Aktive Dämpfung von Torsionsschwingungen im Antriebsstrang mittels modularer Regelungsverfahren am Beispiel der Windkraft:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Verlag Dr. Hut
2017
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| Ausgabe: | 1. Auflage |
| Schriftenreihe: | Ingenieurwissenschaften
|
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| Online-Zugang: | Inhaltstext 99 Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturverzeichnis: Seite 283-291 |
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1
1 Allgemeine Hinweise 7
1 1 Benennung von Variablen 7
1 2 Verwendete Abbildungen 7
1 3 Dimensionslose Darstellung von Mess-und Simulationsergebnissen 8
1 4 Berechnung der absoluten und relativen Fehler 8
2 Zusammenfassung 9
3 Einleitung 11
3 1 Motivation 11
3 2 Überblick und Gliederung dieser Arbeit 15
321 Überblick über diese Arbeit 15
322 Gliederung der Arbeit 17
3 3 Stand der Forschung 18
331 Aktive Schwingungsdämpfung im Antriebsstrang von Wind-
kraftanlagen 19
332 Beobachtung des mechanischen Antriebsstranges 21
333 Nutzung gondelbasierter LiDAR-Systeme für Zwecke der
aktiven Schwingungsdämpfung oder Beobachtung 22
334 Zusammenfassung und Einordnung der vorliegenden Arbeit 24
3 4 Einführung in die Technik heutiger Windkraftanlagen 27
4 Modellbildung einer Windkraftanlage 31
4 1 Dynamische Windanregung 31
411 Betrachtung des Windanregungsspektrums 32
412 Nachbildung der horizontalen Windgeschwindigkeit mit der
Software TurbSim 34
4 2 Energiewandlung am Rotor 35
421 Leistungsentnahme durch den Windrotor 36
422 Anströmung eines Rotorblattes 37
423 Kräfte am Rotorblatt 38
424 Berechnung des aerodynamischen Wellenmoments 41
1
Inhaltsverzeichnis
425 Auslegung der Rotorblattgeometrie 42
A Festlegen des Rotorblattprofils 42
B Berechnung der Rotorblatttiefe 43
C Berechnung der Rotorblatt-Verwindung 45
426 Berücksichtigung weiterer Verluste 46
A Profil-Wirkungsgrad 47
B Tip-Wirkungsgrad 47
427 Praktische Implementierung des gesamten Rotormodells 47
4 3 Mechanischer Antriebsstrang 51
431 Diskretisierung 51
432 Freiheitsgradreduktion 53
433 Differentialgleichungen des Drei-Massen-Schwingers 54
4 4 Elektrisches System 59
441 Elektrisches Netz 59
442 Clarke-Park-Transformation 59
443 Modellierung eines doppeltgespeisten Asynchrongenerators 61
4 5 Anlagenregelung 67
451 Regelungsverfahren in Windkraftanlagen 67
452 Modelliertes Regelungsverfahren für einen doppeltgespeis-
ten Asynchrongenerator 70
A Die feldorientierte Regelung 70
B Regelungsverfahren 70
C Entkopplung der Regelkreise 73
4 6 Modellierung des Gesamtsystems 76
5 Nachbildung einer Windkraftanlage am Versuchsstand 79
5 1 Wind und Energie Wandlung am Rotor 80
5 2 Mechanischer Antriebsstrang 82
521 Aufbau des Antriebsstranges 82
522 Analyse der Schwingungseigenschaften des Versuchsstandes 84
5 3 Nachbildung von Generator und Anlagenregelung 87
5 4 Validierung des mechanischen Modells mit Versuchsstandsmessungen 88
541 Versuchsaufbau zur Validierung 88
542 Auswertung der Validierungsmessungen 89
6 Analyse und Synthese der Schwingungsanregung in Windkraftanlagen 99
6 1 Untersuchung der Schwingungsanregung in Windkraftanlagen 100
611 Spektren der horizontalen Windgeschwindigkeit 100
612 Untersuchung des resultierenden aerodynamischen Antriebs-
moments in Simulationen 100
6 2 Vorschlag einer Drehmoment-Anregungsfunktion für Funktionstests 102
6 3 Die Rainflow-Zählung 104
Inhaltsverzeichnis
7 Verfahren zur Beobachtung des mechanischen Antriebsstranges 107
7 1 Ortsaufgelöste Messung der Windgeschwindigkeit 107
711 Einführung in die LiDAR-Technologie 108
712 Funktionsweise eines kohärenten Doppler-LiDAR-Systems
zur Messung der Windgeschwindigkeit 109
