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Steuerung und Regelung von Windenergieanlagen

Steuerung und Regelung von Windenergieanlagen

Mitarbeiter bei der Betriebsführung eines Prüfstands beim Fraunhofer IWES Mitarbeiter bei der Betriebsführung eines Prüfstands beim Fraunhofer IWES Mitarbeiter bei der Betriebsführung eines Prüfstands beim Fraunhofer IWES © Fraunhofer IWES

Die Steuerung und Regelung nimmt eine zentrale Rolle in der Konzeption, dem Entwurf und dem Betrieb von Windenergieanlagen ein. Sie nimmt die Anpassung der Anlage an die äußeren Bedingungen vor (z.B. Windnachführung, Drehmomentenregelung des Triebstrangs, Pitchregelung, etc.). Ein gut ausgelegter und eingestellter Regler kann die Leistungsfähigkeit der Anlage deutlich erhöhen und signifikant mechanische Lasten auf die WEA-Komponenten reduzieren. Im Umkehrschluss kann ein schlecht ausgelegter und eingestellter Regler die theoretisch erzielbare Effizienz hochwertiger Anlagenkomponenten zunichte machen. Es gibt sozusagen keine "gute" Anlage ohne "guten" Regler.

Das Modul Steuerung und Regelung von Windenergieanlagen (SRWEA) vermittelt die Grundlagen für die Modellierung, Analyse und Reglersynthese linearer Systeme mit Fokus auf die Anwendung für Windenergieanlagen.


Leistungspunkte

6 LP / 5 LP

abhängig von PO

Semester

SoSe

SWS: 2V / 2Ü

Prüfungsleistung

MP

20 min

Sprache

DE

Unterlagen z. T. EN


LERNZIELE

Das Modul SRWEA vermittelt auf dem Gebiet der Regelungstechnik vielfältige Kompetenzen im Bereich der Steuerung und Regelung von Windenergieanlagen. Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls können die Studierenden:

  • ein vereinfachtes dynamisches Modell einer Windenergieanlage erstellen,
  • die Modellteile einer Windenergieanlage mathematisch beschreiben,
  • die Systemeigenschaften einer Windenergieanlage auf Basis eines dynamischen Modells analysieren,
  • die regelungstechnische Problematik einer Windenergieanlage verstehen,
  • einen PID-Regler für die Pitchregelung entwerfen und
  • einen Regelalgorithmus für die digitale Implementierung vorbereiten.

VORLESUNGSINHALTE

 Die Vorlesung des Moduls SRWEA besteht aus folgenden Themenkomplexen:

  • Einführung in die Regelungstechnik
  • Modellierung dynamischer Systeme: Aufstellen linearer Differentialgleichungen, Übertragungsfunktionen, Zustandsraumdarstellung, dynamische Modellierung einer Windenergieanlage
  • Analyse dynamischer Systeme: Analyse im Frequenz- und Zeitbereich, Wurzelortskurven, Stabilitätsanalyse, Steuer- und Beobachtbarkeit
  • Reglerentwurf: Regelungstechnische Problematik einer Windenergieanlage, PID-Regelung und Parametereinstellung, Kaskadenregelung, individuelle Pitch-Regelung, Echtzeitimplementierung

ÜBUNG UND STUDIENLEISTUNG

Vorlesungsbegleitend werden betreute Übungsaufgaben bearbeitet. Es finden außerdem regelmäßig CIP-Pool-Übungen am Rechner statt, in denen die gewonnenen Erkenntnisse in Form von Simulationen veranschaulicht werden. Die Herausforderung des Moduls, die angewandte Regelungstechnik auch Bauingenieuren zugänglich zu machen, wird durch ein durchdachtes Gesamtkonzept mit aktivierenden Elementen gelöst. Dieses hat sogar den Weg in eine international anerkannte Veröffentlichung mit Peer Review gefunden.

© FBG / C. Bierwagen
© Silvio Matysik / wind-turbine-models.com
© FBG / C. Bierwagen

Um das eigenverantwortliche Lernen und das Selbststudium zu fördern, ist als Studienleistung ein Portfolio anzulegen. Darin sammeln die Studierenden individuell Arbeitsmaterialien, die sie zur Erreichung der Lernziele für wichtig und notwendig erachten. Details zu den Portfolios werden in der Lehrveranstaltung bekannt gegeben.

PRÜFUNG

Die Erfüllung der Lernziele wird in Form einer mündlichen Prüfung am Semesterende überprüft. Die mündliche Prüfung dauert ca. 20 Minuten. Studierende müssen sich für die Teilnahme am Prüfungsverfahren rechtzeitig online beim Akademischen Prüfungsamt anmelden. Auch für die Studienleistung ist eine online-Anmeldung erforderlich.


Das Modul wird im Masterstudiengang "Energietechnik" als Wahlfach angeboten und mit 5 LP honoriert. Studierende der Energietechnik verfügen bereits über Kenntnisse der Regelungstechnik. Daher ist von einer reduzierten Notwendigkeit eines intensiven Selbststudiums auszugehen. Der tatsächliche Arbeitsaufwand und die Bepunktung sind daher gut aufeinander abgestimmt.