t h  a   w e i g h t i n g  c o e f f i c i e n t  a n d  t h e  s e c o n d  i s   g a m m a  t e r m   w i t h   a n o t h e r  w e i g h t i n g   c oe f f i c i e nt .   T h e   ge ne r a l   e q ua t i on  t o  de s c r i be   t he   f i t t e d   wi nd   t ur bi ne   o ut p ut   p ow e r   p i   a t   i n p u t   w i n d   s p e e d   v i   i s   d e s c r i b e d in ( 1) .   ( θ 1 , θ 2 , … , θ n )  a r e  t h e  c u m u l a t i v e   d e n s i t y  f u n c t i o n   d e s i g n i n g  v a r i a b l e s  w h i c h  a r e  o p t i m a l l y   s e l e c t e d   f o r   o p t i m a l   p o w e r   c u r v e   m o d e l l i n g .   I f   ( 1 )   i s   m u l t i p l i e d   b y   t h e   w i n d   t u r b i n e   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( P r )   i t   w i l l   t ra n s fe r re d   t o   (2 )  wh e re   o u t p u t   p o w e r   P i   u n i t   w i l l   b e   i n   ( K W ).   A s  i n di c a t e d i n  T a bl e   1,   we i b ul l  c um ul a t i ve   de n s i t y f u nc t i o n  ha s  t w o  de s i gni ng  va r i a bl e s  w hi c h a r e   t he   s ha pi ng   pa r a m e t e r   ( k )   a nd   t he   s c a l i n g  pa r a m e t e r   ( c ) .   B ut   t he   s t a nda r d  c um ul a t i ve   ga m m a   de ns i t y   f u n c t i on  ha s  o n l y  a  s h ap i n g   p a r am et er   ( a) .   T h e l o g - n or m a l   c u m ul a t i ve  di s t r i b ut i on  f u nc t i o n   ha s   t w o  de s i gni ng   v ar i a b l es   w h i ch   a r e   t h e   d i s t r i b u t i o n   m ea n   ( µ)   a n d   s t an d ar d   d e v i at i o n   ( σ ) .   A s   a  w a y   t o   r each   a  m o r e   ac cu r at e   f i t t i n g  c u r v e  t h e  w e i b u l l   –   g a m m a  c o m p o s i t e  d i s t r i b ut i o n  f unc t i o n i s  ge n e r a t e d  w i t h  f i v e  de s i gni ng  va r i a bl e s   as  i n d i cat ed  i n  T a b l e  1 ,   w h er e  w 1   i s  t h e   w e i b u l l  c u m u l a t i v e   d e n s i t y  f u n c t i o n   w e i g h t  i n  t h e  c o m p o s i t e .     T he   de s i gni n g  va r i a bl e s   of   e a c h  m o de l   c a n   b e   r e a c he d  us i n g   l eas t   s q u a r e  r eg r es s i o n   [ 1 8 ,   1 9]   or   us i ng   f u nc t i on   opt i m i z a t i o n t e c hni que s   [ 2 0] .  I n t hi s   pa pe r  i nv a s i ve  w e e d  opt i m i z a t i o n  a l g or i t hm  [ 2 1 ]  i s   us e d  f o r   o pt i m a l   s el ect i o n   o f  e ach  cu m u l at i v e m o d el   d es i g n i n g   p ar a m et er s   v al u es .  T h e  o b j ect i v e  f u n ct i o n  as s i g n ed  t o     t h e  o p t i m i z a t i o n  a l g o r i t h m  i s  t h e   R MS E   w hi c h s ho ul d   be  m i ni m i z e d  a s  a n i ndi c a t or   f or   hi g h a c c ur a c y   m o d e l l i n g .   In   ( 3)   s h ow s  t he   o bj e c t i ve  f u nc t i on  w hi c h  w i l l  be  m i ni m i z e d,   w he r e   N  i s  t he  n um be r   of  m e a s ur e d   da t a  poi nt s  be t we e n   i n p ut  wi nd   s pe e ds   w i t h  s p a c i n g  i n t e r v a l  1  m / s  a n d   t u rb i n e  c o rre s p o ndi ng  out put  p owe r s .   n i s  t he   nu m be r  o f   m ode l s   de s i gni ng va r i a bl e s .   W i nd  t ur bi ne s  un de r  s t u d y  ha ve   m a n uf a c t ur e r s ’  na m e p l a t e s   a nd   m e a s ur e d  t e s t s   va l ue s   a s   o n  [ 2 2] .     p i = F ( v i , θ 1 , θ 2 , … . , θ n )       ( p . u . )   (1)     P i = P r     F ( v i , θ 1 , θ 2 , … . , θ n )     ( K W )   (2)     M i n i m i z e :     R M SE = 1 N ∑ ( P m e as u r ed − P i ( v i , θ 1 , θ 2 , … . , θ n ) ) 2 N i = 1   (3)     S u b j e c t   t o :       θ i − m in ≤ θ 1 , θ 2 , … . , θ n ≤ θ i − ma x     , i = 1 , 2 , 3 , … . . , n   (4)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g     IS S N :   208 8 - 87 08       C om me r c i al   w i nd   t ur bi ne s   m o de l i ng   u s i n g  s i ngl e   a nd …  ( O t hm a n  A .   M.   O m a r )   49   T a bl e   1.   C um u l a t i ve   pr o ba bi l i t y  de ns i t y   f unc t i ons   m o de l l i n g  e qua t i o ns   C u m u lativ e d en s ity   f unc t i on m ode l   E q u atio n   θ 1   θ 2   θ 3   θ 4   θ 5   W eib u ll   P i = P r   ( 1 − e − v i c k )   k   c   −   −   −   Gam m a   P i = P r ∫ t a − 1 e − t . d t v i 0 Г ( a )   a   −   −   −   −   Lo g - nor m a l   P i = P r Ф (   l n ( v i ) − µ σ   )   µ   σ   −   −   −   W eib u ll &  Gam m a   C om pos i t e   P i = P r   ( w 1 1 − e − v i c k + ( 1 − w 1 ) ∫ t a − 1 e − t . d t v i 0 Г ( a ) )   k   c   µ   σ   w 1       3.   