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Das Referat zum Thema der Masterarbeit

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Zurzeit wird das erhöhte Interesse zur Nutzung nicht traditioneller Quellen von Energie in der ganzen Welt beobachtet. Es ist vor allem mit der Erschöpfung der fossilen Naturschätze, sowie mit der wachsenden Notwendigkeit des Umweltschutzes verbunden.

Eine der alternativen Quellen der Energie ist Windkraftenergie, die sich im rasanten Tempo in der ganzen Welt entwickelt.

Der Hauptunterschied des Windkraftwerkes von den traditionellen Arten der Kraftwerke ist sowohl die volle Abwesenheit von Brennstoffverbrauch, als auch die Abwesenheit von Abfällen.

Windkraftenergie ist ein Zweig der Energetik. Sie ist auf die Umgestaltung der Schwungenergie der Luftmassen in der Atmosphäre in elektrische, mechanische, thermische oder in jede Form der Energie spezialisiert, deren Nutzung in der Volkswirtschaft praktisch ist. Solche Umgestaltung kann man mit der Hilfe von Windkraftanlagen (WKA) verwirklichen.

Eine moderne WKA ist ein Hochtechnologieerzeugnis mit der einzelnen Leistung von 5 bis 4 500 Kilowatt.

Die Entwicklung von Projekten, die mit den erneuerbaren Quellen der Elektroenergie verbunden sind, wie zum Beispiel Windenergie, ist zurzeit sehr aktuell und hat deshalb große Perspektiven.

1. Aktualität des Themas

Moderne Windenergie hat eine Reihe von Problemen, welche die Erhöhung der Effektivität des Enrgiesparens negativ beeinflussen. Aktuell gehören dazu unter anderem:

Mit einem höheren Anteil der erneuerbaren Energiequellen steigt auch die Qualität der Energie, die an das Netz geliefert wird.

Windkraftenergie ist eine nicht regelbare Quelle der Energie. Die Leistung der Energie hängt von der Kraft des Windes ab, ein Faktors, der sich durch große Unbeständigkeit auszeichnet. Dementsprechend, ist die Ausgabe der Elektroenergie aus der WKA ins Energiesystem unterschiedlich und ungleichmäßig.

Dieses Problem ist für die Windgeneratoren besonders aktuell, da die Geschwindigkeit des Windstroms eine sehr instabile Größe ist. So ist ohne qualitative Regulierung auch die Leistung der WKA schwankend. In Anbetracht der variablen Windstärke und der großen Masse der Windräder, ist die genaue Synchronisation der WKA mit dem Netz eine schwierige und wichtige Aufgabe.

2. Ziel und die Aufgaben der Masterarbeit

Vom Steuersystem wird die Ausführung verschiedener Prozesse gefordert. Diese reichen von der ununterbrochenen Verwaltung mit schnellen Reaktionen bis zu den diskreten Notschutzhandlungen und den streng konsequenten Operationen.

Da verschiedene verwaltende Funktionen in verschiedenen Stufen die Sicherung und die Zuverlässigkeit der Arbeit der WKA beeinflussen, kann das System nicht in jeder Beziehung optimal sein.

Theoretisch zeichnen sich die Projektlösungen dadurch aus, dass sie Probleme bei den vorhandenen Projekten in der Regel lösen. Aber die Wissenschaft und die Technik entwickeln sich ständig. Es entstehen neue, vollkommenere Algorithmen der Verwaltung und Hardwarelösungen.

Durch die stark variierende Geschwindigkeit des Windes, sowie durch die Unvollkommenheit des Regulierungssystems der WKA, muss man oft mit einer Verringerung des Wirkungsgrades (WG) arbeiten. Die ins Netz abgegebene Energie schwankt deshalb.

Die Senkung des WG trägt zur unvollständigen Ausnutzung der Windenergie bei. Die heftigen Veränderungen der Leistung der WKA verschlechtern die Qualität des Netzes und können zu starken Energieschwankungen bei den Konsumenten führen.

Das Regulierungssystem soll die Arbeit der WKA nach den folgenden Kriterien optimieren:

Im Bild 2.1 wird die Struktur der WKA vorgestellt, bei der die Erreichung des maximalen WG und der Stabilisierung der Ausgangsleistung der WKA verwirklicht ist.

Bild 2.1 – Das Blockschema der WKA

Der Kraftteil der WKA ist der asynchrone Generator mit kurzgeschlossenem Rotor der durch einen Frequenzumwandler mit dem Netz verbunden ist. Der Frequenzumwandler besteht aus dem Thyristor Netzwechselrichter, der die Rückführung der Energie ins Netz gewährleistet, und dem Transistorwechselrichter, der die Drehfrequenz des Generators vorgibt. Beide Wechselrichter sind untereinander in einem Spannungskreislauf verbunden. Der asynchrone kurzgeschlossene Generator wird aufgrund des sehr geringen Wartungsaufwandes verwendet, da in diesem Generator die Bürstenkontakte nicht benötigt werden.

