Kombinierte individuelle Blatt- und Hinterkantenklappenregelung zur Lastminimierung bei Windkraftanlagen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine aktive aerodynamische Lastregelung zur Lastminimierung bei Windkraftanlagen entwickelt und untersucht. Das System besteht aus einer kombinierten individuellen Blattpitchregelung (Individual Pitch Control, IPC) und individueller Klappenregelung (Individual Flap Control, IFC). Das Ziel ist es, die strukturellen Belastungen von Windkraftanlagen zu reduzieren, um die Kosten der Windenergieerzeugung zu senken, da durch die Minimierung der Belastungen Material- und Kosteneinsparungen bei der Anlagenauslegung erzielt werden können oder die Lebensdauer bestehender Anlagen verlängert werden kann. Die aktive aerodynamische Lastregelung zielt darauf ab, die Amplituden periodischer Lastschwankungen zu reduzieren. Zur Untersuchung der Effekte wird zur Modellierung der Windkraftanlage die Software OpenFAST des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und zur Reglerentwicklung und Analyse des geschlossenen Regelkreises MATLAB/Simulink verwendet. Die NREL 5MW Windkraftanlage wird um regelbare Klappen am hinteren Rand (Trailing Edge Flaps, TEF) erweitert. Der Entwurf der Lastregelung konzentriert sich auf die Reduzierung der Lastspitzen in den Blattwurzel-Schlagmomenten, die ein- oder zweimal pro Rotationsperiode (1P bzw. 2P) auftreten. Inversen Kerbfilter werden eingesetzt, um IPC zur Reduktion von 1P-Lasten und IFC zur Reduktion von 2P-Lasten zu verwenden. Zur Minimierung der Damage Equivalent Loads (DEL) der Blattwurzelmomente werden Proportional-Integral-Differential(PID) Regler eingesetzt, deren Parameter mithilfe von Simulationen im geschlossenen Regelkreis optimiert werden. Die Analyse der Effekte der Lastregelung unter verschiedenen simulierten Windbedingungen zeigt deutliche Reduzierungen der DELs der Blattwurzel-Schlagmomente. Zusätzlich führt die Kombination von IPC und IFC auch zu einer Verringerung der DEL der Turmfußmomente bei gleichbleibender Leistungserzeugung.