Reglerparameteroptimierung zur Lastreduzierung mittels Hinterkantenklappen für die NREL 5 MW Windenergieanlage

Abstract

Für die Reduktion der Lasten auf eine Windkraftturbine wird in der vorliegenden Arbeit ein Regler für die Hinterkantenklappen einer Windkraftturbine optimiert. Zur Bewertung der Auswirkungen der Regler werden Simulationen von Windkraftanlagen durchgeführt. Am Beginn der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Windkraft und die Funktionsweise von Optimierungsverfahren in der Regelungstechnik beschrieben. Außerdem wird erklärt, wie die Simulation einer noch nicht vorhandenen Anlage mit Hinterkantenklappen umgesetzt wurde. Im Anschluss daran erfolgt die Beschreibung der Initialisierung einer Simulation und die Auswertung der Effekte der Modifikationen an der Anlage. Dabei werden die Gütekriterien, die zur Bewertung der Regler erforderlich sind, erläutert. Dazu werden die Belastungen aus den Biegemomenten an dem Fuß des Turmes, an der Turmspitze und den Rotorblattwurzeln als Referenzstellen gewählt. Die daraus resultierenden Ergebnisse zeigten eine starke Belastungsreduktion auf die Blattwurzeln der Rotorblätter, allerdings wurden die Lasten auf den Turm zum Teil deutlich erhöht. Zudem konnte eine besonders starke Reduktion der periodischen Last, die bei der einfachen Rotordrehfrequenz auftritt, im Bereich der Rotorblattwurzeln festgestellt werden. Dies wurde mithilfe der spektralen Leistungsdichte herausgefunden. Im darauffolgenden Teil erfolgt eine Verbesserung der Reglerverstärkungen durch eine Rastersuche. Die Ergebnisse dieser Suche dienten als Ausgangspunkt für die Parameteroptimierung mittels eines Algorithmus. Als Ergebnisse resultierten zwei verschiedene Regler. Einer wurde auf die Reduktion der auf die Rotorblattwurzeln einwirkenden Belastung optimiert und der andere auf die Minderung von allen betrachteten Lasten an der Anlage. Dabei erzielten beide Regler, genau wie der ursprüngliche Regler für die Hinterkantenklappen, eine geringere Belastung an den Wurzeln der Rotorblätter. Allerdings wurden auch einige negative Effekte, die der originale Regler auf die Windkraftturbine hatte, abgemindert. Zum Schluss der Arbeit werden verschiedene Ausblicke auf mögliche zukünftige Arbeiten gegeben.