Regelorientierte Modellierung und Gestaltung des Turbinen-Geschwindigkeitsfeedbacks für schwimmende Windkraftanlagen

Das Regel-Design von schwimmenden Windkraftanlagen ist aufgrund der starken Kopplung zwischen der Dynamik des Floaters und der Regelung der Rotordrehzahl herausfordernd. Ein gängiger Ansatz zur Minderung negativer Dämpfung ist das Entstimmen des onshore betriebenen Blattwinkelreglers, was die Bandbreite verringert, aber das Überschießen der Rotordrehzahl erhöht und die Leistungsnachverfolgung verringert. Um dem entgegenzuwirken, führen einige Studien Feedback-Schleifen für die Turbinen-Geschwindigkeit mit einem Drehmoment-Kompensator oder einem Blattwinkel-Dämpfer ein. Viele Regelungen basieren jedoch auf Modellen mit impliziten Parametern, bei denen die Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsmatrizen des Floaters aus aeroelastischen Codes extrahiert werden, jedoch nicht immer explizit definiert oder leicht interpretierbar sind. Dieses Papier entwickelt ein modellbasiertes, regelorientiertes Modell einer schwimmenden Windkraftanlage, das explizit Anker- und hydrodynamische Kräfte berücksichtigt. Darüber hinaus wird eine neuartige modellbasierte Abstimmungsmethode für die Turbinen-Geschwindigkeitsfeedback-Schleife vorgeschlagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen stellt diese Methode spezifische Polplatzierungen sicher und erfüllt festgelegte Leistungsanforderungen für die Regelung der Rotordrehzahl. Ein dreidimensionales lineares Modell wird formuliert und durch offene und geschlossene Simulationen an einer 15-MW-Turbine mit einem Spar-Bouy validiert. Die Abstimmung des Reglers für sowohl den Drehmomentkompensator als auch den Blattwinkel-Dämpfer zeigt, dass der Blattwinkel-Dämpfer die theoretische Stabilität nicht gewährleistet, während der Drehmomentkompensator die Plattform-Blattwinkelstabilität und die Regelung der Rotordrehzahl unter variierenden Wind- und Wellenbedingungen erheblich verbessert. Neben dem Spar-Bouy werden die Simulationen auch auf einer halbuntergetauchten Plattform durchgeführt, um die Anwendbarkeit zu demonstrieren.