I N V A S I V E   W E E D O P T I MI Z A T I O N   AL G O R I T H M   (I W O )   I n v a s i v e  w e e d   o p t i m i z a t i o n   a l g o r i t h m  w i l l  b e   u s e d  t o  s e l e c t  t h e   o p t i m a l  v a l u e s   o f  t h e  d e s i g n i n g   pa r a m e t e r s   f o r  e a c h c um ul a t i ve  d e ns i t y  f un c t i on m o de l .  T he  s e que nt i a l  s t e ps  o f  i n va s i v e  we e d o pt i m i z a t i on   t ech n i q u e  ar e  [ 2 3 ] :   −   P o p u l a t i o n s  I n i t i a l i z a t i o n :  p o p u l a t i o n s   ( s e e d s )  w i t h  f i n i t e  n u m be r s   a r e  be i n g di s p r e a d o ve r   d - di m e ns i ona l   s e a r c h   s pa c e   w i t h  r a nd om   p os i t i ons .   W he r e   d   i s   n um be r   o f  t h e   de s i gni ng   va r i a bl e s .   −   S e e ds  R e pr od uc t i on:  e ve r y  s e e d g r ows  t o  f o r m  a  ne w  pl a nt  a n d  pr o duc e s  ne w e r   nu m be r  o f  s e e ds .     T he  n um be r  o f   s e e ds   o f   e a c h pl a nt  d e p e n d s  o n   t h ei r  f i t n es s  v al u e w h i l e  as   each  p l an t   f i t n es s  v al u e   i n cr eas es ,   n u m b er   o f   p l an t   s ee d s   al s o   i n c r eas es .   −   S p a t i a l  D i s p e r s a l :  r a n d o m   s e l e c t i o n s   o f  e a c h  p l a n t  s e e d s  a n d  a d a p t a t i o n s  i n  t h e  a l g o r i t h m  a r e  m a d e  i n   t h i s   pa r t .  T he  ne w  s e e ds  a r e   be i n g  r a nd om l y  s cat t er e d  o v er  t h e  s ea r c h   s p ace   u s i n g  s t an d ar d   n o r m al   di s t r i b ut i on   f u nc t i on s   un de r  va r i a nc e  va r i a t i ons .  T he  s t a nda r d  de vi a t i on   ( σ )  o f   t he  s t a nda r d  no r m a l  r a n d o m   f u n c t i o n s  w i l l  b e  p r o d u c e d   w i t h i n   i n i t i a l  v a l u e  (  σ in it ia l )  an d  a  f i n al  v al u e ( σ f i n a l )   i n e ve r y  s t e p.   D u r i n g   s i m u l a t i o n ,  a   n o n l i n e a r  a l t e r a t i o n -   m od ul a t i on i nde x  ( )  i s  s el ect ed  t o  r each  ce r t ai n  s at i s f act o r y   p er f o r m a n ce.   In   ( 5)  s h ows   h o w  t he  s t a n da r d  de vi a t i o n ( σ it e r )  at  each  i t er at i o n   ( it er )  i s  cal cu l at ed ,  wh e re   it er ma x   i s   t h e   m a x i m um   nu m be r   of   i t e r a t i ons .     σ it e r =   ( i t er m ax − i t er ) n it e r m ax n ( σ in it ia l − σ f i n a l ) + σ f i n a l   ( 5)     −   C om pe t i t i ve  E xc l us i on:  i n  t h i s  p r o c e s s  a n d   a f t e r  m a xi m u m   n um be r   of   pl a nt s  i s   r e a c h e d,   onl y t he  pl a nt s   w i t h  l ow e r  f i t n e s s   c a n pul l  o ut   a nd   p r od uc e   s e e d s ,  ot he r s  a r e  be i n g  di s c a r de d.  T he   pr o c e s s  c ont i n ue s  i n   e a c h  i t e r a t i o n  t i l l  m a x i m u m  i t e r a t i o n s  a r e  r e a c h e d  a n d  s i m p l y  t h e   p l a n t   w i t h   b e s t   f i t n e s s  i s  t h e  c l o s e s t  t o   t h e   o p t i m a l   s o l u t i o n .   I W O   a l g o r i t h m   f l o w   c h a r t   i s   a s   i n d i c a t e d   i n   F i g u r e   1 .           F i gure  1.  IW O  a l gori t hm  fl ow   c h a rt   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 87 08   I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g,   V o l .   11 ,   No .   1,   F e b r ua r y  2 02 1  :    47   -   56   50   4.   R E S U L T S   A ND   DI S C U S S I O N   F i r s t l y ,   s i x  c o m m e r c i a l   w i n d  t u r b i n e s   w i t h   e l e c t r i c a l  o u t p u t  p o w e r  r a n g e  f r o m   2   M W  t o   7   M W  a r e   m o de l l e d  us i n g s i ngl e  a n d c om po s i t e  c um ul a t i ve   de ns i t y  f unc t i o ns  ( C D F s )   [ 2 4 ,   25 ] .  D i f fe re n t  c o m m e rc i a l   w i n d   t u rb i n e s  wi t h   d i ffe re n t  m a n uf a c t ur e s   a r e  ha n dl e d.   T he  n um be r  o f   i t e r a t i ons  m a d e  by  I W O i s   10 0 0  i t e r a t i o n s  t o  g e t  d e s i g n i n g   p a r a m e t e r s   v a l u e s  o f  e a c h   c u m u l a t i v e  d e n s i t y   f u n c t i o n  m o d e l  t o   m i n i m i z e     t he  R M S E   of   a l l  m ode l s  t he n R MS E   o f  a l l  m o de l s  a r e  c om pa r e d.  T he  m o de l   w i t h t he  l o w e s t  R M S E  i s   c on s i de r e d a s  t he  o pt i m a l  o ne .   T he n,   t he  c u m ul a t i ve  d e ns i t y f unc t i o n s   m ode l s   ar e   e xt e nde d t o  m o de l  w i de r   r a n g e  o f  c o m m e r c i a l  w i n d  t u r b i n e s  t o  c h e c k   t h e i r   v a l i d i t y  o f   m o d e l l i n g .   T h e   o t h e r  c o m m e r c i a l  w i n d  t u r b i n e s   ar e   c a t e g o r i z e d  i nt o  t he   f ol l o w i ng  r a nge s   i n  a   de s c e ndi ng   o r d e r :     -   W i n d  t u r bi ne s   wi t h  ge ne r a t i o n  r a n ge   f r om   6 00   K W   t o  10 0 0  K W .   -   W i n d  t u r bi ne s   wi t h  ge ne r a t i o n  r a n ge   f r om   4 00   K W   t o  50 0  K W .   -   W ind   t u r bi ne s   wi t h ge ne r a t i o n  r a n ge   f r om   2 00   K W   t o  30 0  KW .     4. 1.     W i nd   t u r bi ne s   wi t h   ge n e r at i on   r an ge   [ 2   M W - 7   M W]   W i n d t u r bi ne s   m o de l l e d i n  t hi s  s e c t i on a r e :   Ve s t a s  ( V 80 ) ,   S i e m e ns   ( S 8 2) ,  R e p ow e r   ( R E 82 ) ,   N or de x  ( N9 0) ,  S ie m e ns  ( S 10 7)  a nd   Ve s ta s  ( V 164 ) .   T h e   r a ting   of  e a c h  wi n d t ur bi ne  i s  a s  i n di c a t e d i n  T a bl e   2.   I n  t hi s   s e c t i o n  r e s u l t s  s h o w e d  t h a t   s i n g l e  w e i b u l l  c u m u l a t i v e   p r o b a b i l i t y  d e n s i t y  f u n c t i o n   g i v e s  t h e   m i n i m u m     RM S E   f o r  a l l  t h e  s i x   w i n d   t u r b i n e s ,  s o  i t  c o n s i d e r e d  t h e  o p t i m a l  m o d e l  i n  t h i s  g e ne r a t i on p ow e r   r a nge .   W e i b u l l -   ga m m a  c o m p os i t e   gi ve s  l ow e r  a c c ur a c y t ha n s i n gl e  we i bul l  m o de l s  b ut  i t  ha s   hi g he r  a c c u r a c y t ha n  bot h s i n gl e  ga m m a  a n d s i n gl e  l og - n o r m a l  c u m u l a t i v e  d e n s i t y  f u n c t i o n  ( CD F )   m o d e l s .  L o g - n or m a l de n s ity  f u n ct i o n   m o d el   g i v e s   t h e   l o w e s t   accu r acy .   T h e  cu m u l at i v e  d e ns i t y  f u nc t i o n s   m ode l s   o f   e a c h  w i n d  t ur bi n e   a n d   a c t ua l   p ow e r   c ur ve  by m a nu f a c t ur e r s   r eac h ed   t h r o u g h   m e as u r e d   d at a p o i n t s  ar e s k et ch ed  o n  s a m e a x es  as   s ho w n i n F i gu r e  2.   W e i b ul l  p ow e r  c ur ve s  gi ve  a  ve r y  a c c u r a t e  a p p r o xi m a t i ons   f o r  t he  a c t ua l  p ow e r  c u r ve s  a s  i ndi c a t e d   i n F i gu r e  2,  w he r e    a c t ua l  c ur ve s  a n d  w e i b ul l   c ur ve s  a r e   ve r y  ne a r  t o c oi n c i de .   E rr o r b e t w e e n     a c t ua l  po w e r  c ur ve s  a nd a l l   m o de l s  ha s   hi g he r   va l ue s  a r o un d t he   r a t e d  s pe e d  p oi nt  o f  e a c h w i nd t ur bi ne  a n d  s l i g h t l y   a f t e r  c u t - i n   s p e e d  p o i n t  o f   a l l  w i nd  t u r bi ne s .   I n c a s e   of  a l l   w i n d t ur bi ne s   und e r  u s ing   w i e b u l l   m o de l l i ng  c ur ve s ,   e r r or   t a ke s  ve r y   s m a l l  va l ue s  f o r   wi nd   s pe e d   va l u e s  hi g he r   t ha n  w i n d t ur bi ne s  r a t e d     w i n d  s pe e ds .     4. 2.     W i nd   t u r bi ne s   w i t h   ge n e r at i on   r an ge   [ 6 0 0  K W - 1 000   K W ]   W i n d t ur bi ne s  m ode l l e d  i n  t hi s  pa r t  a r e  A n - B onus  100 0 / 5 4,   E n e rc o n  (E 5 3 ),  L e i t w i n d     (L T W7 7 - 10 00) ,   L e itw i n d  ( LT W 8 0 - 8 5 0 ) ,   L e i t w i n d   ( L T W 9 - 10 00 )   a nd   V e s ta s   ( V47 )   w i th   r a te d   p ow e r s   s how n   i n  T a b l e  3 .   T h r o u g h  r e s u l t s ,   w e i b u l l  c u m u l a t i v e   p r o b a b i l i t y   d e n s i t y  ( C D F )  g i v e s  l o w e s t   R M S E  a nd hig h e r   a c c ur a c y i n  f o ur   o ut  of  s i x  o f  t he   w i n d t u r bi ne s  i n t hi s   g e ne r a t i o n  r a n g e .  T he   wi n d t u r bi ne s  be s t  m o de l l e d  us i n g w e i b u l l  CD F   a r e   L e i t w i n d  ( L T W 7 7 - 100 0) ,  L e itw in d  ( L T W 80 - 85 0) ,  ( L e itw i n d L T W 90 - 10 00)  a n d  V e s t a s  (V 4 7 ).  W e i b u l l – g a m m a   c o m p o s i t e  CD F  gi ve s  l o w e s t  R M S E  a n d   hi g he r  a c c ur a c y i n  t w o  o ut   of  s i x   of   t he  w i n d t u r b i ne s  i n t hi s   r a nge .  T he  wi nd t ur bi ne s  b e s t   m o d e l l e d  u s i n g  w e i b u l l – ga m m a  c om pos i t e   i s     A n - B o n us   1 00 0/ 5 4  a n d  E ne r c on   ( E 5 3) .   A l s o   f r o m   r e s ul t s ,   t he   s i ngl e   l o g - n o r m a l   CD F   i s   t h e   w o r s t   m o d e l   w i t h   hi g he s t  R MS E  va l ue s .  E a c h  wi n d   t u r b i n e  a c t u a l  p o w e r  c u r v e  a n d  m o s t  a c c u r a t e  CD F   m o d e l   d e s c r i b i n g  i t  a r e   s ke t c he d  o n  s a m e   g r a ph   a s   s h ow n  i n  F i gu r e   3.     4. 3.     W i nd   t u r bi ne s   w i t h   ge n e r at i on   r an ge   [ 4 0 0  K W - 50 0  K W ]   D a ni s h W i nd  T e c h  W i n da ne  ( D W T 34 ) ,  E ne r c on  ( E 40 ) / 5. 