DE102016212364A1

DE102016212364A1 - Nachlaufströmungsumleitung unter Verwendung einer Feedbackregelung, um die Leistungsabgabe von Windparks zu verbessern

Info

Publication number: DE102016212364A1
Application number: DE102016212364.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Raach; Holger Fürst; Florian Haizmann; David Schlipf
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-11
Also published as: WO2018007012A8; ES2818023T3; CN109416018B; WO2018007012A1; EP3482067A1; EP3482067B1; DK3482067T3; CN109416018A

Abstract

Zusammenfassend gesagt, betrifft die Erfindung ein Regelungssystem für eine Windturbine umfassend einen Nachlaufströmungsregler zum Manipulieren einer Nachlaufströmung einer Windturbine, wobei der Nachlaufströmungsregler angepasst ist zum – Erhalten eines Nachlaufströmungsparameters bei einer oder mehreren vorgegebenen Entfernungen stromabwärts der Windturbine, – Verarbeiten des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters unter Verwendung mindestens eines entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters; – Vergleichen des mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameters mit mindestens einem entsprechenden gewünschten Nachlaufströmungsparameter und – Regeln, in Abhängigkeit des Vergleichs, eines Gierwinkels der Windturbine, so dass der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter geändert wird, sowie eine Windturbine, einen Windpark und ein Regelungsverfahren.

