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1 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorrand am Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik der Fakultät für Maschinenbau an der Technischen Universität Chemnitz, und wurde im Rahmen des Graduiertenkollegs Energiebereitstellung aus regenerativen Energiequellen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Mein besonderer Dank gilt meinem Betreuer, Herrn Prof. Dr. -Ing. P. Tenberge, da durch seine Anregung und Unterstützung diese Arbeit möglich wurde. Mein Dank gilt in gleicher Weise Herrn Prof. Dr. sc. nat. P. Maißer, dem Leiter des Instituts für Mechatronik, für seine fachliche und persönliche Unterstützung, die zum guten Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Schließlich möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des Instituts für die gute und freundschaftliche Zusammenarbeit bedanken. Meiner Frau danke ich besonders herzlich für die Jahre der Rücksichtnahme und Geduld. Chemnitz, in März 2004 Zhang Tong

2

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis IX XV 1 Einleitung Windkraftanlage Regelungssystem der Windkraftanlage Aufbau der Arbeit Modellierung der Windkraftanlage Luftdynamisches Modell Mechanisches Modell Umlaufrädergetriebe Struktur Drehzahlbeziehung Drehmomentbeziehung Umlaufwirkungsgrad Modellierung des mechanischen Systems Elektrische Maschine Asynchrongenerator Gleichungssystem Stationäres Verhalten V

4 VI INHALTSVERZEICHNIS Pitchregelung Kombination des Systems Simulation des Windes Dynamisches Verhalten des Systems Aerodynamisches Verhalten Basis-Modell mit elastischer Kupplung Dynamisches Verhalten des gesamten Modells Mathematisches Modell mit Energieoptimum Strukturelle Parameter Steifigkeit der Hauptwelle Dämpfung der Hauptwelle Steifigkeit und Dämpfung der Generatorwelle Steifigkeit und Dämpfung der Stellmotorwelle Regelungen der Windkraftanlage Anlaufprozess Wartestellung Teillastbereich Theorie Leistungsoptimierung Dynamisches Verhalten mit elastischen Kupplungen Überlastbereich Theorie Regelungssystem des Pitch-Winkels Dynamisches Modell Regelungssystem Dynamisches Verhalten Sprungantwort

5 INHALTSVERZEICHNIS VII Systematische Methodologie Regelstrategien Auswertung der Signale Auswertung dynamischer Belastungen Auswertung der Leistungen Regelstrategien der Windkraftanlage Regelstrategien A-Strategie B-Strategie Dynamisches Verhalten Simulationsergebnisse Windprofile Antwort des Systems bei Anregung mit simuliertem Wind Simulationsergebnisse bei Anregung mit verschiedenen Windprofilen Aktive Dämpfung Dynamisches Verhalten bei Aktiver Dämpfung Realisierung der aktiven Dämpfung Regelkreis mit Eingang Stellmoment M S Dynamisches Verhalten Sprungantwort mit aktiver Dämpfung Simulationsergebnisse Antwort bei Anregung durch simulierte Winde Anregung durch Wind mit v W = 6 m/s Anregung durch Wind mit v W = 10 m/s Anregung durch Wind mit v W = 14 m/s Simulationsergebnisse bei Anregung mit allen Windprofilen 162

6 VIII INHALTSVERZEICHNIS 6.4 Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Kritik und Ausblick A Verwendete Symbole 181 Literaturverzeichnis 184

7 Abbildungsverzeichnis 1.1 Struktur der Windkraftanlage mit leistungsverzweigtem Getriebe Blockschaltbild der Regelungs-und Betriebsführungssysteme Leistungs- und Momentenbeiwerte Umlaufrädergetriebe in der Windkraftanlage Leistungen des Windes, des Stellmotors und des Generators als Funktion der Rotordrehzahl Wirkungsgrad des Getriebes Mechanisches Modell mit leistungsverzweigtem Getriebe Schematische Darstellung der Wicklungen einer Asynchronmaschine Signalflussplan der Asynchronmaschine bei Verwendung des mit statorfesten Koordinatensystem S Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine Aktor für die Pitchregelung Windmodell für Simulation des Windes Simulierte Windgeschwindigkeit mit verschiedenen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten Elementares Regelungssystem Rotormoment/Rotorgeschwindigkeit Kurve Antrieb mit elastischer Verbindung zwischen Rotor und Last IX

