Multi-Objective Control Strategies and Prognostic-Based Lifetime Extension of Utility-Scale Wind Turbines

Windenergie wird zunehmend als erneuerbare Energiequellen attraktiv, da Wind nachhaltig genutzt werden kann. In vielen Ländern gibt es umfangreiche Anstrengungen, die Produktion von elektrischer Energie aus Wind zu steigern. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Gezeiten, Wasserkraft o.ä. ist die Energiegewinnung aus Wind technologisch ausgereifter. Daher ist die Energiegewinnung aus Wind stärker gewachsen ist als andere Technologien. Windkraft verursacht weniger nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt als konventionelle Energiequellen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten sind trotz einer weltweit starken Verbreitung von Windenergieanlagen die Produktionskosten von Windenergie im Vergleich mit anderen alternativen Energiequellen hoch. Um die wachsende Nachfrage nachWindkraft zu befriedigen, werdenWindkraftanlagen in Größe und Leistung zunehmend skaliert. Bei zunehmender Größe dominieren die strukturellen Lasten der Turbine. Dies führt vermehrt zu Materialermüdung und Ausfällen. Ein weiterer Schwerpunkt in der Entwicklung von Windtechologie ist die Forderung nach Senkung der Produktionskosten, um einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen alternativen Energiequellen zu schaffen. Im Bereich der Steuerung können niedrigere Produktionskosten durch den Betrieb der Windturbine am/oder in der Nähe der optimalen Energieeffizienz im Teillastbetrieb erreicht werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit durch Verringerung des Verschleißes und die erzeugte Nennleistung auf ihrem Nennwert im hohen Windregime. Häufig ist es schwierig, einen Steueralgorithmus zu realisieren, der sowohl Effizienz als auch Zuverlässigkeit gewährleistet, da diese beiden Ziele widersprechen. In dieser Arbeit werden Mehrzielsteuerungsstrategien sowohl für den Teillastbereich als auch für hohe Windgeschwindigkeits bereiche vorgestellt. Im Bereich geringer Windgeschwindigkeiten ist eine Steuerungsstrategie so zu konzipieren, dass die Stromerzeugung sowie die strukturelle Belastung im Sinne einer Balance zwischen maximalen Stromproduktion und verlängerter Lebensdauer der Windturbine optimal ist. Für den Bereich hoher Windgeschwindigkeiten wird ein multivariates Steuerungsverfahren vorgeschlagen, um das Verhältnis von Leistung/Geschwindigkeit und struktureller Lastreduzierung zu optimieren. Es wird ein Regler zur Einzelblattverstellung entworfen, um sowohl die unausgewogene Strukturlasten als auch durch die Variation des Windgeschwindigkeit verursachte Rotorscheibe, vertikale Windscherung und Gierversatz fehler zu reduzieren. Um die Zuverlässigkeit derWindturbine zu gewährleisten, ist ein Online-Schadensbewertungsmodell in den Hauptwindturbinenregelkreis integriert, so dass die Windturbine entsprechend ihres aktuellen Verschleißzustandes betrieben wird. In Abhängigkeit von der akkumulierten Schadenshöhe werden Regler zur Einzelblattverstellung mit unterschiedlichen Lastreduktionen und Kompromissen bei der Stromerzeugung eingesetzt, um zwischen den beiden Zielen verlängerte Lebensdauer und Leistungsregelung einen geeigneten Kompromiss zu erzielten. Aufgrund der Herausforderungen die mit Offshore-Windpark Standorten verbunden sind, ist diese Art von prognose-basierter Regelung im Windturbinenbetrieb vor allem im Offshore-Einsatz vorteilhaft. Insbesondere im Kontext output-basierter Vertragsformen z.B. power purchase agreement (PPA) kann dieser Ansatz zur Optimierung der Wartungsplanung genutzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Strategien die Auflast auf Windturbinen reduzieren kann ohne sich auf andere Ziele wie die Leistungsoptimierung und Leistung/Drehzahlregelung auszuwirken. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass eine prognostisch basierte Steuerung effektiv die Lebensdauer von Windenergieanalagen verlängern kann, ohne das Ziel der Leistungsregelung einzuschränken.Wind energy is one of the rapidly growing renewable sources of energy due to the fact that wind is abundantly available and unlikely to be exhausted like fossil fuel. Additionally, there are deliberate effort to sensitize many countries to develop polices that support production of electrical power from wind. Maturity of wind energy technology has made power production from wind grow significantly compared to other renewable energy sources such as solar, tidal, hydro among others. Like many other renewable energy sources, production of power from wind has less adverse effects on the environment. Despite the growth of global cumulative installed wind capacity, its cost of production is still higher compared to other alternative energy sources due to high initial investment cost and high operation and maintenance (O&M) costs. To meet the growing demand of wind power, wind turbines are being scaled up both in size and power rating. However, as the size increases, the structural loads of the turbine become more dominant, causing increased fatigue stress on the turbine components and consequent loss of functionality before the end of lifetime. Another area of focus in wind power production is lowering its production cost; hence, making it more competitive compared to other alternative power sources. From the control point of view, low production cost of wind energy can be achieved by operating wind turbine at/or near the optimum power efficiency during partial load regime, regulating generated power to its rated value in the high wind regime as well as mitigating structural loads so as to guarantee extended lifetime. Often, it is difficult to realize a control algorithm that can effectively guarantee both efficiency and reliability because these two aspects involve conflicting objective. Therefore, it is important to optimize the trade-off between these competing control objectives. In this thesis, multi-objective control strategies for both the partial load region and high wind speed region are presented. During low wind speed, a control strategy that optimizes power production as well as mitigating structural load is designed to balance between power production maximization and extended lifetime of wind turbine. On the other hand, a multivariate control method to balance between power/speed regulation and structural load reduction is proposed for high wind speed region. More specifically, an individual blade pitch controller is designed to eliminate the unbalanced deterministic structural loads across rotor disc caused by variation in wind speed, vertical wind shear, and yaw misalignment error. To guarantee reliability in wind turbine, an online damage evaluation model is also integrated into the main wind turbine control loop such that wind turbine is operated accordance to its structural health status in order to tolerate fault or to extend its service lifetime by a given period of time. Depending on the accumulated damage level, individual pitch controllers with different degrees of load reduction and power production compromise are employed to balance between extended lifetime and power regulation objective. This kind of prognostic-based control is useful in wind turbine operation, especially in offshore application due to challenges associated with offshore wind farm sites. Additionally, in wind farms that are managed through output-based contracts such as power purchase agreement (PPA), this approach can be utilized to optimize maintenance scheduling to avoid unscheduled downtime. The results demonstrated that the proposed multi-objective control strategies can reduce structural load on wind turbine without adversely affecting other objectives of power optimization and power/speed regulation. It has also be shown that a prognostic-based control can be effectively used to extend the lifetime of wind turbine without sacrificing the objective of power regulation