Description

In Zukunft wird eine Windturbine nicht nur als ein einzeln unabhängig operierendes System gesehen werden, sondern auch als eine Komponente eines größeren Interaktierenden Systems und zwar der Windpark. Um den Wirkungsgrad eines Windparks zu erhöhen, wurden zwei Hauptkonzepte vorgeschlagen: axiale Induktionsregelung und Nachlaufströmungsumleitung. Dieser Beitrag konzentriert sich auf das Letztere. Ferngesteuerte Detektionstechnologien in Windenergieanwendungen haben neue Wege eröffnet, um Windturbinen zuregeln. In diesem Beitrag wird ein weiterer Schritt unternommen, indem eine ferngesteuerte Detektionsvorrichtung zum Umleiten der Nachlaufströmung einer Windturbine verwendet wird. Es wird ein Regler vorgeschlagen, der einen Gieraktuator einer Windturbine verwendet, um das Zentrum der Nachlaufströmung der Turbine zu einer gewünschten Position zu lenken. Die Ausbreitung der Nachlaufströmung von der Windturbine zu dem Messort wird mit einer Zeitverzögerung modelliert. Das stellt ein herausforderndes Problem für ein Reglerdesign dar. Der Regler folgt der Idee des internen Modellprinzips und nutzt ein Modell, um das Systemverhalten vorherzusagen, das eine Überbewertung des Fehlers vermeidet. Weiterhin wird ein adaptiver Filter vorgeschlagen, um unkontrollierbare Frequenzen aus der Schätzung des Nachlaufströmungszentrums zu filtern. Die Schätzung aus Lidarmessdaten wird als perfekt angenommen. Geschlossene Schleifensimulationen werden ausgeführt, in dem man das Nominalsystem und ein Windparksimulationswerkzeug, das an das Szenario angepasst wurde, verwendet. Die Ergebnisse werden mit dem ungesteuerten Grundlinienfall und einem statisch angewandten Gierversatz verglichen. Sie zeigen eine Steigerung der Gesamtleistungsausgabe des Windparks. Zusammen mit Nachlaufströmungsverfolgungsverfahren kann die Annäherung als ein vielversprechender Ansatz in Bezug auf geschlossene Schleifen-Windparkregelungen betrachtet werden.
Lidar ist eine Vermessungstechnologie, die dem Fachmann bekannt ist, die den Abstand misst und zwar durch Beleuchten eines Ziels mit einem Laserlicht. Lidar ist ein Akronym für „Light Detection And Ranging”, und wurde ursprünglich als Portmanteau von ”Licht” und ”Radar” geschaffen. Lidar wird allgemein als Technologie verwendet, um hochauflösende Karten mit Anwendungen in Geodäsie, Geomatik, Archäologie, Geografie, Geologie, Geomorphologie, Seismologie, Forstwirtschaft, atmosphärische Physik, airborne laser swath mapping (ALSM) und Laserhöhenmessungen zu schaffen. Was als Lidar bekannt ist, wird manchmal einfach als Laserscanning oder 3D-Scannen mit terrestrischen, luftgetragenen und mobilen Anwendungen bezeichnet.
Lidar verwendet ultraviolettes, sichtbares oder Nahinfrarotlicht, um Objekte abzubilden. Es kann auf einen breiten Bereich von Materialien abzielen, umfassend nicht metallische Objekte, Felsen, Regen, chemische Verbindungen, Aerosole, Wolken und sogar einzelne Moleküle. Ein schmaler Laserstrahl kann physikalische Merkmale mit sehr hohen Auflösungen kartieren, zum Beispiel kann ein Flugzeug ein Gelände mit 30 cm Auflösung oder besser kartieren.
Lidar wurde für die atmosphärische Forschung und Meteorologie ausgiebig eingesetzt. Lidar Instrumente, mit denen Flugzeuge und Satelliten ausgestaltet sind, führen Vermessungen und Kartierungen durch, wobei ein aktuelles Beispiel das U.S. Geological Survey Experimental Advanced Airborne Forschungslidar ist. NASA hat Lidar als Schlüsseltechnologie für die Realisierung von sicheren autonomen Präzisionslandungen von zukünftigen Robotern und bemannten Mondlandungs-Fahrzeugenidentifiziert.
Die Wellenlängen variieren je nach Ziel von etwa 10 Mikrometern bis zu UV (ungefähr 250 nm). Typischerweise wird Licht durch Rückstreuung reflektiert. Verschiedene Typen der Streuung werden für verschiedene Lidaranwendungen verwendet, und zwar am häufigsten Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung, Raman-Streuung und Fluoreszenz. Basierend auf verschiedenen Arten von Rückstreuungen, kann das Lidar dementsprechend als Rayleigh-Lidar, Mie-Lidar, Raman-Lidar, Na/Fe/K-Fluoreszenz-Lidar und so weiter genannt werden. Geeignete Kombinationen von Wellenlängen können eine ferngesteuerte Kartierung von atmosphärischen Inhalten erlauben, indem wellenlängenabhängige Änderungen der Intensität des zurückgegebenen Signals identifiziert werden.
Windturbinen extrahieren Energie aus dem Wind. Im Bereich dieser Anmeldung versteht man, dass stromabwärts einer Windkraftanlage es eine Nachlaufströmung der Windturbine gibt, wo die Windgeschwindigkeit reduziert ist und/oder wo Turbulenzen im Wind auftreten können. Weil der Strom stromabwärts fließt, gibt es eine Ausbreitung der Nachlaufströmung, so dass sich die Nachlaufströmung zu freien Strombedingungen erholt. Der Nachlaufströmungseffekt ist der vereinigte Einfluss auf die Energieproduktion des Windparks, die sich aus den Veränderungen in der Windgeschwindigkeit ergibt, die durch den gegenseitigen Einfluss der Turbinen aufeinander resultiert. Es ist wichtig, Nachlaufstömungseffekte von benachbarten Windparks und den möglichen Einfluss von Windparks zu betrachten, die in der Zukunft gebaut werden sollen.
Mit anderen Worten, eine Nachlaufströmung ist das Ergebnis der Energiegewinnung einer Windturbine (Energieumwandler), wobei sie dahinter auftritt. Bei einer Nachlaufströmung werden die Geschwindigkeiten reduziert, und die Turbulenzintensität wird erhöht. Wenn man über (empirische) Effekte in einer Nachlaufströmung spricht, kann man das Geschwindigkeitsdefizit, den Nachlaufströmungszerfall, die Nachlaufströmungsumleitung und die Nachlaufströmungsmeandrierung (engl.: wake meandering) beobachten.
Nach Kenntnis des Fachmannes wird das Generatordrehmoment als tabellierte Funktion der gefilterten Generatorgeschwindigkeit mit fünf Reglerbereichen berechnet: 1, 1½, 2, 2½ und 3. Bereich 1 ist ein Reglerbereich vor der Einschaltwindgeschwindigkeit (eng.: cut-in wind speed), an dem das Generatordrehmoment Null ist und keine Energie aus dem Wind extrahiert wird, wobei stattdessen, der Wind nur verwendet wird, um den Rotor für die Inbetriebnahme zu beschleunigen. Bereich 2 ist ein Reglerbereich zur Optimierung der Energieentnahme. Hier ist das Generatordrehmoment proportional zum Quadrat der gefilterten Generatorgeschwindigkeit, um ein konstantes (optimales) Spitzengeschwindigkeitsverhältnis aufrechtzuerhalten. in Bereich 3 wird die Generatorleistung konstant gehalten, so dass das Generatordrehmoment umgekehrt proportional zur gefilterten Generatordrehzahl ist. Bereich 1½ ein Start-Bereich, ist ein linearer Übergang zwischen Bereichen 1 und 2. Dieser Bereich wird verwendet, um eine Untergrenze der Generatordrehzahl zu platzieren, um den operativen Windturbinendrehzahlumfang der Windturbine zu begrenzen. Bereich 2½ ist ein linearer Übergang zwischen Bereichen 2 und 3 mit einer Drehmomentsteigung entsprechend der Steigung einer Induktionsmaschine. Bereich 2½ wird typischerweise benötigt (wie es bei meiner 5-MW-Turbine der Fall ist), um die Spitzengeschwindigkeit (und damit die Geräuschemissionen) bei Nennleistung zu begrenzen.
In Zukunft wird Windenergie in der globalen Energieproduktion eine wichtige Rolle spielen. Allerdings wird die Dichte der installierten Windenergie in naher Zukunft mit zunehmender Platzbegrenzung in stark windigen Gebieten zunehmen. Dies führt nicht nur zu mehr Windparks, sondern auch zu einem dichten Abstand im Windpark. Ein Optimierungsalgorithmus, der die Wechselwirkungen zwischen den Windturbinen beinhaltet, kann helfen, optimale Parklayouts für einen bestimmtes Gebiet zu finden. Neue Regelungskonzepte können dazu beitragen, die Gesamtausgangsleistung von bestehenden und neuen Windparks durch Anpassung der Nachlaufströmung zu erhöhen. Die Windgeschwindigkeit in der Nachlaufströmung einer Windturbine wird in Bezug auf den freien Strom reduziert und erholt sich in Abhängigkeit von atmosphärischen Bedingungen. Darüber hinaus ist die Turbulenz in der Nachlaufströmung erhöht. Wenn eine Windturbine von einer Nachlaufströmung einer Windturbine, die sich windaufwärts befindet, getroffen wird, erzeugt die Windturbine weniger Leistung, wobei diese mit höheren strukturellen Lasten aufgrund der erhöhten Turbulenz konfrontiert ist.
Die Quantifizierung des Nachlaufströmungsdefizits und die erhöhte Turbulenz in einer Nachlaufströmung waren jahrelang von Interesse. Es wurden verschiedene Modelle für die verschiedenen Phänomene entwickelt, und zwar für das Geschwindigkeitsdefizit und für die erhöhte Turbulenzintensität. Sie unterscheiden sich in Komplexität und Rechenaufwand und variieren von reinen empirischen bis hin zu datengetriebenen Modellen, um die physikalischen Phänomene innerhalb der Nachlaufströmung zu modellieren. Oft sind die Modelle stationäre Modelle, was bedeutet, dass sie die Interaktion in einer statischen Weise beschreiben, wobei keine Nachlaufströmung und keine Windausbreitung modelliert werden. Dies ist aufgrund der Tatsache, dass sie vor allem verwendet werden, um die Leistungsabgabe und diese in Bezug auf das Layout und die Ortsbedingungen zu optimieren. In den vergangenen Jahren ist der Bedarf an schnelleren Windparksimulationswerkzeugen, wegen der Adressierung der beschriebenen Probleme in einem Windpark, gewachsen. Simulation der Strömungsphänomene in einem Windpark auf einer höheren Ebene der Wiedergabegenauigkeit basiert auf einer Computational Fluid Dynamics (CFD), wobei am häufigsten Large Eddy Simulations (LES) angewendet werden. In den letzten Jahren haben die Forscher die Fluid-Structure-Interaction (FSI) modelliert, indem sie die strukturelle Flexibilität der Rotorblätter und des Turms eingeschlossen haben. Dieser Ansatz ist rechnerisch sehr teuer, aber gibt die Möglichkeit, die Wirkung von Nachlaufströmungen auf Lasten von stromabwärtsgelegenen Turbinen zu simulieren. Darüber hinaus werden Vortex-Methoden auf der Grundlage der Potentialströmungstheorie (engl.: potential flow theory) mehr und mehr für die Nachlaufströmungs-Modellierung angewendet. Dieser Ansatz hat das Potenzial, den Rechenaufwand erheblich zu reduzieren, während eine ausreichende Auflösung von vorherrschenden Strömungsphänomenen erhalten bleibt.
Eine andere Kategorie von Flussinteraktionsmodellen für Windparksimulationen sind empirische Modelle, die verwendet werden, um die verschiedenen Phänomene, die in einem Park auftreten, und zwar das Umgebungswindfeld und das Nachlaufströmungsmodell, zu beschreiben. In dieser Studie wird das Simulationswerkzeug SimWindFarm verwendet und modifiziert, um auch die Gierumleitung zu beschreiben. Weitere Details zu den enthaltenen Modellen sind beschrieben in Abschnitt II.
In Bezug auf die Windturbinenregelung gelten für die Windparkregelung die gleichen zwei Ziele:

1) Maximierung der Gesamtleistung und
2) Reduzierung der strukturellen Lasten

Diese Ziele wurden in der Forschung mit verschiedenen Ansätzen adressiert:

1) Es wird axiale Induktionswindparkregelung vorgeschlagen und untersucht und
2) Es wurde ein Annäherung eingeführt, um die Nachlaufströmung umzuleiten.

