Lastreduzierende Regelungssysteme für große Windenergieanlagen

Bei herkömmlichen drehzahlvariablen Windenergieanlagen dient die Änderung der Pitchwinkel als Stellgröße für die Drehzahlregelung des Rotors und damit zur Leistungsbegrenzung im Volllastbetrieb. Die Verstellung erfolgt im Normalbetrieb stets synchron für alle Blätter. In diesem Beitrag werden weitere Möglichkeiten untersucht, durch Veränderung des Pitchwinkels von Rotorblättern mechanische Belastungen der Windanlage zu verringern. Durch Einstellung einer individuellen Abweichung im Pitchwinkel der Einzelblätter vom (mittleren) kollektiven Pitchwinkel können unsymmetrische Anströmverhältnisse über die Rotorfläche kompensiert werden. Solche Anströmverhältnisse werden z.B. durch eine Schräganströmung des Rotors und den Höhengradienten des Windes, aber auch durch räumlich verteilte Turbulenz-Erscheinungen bewirkt und treten im realen Betrieb einer Anlage nahezu ständig auf. Aufgrund der unsymmetrischen Kräfteverteilung auf die Rotorblätter bewirken sie Kippmomente um die Nick- und Gierachse der Gondel. Durch eine Symmetrierung der aerodynamischen Kräfte auf die Blätter mit Hilfe der Einzelblattverstellung können diese Lasten kompensiert werden. Da der Pitchwinkel außerdem die Schubkraft des Rotors auf den Turmkopf beeinflusst, können axiale Turmkopfschwingungen durch Aufbringung einer geeigneten periodischen aerodynamischen Kraftkomponente in Gegenphase zur Auslenkungsgeschwindigkeit aktiv gedämpft werden. Für den Reglerentwurf wird in diesen Fällen zweckmäßigerweise von einem um einen Arbeitspunkt linearisierten Modell der Windenergieanlage ausgegangen. Dann lassen sich die Einflüsse des Windfeldes und der Pitchwinkel-Änderungen auf die Regelgrößen voneinander getrennt durch ein Störgrößenmodell und ein Streckenmodell beschreiben. Dem Arbeitspunkt wird eine konstante Windgeschwindigkeit zugeordnet. Als Regelgrößen werden nunmehr die Abweichungen von Rotordrehzahl, Turmkopfbeschleunigung und Blattfußbiegemomenten von den im Arbeitspunkt gültigen stationären Werten verwendet.