Anlagen- und Parkregelung
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Universität Oldenburg
Institut für Physik - ForWind
Dr. Vlaho Petrovic
Küpkersweg 70
D-26129 Oldenburg
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Anlagen- und Parkregelung
Regelungskonzepte für Windenergieanlagen
Die Abmessungen und die Nennleistung von Windenergieanlagen haben in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen, um die Kosten für die Windenergie zu reduzieren. Eines der Haupthindernisse für das weitere Vergrößern der Abmessungen sind der überproportionale Anstieg der strukturellen Belastungen. Die Reduzierung dieser Lasten ist ein wichtiger Schwerpunkt in unseren Forschungsaktivitäten im Bereich der Regelung von Windenergieanlagen.
Die Entwicklung von Regelstrategien zur Lastminderung erfolgt in zwei Bereichen:
- Entwicklung neuer Regelalgorithmen, die entweder auf der individuellen Regelung des Rotorblattwinkels oder auf der Reduzierung der Rotorblatt- und Turmschwingung basieren,
- Analyse und Nutzung neuartiger Konzepte wie Smart Blades mit aktiven Klappen oder Lamellen an den Rotorblättern und Lidar unterstützte Regelung
Konzepte zur Windparkregelung
Durch die Umwandlung eines Teils der im Wind enthaltenen Energie, ist der Nachlauf (Wake) einer Windenergieanlage durch niedrigere Windgeschwindigkeiten und höhere Turbulenzen gekennzeichnet. Hierdurch kommt es in den hinteren Anlagen in einem Windpark zu einer geringeren Stromerzeugung und durch die Turbulenzen zu einer höheren Belastung. Moderne Windparks verwenden typischerweise sehr einfache Regelstrategien, welche dieses Zusammenspiel zwischen den Windenergieanlagen nicht berücksichtigen. Die Entwicklung einer geeigneten Regelung könnte den Energieertrag erhöhen, die strukturellen Belastungen reduzieren und die Integration der Windenergie in die Stromnetze verbessern. Unsere Hauptforschungsziele sind:
- Entwicklung von Windpark- und Wake-Modellen, die einfach genug sind, um für den Reglerentwurf verwendet zu werden, aber detailliert genug, um die relevanten physikalischen Phänomene zu erfassen.
- Entwicklung von Regelalgorithmen, die das Zusammenspiel zwischen Windenergieanlagen berücksichtigen und in der Lage sind, dynamisch auf Veränderungen des Windes zu reagieren.
- Entwicklung von Regelalgorithmen, die für verschiedene Steuerungsziele wie Leistungsmaximierung, Wirkleistungsregelung und Lastreduzierung geeignet sind.
Modellierung der relevanten physikalischen Phänomene
Neben der Simulation einzelner Windenergieanlagen und Windparks mit numerischen Methoden führen wir auch experimentelle Arbeiten im Labor und Freifeld durch. Hierdurch werden nicht nur die Arbeiten bei der Modellierung und Reglerentwicklung unterstützt, sondern auch das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten verbessert. Der Schwerpunkt unserer experimentellen Aktivitäten liegt auf der Interaktion von Windenergieanlagen und Windparks mit einer realistischen turbulenten Einströmung, wobei wir u.a. Themen wie dynamische Einströmung, aeroelastische Phänomene und die Modellierung des Nachlaufs abdecken. Für die Versuche im Windkanal des WindLab nutzen wir skalierte und steuerbare Modelle von Windenergieanlagen unterschiedlicher Größe sowie ein Segment eines Rotorblattes mit einer aktiver Klappe an der Hinterkante. Die Erzeugung der dynamischen Anströmung sowie die eingesetzte Messtechnik entsprechen dabei dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Forschung. Für die Validierung verwenden wir darüber hinaus Messdaten aus Versuchen im Freifeld.
Experimentelle Validierung
Die Validierung der entwickelten Modelle und Regleralgorithmen erfolgt durch die Synergien zwischen numerischer Simulation mit Windkanal- und Feldexperimenten. Für die numerische Validierung wird eine Kombination aus aeroelastischer Simulation und CFD-Simulationen auf dem Supercomputing-Cluster EDDY genutzt. Für Windkanalversuche werden verschiedene skalierte Modelle eingesetzt:
- MoWiTO (Model Wind Turbine Oldenburg) mit einem Rotordurchmesser von 1,8 m wird zur Validierung von numerischen Abbildungen von Windenergieanlagen und Regelalgorithmen eingesetzt.
- Bis zu sechs Modell-Windenergieanlagen mit einem Rotordurchmesser von 0,6 m werden zur Validierung von Abbildungen von Windparks und Reglern für Windparks eingesetzt.
- Ein Blattsegment mit einer aktiven Klappe an der Hinterkante dient zum Testen von Regelalgorithmen für intelligente Rotoren.
Gemeinsam mit Industriepartnern implementieren wir die vielversprechendsten Regelalgorithmen in der Praxis. Um die Prüfung noch fortschrittlicherer Algorithmen zu ermöglichen, entwickeln wir ein fortschrittliches Schutzsystem, das die Sicherheit der Windkraftanlage unabhängig vom implementierten Regelalgorithmus gewährleistet.