Die axiale Induktionsregelung zielt darauf ab, die axiale Induktion durch die Schaufelneigung oder dem Drehmomentaktuator sowie der Lenkung der Windturbine auf ein geringeres Produktionsniveau zu manipulieren Das ergibt ein schwächeres Nachlaufströmungsdefizit und zielt darauf ab, strukturelle Belastungseffekte bei den stromabwärts liegenden Windturbinen zu minimieren. Die Auswirkungen auf die Gesamtenergieerfassung des Windparks sind noch nicht klar.
Der umleitende Ansatz zielt darauf ab, die Nachlaufströmungsrichtung entweder durch individuelles Neigen (engl: pitching) oder durch Gieren der Windturbine umzuleiten. Daher wird die Nachlaufströmungsinteraktion vermieden und die nachwindseitigen Windturbinen können im optimalen Fall im freien Strömungszustand arbeiten. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass die Nachlaufströmung bis zu 0,54 mal des Rotordurchmessers, durch Gieren bis zu 40°, umgeleitet werden kann. Simulationsergebnisse bei Verwendung dieses Ansatzes zeigen eine Leistungssteigerung und sind daher vielversprechend.
In dieser Arbeit wird ein Regler vorgeschlagen, der den Nachlaufströmungs-Umleitungsansatz unterstützt und zwar durch Lenkung des Nachlaufströmungszentrums mit einem Rückkopplungsregler, bzw. Feedbackregler, auf eine gewünschte Position. Bei bekannten Arbeiten, werden die optimalen Gierwinkel berechnet und zwar unter Verwendung eines reduzierten Nachlaufströmungsmodells mit vereinfachten atmosphärischen Bedingungen und unter Anwendung einer offenen Schleifenstruktur (engl.: Open-Loop framwork). Jedoch können Modellunsicherheiten zu unerwünschtem Verhalten führen. Wenn demzufolge nur die optimierten Gierwinkel angewendet werden, erhält man keine robuste Umsetzung. Dieser Beitrag kann daher als ein Schritt zur Verwirklichung einer geschlossenen Schleifen-Nachlaufströmungsumleitung gesehen werden.
Insbesondere bezieht sich das Problem, welches durch die vorliegende Erfindung adressiert wird auf die Manipulation der Nachlaufströmung einer Windturbine mittels Gierregelung und ein Messmittel, welches die Nachlaufströmung der Turbine misst. Auf dem gegenwärtigen technologischen Stand wird dieses Problem nicht behandelt. Es werden vereinfachte empirische Modelle entwickelt, die eine Umleitung der Nachlaufströmung in Abhängigkeit vom Gierwinkel beschreiben. Diese Winkel werden dann in einer Grenzwertregelung bzw. -steuerung (engl: feed forward control), angewendet. Dies stellt jedoch ein Offenes-Schleifen-System dar, d. h. es gibt keine Rückkopplung über eine Messvorrichtung.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Gesamtenergieausbeute eines Windparks zu erhöhen und die strukturelle Belastung der Turbinen in der Nachlaufströmung zu minimieren. Insbesondere zeigt eine Windturbine eine höhere strukturelle Belastung durch die Interaktion mit der Nachlaufströmung einer anderen Windturbine. Die Erfindung erreicht diese Ziele durch Umlenkung und Manipulation der Nachlaufströmung durch die Messung der Nachlaufströmung und Rückführung der Parameter zu dem Regler. Insbesondere misst eine Messvorrichtung (Lidar-basiert oder ähnlich) an einer Windturbine die Nachlaufströmung der eigenen Turbine und, basierend auf der Grundlage der gesammelten Informationen, ein Regler Regelungsvariablen anpasst, so dass die Nachlaufströmung umgeleitet (manipuliert) wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kontrollsystem für eine Windturbine, umfassend einen Nachlaufströmungsregler zum Manipulieren einer Nachlaufströmung einer Windturbine, wobei der Nachlaufströmungsregler angepasst ist zum

– Erhalten von mindestens einem Nachlaufströmungs-Parameter bei einer oder mehreren vorgegebenen Entfernungen windabwärts der Windturbine,
– Verarbeiten des mindestens einen Nachlaufströmungparameters unter Verwendung mindestens eines entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters;
– Vergleichen des mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameters mit mindestens einem entsprechenden gewünschten Nachlaufströmungsparameter, und
– Regeln, in Abhängigkeit des Vergleichs, eines Gierwinkels der Windturbine, so dass der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter geändert wird.

