A comparison of control concepts for wind turbines in terms of energy capture

Hoffmann, Rolf (2002)
A comparison of control concepts for wind turbines in terms of energy capture.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2269

Kurzbeschreibung (Abstract)

In this study, eight different control concepts for wind turbines are compared in terms of their annual energy capture. In detail, they are a stall controlled single speed concept, a stall controlled two speed concept, an active stall controlled single speed concept, an active stall controlled two speed concept, a pitch controlled single speed concept, a pitch controlled two speed concept, a stall controlled variable speed concept and finally a pitch controlled variable speed concept. In order to be able to expose all these different concepts to exactly the same wind conditions, numerical computer simulation is chosen as the appropriate method to do the comparison, as in reality it is almost impossible to achieve the same wind conditions for different turbines. This approach also prevents all possible differences in rotor layout between the individual concepts from entering into the results, as it is possible to use the same rotor design for all control concepts. Because the influence of time variant quantities such as the turbulent wind flow on a nonlinear system ( e.g. a wind turbine rotor) has to be taken into account, an analytical representation had to be found which allowed a time-step simulation. This especially set some limits on the complexity allowed for the numerical model. Therefore the modeling of all parts of the system (whether they are aerodynamic, mechanic or electric) is kept rather simplistic. As a comparison of general control concepts is the topic of this study, the controllers are not modeled as they are used by a certain manufacturer. Instead they are modeled in an idealized way, each of which covers the ideal performance of one class of control concepts. For each combination of parameters, one time domain simulation was performed. The output data was then weighted and averaged in order to obtain the energy captured from the wind within one year. These energy values are finally arranged in a way which allows an easy comparison between the relative performance of all control concepts under consideration. The results show the differences in the annual energy capture of the eight concepts as a function of site conditions (the annual mean wind speed, the turbulence and the shape parameter of the Weibull distribution assumed for the annual wind speed distribution) as well as their dependence on two design parameters (the design tip speed ratio and the choice of rotor profiles). Due to the rather crude modeling these results have to be seen more qualitatively then quantitatively. However, they show to which extent a comparison between different control concepts depends on the values of different parameters. Hopefully, they also lead to a deeper understanding of the very different results of similar comparisons found in the literature.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2002

Autor(en):

Hoffmann, Rolf

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

A comparison of control concepts for wind turbines in terms of energy capture

Sprache:

Englisch

Referenten:

Mutschler, Prof. Dr.- Peter ; Hartkopf, Prof. Dr.- Thomas

Berater:

Mutschler, Prof. Dr.- Peter

Publikationsjahr:

1 Juli 2002

Ort:

Darmstadt

Verlag:

Technische Universität

Datum der mündlichen Prüfung:

14 Januar 2002

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-2269

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

In dieser Arbeit werden acht verschiedene Regelverfahren für Windkraftanlagen in Bezug auf ihren Jahresenergieertrag verglichen. Im einzelnen handelt es sich um die folgenden Konzepte: ein stallgeregeltes drehzahlstarres Konzept, ein stallgeregeltes Konzept mit zwei Drehzahlen, ein aktiv-stallgeregeltes drehzahlstarres Konzept, ein aktiv-stallgeregeltes Konzept mit zwei Drehzahlen, ein pitchgeregeltes drehzahlstarres Konzept, ein pitchgeregeltes Konzept mit zwei Drehzahlen, ein stallgeregeltes drehzahlvariables Konzept und schließlich ein pitchgeregeltes drehzahlvariables Konzept. Um alle diese Konzepte unter exakt den gleichen Windbedingungen zu untersuchen, wurde eine numerische Simulation auf einem Digitalrechner entwickelt, da es bei Messungen nahezu unmöglich ist, für verschiedene Windturbinen die gleichen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Gleichzeitig verhindert dieses Vorgehen, daß Unterschiede in der Rotorauslegung der verschiedenen Konzepte in die Ergebnisse eingehen, da ein und derselbe Rotor für alle Regelverfahren verwendet wird. Da der Einfluß von zeitveränderlichen Größen wie der Windgeschwindigkeit auf ein nichtlineares System (wie z.B. den Rotor der Windkraftanlage) untersucht werden soll, wurde eine mathematische Modellbildung gewählt, die eine Zeitschrittsimulation erlaubt. Daraus folgten insbesondere einige Beschränkungen für den Rechenzeitbedarf des mathematischen Modells. Daher mußte die Beschreibung aller Systembestandteile - seien sie nun aerodynamisch, mechanisch oder elektrisch -in relativ einfachen Modellen erfolgen. Da der Hauptzweck der Arbeit der Vergleich von Regelungskonzepten ist, sind die Reglermodelle nicht den Reglern einzelner Hersteller detailliert nachgebildet. Stattdessen sind sie so gewählt, daß sie jeweils eine ganze Klasse von Verfahren mit ihren idealtypischen Eigenschaften repräsentieren. Für jede Kombination von Parametern wurde eine Simulation durchgeführt, aus deren Ergebnissen durch gewichtete Mittelwertbildung die in einem Jahr aus dem Wind geerntete Energie berechnet wurde. Die so erhaltenen Energieerträge werden auf eine Art dargestellt, die einen einfachen Vergleich zwischen den verschiedenen Konzepten gewährleistet. Die Ergebnisse zeigen die Unterschiede der acht Konzepte im Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von Standortparametern (dem Jahresmittelwert der Windgeschwindigkeit, der Turbulenz und dem Formparameter der für die Jahreswindgeschwindigkeitsverteilung angenommenen Weibullverteilung) und von Auslegungsparametern der Turbine (der Auslegungsschnellaufzahl des Rotors und dem Rotorblattprofil). Wegen der relativ einfachen Modellbildung sind diese Ergebnisse zwar eher qualitativ als quantitativ zu sehen, aber sie zeigen, in welch hohem Maße ein Vergleich von Energieerträgen von den Werten der einzelnen Parameter abhängt. Eventuell führen sie auch zu einer besseren Einordnung der sehr verschiedenen in der Literatur veröffentlichten Ergebnisse solcher Vergleiche.

Deutsch

Freie Schlagworte:

Regelungskonzepte,Energieertrag,Vergleich von Regelungskonzepten

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Hinterlegungsdatum:

17 Okt 2008 09:21

Letzte Änderung:

05 Mär 2013 09:24

PPN: