PT Unknown
AU Njiri, J
TI Multi-Objective Control Strategies and Prognostic-Based Lifetime Extension of Utility-Scale Wind Turbines
PD 10
PY 2016
LA en
DE Wind energy; Windenergie; Windturbinen
AB Windenergie wird zunehmend als erneuerbare Energiequellen attraktiv, da Wind
nachhaltig genutzt werden kann. In vielen Ländern gibt es umfangreiche Anstrengungen,
die Produktion von elektrischer Energie aus Wind zu steigern. Im Vergleich
zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Gezeiten, Wasserkraft
o.ä. ist die Energiegewinnung aus Wind technologisch ausgereifter.  Daher ist die
Energiegewinnung aus Wind stärker gewachsen ist als andere Technologien. Windkraft
verursacht weniger nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt als konventionelle
Energiequellen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Investitions-, Betriebs- und
Wartungskosten sind trotz einer weltweit starken Verbreitung von Windenergieanlagen
die Produktionskosten von Windenergie im Vergleich mit anderen alternativen
Energiequellen hoch.
Um die wachsende Nachfrage nachWindkraft zu befriedigen, werdenWindkraftanlagen
in Größe und Leistung zunehmend skaliert. Bei zunehmender Größe dominieren
die strukturellen Lasten der Turbine. Dies führt vermehrt zu Materialermüdung
und Ausfällen. Ein weiterer Schwerpunkt in der Entwicklung von Windtechologie
ist die Forderung nach Senkung der Produktionskosten, um einen Wettbewerbsvorteil
gegenüber anderen alternativen Energiequellen zu schaffen. Im Bereich der
Steuerung können niedrigere Produktionskosten durch den Betrieb der Windturbine
am/oder in der Nähe der optimalen Energieeffizienz im Teillastbetrieb erreicht
werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit durch Verringerung des Verschleißes und
die erzeugte Nennleistung auf ihrem Nennwert im hohen Windregime. Häufig ist
es schwierig, einen Steueralgorithmus zu realisieren, der sowohl Effizienz als auch
Zuverlässigkeit gewährleistet, da diese beiden Ziele widersprechen.
In dieser Arbeit werden Mehrzielsteuerungsstrategien sowohl für den Teillastbereich
als auch für hohe Windgeschwindigkeits bereiche vorgestellt. Im Bereich geringer
Windgeschwindigkeiten ist eine Steuerungsstrategie so zu konzipieren, dass die Stromerzeugung
sowie die strukturelle Belastung im Sinne einer Balance zwischen maximalen
Stromproduktion und verlängerter Lebensdauer der Windturbine optimal ist.
Für den Bereich hoher Windgeschwindigkeiten wird ein multivariates Steuerungsverfahren
vorgeschlagen, um das Verhältnis von Leistung/Geschwindigkeit und struktureller
Lastreduzierung zu optimieren. Es wird ein Regler zur Einzelblattverstellung
entworfen, um sowohl die unausgewogene Strukturlasten als auch durch die Variation
des Windgeschwindigkeit verursachte Rotorscheibe, vertikale Windscherung
und Gierversatz fehler zu reduzieren.
Um die Zuverlässigkeit derWindturbine zu gewährleisten, ist ein Online-Schadensbewertungsmodell
in den Hauptwindturbinenregelkreis integriert, so dass die Windturbine
entsprechend ihres aktuellen Verschleißzustandes betrieben wird. In Abhängigkeit
von der akkumulierten Schadenshöhe werden Regler zur Einzelblattverstellung
mit unterschiedlichen Lastreduktionen und Kompromissen bei der Stromerzeugung eingesetzt, um zwischen den beiden Zielen verlängerte Lebensdauer und Leistungsregelung
einen geeigneten Kompromiss zu erzielten. Aufgrund der Herausforderungen
die mit Offshore-Windpark Standorten verbunden sind, ist diese Art von prognose-basierter
Regelung im Windturbinenbetrieb vor allem im Offshore-Einsatz vorteilhaft.
Insbesondere im Kontext output-basierter Vertragsformen z.B. power purchase
agreement (PPA) kann dieser Ansatz zur Optimierung der Wartungsplanung genutzt
werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Strategien die Auflast auf Windturbinen
reduzieren kann ohne sich auf andere Ziele wie die Leistungsoptimierung
und Leistung/Drehzahlregelung auszuwirken. Es konnte außerdem gezeigt werden,
dass eine prognostisch basierte Steuerung effektiv die Lebensdauer von Windenergieanalagen
verlängern kann, ohne das Ziel der Leistungsregelung einzuschränken.
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