Der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter kann als Nachlaufströmungs-Vektor bezeichnet werden. Es ist möglich, dass nur ein Nachlaufströmungsparameter bereitgestellt und für diese Anmeldung verwendet wird.
Das Ändern des Gierwinkels der Windturbine kann darin resultieren, dass der Nachlaufströmungsparameter, insbesondere die Position des Nachlaufströmungszentrums, verändert wird. Mit anderen Worten, das Nachlaufströmungszentrum kann abgelenkt werden. Das Regelungssystem erlaubt es also, das Nachlaufströmungszentrum zu lenken.
Gemäß einer Ausführungsform als Regelparameter liefert der Nachlaufströmungs-Regler einen geforderten Gierwinkel zur Ausrichtung der Windturbine.
Nach einer Ausführungsform wird schrittweise nach dem Anwenden des geforderten Gierwinkels, der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter neu gewonnen, verarbeitet und verglichen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter das Nachlaufströmungszentrum, und der mindestens eine gewünschte Nachlaufströmungsparameter ein gewünschtes Nachlaufströmungszentrum umfasst.
Nach einer Ausführungsform der Iteration erhält der Nachlaufströmungsregler genau einen Nachlaufströmungsparameter an genau einer vorbestimmten Position, wobei der Nachlaufströmungsregler den genau einen Nachlaufströmungsparameter unter Verwendung des genau einen entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters verarbeitet, und wobei der Regler den genau einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter mit genau einem gewünschten Nachlaufströmungsparameter vergleicht.
Gemäß einer Ausführungsform zum Regeln des Gierwinkels ist der Nachlaufströmungsparameter verändert, wobei vorzugsweise das Nachlaufströmungszentrum umgeleitet wird. Mit anderen Worten, das Nachlaufströmungszentrum kann als ein bevorzugter Nachlaufströmungsparameter durch Ändern des Gierwinkels geregelt werden. Im Idealfall kann das Nachlaufströmungs-Zentrum umgelenkt werden, damit es in der Nähe ist bzw. damit es zu dem gewünschten Nachlaufströmungszentrum passt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Regelungssystem eine Lidarvorrichtung, die stromabwärts zur Windturbine zugewandt ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Lidarvorrichtung zum Ermitteln des Nachlaufströmungsparameters verwendet, und zwar insbesondere des Nachlaufströmungszentrums bei einer oder mehreren vorgegebenen Positionen stromabwärts der Windturbine.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Lidarvorrichtung zum Erhalten des Nachlaufströmungsparameters bei 3 bis 15, vorzugsweise bei 4 bis 10, besonders bevorzugt bei 4 bis 6 vorbestimmten Positionen stromabwärts der Windturbine verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Lidarvorrichtung zum Erhalten des Nachlaufströmungsparameters bei genau einer Position stromabwärts der Windturbine verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Regelungssystem einen Feedbackregler. Der Feedbackregler kann zur Stabilisierung des Nachlaufströmungszentrums verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Feedbackregelung ein Regler mit geschlossenem Kreislauf.
Gemäß einer Ausführungsform erhält die Rückkopplungsregelung als Eingangsparameter eine Differenz zwischen dem gewünschten Nachlaufströmungsparameter und dem verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter.
Gemäß einer Ausführungsform die Verarbeitung ein Vergleichen, insbesondere Subtrahieren des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters von mindestens einem entsprechend vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters umfasst, der zu dem mindestens einen subtrahierten Nachlaufströmungsparameter führt, und Anwenden einer Filterfunktion auf den mindestens einen subtrahierten Nachlaufströmungs-Parameter, was zu mindestens einem gefilterten Nachlaufströmungsparameter führt.
Gemäß einer Ausführungsform wird der mindestens eine vorhergesagte Nachlaufströmungsparameter erhalten, indem ein physikalisches Modell, unter Berücksichtigung einer zeitlichen Verzögerung zwischen der Position der Windturbine und der/den vorbestimmten Position(en), bei der der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter(s) erhalten ist/erhalten sind, verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitung das Addieren von mindestens einem unmittelbaren vorhergesagten Nachlaufströmungsparameter zu dem mindestens einen gefilterten Nachlaufströmungsparameter, was zu dem mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter führt, wobei der mindestens eine unmittelbar vorhergesagte Nachlaufströmungsparameter unter Verwendung eines physikalischen Modells erhalten wird, das keine Zeitverzögerung, zwischen der Position der Windturbine und den vorbestimmten Position(en), aus der der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter erhalten worden ist/erhalten worden sind, berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Filter ein adaptiver Filter, um unkontrollierbare Frequenzen, aus dem mindestens einen subtrahierten Nachlaufströmungsparameter, zu filtern.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Nachlaufströmungsausbreitung der Windturbine zu dem Messort modelliert.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Windturbine mit einem Regelungssystem gemäß der Erfindung und betrifft einen Energiegenerator/Stromerzeuger und mehrere Rotorblätter.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Windpark mit mehreren Windturbinen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zum Regeln einer Windturbine, das die folgenden Schritte umfasst:

– Erhalten mindestens eines Nachlaufströmungsparameters bei einem oder mehreren vorbestimmten Entfernungen stromabwärts der Windturbine,
– Verarbeiten des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters unter Verwendung mindestens eines entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters;
– Vergleichen des mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameters mit mindestens einem entsprechenden gewünschten Nachlaufströmungsparameter und
– Regeln in Abhängigkeit des Vergleichs eines Gierwinkels der Windturbine, so dass der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter geändert wird.