4,  T ur b ow i n ds  T 40 0 - 3 4 ,  V e s t a s   ( V 3 9 ),   W e s p a  500 /47 a nd  W i n df low  45 - 5 0 0 a r e   t he  s i x  wi n d t ur bi ne s  m ode l l e d i n t hi s  pa r t  us i n g  di f f e r e n t  C D F   m od e ls .   A s   s h ow n  i n  T a bl e   4 ,   w e i b ul l – g am m a  C D F   g i v es   m o r e  accu r at e  r es u l t s   w i t h   l o w er   R M S E   i n   f o u r   o u t   o f  s i x  o f   wi n d t u r bi ne s  i n  t hi s  p o we r  r a nge .  T he   wi n d t u r bi ne s   be s t   m o de l l e d us i ng w e i b ul l – ga m m a  c o m p os ite   a r e  E n e r c on  ( E 4 0) /5 . 4,  T ur bow ind s  T 400 – 34 ,  V e s ta s  ( V 39)  a nd   W indf low   45 - 5 0 0 .  S i n g l e  w e i b u l l   C D F   gi ve s  l o we s t  R M S E  a nd  hi g he r  a c c u r a c y i n t w o  wi nd t ur bi n e s   w h i ch   ar e D W T 3 4   an d  W es p a 5 0 0 / 4 7 .  T h e  w i n d  t u r b i n e ( D W T 3 4 )   h as  act u al   p o w er  cu r v e  d i f f er  t h a n  u s u al   act u al  p o w er  c u r v es   w h er e  t h e  d at a   poi nt s   w i t h  wi nd  s pe e d s  l ow e r  t ha n  r a t e d  wi n d    s pe e d a r e  i nt e r m i t t e nt   a nd   not  s m oot h.  W e i bul l  C DF  i s     t h e b es t  m o d el  f o r  t hi s   w i n d t ur bi ne  a c t ua l  c ur ve  s ha pe .   Ac t ua l  p owe r  c u r ve s  a nd  m o s t  a c c ur a t e  C D F   m o de l  de s c r i bi n g  e a c h  t u r bi ne   i s   s ke t c he d  o n  s a m e   gr a p h  a s   s h o w n  i n   F i g u r e   4.     4. 4.     W i n d   t u r b i n e s   w i t h   ge n e r at i on   r an ge   [ 2 0 0  K W - 30 0  K W ]   W i n d  t u r b i n e s  m o d e l l e d  i n  t h i s  s e c t i o n  a r e :  L e i t w i n d   L T W 4 2   –   2 50 ,  W ind m a s t e r Hm z w m 3 0 0 / 2 5 ,   V er g n et - C 2 7 5/ 30 ,   Ve s t a s   ( V2 7) ,   W e s pa   2 00/ 31  a n d  No r wi n   29 - S TA L L - 2 25   ( N o r w in2 25) .   T h e   r a ting   of   e a c h  w i n d  t u r b i n e  i s  a s  i n d i c a t e d   i n  T a b l e  5 .   A l l  w i n d  t u r b i n e s  i n  t h i s  p a r t   h a v e  c u t - ou t s p eed  ( 2 5  m / s )   ex c e p t   H m z w m 3 0 0 / 2 5.  R e s ul t s  s ho w e d  t ha t  s i ngl e  we i b ul l  C D F  gi ve s  t he  m i ni m um  R M S E  f or  5 0%   o f  w i n d   t ur bi ne s   u nde r  s t ud y i n t hi s  s e c t i on a nd  we i bul l   –   g am m a   co m p o s i t e g i v es  h i g h e r  acc u r acy  i n  t h e r e s t  5 0 %.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g     IS S N :   208 8 - 87 08       C om me r c i al   w i nd   t ur bi ne s   m o de l i ng   u s i n g  s i ngl e   a nd …  ( O t hm a n  A .   M.   O m a r )   51   T he  t w o  w i n d  t ur bi ne s   W e s p a  2 00 a n d N o r w i n 22 5 a c t ua l  po w e r  c u r ve s  a r e  di f f e r  i n s ha pe  c om pa r e d t o ot he r   f o ur  w i nd  t u r b i ne s  a s  t he y  h a ve  a   m a xi m u m  p o w e r  p oi nt .  W e i bul l - g am m a co m p o s i t e  i s  t h e  b es t  m o d el  f o r   t he s e  t wo  di f f e r e nt  c u r ve s  s ha pe s .   A l s o s i ngl e  ga m m a  C D F  m o de l  gi ve s   h i ghe r  a c c u r a c y  t ha n s i n gl e  w i e bul l   C D F  f or   m o d e l l i ng t he s e  t wo  p owe r  c ur ve s  wi t h l o w e r R M S E .  I n  c a s e  o f  Hm z w m 3 0 0 / 25 wi n d   t ur bi ne ,     t h e  b e s t   C D F   t o  v e r i f y  b e s t  a p p r o x i m a t i o n s   i s  w e i b u l l - ga m m a  c om po s i t e   t he n  ga m m a   CD F  w i h  i n t e r m e d i a t e   a pp r oxi m a t i o n s  a nd  be t t e r  a c c ur a c y t ha n w e i bul l  C DF  i n  t hi s   cas e.  L o g - n o r m a l  CD F  m o d e l s  g i v e  t h e  l o w e s t   accu r ac y   o n  m o s t  o f   r es u l t s .   A ct u al   p o w e r   cu r v es  a n d  m o s t  accu r at e C D F  m o d el s   d esc r i b i n g  each  case ar e   s ke t c he d  o n  s a m e   g r a ph   a s   s h ow n  i n  F i gu r e   5.       5.   C O N CL U S I O N   R e s ul t s  s ho we d t ha t  s i ngl e  a nd  c om po s i t e   C D F   m o d e l l i n g  f o r  2 4   c o m m e r c i a l  w i n d   t u r b i n e s  w i t h   w i d e  ra n g e   o f ra t e d  p o w e rs   a nd   r a t e d wi n d s pe e ds   ar e   go o d m a t he m a t i c a l  m o de l l i ng t o ol s   w hi c h  c oul d be   u s e d  f o r   o p t i m a l  s i t e  m a t c h i n g  s e l e c t i o n s .  I n  t h e   r a n g e  [ 2 M W - 7 M W ] ,  s i n g l e  w e i b u l l  CD F  i s  t h e   o p t i m a l   m od e l  f or  a l l  w i n d t u r bi ne s   un de r  s t u d y.   