8 X ABBILDUNGSVERZEICHNIS 3.4 Störungsverhalten mit dem Moment der Hauptwelle, dem Generatormoment und dem Moment des Stellmotors als Ausgänge Bode-Diagramme mit der Generatorleistung und der Rotordrehzahl als Ausgänge bzw. mit der Windgeschwindigkeit als Eingang Bode-Diagramm, Eingang: Stellmoment Bode-Diagramm, Eingang: Pitch-Winkel Bode-Diagramm mit der Generatorleistung und dem Generatormoment als Ausgänge bzw. der Änderung des Windgeschwindigkeit als Eingang für das System mit Dämpfung der Generatorwelle D G = 200 Nm s/rad Bode-Diagramme mit der Änderung der Windgeschwindigkeit als Eingang und dem Moment des Stellmotors als Ausgang bzw. dem Moment des Stellmotors als Eingang und der Differenz der Drehzahlen des Rotors und der Eingangswelle des Getriebes als Ausgang Die Momentenbeiwerte und die Beziehung zwischen dem Pitch- Winkel und der Schnelllaufzahl beim Anlaufprozess Rotormoment/Pitch-Winkel bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten, ω R = 2.6rad/sec Rotormoment/Rotorgeschwindigkeit bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten Antriebsmoment/Rotorgeschwindigkeit Simulationsergebnis eines Modells mit starren Kupplungen (Momente) Simulationsergebnis eines Modells mit starren Kupplungen (Drehzahlen und Beschleunigungen) Simulationsergebnis eines Modells mit starren Kupplungen (Leistung) Sprungantwort der WKA mit elastischer Kopplung im Teillastbereich 79

9 ABBILDUNGSVERZEICHNIS XI 4.9 Leistung/Pitch-Winkel- und Moment/Pitch-Winkel-Kennlinien im Überlastbereich Block-Diagramm des Regelungssystems für Leistungsbegrenzung Block-Diagramm des Regelungssystems mit dem Regler und luftdynamischem Modell Bode-Diagramm (Eingang: Pitch-Winkel; Ausgang: Rotordrehzahl) Bode-Diagramm der Übertragungsfunktionen der offenen Schleife und des geschlossenen Kreises Sprungantwort des Regelungssystems für Leistungsbegrenzung Kontur der Eigenschaft des Systems mit k I = 0 deg/rad bei Anregung mit dem Wind Kontur der Eigenschaft des Systems mit k I = 3 deg/rad bei Anregung mit dem Wind Kontur der Eigenschaft des Systems mit k I = 6 deg/rad bei Anregung mit dem Wind Kontur der Eigenschaft des Systems mit k I = 9 deg/rad bei Anregung mit dem Wind Simulationsergebnisse mit verschiedenen Reglern Windgeschwindigkeit und inneres Moment der Hauptwelle ( v W = 8 m/sec) Wöhlerlinie für konstante Mittelspannung Dynamische Belastung und ihre Normalverteilung Zählbeispiel für das Klassendurchgangsverfahren Windgeschwindigkeit und Leistung des Generators (bei v W = 12 m/s) Die Verteilung der Generatorleistung Die Generatorleistung in Zeitbereich Dynamisches Verhalten des Systems mit A- und B-Strategie (Eingang: Änderung der Windgeschwindigkeit)

