Lidar-assisted control concepts for wind turbines

Abstract

Current advances in lidar technology provide opportunities to take a fresh look at wind turbine control. The wind is not only the main energy source but also the major disturbance to the control system. Thus, knowledge of the incoming wind is valuable information for optimizing energy production and reducing structural loads. Due to the measurement principles and the complexity of the wind, the disturbance cannot be measured perfectly. This forms a challenging task for estimation and control. Within this thesis project, research has been carried out in the field of predictive control for onshore wind turbines. The thesis presents concepts of lidar-assisted control to reduce the structural loads and also to increase the energy yield of wind turbines, both of which make wind energy more competitive. The key challenges have not only been to develop appropriate feedforward control methods applicable to an industrial feedback controller, but also to investigate turbulence characteristics and to derive lidar measurements techniques to provide a usable preview signal. The combination of these findings made a proof-of-concept possible on two research wind turbines using a commercial and an adapted lidar system.

In den letzten Jahren hat die Lidar-Technology ihren Weg in die Windenergie gefunden. Zum Beginn der vorliegenden Doktorarbeit „Konzepte Lidar-basierter Regelung von Windenergieanlagen“ wurden Lidar-Systeme hauptsächlich zur Standortbewertung eingesetzt. Aber auch ein weiteres Anwendungsgebiet wurde als sehr aussichtsreich eingestuft: die Installation von Lidar-Systemen auf Windenergieanlagen zur Optimierung des Energieertrags und zur Reduktion von strukturellen Lasten. Dies lag nahe, da eine Windenergieanlage ständig auf die Turbulenzen des einströmenden Windfeldes reagieren muss. Traditionelle Regelsysteme für Windenergieanlagen können jedoch erst dann auf Windänderungen reagieren, wenn diese schon auf die Struktur der Anlage gewirkt hat. Lidar-basierte Regelsysteme können die Windvorhersage nutzen und sind deshalb vielversprechend, um den Energieertrag zu erhöhen und gleichzeitig die Belastungen gering zu halten. Dies kann mit einer Analogie verdeutlicht werden: Um Hindernisse zu umfahren, ist es für einen Fahrradfahrer besser, seine Sicht für die Vorausplanung seiner Bewegungen zu verwenden, als darauf zu warten, bis die Hindernisse über den Kontakt mit dem Fahrrad selbst wahrgenommen werden. In ähnlicher Weise wird erwartet, dass Lidar-basierte Methoden gegenüber konventionellen Ansätzen die Regelung von Windenergieanlagen signifikant verbessern wird. Lidar-basierte Regelung ist durch Limitierungen im Lidar-Messprinzip, durch die Komplexität des Windes und durch die nichtlineare Dynamik von Windenergieanlagen ein äußerst interdisziplinäres Forschungsgebiet und verbindet die Fachbereiche Meteorologie, Signalverarbeitung, Fernerkundung, Mechanik und Regelung. Für dieses Forschungsgebiet wurden in dieser Arbeit wichtige Grundlagen erarbeitet, nicht nur durch die Erforschung möglicher Regelungskonzepte, sondern auch durch die Entwicklung geeigneter Methoden für die Verarbeitung von Lidar-Messdaten. Durch einen integrierten und ganzheitlichen Ansatz konnte der weltweit erste Nachweis der Machbarkeit erbracht werden. Dieses Ergebnis wurde durch eine zunächst separate Betrachtung der messtechnischen und regelungstechnischen Problematik erreicht. Die Aufgabe der Messtechnik ist es, für die Regelung verwendbare Signale aus den Lidar-Rohdaten zu generieren. Die Regelungstechnik ist dafür verantwortlich, mit diesen Signalen eine Verbesserung für Windenergieanlagen zu erreichen. Beide Bereiche sind stark miteinander vernetzt. Zum einen müssen die vom Messgerät zur Verfügung gestellten Signale diejenigen Informationen enthalten, welche die Verbesserung der Regelung ermöglichen. Zum anderen muss sich das Regelungssystem kontinuierlich auf die Veränderung der Messqualität einstellen. Außerdem müssen die für den Entwurf der Regelung notwendigen mathematischen Modelle nicht nur den Anforderungen des Regelungskonzepts entsprechen, sondern auch auf die Messbarkeit der Störgröße Wind abgestimmt sein. Basierend auf diesen Überlegungen behandelt der erste Teil dieser Doktorarbeit die Entwicklung geeigneter Methoden für die Verarbeitung von Lidar-Messdaten. Hier sind Lösungsansätze für zwei Problemstellungen erarbeitet worden. Die erste Problemstellung ergibt sich aus dem Lidar-Messprinzip: Ein Lidar-System misst die Geschwindigkeit von Aerosolen nur in Richtung des ausgesendeten Laserstrahls. Deshalb kann mit einem einzigen Lidar-System das einströmende Windfeld nicht dreidimensional erfasst werden. Deshalb wurden in dieser Arbeit modellbasierte Schätzverfahren entwickelt, welche für charakteristische Größen wie die rotoreffektive Windgeschwindigkeit gute Näherungswerte erreichen. Damit verbunden ist die zweite Problemstellung. Durch das Schätzverfahren, aber auch durch die Evolution des Windfeldes auf dem Weg zum Rotor ergeben sich Unterschiede zwischen den Charakteristiken des Windes, welche vom Lidar-System gemessen werden und den Charakteristiken, welche auf den Rotor wirken. In dieser Arbeit wurde ein analytisches Model für die Korrelation zwischen den Näherungswerten aus der Lidar-Messung und der Reaktion der Anlage entwickelt. Dieses Modell kann zur Optimierung von Scan-Trajektorien und für den Entwurf eines für die lidar-basierte Regelung essentiell wichtigen adaptiven Filter verwendet werden. Der zweite Teil der Doktorarbeit stellt die entwickelten Regelungskonzepte vor. Alle Regelalgorithmen wurden zunächst unter der Annahme von perfekter Windvorhersage entworfen und dann für realistische Messungen angepasst. Der vielversprechendste Ansatz ist die Vorsteuerung des kollektiven Blattwinkels. Diese Methode unterstützt mit einer Aufschaltung konventionelle Regelungssysteme und ist deshalb sehr für die industrielle Anwendung geeignet. Eine signifikante Reduktion der strukturellen Lasten und eine Verbesserung der Rotordrehzahlregulierung konnte in realistischen Simulationen erreicht und in experimentellen Tests auf zwei Forschungsturbinen bestätigt werden. Des Weiteren wurde eine Vorsteuerungsstrategie entwickelt, welche mit Hilfe des Generatormoments den Energieertrag erhöht. Obwohl mit diesem Regler die Windenergieanlage sehr viel näher am aerodynamischen Optimum betrieben wird, kann neben zusätzlichen Belastungen der Energieertrag nur geringfügig erhöht werden. Zudem wurde eine Vorsteuerung entworfen, welche auf der Systemeigenschaft der ,,Flachheit'' beruht und die Regelung mit Solltrajektorien der Rotordrehzahl und der Turmkopfbewegung ermöglicht. Mit diesem Ansatz können durch eine gleichzeitige Aufschaltung des kollektiven Blattwinkels und des Generatormoments die Turmbewegungen direkt beeinflusst werden. In einer Simulationsstudie konnte gezeigt werden, dass die Turmbelastungen gegenüber der alleinigen Vorsteuerung des kollektiven Blattwinkels weiter reduziert werden können. Allerdings ist das Einstellen der flachheitsbasierten Vorsteuerung deutlich komplexer.