Gemäß einer Ausführungsform werden die Schritte wiederholt durchgeführt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein geschlossenes Kreislaufsystem, wobei die Nachlaufströmungszentrumsposition y_L aus Lidar-Messdaten geschätzt wird und mit dem gewünschten Nachlaufströmungszentrum y_L,des verglichen wird. Der Regler setzt die Gier-Eingabe γ_dem der Windturbine, um das Nachlaufströmungszentrum zu der geforderten Position zu steuern.
2 zeigt den Nachlaufströmungsregler und seine Pfade: den Regler C, das interne Modell Ψ ~ und den Filter F.
3 zeigt einen Vergleich von zwei Schrittreaktionssimulationen mit dem nominal geschlossenen Kreislauf, wobei es keine Nachlaufströmungsmäandrierung in der ersten Simulation (rot) vorhanden ist und das nominale System durch eine zusätzliche Mäandrierung in der zweiten Simulation (blau) gestört wird.
4 zeigt einen Vergleich zwischen einer Simulation, bei der der Umleitungsregler aus ist (blau) und eine Simulation, bei der die Nachlaufströmung umgeleitet (rot) ist. Das Nachlaufströmungszentrum wird auf den gewünschten Wert (grau) umgeleitet. In dem letzten Graph ist die Leistung der Turbine 2 gezeigt. Die Abnahme der Leistung wird in dem Fall beobachtet, wenn die Nachlaufströmung auf die zweite Turbine trifft.
5 zeigt den Vergleich der Gesamtleistungsausgabe des Windparks von drei Reglerszenarien: die gierige Regelungsstrategie, bei der alle Windturbinen perfekt mit der Windrichtung (hellblau) ausgerichtet sind, bei der der vorgesehene Regler angewendet wird (rot), bei der die Gesamtleistungsleistungsausgabe nicht sinkt, wenn die Nachlaufströmungen die stromabwärtigen Turbinen beeinflussen; und die Gesamtleistung einer Simulation gezeigt ist, in der vorberechnete statischen Gierwinkeln angewendet werden (blau), wobei die Leistung fast die gleiche ist wie die im geregelten Fall.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
I. Ansatz
In dieser Arbeit wird ein geschlossener Kreislaufregler eingeführt, der die Schätzung des Nachlaufströmungs-Zentrums benutzt, um die Nachlaufströmungs-Zentrumsposition zuregeln. Es schlägt einen Feedbackregler vor, um das Nachlaufströmungszentrum an einer gewünschten Position zu stabilisieren und zielt darauf ab Unsicherheiten in dem Nachlaufströmungsmodell zu kompensieren.
Das entfernte Detektionsmessvorrichtungs-Lidar (engl. light detection and ranging) wurde in den vergangenen Jahren in der Windenergie vor allem für die Ressourcenbewertung eingesetzt. In letzter Zeit wurde es erfolgreich für die Bereitstellung von Windgeschwindigkeitsprognosen bei Windturbinenregelungen eingesetzt, z. B. zur Vorsteuerung (engl.: feed forward control). Wenn ein Lidar an eine Windturbine stromabwärtsgerichtet positioniert ist, kann die Vorrichtung für die Verfolgung der Nachlaufströmung und zur Identifizierung von Nachlaufströmungsparametern verwendet werden. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um die Nachlaufströmungseigenschaften zu analysieren, aber auch für Regelungszwecke. In dieser Arbeit wird davon ausgegangen, dass das Nachlaufströmungs-Zentrum perfekt geschätzt werden kann. 1 zeigt den vorgeschlagenen geschlossenen Kreislaufaufbau. Die geschätzte Nachlaufströmungs-Zentrumsposition aus Lidar-Messdaten, y_L, wird in den Regler zurückgeführt. Der Regler setzt die geforderte Gier-Eingabe, γ_dem, um das Nachlaufströmungs-Zentrum zu regeln.
Die Nachlaufströmungs-Ausbreitung von der Windturbine zum Messort wird mit einer Zeitverzögerung modelliert. Der Smith-Vorhersageansatz hat vielversprechende Ergebnisse zur Regelung verzögerter Systeme gezeigt. Die Grundidee einer Smith-Vorhersage beruht auf dem Konzept einer internen Modellregelung. Ein Modell wird verwendet, um das Systemverhalten ohne Verzögerung vorherzusagen. Der Regler erhält eine sofortige Rückmeldung durch das Vorhersagemodell. Zusätzlich wird der reale Messfehler zurückgeführt. Für die Gestaltung eines Nachlaufströmungs-Umleitungsreglers, sind das Nachlaufströmungs-Modell und das Gier-Aktormodell die wichtigsten, siehe 1. Sie sind im System Ψ mit dem geforderten Gierwinkel, γ_dem, als Eingang und das gemessene Nachlaufströmungs-Zentrum, y_L, als Ausgang vereinigt.
II. Modellierung – Simulationsmodell
Es ist wichtig, ein leistungsfähiges Simulationsmodell für die Prüfung von Windparkregelungen zu haben. Es muss zeitliche Wirkungsprobleme erfüllen, sowie genaue Interaktionseffekte der Windturbinen beschreiben.
Hier wird ein Entwicklungsmodell verwendet, das bereits eingeführt worden ist und SimWindFarm (SWF) heißt. Im Folgenden werden Submodule des Simulationsmodells und die notwendigen Anpassungen vorgestellt.
A. Turbinenmodell
Aero-elastische Codes werden häufig verwendet, um Windturbinen für Designbelastungsberechnungen zu simulieren. Bei diesen Simulationscodes wird die Schaufelelementtheorie verwendet, um die aerodynamischen Kräfte zu berechnen, die die Struktur beeinflussen. Weiterhin wird die Struktur mit unterschiedlicher Komplexität modelliert. Bei SWF wird ein reduziertes Windturbinenmodell zur Simulation mehrerer Windturbinen verwendet. Eine Windturbine wird mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) beschrieben (DOF), z. B. die Rotorbewegung, die Vorrückbewegung, der Antriebsstrang, der Generator, das Neigungssystem und der Gierwinkel. Im Folgenden werden die wichtigsten dynamischen Eigenschaften, die Rotorbewegung und die Vorrückbewegung kurz beschrieben. Weiterhin wird der neu hinzugefügte Gierbetätiger vorgestellt.
Die Rotorbewegung Ω kann mit dem Eulerschen Gesetz für die Rotationsbewegung geschrieben werden als
mit M_a und M_g entsprechend als das aerodynamische und Generatordrehmoment, der Trägheit J aller Rotationsteile, ρ der Luftdichte, R dem Rotorradius, c_P dem Leistungskoeffizient, und v₀ der effektiven Rotorwindgeschwindigkeit. Die Vorrückbewegung wird modelliert mit einem Massen-Feder-Dämpfer-System und der aerodynamischen Schubkraft F_a = 1 / 2ρπR²c_Tν 2 / 0 (2) mẍ_T = F_a – k_Tx_T – d_Tẋ_T (3) mit dem Schubkoeffizienten c_T, der wirksamen Turmmasse m, k_T der Federkonstanten und d_T der Dämpfungskonstanten. In den aerodynamischen Koeffizienten c_P und c_T sind die Leistungs-Extraktion und die aerodynamische Interaktion enthalten. Sie hängen von der wirksamen Rotorwindgeschwindigkeit, der Rotorbewegung und dem Neigungswinkel ab.
Der neu eingeführte Gier-DOF wird als Relativversatz zur Windrichtung definiert. Seine Dynamik wird mit einer Differentialgleichung zweiter Ordnung modelliert γ .. + 2Dωγ . + ω²γ = ω²γ_dem (4) mit der ungedämpften Eigenfrequenz ω und der Dämpfung D.
B. Turbinenregler
Die umgesetzten Windturbinen werden klassisch mit einem Neigungsregler und einem Generator-Drehmomentregler geregelt. Es gibt zwei verschiedene Betriebsregionen für den Wind-Turbinenregler: In Bereich 2 ist das primäre Ziel, die maximale Leistung zu produzieren. In Bereich 3 ist das primäre Ziel, die Rotorgeschwindigkeit konstant zu halten, während die konstante elektrische Leistung extrahiert wird. Es werden das kΩ²-Regelungsgesetz für den Drehmomentregler in Bereich 2 und ein Parameterumschaltung-PI-Neigungsregler mit konstanter Leistung in Bereich 3 verwendet.
C. Windfeld
In dem Simulationscode wird das Umgebungswindfeld erzeugt, und zwar mit spektralen Beziehungen zwischen Punkten in dem Windfeld. Es werden sowohl die Längs- als auch die Quer-Windkomponenten modelliert. Das Kaimalspektrum dient zur Berechnung der Turbulenz. Weiterhin wird die Kohärenz zwischen zwei Turbinen nach bekannter Literatur berechnet. Dies ergibt das Kreuzspektrum
mit der Kohärenz C_ik zwischen Turbine i und k, den Auto-Spektren S_ii und S_kk an Turbine i bzw. k und der Zeitverzögerung τ_ik von der Turbine i bis k.
D. Nachlaufströmungs-Modell
Im nächsten Teil sind die Nachlaufströmungsexpansion, das Nachlaufströmungszentrum und das Nachlaufströmungs-Defizit kurz beschrieben.