W e i b ul l - g a m m a  c o m p o s i t e  CD F   m o d e l l i n g   accu r a cy   s t a r t e d  t o   i n cr eas e   as   t u r b i n e   r at e d   p o w er   d ecr ea s es .     I n   t h e  r an g e   [ 6 0 0 K W - 100 0  KW ] ,   w e ibu ll - g a m m a   c o m p o s i t e   CD F   gi ve s  be s t   m o de l l i ng r e s ul t s   f o r   t w o out  of   s i x  o f  w ind  tur b i ne s   i n  t hi s   m a n u f a c t ur i ng p owe r  r a nge .     I n th e  m a nu f a c tu r ing  pow e r   r a n ge  [ 400 KW - 5 0 0   K W] ,  f o u r  w i n d t ur bi ne s  h a ve   op t i m a l l y m ode l l e d  wi t h   w e ibu l l - ga m m a  c om pos i t e  C D F .   B o t h  s i n g l e  w e i b u l l  a n d  w e i b u l l - ga m m a  c om p os i t e  ha ve  e qua l  s ha r e   of   opt i m a l  m ode l l i ng  fo r   w i n d  t u rb i n e s  w i t h   ra t e d  p o we r ra n g e  [2 0 0   K W - 3 0 0  K W] .  We i b u l l - g a m m a  c om pos i t e   i s   t he   o pt i m a l   m o de l   t o   de s c r i be   w i n d  t u r bi ne s   a c t ua l   po w e r   c ur ve s   w hi c h  c o nt a i ni n g  m a xi m u m   p ow e r   p oi nt s   lik e  W e s p a  200  a nd  N or w i n2 25 .   W e ibu ll - g a m m a  c o m p o s i t e  CD F  p r o o f s  i t s  s u p e r i o r i t y  as  a m at h e m a t i c a l   t o o l   t o   b e s t   f i t   3 7 . 5 %   of   t he   2 4  w i n d  t u r bi ne s   p ow e r   c u r ve s   u nde r   s t ud y.       A P P E N DI X       T a bl e   2.   S i n gl e   a n d  c om po s i t e   c um ul a t i ve   de ns i t y  f u nc t i o ns   m o de l s   re s u l t   fo r  p o w e r  ra n g e     [ 2  MW – 7   MW ]   M ode l   Par a m eter s   V 80  ( 2000K W )   S8 2   ( 2300K W )   R E 8 2   ( 2050K W )   N9 0   ( 2300 K W )   S 107   ( 3600 K W )   V 164   ( 6995 K W )   W eib u ll   k   4 . 5 7 8 6 4 1 5   4 . 1 9 2 9 5 9 4   4 . 5 5 7 5 4 8   4 . 1 6 1 3 7 4 4   4 . 6 3 3 1 6 4 7   4 . 3 8 3 5 9 9 5   c   9 . 6 4 2 0 9 5 1   1 0   9 . 4 2 1 2 7 9 1   9 . 9 9 9 5 8 1 4   9 . 6 7 3 9 1 7 3   9 . 4 6 7 4 3 5 3   R MS E    .     .      .     .     .    .    Gam m a   a   8 . 8 1 0 8 2 9 2   9 . 0 9 0 3 3 8 2   8 . 6 0 0 8 8 2 4   9 . 0 8 6 3 1 8 4   8 . 8 4 2 7 6 6 3   8 . 6 2 5 8 7 8 7   R MS E   7 7 . 0 5 2 1   7 8 . 6 6 0 2   7 0 . 6 1 8 5   7 6 . 2 0 7 7   1 2 9 . 9 5 8 8   2 9 0 . 2 3 8 8   Lo g - nor m a l   µ   2 . 0 8 9 5 2 7 7   2 . 1 0 1 9 6 1 8   2 . 0 6 9 2 4 2 2   2 . 1 2 6 6 3 3 3   2 . 0 8 3 3 4 9 1   2 . 0 3 4 7 9 6 9   σ   0 . 4 9 7 9 3 6 3   0 . 8 4 6 6 7 3 9   0 . 4 0 8 4 1 6 9   0 . 4 0 4 2 7 3   0 . 4 4 2 5 7 3 1   0 . 5   R MS E   1 7 7 . 7 6 7 5   2 0 2 . 9 6 9 6   1 2 1 . 4 7 9 0   1 3 7 . 8 7 4 5   2 6 1 . 9 7 4 1   6 5 0 . 0 0 8 2   W eib u ll &   Gam m a  C om pos i t e   k   3 . 9 5 5 9 4 8 5   5 . 4 4 9 9 1 9 3   3 . 6 5 1 6 7 0 3   4 . 4 9 9 9 6 8 4   5 . 4 7 5 0 6 0 2   4 . 2 6 9 6 1 0 3   c   9 . 6 8 0 5 6 9 8   9 . 9 9 1 0 5 4 9   9 . 5 3 9 3 8 7 8   9 . 9 5 2 4 4 2 6   9 . 5 8 1 6 8 3 6   9 . 4 7 5 8 6 2 4   a   8 . 8 5 3 0 ` 6 9 4   8 . 7 4 5 1 3 7 4   8 . 6 5 0 1 3 6 6   9 . 2 8 0 5 6 8 1   7 . 4 8 1 9 5 6 3   8 . 8 3 7 3   w 1   0 . 5 0 6 6 8 2 6   0 . 7 2 4 7 0 3 7   0 . 9 9 0 8 4 8 5   0 . 9 9 2 0 7 5 5   0 . 9 9 9 7 3 0 6   0 . 9 7 7 2 7 4 6   R MS E   5 2 . 1 1 9 1   3 9 . 5 2 5 5   3 1 . 3 1 6 4   2 7 . 3 9 7 3   5 3 . 9 8 1 5   6 5 . 3 6 5 7       T ab l e  3 .   S i n g l e  an d   c om po s i t e   c um ul a t i ve   de ns i t y  f u nc t i o ns   m o de l s   r e s ul t   f o r   po w e r   r a n g e     [ 600   K W – 1 000   K W ]   M ode l   Par a m eter s   V 80  ( 2000K W )   S8 2   ( 2300K W )   R E 8 2   ( 2050K W )   N9 0   ( 2300 K W )   S 107   ( 3600 K W )   V 164   ( 6995 K W )   W eib u ll   k   3 . 5 1 3 9 9 0 8 1   3 . 5 0 9 7 8 3 1 1   3 . 7 5 1 4 4 7 6 2   5 . 0 8 3 3 8 3 4 8   4 . 7 7 7 2 9 0 6 1   4 . 0 4 8 1 1 8 1 0 3   c   1 0 . 1 6 8 2 0 3 9   9 . 1 1 1 9 1 9 1 6   7 . 9 1 4 3 7 5 2 9   7 . 2 1 3 0 5 6 3 6   6 . 8 6 5 3 2 4 8 1   9 . 6 6 6 0 2 7 2 8   R MS E   1 2 . 3 2 7 7   2 0 . 1 6 1 2    .    .     .    .    Gam m a   a   9 . 1 5 1 9 5 4 2 9   8 . 1 9 9 9 3 7 7 9   7 . 1 4 8 3 0 9 4 1   6 . 6 2 7 3 8 7 1 6   6 . 2 8 8 1 7 7 1 8   8 . 7 6 7 9 3 1 2 2 9   R MS E   2 7 . 6 9 9 1   3 3 . 9 0 0 7   4 5 . 4 5 5 8   4 3 . 4 4 8 9   5 5 . 9 5 6 6   1 7 . 2 4 8 0   Lo g - nor m a l   µ   2 . 1 7 7 6 1 6 7 8   2 . 0 8 1 8 2 1 6 3   1 . 8 4 8 8 5 6 6 1   1 . 8 7 3 8 3 5 4 8   1 . 7 1 6 5 4 9 8 3   2 . 1 6 3 0 2 8 3 6 8   σ   0 . 2 7 0 9 6 4 7 0   0 . 2 0 9 1 9 2 7 6   0 . 4 8 5 9 4 7 5 8   0 . 1 9 4 0 8 0 7 0   0 . 4 9 9 3 3 9 6 0   0 . 1 2 8 6 3 9 3 6 2   R MS E   2 8 . 6 5 9 5   3 3 . 3 0 1 6   7 9 . 0 0 3 9   3 0 . 5 0 3 6   8 3 . 