Für die Windräder wurden drei Rotorblätter mit einer horizontalen Rotorachse und der Möglichkeit der Wendung in die Windrichtung gewählt. Aus der Formel der Leistung, die der Wind dem Windrad übergibt, entstehen die Möglichkeiten, des Einflusses auf dem Nutzeffekt der WKA.

 Wo ρ–Luftdichte;

 F–die Fläche des Rads;

 Vω–Windgeschwindigkeit;

 сpω–Leistungskoeffizient des Windrads, der von der Schnelllaufzahl und dem Winkel zwischen der Drehachse der WKA und der Ausrichtung der Rotorblätter abhängt.

Die Schnelllaufzahl ergibt sich aus dem Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und der Windgeschwindigkeit, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors wie die Winkelgeschwindigkeit der Drehung ω auf den Radius des Windrads R bestimmt sein kann.

Die Abhängigkeit des Leistungskoeffizienten сpω von der Schnelllaufzahl λ bei fixiertem Grad δ für ein bestimmtes Profil des Rotorblattes, wird im Bild 2.2 dargestellt. Das Bild zeigt, dass eine Schnelllaufzahl von Windrädern λ existiert, bei welcher der Leistungskoeffizient am höchsten ist. Diese Schnelllaufzahl ist zur Unterstützung des maximalen Leistungskoeffizienten optimal. Entsprechend der Theorie idealen Windräder, stellt sich der maximal mögliche Leistungskoeffizient von Windrädern bei einer horizontalen Achse сpωmax = 0,5926. In diesem Zusammenhang führt die rechte senkrechte Achse auf dem Bild 2.2 die Bedeutung des Wirkungsgrades des Windrads vor. Die Größe des Wirkungsgrades zeigt an, inwiefern sich der Koeffizient der Leistung сpω eines realen Windrades dem maximal möglichen Koeffizienten der Leistung сpωmax nähert.

Bild 2.2 – Abhängigkeit des Leistungskoeffizienten сpω von der Schnelllaufzahl λ

Jedoch ist die Windgeschwindigkeit eine sehr instabile Größe, die sich im Laufe von den Tagen wesentlich verändern kann. So kann durch die ständige Veränderungen der Windgeschwindigkeit die Größe der Schnelllaufzahl auch dann von ihrem optimalen Wert abweichen, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Umlaufs des Windrads unveränderlich bleibt. Dies bedeutet, dass ein Windrad die meiste Zeit mit einem niedrigeren Wirkungsgrad arbeitet.

Also muss man zur Unterstützung des optimalen Schnelllaufs die Umlaufgeschwindigkeit des Windrads proportional zur Geschwindigkeit des Windes ändern.

Diese Aufgabe übernimmt der im Bild 2.1 dargestellte Wechselrichter.

Da die mächtigen asynchronen Generatoren einen Schlupf von höchstens 1–2 % haben, wird die tatsächliche Geschwindigkeit der Drehung des Gleitbewegung Feldes, welches vom Inverter geschaffen wird, die Geschwindigkeit der Drehung des Windrads bestimmen. Gewöhnlich muss man die Übertragungszahl des Reduziergetriebes berücksichtigen.

Wenn man das Verhalten der Windgeschwindigkeit innerhalb eines kurzen Zeitintervall betrachtet, so ist ersichtlich, wie instabil sie sein kann. Sie kann sich innerhalb von 1–2 Sekunden wesentlich ändern (siehe das Bild 2.3). In diesem Fall muss man sich zur Unterstützung des optimalen Schnelllaufs innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls an einen Mittelwert der Windgeschwindigkeit orientieren.

Bild 2.3 – das Verhalten der Windgeschwindigkeit innerhalb eines vorübergehenden Intervalls

Das instabile Verhalten der Windgeschwindigkeit, hat außerdem Einfluss auf den WG und trägt zu den großen Veränderungen der Leistung des Windrads bei, da diese von der Windgeschwindigkeit kubiert abhängt. So kann sich bereits bei kleinen Veränderungen der Windgeschwindigkeit die Leistung des Windrades wesentlich verändern. Eine Aufgabe des Regulierungssystems ist somit das Ausgleichen der Leistungsschwankungen der WKA, die durch die Instabilität entstehen.

Die Methodik der Lösung der Aufgabe

Das erste Mittel ist die so genannte Pitchregelung, welche die Ausrichtung der Rotorblätter zur Stabilisierung des Drehmomentes übernimmt, der vom Windstrom auf die Welle der WKA geschaffen wird. Diese Steuerung wird vom Leistungsregler ausgeführt

.