1) Nachlaufströmungsexpansion: Nach bekannter Literatur ist der Nachlaufströmungsexpansionsdurchmesser bei dem Abstand d stromabwärts gegeben durch
mit dem Parameter a = 0,5 und k = 2 und der Funktion
wobei D der Rotordurchmesser und c_T der aerodynamische Schubkoeffizient ist.
2) Nachlaufströmungszentrum: Das Nachlaufströmungszentrum, wird als bevorzugter Nachlaufströmungsparameter, wird durch einen passiven Tracer beschrieben und zwar mit der Zeitverschiebung gemäß der Durchschnittswindgeschwindigkeit, u_mean. Dies bedeutet, dass eine Änderung der Nachlaufströmungseigenschaften zum Zeitpunkt t₁ eine stromabwärts liegende Windturbine beeinflusst und zwar bei einem Abstand d zur Zeit
Weiterhin mäandriert das Nachlaufströmungs-Zentrum mit der mittleren seitlichen Windgeschwindigkeit im Abstand d.

Dies ergibt das Nachlaufströmungs-Zentrum y_meander (d).

3) Nachlaufströmungs-Defizit: Das Geschwindigkeitsdefizit, das durch eine Windturbine verursacht wird, ist eines der hauptinteraktiven Effekte zwischen Windturbinen. Nach bekannter Literatur ist die Geschwindigkeit in der Nachlaufströmung bei dem stromabwärts liegenden Abstand d gegeben durch
mit der Umgebungswindgeschwindigkeit U₀ und dem Schubkoeffizienten c_T. Um die Nachlaufströmung von mehreren Windturbinen zu kombinieren, werden sie mit der folgenden Regel zusammengeführt:
das Nachlaufströmungsdefizit bei Turbine n + 1 ist. Die Indexe bezeichnen die Eigenschaften der verschiedenen Turbinen und deren Nachlaufströmung. Um eine realistischere Annäherung in Bezug auf die Form einer Nachlaufströmung und Teil-Nachlaufströmungssituation zu erhalten, wird das Nachlaufströmungszentrum weiter berücksichtigt, um das Nachlaufströmungsdefizit zu skalieren. Deswegen wird das gausssche Form-Nachlaufströmungdefizit angenommen, und basierend auf der Nachlaufströmungszentrumsposition, und das Nachlaufströmungsdefizit bewegt.
4) Nachlaufströmungsablenkung: Um eine durch eine Gierungs-Fehlausrichtung γ verursachte Nachlaufströmungs-Ablenkung zu beschreiben, wird dieses Phänomen zusätzlich modelliert. Die Beziehung wird aus bekannter Literatur abgeleitet und wurde in einer Optimierung der Gierwinkel bei einem Windpark erfolgreich verwendet.