3 0 6 4   5 1 . 5 0 4 1   W eib u ll &   Gam m a  C om pos i t e   k   4 . 6 7 1 7 1 6 1 6   5 . 1 9 4 8 7 8 5 4   4 . 5 7 0 8 2 8 5 9   5 . 3 9 9 8 6 8 9 9   5 . 4 9 6 9 5 5 1 3   5 . 4 8 6 4 2 1 9 4 2   c   1 0 . 3 7 8 2 5 8 2   8 . 9 9 3 2 4 9 1 9   7 . 8 4 3 1 4 6 0 6   6 . 8 8 0 8 1 0 7 2   6 . 9 1 3 3 9 0 7 4   9 . 6 0 2 0 4 2 1 6 9   a   8 . 7 1 9 3 4 7 1 9   7 . 9 0 4 2 2 7 6 4   7 . 1 3 0 5 2 4 8 7   6 . 8 8 6 3 1 2 4 3   6 . 0 7 0 8 9 2 0 6   8 . 5 2 9 1 6 9 8 6 8   w 1   0 . 5 5 8 6 9 6 0 7   0 . 7 9 8 1 1 0 1 4   0 . 4 9 8 3 3 1 1 6   0 . 4 7 6 4 4 8 8 7   0 . 6 9 8 8 4 8 7 8   0 . 7 1 3 7 3 6 9 5 2   R MS E   .    .   2 3 . 9 2 4 2   2 3 . 9 7 5 0   1 8 . 9 9 2 1   1 2 . 3 7 2 4     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 87 08   I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g,   V o l .   11 ,   No .   1,   F e b r ua r y  2 02 1  :    47   -   56   52     V 80   –   A c t ua l   p owe r   c ur ve   a n d  C D F  po we r   m o de l s       S 82   –   A c t ua l   p owe r   c ur ve   a n d  C D F  po we r  m o de l s       RE 8 2   –   A c t ua l  p owe r   c ur ve   a nd   C DF   p o w e r   m o de l s     F i gure  2.   W i nd t urbi ne s  a c t u a l  p ow e r c urv e s  a nd   CD F  pow e r m od e l s  w i t h  out put   p ow e r ra ng e  [2  M W - 7  MW ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g     IS S N :   208 8 - 87 08       C om me r c i al   w i nd   t ur bi ne s   m o de l i ng   u s i n g  s i ngl e   a nd …  ( O t hm a n  A .   M.   O m a r )   53     N 90   –   A c t ua l   p owe r   c ur ve   a n d  C D F  po we r  m o de l s       S 10 7  –   A c t ua l   po we r   c ur ve   a nd   C DF   p o w e r   m o de l s       V 164   –   A c t ua l   po we r   c ur ve   a nd   C DF   p o w e r   m o de l s     F i gure  2.   W i nd t urbi ne s  a c t u a l  p ow e r c urv e s  a nd   CD F  pow e r m od e l s  w i t h  out put   p ow e r ra ng e  [2  M W - 7  MW ]   ( c ont i nue )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 87 08   I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g,   V o l .   11 ,   No .   1,   F e b r ua r y  2 02 1  :    47   -   56   54       F i gu r e   3.   W i nd   t ur bi ne s   a c t ua l   p ow e r   c ur ve s   a nd   t he i r   o pt i m a l   C D F   m o de l s   f or   p ow e r   r a n ge     [ 600   K W - 100 0  KW ]       T ab l e  4 .   S i n g l e  an d   c om po s i t e   c um ul a t i ve   de ns i t y  f u nc t i o ns   m o de l s   r e s ul t s   f or   p owe r   r a n ge     [ 400   K W - 500  K W ]   M ode l   Par a m eter s   D W T 34  ( 400 K W )   E 40    ( 500 K W )   T 400  ( 400K W )   V 39  ( 500K W )   W e s pa 500  ( 500K W )   W i ndf l ow 45  ( 500K W )   W eib u ll   k   5 . 0 7 6 8 6 7 1 5   5 . 0 8 6 8 0 5 9 9   5 . 4 4 5 8 4 2 7 7   3 . 9 5 4 6 0 5 2 4   5 . 3 0 3 8 6 8 3 8   3 . 7 5 5 2 7 7 2 9 1   c   1 0 . 9 0 0 5 5 6 7   9 . 6 1 0 5 1 2 3 9   9 . 9 6 1 8 4 4 3 0   1 0 . 1 1 8 5 0 5 1   8 . 4 7 2 0 4 2 0 2   9 . 4 4 3 1 8 4 0 1 5   R MS E   .    1 2 . 9 9 0 6   1 2 . 6 1 3 8   4 . 9 8 6 1   .    1 3 . 3 4 3 2   Gam m a   a   1 0 . 0 1 9 1 5 9 0   8 . 8 3 3 0 6 8 6 1 8   9 . 1 8 9 8 4 0 3 3   9 . 1 6 5 7 5 3 3 3   7 . 8 0 6 3 8 9 1 8   8 . 5 2 6 8 0 7 3 2 6   R MS E   1 6 . 6 0 8 1   2 0 . 4 2 7 3   1 4 . 5 9 8 4   1 5 . 2 6 3 0   2 7 . 1 2 2 4   2 2 . 6 6 4 8   Lo g - nor m a l   µ   2 . 2 2 0 9 9 4 4 2   2 . 0 2 4 2 8 2 9 8   2 . 0 5 7 3 4 8 5 0   2 . 0 5 8 7 8 1 7 2   1 . 9 5 1 7 3 0 5 8   2 . 0 5 6 6 1 9 6 3 3   σ   0 . 4 1 6 8 3 3 1 6   0 . 5 8 0 7 1 7 2 3   0 . 5 9 7 3 8 3 4 7   0 . 5 8 9 5 4 5 7 4   0 . 4 5 3 7 6 8 7 7   0 . 4 1 3 9 8 0 4 5 4   R MS E   3 1 . 8 2 6 6   5 5 . 6 3 9 0   4 6 . 4 9 1 2   5 6 . 1 1 1 4   4 2 . 2 3 5 3   3 5 . 8 6 2 3   W eib u ll &   Gam m a  C om pos i t e   k   5 . 4 4 9 8 3 1 8 4   5 . 2 4 9 1 0 1 9 0   4 . 7 9 6 2 8 5 9 6   4 . 4 0 2 2 1 4 6 0   4 . 4 3 9 8 7 4 5 2   4 . 0 7 0 4 7 9 6 1 1   c   1 0 . 8 1 4 6 7 2 5   9 . 5 7 0 1 4 0 6 9   1 0 . 1 7 6 4 3 3 2   1 0 . 2 5 2 4 0 6 1   8 . 7 6 4 0 0 0 9 9   9 . 3 5 4 3 9 5 8 8 1   a   1 0 . 1 7 3 7 9 8 6   8 . 8 7 5 4 7 0 7 7   8 . 7 0 6 9 7 0 1 5   8 . 4 4 6 5 7 3 6 8   7 . 1 0 0 3 2 9 9 3   8 . 6 8 9 8 9 1 3 4 1   w 1   0 . 7 9 6 0 4 8 3 9   0 . 6 7 6 7 6 0 8 9   0 . 7 8 8 5 9 3 9 1   0 . 7 9 9 6 1 1 6 5   0 . 7 9 1 5 6 1 1 4   0 . 7 9 9 2 0 3 9 4 1   R MS E   7 . 3 9 1 2    .    .    .    1 2 . 2 6 0 0    .        T ab l e  5 .   S i n g l e  an d   c om po s i t e   c um ul a t i ve   de ns i t y  f u nc t i o ns   m o de l s   r e s ul t s   f or   p owe r   r a n ge     [ 200   K W - 300   K W ]   M ode l   Par a m eter s   L T W 42    ( 250 K W )   H m z w m 300  ( 300 K W )   V e r gne t 275  ( 275 K W )   V 27  ( 225K W )   W e s pa 200  ( 200 K W )   N or w i n225  ( 225K W )   W eib u ll   k   4 . 