713 Annahmen zum Messsystem in dieser Arbeit 110
7 2 Vereinfachte Berechnung des aerodynamischen Antriebsmoments 113
721 Berechnungsverfahren 114
722 Simulationsergebnisse 120
7 3 Beobachtung des Antriebsstranges 123
731 Regelungstechnische Grundlagen 123
A Grundlagen des Beobachterbegriffs und der Zu-
standsraumdarstellung 123
B Beobachtbarkeit 126
C Wahl eines geeigneten Beobachtungsverfahrens 126
D Kalman Filter 127
732 Zustandsraumdarstellung des betrachteten Systems 130
733 Wahl geeigneter Parameter für das Kalman Filter 135
7 4 Implementierung in der Simulation und am Versuchsstand 136
7 5 Ergebnisse aus Simulationen und Versuchsstandsmessungen 137
751 Simulationsergebnisse 138
752 Messungen am Versuchsstand 151
8 Aktive Schwingungsdämpfung im Antriebsstrang von Windkraftanlagen 159
8 1 Systembetrachtungen 160
811 Vereinfachungen der Regelstrecke 163
812 Linearisierung 164
A Kennlinie des Windmoments 165
B Kennfeld des Reglers 166
813 Zusammenfassen zu einem Gesamtsystem 167
814 Darstellung im Zustandsraum 169
815 Betrachtung der Systemeigenschaften 171
8 2 Stand der Technik: Drehzahl-Vorsteuerung 175
821 Verfahren der Drehzahl-Vorsteuerung 175
822 Systemeigenschaften des mit Drehzahl-Vorsteuerung gere-
gelten Systems 177
823 Ergebnisse der Drehzahl-Vorsteuerung aus Simulationen und
Versuchsstandsmessungen 181
A Simulationsergebnisse 182
B Messungen am Versuchsstand 187
3
Inhaltsverzeichnis
8 3 MILD-Drehmomentregelung: Ausregeln der Drehmomentdifferenz
unter Berücksichtigung des Systemverhaltens 196
831 Ausregeln der Drehmomentdifferenz unter Berücksichtigung
des System Verhaltens 197
A Ermitteln der inversen Übertragungsfunktion 197
B Ausregeln der Momentendifferenz 200
832 Ergebnisse der MILD-Drehmomentregelung aus Simulationen202
8 4 MILD-Drehzahlregelung: Ausregeln der Drehbeschleunigung 207
841 Ausregeln der Drehbeschleunigung 208
842 Auslegung der Reglerparameter für die MILD-Drehzahlregelung211
843 Systemeigenschaften des mit MILD-Drehzahlregelung gere-
gelten Systems 215
844 Ergebnisse der MILD-Drehzahlregelung aus Simulationen
und Versuchsstandsmessungen 218
A Simulationsergebnisse 218
B Messungen am Versuchsstand 227
9 Zusammenfassung und Ausblick 237
9 1 Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Dissertation 237
9 2 Ausblick 240
Anhang 243
Anhang A Faktoren für die dimensionslose Darstellung 245
Anhang B Parameter des Modells 247
Parameter der Nachbildung des Windes 248
Parameter der Energiewandlung am Rotor 250
Parameter des mechanischen Systems 251
Parameter des elektrischen Systems 254
Parameter der Anlagenregelung 255
Parameter des modellierten Gesamtsystems 255
Anhang C Parameter der Drehmoment-Anregungsfunktion 257
Anhang D Parameter der Beobachtung 259
Parameter des LiDAR-Systems 259
Parameter der vereinfachte Berechnung des aerodynamischen Antriebs-
moments 259
Parameter des Kalman Filters 260
Anhang E Parameter der Regelung zur Schwingungsdämpfung 263
Parameter des Ersatzsystems 263
Parameter der Drehzahl-Vorsteuerung 267
Inhaltsverzeichnis
Parameter der MILD-Drehmomentregelung 267
Reglerparameter 267
Koeffizienten der inversen Übertragungsfunktion 267
Parameter der MILD-Drehzahlregelung 270
Anhang F Angaben zu dem verwendeten Versuchsstand 271
System doppeltgespeister Asynchrongenerator 271
System High-Torque-Synchronmotor 273
Planetengetriebe 273
Steuerungssystem 274
Gewählter Betriebspunkt des Versuchsstandes 274
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen 275
Abkürzungen 275
Indizes 275
Unter- und Überschreibungen 277
Formelzeichen 277
Literaturverzeichnis 283
Tabellenverzeichnis 293
Abbildungsverzeichnis 295 |
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