Otto-von-Guericke

Bild 3.1 – Pitchregelung (Animation: 6 Bilder, 6 Wiederholungen Zyklen, 146 kb)

Jedoch steht die Leistung des Windrads in einer nichtlinearen Abhängigkeit zur Ausrichtung der Rotorblätter, da der Regulierungskreislauf der Leistung, mit dem nichtlinearen Objekt der Regulierung arbeiten muss. Also soll der Leistungsregler anpassungsfähig sein. Für die Anpassung des Reglers an die nichtlinearen Eigenschaften des Windrads kann man Neuroalgorithmen oder Fuzzyalgorithmen verwenden.

In den neuen Systemen der Windgeneratoranlagen (WGA) wird das Prinzip der Trennung der Frequenz des Netzes von der Drehfrequenz des Generators auf Kosten der Nutzung der Reformatoren realisiert. Die WKA, die nach diesem Prinzip arbeiten haben den Titel WKA mit variabeler Drehgeschwindigkeit bekommen.

Es gibt eine ganze Reihe von Vorteilen:

Das Blockschema des Regulierungssystems, das die obenerwähnten Vorteile hat, ist im Bild 3.2 zu sehen.

Bild 3.2 – Das Blockschema des Regulierungssystems

Bild 3.2 zeigt das Regulierungssystem der WKA mit variabeler Drehgeschwindigkeit des Windrads und den Mechanismus der Pitchregelung für die Regulierung der Geschwindigkeit und der Leistung.

Für die Realisierung und die Aufrechterhaltung der Stabilität des aktiven Stromes des Generators im komplizierten System mit zwei Regulierungskreisläufen, soll die Hauptstruktur verwendet werden. In diesem Steuersystem wird die Leistungsregulierung mittels der Nutzung des Regulierungskreislaufes durch das elektromagnetische Moment des Generators ausgeführt. Die Regulierung der Drehgeschwindigkeit der Windturbine ist durch den Einfluss des Geschwindigkeitsreglers auf den Pitch-Winkel des Rotorblattes möglich. So wird die Regulierung von der Drehgeschwindigkeit in die untergeordnete Kreislauf übergeben.

Es ist wichtig, dass sich bei der Regulierung des elektromagnetischen Momentes des Generators die Geschwindigkeit des Windrads entsprechend der Formel ändert:

Ein physischer Inhalt dieser Regel ist, dass im Falle der Abweichung von der angegebenen Geschwindigkeit, der Moment des Windrades im Vergleich zum Moment des Generators für die positive oder negative Winkelbeschleunigung der WKA mit dem Moment des Generators zunehmen oder abnehmen muss. In der Formel wird der Einfluss des Moment des Windrads bei variabler Windgeschwindigkeit gezeigt, der den Leistungsbeiwert des Windrads der WKA сpω hat, der vom Pitch-Winkel die Rotorblätter abhängt. So den Pitch-Winkel der Rotorblätter der Windturbine beeinflussend kann man die Geschwindigkeit des Rads auf einem bestimmten Niveau unterstützen. Das Steuersystem des Pitch-Winkels ist viel zu träge für die Stabilisierung der Ausgangsleistung, kann aber zur Regulierung der Geschwindigkeit der Windrads verwendet werden, da es durch die große Trägheit der WKA insgesamt selbst ein großes Trägheitsmoment hat.

Die Aufgabe für den Moment des Generators gibt nicht der Kreis der Frequenz Regulierung des Drehens der Windturbine, sondern der Block der Berechnung der maximalen Leistung, um den maximalen Leistungsbeiwert des Windrads der WKA zu unterstützen.Der Moment der WKA steckt hinter der Formel:

 Wo Vber – die Rechengeschwindigkeit des Windes, die dem maximalen Moment des Generators antwortet.

Zusammenfassung

In der Arbeit wurde die Analyse der Qualität des Funktionierens von WKA unter den Bedingungen des sich ändernden Windstroms, der Belastung und der Winkel der Anlage der Rotorblätter vorgestellt. Es wurde die Kriterien der Optimalität des Systems der Regulierung gewählt.

Die Senkung des WG trägt zur unvollständigen Ausnutzung der Energie des Windstroms bei. Die Veränderungen der Leistung der WKA verschlechtern die Qualität des Netzes und können zu starken Energieschwankungen bei den Konsumenten führen.

Wenn in dieser Hinsicht nichts getan wird, so wird die Leistung von den WKA mit großen Schwankungen ans Netz übergeben, was den Zustand des Netzes negativ beeinflusst.

Bei der Verfassung des vorliegenden Referates, ist die Masterarbeit noch nicht beendet. Der Abschluss der Masterarbeit ist im Dezember 2014 geplant. Der volle Text der Arbeit und die Materialien des Themas sind bei der Autorin oder ihrem Dozenten nach dem angegebenen Datum zu bekommen.

    Literaturverzeichnis

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