0 6 9 7 6 8 9   3 . 5 6 4 4 6 7 0 5   4 . 7 3 4 0 8 3 4 4   3 . 9 3 2 3 8 4 2 3   5 . 2 2 0 0 0 9 3   4 . 0 1 0 8 7 8 2   c   7 . 3 7 1 5 8 2 9   1 1 . 9 9 9 2 9 8 4   9 . 4 4 2 2 9 6 2 7   9 . 7 1 2 5 0 8 1 5   9 . 4 3 6 9 8 6 6   1 1 . 0 0 4 8 5 2   R MS E   .    1 5 . 5 9 4 9   .    .    7 . 7 4 2 5   5 . 5 2 7 5   Gam m a   a   6 . 6 8 7 5 6 3 7   1 0 . 8 1 7 3 6 6 0   8 . 6 3 9 7 9 7 6 8   8 . 7 9 7 1 4 2 6 2   8 . 6 8 6 1 5 0 5   9 . 9 7 4 9 3 5 7   R MS E   1 5 . 5 4 5 4   1 4 . 4 2 8 6   1 4 . 0 2 7 7   7 . 0 2 8 0   6 . 4 4 5 0   4 . 0 5 3 9   Lo g - nor m a l   µ   1 . 8 8 0 2 2 6 6   2 . 2 9 4 4 2 8 1 2   1 . 9 7 1 3 6 8 8 6   2 . 0 1 7 1 6 5 1 7   1 . 9 5 1 2 2 2 3   2 . 2 0 9 1 7 4 0   σ   0 . 2 0 1 0 1 1 7   0 . 4 9 5 7 5 5 1 3   0 . 6 4 7 3 4 2 5 1   0 . 5 8 2 5 3 1 9 8   0 . 6 9 9 3 8 9 1   0 . 4 3 6 7 5 0 8   R MS E   1 0 . 7 0 1 5   3 4 . 5 8 7 1   3 7 . 5 6 4 4   2 3 . 9 2 0 9   2 5 . 1 9 3 7   1 2 . 3 6 0 1   W eib u ll &   Gam m a  C om pos i t e   k   3 . 6 3 6 5 9 8 3   5 . 4 9 3 9 2 5 2 9   3 . 6 7 5 3 5 4 3 1   4 . 7 8 1 2 0 4 0 2   5 . 4 1 8 0 3 4 8   3 . 8 4 8 9 1 9 7   c   1 1 . 5 8 1 5 2 4   1 1 . 9 9 9 2 9 7 5   9 . 7 3 1 7 4 1 6 3   9 . 7 6 9 2 9 9 4 4   9 . 5 5 5 9 1 5 7   1 1 . 7 9 7 8 0 9   a   7 . 0 3 6 8 6 4 8   9 . 9 9 9 3 4 5 6 3   8 . 3 2 7 6 9 0 6 1   8 . 3 3 7 6 8 2 1 1   8 . 3 2 1 1 9 0 4   9 . 6 7 2 0 9 7 0   w 1   0 . 6 8 7 5 3 3 3   0 . 7 5   0 . 6 9 1 2 2 9 6 8   0 . 7 4 7 9 5 6 4 6   0 . 7 3 8 0 4 2 5   0 . 3 0 4 3 2 7 3   R MS E   4 6 . 4 4 2 3   .    1 0 . 9 2 7 3   2 . 3 6 5 3   .    .        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g     IS S N :   208 8 - 87 08       C om me r c i al   w i nd   t ur bi ne s   m o de l i ng   u s i n g  s i ngl e   a nd …  ( O t hm a n  A .   M.   O m a r )   55       F i gu r e   4.   W i nd   t ur bi ne s   a c t ua l   p ow e r   c ur ve s   a nd   t he i r   o pt i m a l   C DF   m o de l s   f or   p ow e r   r a n ge     [ 400   K W - 500  K W ]                 F i gu r e   5.   W i nd   t ur bi ne s   a c t ua l   p ow e r   c ur ve s   a nd   t he i r   o pt i m a l   C DF   m o de l s   f or   p ow e r   r a n ge     [ 200   K W - 300  K W ]       R EF ER E N C ES     [1]   D an  Z h ao ,  N uom i n H a n,  E rn e s t  G oh,  J ohn Ca t e r,  " A rne  Re i n e c ke ,  W i nd T ur bi ne s  a nd A e ro dyna m i cs  E n er g y   Ha r v e st e r s, "  Ch apt e r  1: G e ne r al  i nt r oduc t i on  t o  wi nd t ur bi n es , A ca d em i c   P r es s ,   pp .  1 - 20 ,  2019 .   [2]   M o h am m ed   G . K h al f al l ah ,   a n d  A boe l ya z i e d M .   K ol i ub,  " S ugge s t i ons  for i m p rov i ng w i nd t u rbi ne s  pow e r c urve s , "   D e s al i nat i on ,   vo l .  209 ,  no .  1 - 3 ,  p p.  221 - 229 ,  200 7.   [3]   M.   H . A l b a d i , E .   F. E l - S a a da ny ,  " W i nd t u rbi ne s  c a pa c i t y   f a c t or  m ode l i ng - a  nove l a pproa c h, "   IE E E   T r ans ac t i ons  on   P o w e r S y st e ms,   vol .  24 ,  no .  3 ,   pp .  1637 - 1638 ,  20 09.   [4]   S .H .  J a nga m s he t t i ,   a nd  V . G .  R a u ,  " S i t e   m a t c hi ng  of w i nd t urbi n e  ge ne ra t ors :  a  c a s e  s t udy, "   IE E E  T r ans ac t i ons   on   E ne r gy  Con v e r s i on ,   vol .  14,   no.  4,   pp .  1537 - 154 3,  1999 .   [5]   D . V i l l an u ev a ,  A . F ei j o o ,   a nd  J.   L .  P a z os ,  " S i m ul a t i on  of  c or re l a t e d  w i nd  s pe e d  da t a  for  e c onom i c  di s pa t c h   ev al u at i o n ,"   IE E E  T r ans ac t i ons   on Sus t ai nabl e  E ne r gy ,   vo l .  3,  no.  1,  pp.  142 - 149,  2011 .   [6]   M .  L ydi a ,  A . I .   S e l va kum a r,  S . S .  K um a r ,  e t  a l . ,   " A dva nc e d a l go ri t hm s  for w i ndt urbi ne  pow e r  c u rve  m ode l l i ng , "   IE E E  T r ans ac t i o ns  on Sus t ai nabl e  E n e r gy ,   vol .  4 ,  no.  3,  pp.  827 - 8 35,  2013 .   [7]   D a ni e l  V i l l a nue va ,  A ndré s   E .  F e i j óo,  " R e form ul a t i on of p a ra m e t e rs  of t he   l ogi s t i c  func t i on a ppl i e d t o  pow e r  c urv e s   of w i nd t urb i ne s , "   E l e ct r i c P o w er  S ys t em s  R es ea r ch ,   v ol .   137 ,   pp.  51 - 58,  2016 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 87 08   I nt   J   E l e c   &   C om p  E n g,   V o l .   11 ,   No .   1,   F e b r ua r y  2 02 1  :    47   -   56   56   [8]   Y .  Wan g ,  et  al . ,  " A pproa c he s  t o w i nd pow e r c urve  m ode l i ng:  A  re vi e w   a nd di s c us s i on, "   R e ne wab l e  a nd   Sus t ai nabl e  E ne r gy  R e v i e ws ,   vol .   