10 XII ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5.9 Simulierte Windgeschwindigkeiten mit verschiedenen durchschnittlichen Werten v W in Heroldstatt und Nordholz Die Abweichungen der dynamischen Belastungen von den Mittelwerten bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/s in Nordholz Beschleunigungen bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/s in Nordholz Die Abweichungen der Leistungen von den Mittelwerten bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/s in Nordholz Die Standardabweichungen der Momente bei verschiedenen Regelstrategien Standardabweichungen der Beschleunigungen bei verschiedenen Regelstrategien Standardabweichungen der Leistungen bei verschiedenen Regelstrategien Extremwerte der Leistungen bei verschiedenen Regelstrategien Block-Diagramm des Systems Bode-Diagramm der Übertragungsfunktionen bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten (Eingang: Stellmoment; Ausgang: Differenz der Rotordrehzahl und der Drehzahl der Eingangswelle des Getriebes) Bode-Diagramm Schematisches Bild der Beziehung zwischen der Rotorgeschwindigkeit und dem Antriebsmoment bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten Bode-Diagramm des Momentes der Hauptwelle und Gereratorwelle Bode-Diagramm des Stellmomentes und der Generatorleistung. 144

11 ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIII 6.7 Bode-Diagramm des dynamischen Verhaltens bei Anregung durch die Turbulenz des Windes Sprungantwort mit und ohne aktive Dämpfung Simulierter Wind mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit v W = 6 m/s in Nordholz Die Abweichungen der dynamischen Belastungen von den Mittelwerten bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/sec in Nordholz Beschleunigungen bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/sec in Nordholz Leistung des Systems bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 6 m/sec in Nordholz Die Abweichungen der dynamischen Belastungen von den Mittelwerten bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 10 m/sec in Heroldstatt Beschleunigungen bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 10 m/sec in Heroldstatt Leistung des Systems bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 10 m/s in Heroldstatt Antwort des Systems bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 10 m/sec in Heroldstatt Die Abweichungen der dynamischen Belastungen von den Mittelwerten bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 14 m/sec in Nordholz Leistung des Systems bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 14 m/sec in Nordholz Antwort des Systems bei Anregung mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von v W = 14 m/sec in Nordholz Standardabweichungen der Momente bei aktiver Dämpfung

12 XIV ABBILDUNGSVERZEICHNIS 6.21 Die Winde mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit v W = 10 m/sec in Heroldstatt und Nordholz Standardabweichungen der Beschleunigungen bei aktiver Dämpfung Bode-Diagramm des Systems, Ausgang: Rotordrehzahl ω R Die Standardabweichungen der Leistungen bei aktiver Dämpfung Die Extremwerte der Leistungen bei aktiver Dämpfung Die Standardabweichungen der Pitch-Drehzahl, Pitch-Beschleunigung und Rotordrehzahl bei aktiver Dämpfung Bode-Diagramm des Systems bei der verschiedenen Windgeschwindigkeit im Überlastbereich

13 Tabellenverzeichnis 2.1 Die Parameter der drei Stufen des Getriebes Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Torsionssteifigkeiten der Hauptwelle K H Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Dämpfungen der Hauptwelle D H Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Torsionssteifigkeiten der Generatorwelle K G Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Dämpfungen der Generatorwelle D G Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Torsionssteifigkeiten der Stellmotorwelle K S Die Eigenwerte des Systems mit den verschiedenen Dämpfungen der Stellmotorwelle D S Minimalwerte von ADC Parameter des Reglers Die Eigenwerte des Systems mit A- und B-Strategie Die von der Windkraftanlage erzeugte Energie in Heroldstatt Die von der Windkraftanlage erzeugte Energie in Nordholz XV

14 XVI TABELLENVERZEICHNIS 6.1 Die Eigenwerte des Systems mit und ohne aktiver Dämpfung und B-Strategie Die von der Windkraftanlage erzeugte Energie in Heroldstatt Die von der Windkraftanlage erzeugte Energie in Nordholz

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