Regelung von regenerativen Energiesystemen

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1 Regelung von regenerativen Energiesystemen Christoph Hackl Munich School of Engineering (MSE) Research group Control of Renewable Energy Systems (CRES) (TUM) Christoph Hackl: Regelung von regenerativen Energiesystemen Seite 1/12

2 Modul Regenerative Energiesysteme ECTS und Aufwand 5 ECTS (=150 Stunden Arbeitsaufwand) 75 Präsenzstunden (2 SWS Vorl. / 2 SWS Vorl. & 1 SWS Üb.) 75 Stunden Eigenstudium Bestehend aus zwei Veranstaltungen (5 SWS): Leistungselektronik für regenerative Energiesysteme (2/0/0) Regelung von regenerativen Energiesystemen (2/1/0) Abschlussprüfung: schriftliche Prüfung (geplant) Dauer: 90 min. Termin: Mittwoch, , um Uhr Raum: N Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 2/12

3 Regelung von regenerativen Energiesystemen Lernziele Nach dem Besuch der Veranstaltung sollten Sie in der Lage sein: Funktionsweise und Modellierung von regenerativen Energiesystemen zu verstehen und zu analysieren grundlegender Regelungskonzepte generator- und netzseitiger Stellglieder zu verstehen, anzuwenden und zu implementieren die übergeordnete Steuerung und Regelung des Gesamtsystems zu verstehen, anzuwenden und zu implementieren Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 3/12

4 Terminübersicht (tentativ) Datum Zeit Veranstaltung & Themenschwerpunkte :45 12:15 VO: Einführung und Motivation 13:15 14:45 ÜB: Menschlicher Grundumsatz, elekt. Energie & Leistung :45 12:15 VO: Grundlagen der Windkraft (Leistungsfaktor) 13:15 14:45 ÜB: Leistungsfaktor & Kenndaten von Windkraftanlagen :45 12:15 VO: Modellierung: Permanentmagnet-Synchrongenerator 13:15 14:45 ÜB: Parameter- & Anfangswinkelbestimmung :45 12:15 VO: Modellierung: Back-to-Back Umrichter, Netzfilter & Netz 13:15 14:45 ÜB: Umrichter-Modellierung, Pulsweitenmodulation & Verzögerung Weihnachtsferien (entfällt) Weihnachtsferien (entfällt) :45 12:15 VO: Generator- & netzseitige Regelung der Windkraftanlage 13:15 14:45 ÜB: Modellbildung, Reglerauslegung & Anti-Windup :45 12:15 VO: Regelung der Zwischenkreisspannung 13:15 14:45 ÜB: Regelung Generatordrehzahl & Zwischenkreis :45 12:15 VO: Zusammenfassung & Ausblick 13:15 14:45 ÜB: Leistungsbetrachtung :45 12:15 VO: Prüfungsvorbereitung 13:15 14:45 ÜB: Prüfungsvorbereitung Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 4/12

5 Munich School of Engineering Beispiel: Windkraftanlage mit Synchrongenerator Windturbine SWT Direktantrieb (Permanentmagnet Synchrongenerator (PMSG)) Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 5/12

6 Kernkomponenten (Wiederholung) Turbine Getriebe Generator Back-to-Back Converter Filter PCC Trafo Netz ω T ω M Rotor Stator β ref β ω M s abc M i abc M s abc N if abc u DC u abc 0 Regelung β ref ω M,ref u DC,ref Q PCC P PCC Betriebsführung v W Q ref P ref Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 6/12

7 Windleistung, Turbinenleistung und Betzfaktor A T πr 2 T v 3 A 1 v 1 v W v 2 A 3 p W ptq 1 2 ϱπr2 T v W ptq 3 ñ p T ptq c P p, qp W ptq ď c loomoon P,Betz p W ptq (1) 16{27«0, Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 7/12

8 Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwertapproximation r T ω T v W ω T A T r T Schnelllaufzahl (tip speed ratio) A G γ β λ : λpω G, v W q : r T ω G g r v W r1s, ω G g r ω T. (2) Leistungsfaktor/-beiwertapproximation c P : D Ñ R ě0, pβ, λq ÞÑ c P pβ, λq : c 1 c2 fpβ, λq c 3 β c 4 β x c 5 e c 6 fpβ,λq mit D : t pβ, λq P R ě0 ˆ R ě0 c P pβ, λq ą 0 u (3) Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 8/12

9 Leistungsbeiwert (ohne Pitchregelung) Leistungsbeiwert cp [1] c P,1 p q c P,Betz Schnelllaufzahl λ [1] Turbinenleistung (Leistungsaufnahme/-umsetzung) p T c P,1 pλqp W ptq c P,1 pλq 1 2 ϱπr2 T v W ptq 3 ď c P,Betz 1 2 ϱπr2 T v W ptq 3 (4) Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 9/12

10 Leistungsbeiwert (mit Pitchregelung) 0.6 c P,1 p q c P,2 p, q [1] λ [1] β [ ] 0 Turbinenleistung (Leistungsaufnahme/-umsetzung) p T ptq c P,2 pλ, βqp W ptq c P,2 pλ, βq 1 2 ϱπr2 T v W ptq 3 ď c P,Betz 1 2 ϱπr2 T v W ptq 3 (5) Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 10/12

11 Entstehung des Turbinenmomentes (vereinfacht) Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 11/12

12 Leistungsflussdiagramm einer Windkraftanlage Regelung von regenerativen Energiesystemen, C. Hackl 12/12