Verbesserung der Stabilitätskontrolle von Windkraftanlagen
Im Rahmen des STABCON-Projekts wurden verlässliche Entwicklungswerkzeuge zur Analyse und Optimierung der aeroelastischen Stabilität sowie der aktiven Kontrolle von großen Windkraftanlagen erarbeitet. Während des Projekts ist es gelungen, eine Reihe von Unsicherheiten zu eliminieren, die aus der Bauweise von Windkraftanlagen heraus resultieren. Hierdurch konnten die Zuverlässigkeit, die Beständigkeit und die Wettbewerbsfähigkeit der Windkraft gesteigert werden. Es wird davon ausgegangen, dass eine Reduzierung der Kosten der Windenergie und eine Verbesserung der Sicherheit durch eine aktive Stabilitätskontrolle zu einer größeren gesellschaftlichen Akzeptanz der Windkraft führen. Die Wissenschaftler des STABCON-Projekts haben das Berechnungspaket zur Stabilitätsanalyse von Windkraftanlagen namens ARLIS (Aeroelastic Analysis of Rotating Linear Systems) angepasst und verbessert. Dieses Programmpaket wurde ursprünglich für die lineare dynamische und aeroelastische Analyse von Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse entwickelt. Es basiert auf der Floquet-Theorie und kann zur Analyse von Windkraftanlagen mit einem, zwei oder mehreren Rotorblättern herangezogen werden. Eine Einschränkung ist allerdings, dass bei dem Programmpaket ARLIS eine konstante Umdrehungszahl des Rotors der Windkraftanlage vorgegeben werden muss. Um eine dynamische Analyse des gekoppelten Rotor-Turm-Systems durchführen zu können, wurden die einzelnen Systeme durch Finite-Elemente-Modelle beschrieben. Eine Annahme, die gemacht wurde, war, dass die Verschiebungen hinreichend klein sind, sodass lineare Bewegungsgleichungen verwendet werden konnten. Große stationäre Verschiebungen wurden durch eine Analyse der deformierten Struktur um den Gleichgewichtszustand herum untersucht. Der Turm und der Rotor wurden an einem Knoten bzw. an einem Kopplungspunkt miteinander verbunden. In einem simplen FE-Modell des Antriebsstrangs mit Getriebe und schnell drehendem Generator wurden Massen-, Steifigkeits- und Dämpfungsparameter berücksichtigt. Hierdurch war es den Wissenschaftlern möglich, synchrone und asynchrone Generatoren zu untersuchen. Die stationäre und instationäre Antwort des gekoppelten Systems wurden unter Berücksichtigung der Lastbedingungen, die aus der Eigenmasse, dem Scherwind und auftretenden Böen resultieren, berechnet. Die Ergebnisse wurden in ein Finite-Elemente-System integriert, mit dem dann die Verschiebungen, Spannungen und Kräfte an den Knoten berechnet wurden.