Die gierverursachte Auslenkung in der Abwärtswindposition d ist gemäß bekannter Literatur
mit dem Anfangswinkel der Nachlaufströmung am Rotor ξ_init(c_T, γ) = 1 / 2cos²(γ)sin(γ)c_T (12) und dem Modellparameter k_d, der die Empfindlichkeit der Nachlaufströmungsablenkung definiert um zu gieren. Das Nachlaufströmungsmodell (11) zeigt das folgende Verhalten für die Grenzen der stromabwärts liegende Distanz d d = 0 ⇒ δ_yaw(d, c_T, γ) = 0 (13)
Weiterhin wird eine durch Rotation erzeugte Nachlaufströmungsauslenkung gemäß bekannter Literatur modelliert. Bei der stromabwärts liegenden Position d ist veranlasste Auslenkung δ_rot(d) = a_d+ b_dd (15) mit den empirischen Koeffizienten a_d und b_d. Daher resultiert in der stromabwärts liegenden Position d die relative Nachlaufströmungszentrumsposition zu y_wake(d) = y_meander(d) + δ_rot(d) + δ_vaw(d, c_T, γ) (16)
E. Lidar-Nachlaufströmungs-Verfolgung (engl.: Tracking)
Eine Lidar-Nachlaufströmungs-Verfolgungsmethode wurde bereits eingeführt. Hier wird angenommen, dass eine perfekte Nachlaufströmungszentrumsschätzung auf den Regler fokussiert und die Fähigkeit der Regleranäherung geschätzt. Daher wird davon ausgegangen, dass die geschätzte Nachlaufströmungszentrumsposition y_L bei der stromabwärts liegenden Distanz d_Lidar, die genaue Nachlaufströmungszentrumsposition ist, y_L = y_wake(d_Lidar) (17)
III. Modellierung – internes Modell
Der Gieraktuator, das Nachlaufströmungsablenkmodell und die Nachlaufströmungs-Verbreitung werden für das interne Reglerdesignmodell berücksichtigt. Im Folgenden sind sie beschrieben, wobei die Vereinfachungen hervorgehoben sind:
Der in (4) beschriebene Gieraktuator wird im internen Modell ohne irgendwelche Änderungen verwendet. Das interne Modell ist ein Beispiel für ein physikalisches Modell für die Bereitstellung des vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters.
Im Nachlaufströmungs-Ablenkmodell (12) erfolgt eine Vereinfachung. Hier wird eine Konstante c_T = c_T,const angenommen. Das ist begründet, da wir uns auf die unten bewerteten Windgeschwindigkeitssituationen konzentrieren, bei denen c_T fast konstant ist. Weiterhin wird nur (11) verwendet, wobei der Rotationsversatz (15) vernachlässigt wird.
Unter der Annahme einer perfekten Nachlaufströmungszentrumsschätzung, wird das Nachlaufströmungszentrum y_L, geschätzt und zwar bei der stromabwärts liegenden Distanz d_Lidar. Aufgrund der Nachlaufströmungs-Ausbreitung wird die Zeitverzögerung τ eingeführt, wobei die Reaktion des Nachlaufströmungs-Zentrums mit dieser Verzögerung gemessen wird.
Insgesamt ergibt sich ein Regler-Design-Modell Ψ ~ des Systems Ψ:
Zusammenfassend besteht das interne Modell aus dem Gieraktuatormodell, der Annäherung der Nachlaufströmungsablenkung und einer Zeitverzögerung. Es wird ein konstanter Schubkoeffizient c_T angenommen, wobei die Nachlaufströmungs-Ablenkung aufgrund der Rotation vernachlässigt wird, und wobei es kein Modell der Nachlaufströmungsmäandrierung gibt.
IV. Reglerdesign
Das Hauptziel des Nachlaufströmungsreglers ist es, das Nachlaufströmungszentrum auf einen gewünschten Punkt zu lenken, indem man die Nachlaufströmung in einer Weise ablenkt, dass das Nachlaufströmungszentrum an der gewünschten Position ist. In Abschnitt III wurde ein reduziertes Modell für den Regler abgeleitet. Im Folgenden, wird die vorgeschlagene Reglerstrategie dem gegebenen Problem angepasst. 2 beschreibt das vorgeschlagene Regler-Konzept und seine verschiedenen Teile.
Der Regler C verwendet den geforderten Gier-Eingang, um das gemessene Nachlaufströmungszentrum y_L (was ein Beispiel für einen bevorzugten Nachlaufströmungs-Parameter ist) zu regeln. Das interne Modell Ψ ~ wird verwendet, um die Ablenkung des Nachlaufströmungs-Zentrums vorherzusagen. Das gemessene Nachlaufströmungs-Zentrum y_L wurde mit dem vorhergesagten y ~_L (welches ein Beispiel für einen vorhergesagten Nachlaufströmungs-Parameter ist) verglichen und mit dem Filter F gefiltert, um Frequenzen zu entfernen, die nicht regelbar sind. Das gefilterte Signal wird dem Regler sowie dem unmittelbar vorhergesagten Nachlaufströmungs-Zentrum y ~ zugeführt (was ein Beispiel für den sofort vorhergesagten Nachlaufströmungsparameter ist).
A. Regler
Der Regler C (was ein beispielhaftes Element des Regelungssystems ist) besteht aus einem Proportional-Integral-(PI)-Regler und ist so ausgelegt, dass er der gewünschten geschlossenen-Kreislaufperformance entspricht und zwar mit der Dynamik von (18). Eine Phasenspanne von 60° und eine geschlossene-Kreislaufbandbreite von ω_CL = l / τ werden gesetzt. Dies ergibt einen Regler der s Form
mit der Proportionalverstärkung K_p und der Zeitkonstanten T_i.
Bemerkung: Es ist wichtig anzumerken, dass der entworfene Regler nur in der Lage ist, bei Störungen bei Frequenzen, die niedriger als die Totzeit sind, auf die Verzögerung des Systems zu handeln. Dies bedeutet, dass Nachlaufströmungsmäandrierungseffekte bei hohen Frequenzen nicht mit diesem Ansatz unterdrückt werden können, wobei aber die statische Position geregelt wird. Aus diesem Grund ist ein adaptiver Tiefpassfilter auf der Grundlage der Verzögerung t designt, der sich mit Bezug auf die Windgeschwindigkeit ändert.
B. Adaptiver Filter
Der Filter wird in Abhängigkeit von der zeitlichen Verzögerung τ eingestellt, die von der mittleren Windgeschwindigkeit u_mean abhängt. Er dämpft alle Frequenzen, die nicht geregelt werden können. Deshalb, wird die Grenz-Frequenz auf ω_filter = π / 8τ gesetzt, und ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung entworfen ist.
V. Ergebnisse
A. Ergebnisse unter Verwendung des Regler Design Modells
Im Folgenden wird das geschlossene-Kreislauf-Verhalten analysiert, wobei zweistufige Antwort-Simulationsergebnisse präsentiert werden. Eine mittlere Windgeschwindigkeit von 8 m/s und ein Lidar-Messabstand von 1D, mit D = 126 m, wird angenommen. Daher resultiert die Totzeit in τ = 15,75 s. Der Regler und der Filter sind wie oben beschrieben aufgebaut. Für die erste Simulation wird keine Nachlaufströmungsmäandrierung angenommen. So gibt es keine Störung, die auf den Ausgang y_L wirkt. Für die zweite Simulation wird eine Nachlaufströmungsmäandrierung zwischen ±5 m verwendet, um das Nachlaufströmungs-Zentrum zu stören. Die Ergebnisse in 3 zeigen, dass der Regleraufbau in der Lage ist, das Nachlaufströmungszentrum zu der gewünschten Position zu steuern, obwohl das Nachlaufströmungszentrum mäandriert.
B. Ergebnisse unter Verwendung des Simulationsmodell
Um die Fähigkeit zur Leistungssteigerung zu bewerten, wird ein 2 × 3 Windpark-Layout mit 6 NREL 5MW Turbinen simuliert. Der abwindige Abstand ist 5D und der seitliche Abstand 3D. Es wird ein turbulentes Windfeld von 1000 s mit einer Durchschnittswindgeschwindigkeit von u_mean = 8 m/s und einer wirksamen Rotorturbulenzintensität von 1% verwendet. Die gewünschten Nachlaufströmungspositionen werden angenähert unter Verwendung der Ergebnisse von [8].
Es wird zuerst in 4 die Funktionalität des Reglers in der Simulationsumgebung verifiziert, und zwar durch die Analyse des Nachlaufströmungszentrums y_L und des gefilterten Nachlaufströmungs-Zentrums y_L,filtered (was ein Beispiel eines gefilterten Nachlaufströmungsparameters ist), wobei das gefilterte Nachlaufströmungs-Zentrum erhalten wird und zwar durch Anwenden eines Filters (Funktion) auf (y_L – y ~_L) und durch Anwenden des Gierwinkels γ und der Leistungsabgabe der ersten stromabwärts liegenden Turbine (Turbine 2). Das Nachlaufströmungs-Zentrum wird in die gewünschte Position gelenkt. Bei der Leistungsabgabe der Turbine 2 zum Zeitpunkt τ ~ 180 s, ist die Nachlaufströmung der ersten Turbine über das gesamte Windgebiet entwickelt, wobei die Berechnungen begonnen werden. So sehen wir, dass für die ungeregelte Simulation (blau) die Leistung sinkt. Für die geregelte Simulation wird die Leistung fast konstant gehalten.
Zweitens werden drei Simulationen durchgeführt, um den geschlossenen Kreislaufansatz zu bewerten: 1) eine Simulation ohne Windpark-Regelungsstrategie, 2) eine Simulation, wo die statischen Gier-Winkel im offenen Kreislauf angewendet werden, und 3) eine Simulation, wo die Nachlaufströmungen in dem vorgeschlagenen geschlossenen Kreislauf geregelt werden. Die Gesamtleistung des Windparks für die drei Simulations-Fälle ist in 5 gezeigt. Die Gesamtleistung des durch geschlossenen Kreislauf geregelten Windes erhöht sich um ca. 4: 5%. Im Vergleich zum Offenen-Kreislaufansatz ist die Gesamtleistungsausgabe fast gleich. Allerdings hat er die Vorteile eines geschlossenen Kreislaufreglers umgesetzt, wie beispielsweise Kompensieren von Unsicherheiten im Nachlaufströmungs-Modell.
VI. Schlussfolgerung
In diesem Beitrag wird ein Feedbackregler zur Regelung des Nachlaufströmungszentrums einer Windturbine vorgestellt, und zwar unter Annahme einer perfekten Schätzung des Nachlaufströmungszentrums. Erstens wird das Simulationsmodell beschrieben. Dann wird ein reduziertes Reglerentwurfsmodell abgeleitet, das im Regler verwendet wird, um das Nachlaufströmungs-Verhalten vorherzusagen. Das ist notwendig, weil die Nachlaufströmungsausbreitung zu der Messposition des Lidars zu einer zeitlichen Verzögerung einführt. Ein adaptiver Filter ist entworfen, um die unkontrollierbaren Frequenzen in den Nachlaufströmungszentrumsdynamiken zu entfernen. Das ist notwendig, weil die Nachlaufströmungsmäandrierung die Nachlaufströmungszentrumsposition stört, wobei die Zeitverzögerung es unmöglich macht, die Mäandrierung zu regeln. Das Konzept wird im Windpark-Simulationswerkzeug SimWindFarm getestet, wobei Test-Simulationen mit 6 Windturbinen in einem 2 × 3 Windparklayout durchgeführt werden. Insgesamt zeigt der Ansatz vielversprechende Ergebnisse in der Simulation durch die Erhöhung der Gesamtleistung des Windparks. Zusammen mit Nachlaufströmungs-Tracking-Methoden kann der Ansatz als ein Schritt zur geschlossenen Kreislauf-Windparkregelung angesehen werden. In Zukunft sollte der Regler in Simulationsmodellen mit höherer Genauigkeit getestet werden. Weiterhin wird ein Feldtest einer Nachlaufströmungsumleitung verfolgt.