116 ,  2019 .   [9]   S t e ve n C .   C h ap r a,  a nd  R a ym ond  P .   Ca na l e ,  " N um e ri c a l  M e t hods  f or E ngi n e e rs , "   M c Gra w - H ill Ed u c a tio n ,   2010 .   [10]   P el l et i er  F , M as s o n  C ,  a nd  T a h a n A ,  " W i nd  t u rbi ne  pow e r  c ur ve  m od e l l i ng u s i ng a rt i fi c i a l  n e ura l  ne t w ork , "   R en ew a b l e E n er g y ,   vo l .  89,  pp.  2 07 - 214,  2016 .   [11]   L ydi a ,   M , K u m ar ,   S .  S ,  S e l va k um a r  A I,  K um a r G E P ,  " A  c o m pre he ns i ve  r e vi e w  on w i nd  t urb i ne  pow e r  c urve   m ode l i ng  t e c hni que s , "   R e ne wabl e  and Sus t a i nabl e  E n e r gy   R e v i e w s ,   vol .  30,  pp.  45 2 - 460,  2014 .   [12]   Wen  J ,  Z h en g  Y ,   a nd  D ongh a n F . ,  " A   re v i e w  on  r e l i a bi l i t y  a s s e s s m e nt  for w i nd  p ow e r, ”   R e n e wab l e  and  s us t ai nab l e   en er g y r e vi ew s ,   vol .  13 ,  no .  9 ,  pp .  2485 - 2494 ,  20 09.   [13]   Ya n  Y . ,  Osa d c i w L . A . ,   B e ns on G . ,  a nd  W hi t e   E . ,  " Inve rs e  da t a  t r a ns form a t i on for  c ha ng e  d e t e c t i o n i n w i nd  t urb i n e   di a gnos t i c s , "   Ca nadi an Conf e r e n c e  on  E l e c t r i c al   and Com put e r  E ngi ne e r i ng ,   vol .  944 - 949,  2009 .   [14]   P i n s on P . ,  Ni e l se n  H .  A,   a nd  Ma d s e n  H . ,   " R o b u s t  e s t i m a t i o n   o f  t i m e - va r y i n g c oe f f i c i e nt   f u nc t i on s - ap p l i ca t i o n  t o   t h e  m od e l i ng  o f w i n d  p ow e r  pr odu c t i o n, "   T ec h n i c a l   U n i ve r s i t y  o f   D e n m ar k ,  I nf o r m at i c s  a nd  M at he m at i c al  M o de l l i n g,   20 0 7.   [15]   Ta s lim i - Re n a ni  E . ,  e t  a l . ,  " D e ve l opm e nt  of  a n  e n ha nc e d  pa r a m e t r i c   m ode l  for  w i nd t urbi n e  pow e r c urv e , "   A p pl i e d  e ne r gy ,   vo l .  177,  pp.  544 - 552,  20 16.   [16]   D a ni e l  V i l l a nue va ,   a n d  A ndré s  F e i j óo,   " Com pa r i s on of  l ogi s t i c  f unc t i ons  for  m o de l i ng  w i nd  t urb i ne  pow e r  c urve s , "   E l e ct r i c  P o w er  S ys t em s  R es ea r ch ,   vol .  155 ,  pp .  28 1 - 288,  2018 .   [17]   Bokde  N . ,  F e i j óo A . ,   a nd  V i l l a nue v a  D . ,  " W i nd T urb i ne  P o w e r Curve s  B a s e d on t h e   W e i bul l  Cu m ul a t i v e   D is tr ib u tio n  F u n c tio n, "   A pp l .  Sc i . ,   vol .  8 ,  2018 .   [18]   P hi l i p G .  G ue s t ,   " N um e ri c a l  M e t hods  of Curve  F i t t i ng, "   C a mb ri d g e  Un i v e rsi t y  P re ss,   2013.   [19]   S t e ve n C . Cha pr a ,   a n d  Ra y m ond  P . Ca na l e ,  " N um e ri c a l  M e t hods  f or E ngi n e e rs , "   M c Gra w - H ill Ed u c a tio n ,   2010 .   [20]   Z hi xi n F a n ,   a nd  C ai ch ao  Z h u ,  " T he  opt i m i z a t i on  a nd t h e  a pp l i c a t i on for t h e  w i nd  t urbi ne  pow e r - w i nd  s pe e d c u rve , "   R en ew a b l e E n er g y,   vo l .  140,  pp,   52 - 61,  2019 .   [21]   M e hra bi a n ,  A l i  Re z a ,  a nd  C a ro L u c a s ,  " A   nove l  num e ri c a l  op t i m i z a t i on   a l gori t h m  i ns pi re d  from  w e e d   c ol oni z a t i on, "   E c ol ogi c al  i nf o rma t i c s .,   vo l .  1,  no.  4,  pp.  355 - 366,  2006.   [22]   " W i nd T urb i ne   P ow e r Curve s , "   [O nl i ne ] .  A va i l a bl e :   ht t ps : / / e n. w i nd - t urbi ne - m o de l s . c o m / pow e r c urve s ,   [ acc es s ed   01. 03. 20 ] .   [23]   A .  Ba s a k,  D .  M a ity ,   a n d  S w a ga t a m  D a s ,  " A  d i ff e re nt i a l   i nva s i ve  w e e d  op t i m i z a t i on a l gori t h m  f or  i m prove d  gl ob a l   num e ri c a l  opt i m i z a t i on, "   A ppl i e d  Mat he m at i c s  an d Com put at i on ,   vol .  219 ,  no .  12 ,   pp.  6645 - 6668 ,  2013.   [24]   T .   B.   M.   J .  O ua r da ,  C.  Ch a rron,   a nd  F .  Che ba n a ,   " Re vi e w  of c r i t e ri a  for t h e  s e l e c t i on of proba bi l i t y  di s t ri but i ons  for   w i nd  s pe e d   d a t a  a nd i nt roduc t i on   of   t he  m om e n t  a nd L - m om e nt  r a t i o  di a gra m   m e t hods ,  w i t h  a  c a s e  s t udy , "   E ne r gy   Conv e r s i on  and Manage m e nt ,   vo l .  124 ,  pp .  247 - 2 65,  2016 .   [25]   L ee  G o n za l es - F ue nt e s ,   et  al . ,  " A  qua l i t a t i ve  s t ud y of proba b i l i t y  de ns i t y vi s u a l i z a t i on t e c hn i que s  i n m e a s ure m e n t s , "   Me as ur e m e nt ,   v ol .  65 ,  pp .  94 - 11 1,  2015 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.