Claims

Regelungssystem für eine Windturbine umfassend einen Nachlaufströmungsregler zum Manipulieren einer Nachlaufströmung einer Windturbine, wobei der Nachlaufströmungsregler angepasst ist zum – Erhalten eines Nachlaufströmungsparameters bei einer oder mehreren vorgegebenen Entfernungen stromabwärts der Windturbine, – Verarbeiten des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters unter Verwendung mindestens eines entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters; – Vergleichen des mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameters mit mindestens einem entsprechenden gewünschten Nachlaufströmungsparameter und – Regeln, in Abhängigkeit des Vergleichs, eines Gierwinkels der Windturbine, so dass der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter geändert wird.
Regelungssystem nach Anspruch 1, wobei als Regelungsparameter der Nachlaufströmungsregler einen geforderten Gierwinkel für die Ausrichtung der Windturbine liefert.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei iterativ, nach dem Anwenden des geforderten Gierwinkels, der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter neu gewonnen, verarbeitet und verglichen wird.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter das Nachlaufströmungszentrum umfasst, und der mindestens eine gewünschte Nachlaufströmungsparameter ein gewünschtes Nachlaufströmungszentrum umfasst.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei pro Iteration der Nachlaufströmungsregler genau einen Nachlaufströmungsparameter erhält, und zwar bei genau einer vorbestimmten Position, und wobei der Nachlaufströmungsregler den genau einen Nachlaufströmungsparameter unter Verwendung genau eines entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters verarbeitet, und wobei der Regler den genau einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter mit genau einem gewünschten Nachlaufströmungsparameter vergleicht.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Regeln des Gierwinkels der Nachlaufströmungsparameter geändert wird, vorzugsweise das Nachlaufströmungszentrum umgeleitet wird.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Regelungssystem eine Lidarvorrichtung umfasst, die stromabwärts der Windturbine zeigt.
Regelungssystem nach Anspruch 7, dass die Lidarvorrichtung verwendet wird, um den Nachlaufströmungsparameter, insbesondere das Nachlaufströmungszentrum bei einer oder mehreren vorbestimmten Positionen stromabwärts der Windturbine zu erhalten.
Regelungssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Lidarvorrichtung verwendet wird, um den Nachlaufströmungsparameter bei 3 bis 15, vorzugsweise bei 4 bis 10, weiter bevorzugt bei 4 bis 6 vorbestimmten Positionen stromabwärts der Windturbine zu erhalten.
Regelungssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Lidarvorrichtung verwendet wird, um den Nachlaufströmungsparameter bei genau 1 Position stromabwärts der Windturbine zu erhalten.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Regelungssystem einen Feedbackregler umfasst.
Regelungssystem nach Anspruch 11, wobei der Feedbackregler ein geschlossener Kreislaufregler ist.
Regelungssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Feedbackregler als Eingabeparameter eine Differenz zwischen dem gewünschten Nachlaufströmungsparameter und dem verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter erhält.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitung Vergleichen, insbesondere Subtrahieren des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters von mindestens einem entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameter umfasst, was zu mindestens einem subtrahierten Nachlaufströmungsparameter führt, und Anwenden einer Filter-Funktion auf den mindestens einen subtrahierten Nachlaufströmungsparameter, was zu mindestens einem gefilterten Nachlaufströmungsparameter führt.
Regelungssystem nach Anspruch 14, wobei der mindestens eine vorhergesagte Nachlaufströmungsparameter unter Verwendung eines physikalischen Modells erhalten wird, und zwar unter Berücksichtigung einer Zeitverzögerung zwischen der Position der Windturbine und der vorgegebenen Position/den vorgegebenen Positionen, bei der der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter erreicht wird/erreicht werden.
Regelungssystem nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Verarbeitung ein Hinzufügen mindestens eines unmittelbar vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters zu dem mindestens einen gefilterten Nachlaufströmungsparameter umfasst, was zu dem mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameter führt, wobei der mindestens eine unmittelbar vorhergesagte Nachlaufströmungsparameter unter Verwendung eines physikalischen Modells ohne Berücksichtigung einer zeitlichen Verzögerung zwischen der Position der Windturbine und der/den vorgegebenen Position(en), bei der der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter erhalten ist/erhalten werden, erhalten wird.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Filter ein adaptiver Filter ist, um unkontrollierbare Frequenzen aus mindestens einem subtrahierten Nachlaufströmungsparameter zu filtern.
Regelungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nachlaufströmungsausbreitung von der Windturbine zum Messort modelliert ist.
Windturbine mit einem Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Stromerzeuger und mehrere Rotorblätter.
Windpark mit mehreren Windturbinen nach Anspruch 19.
Regelungsverfahren zum Regeln einer Windturbine mit folgenden Schritten: – Erhalten mindestens eines Nachlaufströmungsparameters bei einem oder mehreren vorbestimmten Entfernungen stromabwärts der Windturbine, – Verarbeiten des mindestens einen Nachlaufströmungsparameters unter Verwendung von mindestens einem entsprechenden vorhergesagten Nachlaufströmungsparameters; – Vergleichen des mindestens einen verarbeiteten Nachlaufströmungsparameters mit mindestens einen entsprechenden gewünschten Nachlaufströmungsparameter und – Regeln, in Abhängigkeit des Vergleichs, eines Gierwinkels der Windturbine, so dass der mindestens eine Nachlaufströmungsparameter geändert wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 21, wobei die Schritte wiederholt durchgeführt werden.