Fehlertolerante Regelung von Windkraftanlagen (FTOL CNTRL)

Fault-Tolerant Control of Wind Turbines (FTOL-CNTRL)

Project Description
Owing to the increasing dimensions and complexity of wind turbines, demands regarding safety and availability continually rise. Wind turbine manufacturers and component suppliers seek to meet these demands by constructive improvements of components as well as by including condition monitoring systems. These measures increase the functional safety as concerns the components but at the same time lead to extended turbine down-times due to possible faults of additionally required sensors and insufficient analysis of individual events with regard to the whole system.

The research project aimed at applying model-based methods for robust fault detection and isolation to wind turbine control in order to detect, isolate and counteract system faults by active reconfiguration of the closed-loop and supervisory control.

As a first step, nonlinear state-space models were derived for the wind turbine system and system components. These nonlinear models were then transformed into a Takagi-Sugeno model structure as a basis for the nonlinear observer design. As a second step, a nonlinear observer (Takagi-Sugeno sliding mode observer) was designed for robust fault-detection. The validation was achieved using simulated faults as well as experimentally obtained time-series of faults. Subsequently, fault-tolerant control concepts were developed that provide reconfiguration strategies for distinct fault scenarios.

The goal of the research project was to obtain theoretically proven and experimentally verified algorithms that improve the functional safety and significantly increase the availability of wind turbines.

Projektbeschreibung
Bedingt durch die zunehmende Leistungssteigerung und Komplexität von Windkraftanlagen steigen die Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit stetig. Dem versuchen Zulieferer und Anlagenbauer durch konstruktive Verbesserung der Komponenten und eine standardmäßige Integration von Condition-Monitoring Systemen gerecht zu werden. Bisher erreicht man damit eine gesteigerte Funktionssicherheit auf der Komponentenebene. Aufgrund der zusätzlich notwendigen Sensorik, die weitere mögliche Fehlerquellen beinhalten, und durch eine unzureichende Plausibilisierung der Einzelergebnisse im Systemverbund führt dieser Ansatz bislang zu einem Anstieg der Stillstandszeiten.

Ziel des Projektes war es, durch den Einsatz modellgestützter Verfahren der beobachterbasierten Fehlerdiagnose die auftretenden Fehler auf der Systemebene robust zu detektieren, zu isolieren und aktiv durch Anpassung der Regelung und Betriebsführung sicher beherrschen zu können.

Im ersten Arbeitsschritt wurden im Rahmen der Modellbildung Teilmodelle der Systemkomponenten in nichtlineare Zustandsraummodelle zusammengefasst. Für den anschließenden nichtlinearen Beobachterentwurf wurden diese in eine Takagi-Sugeno-Modellstruktur überführt. Im zweiten Schritt wird der nichtlineare Beobachter (Takagi-Sugeno Sliding-Mode Observer) für die robuste Fehlerdiagnose entworfen. Die Validierung erfolgte mit simulierten Fehlern und experimentell gewonnenen Fehlerverläufen. Abschließend wurden Konzepte zur fehlertoleranten Regelung mit Rekonfigurationstrategien für verschiedene Fehlerfälle entwickelt sowie verifiziert.

Das Gesamtziel des Vorhabens war es, theoretisch abgesicherte und experimentell verifizierte Algorithmen bereitzustellen, welche die Systemzuverlässigkeit von Windkraftanlagen bei gleichzeitiger Verbesserung der funktionalen Sicherheit signifikant steigert.

Projektlaufzeit

1.8.2011 - 30.11.2014

Projektleitung

Projektmitarbeiter/innen

  • Dipl.-Ing. Eckhard Gauterin
  • Dipl.-Phys. Sören Georg

Kooperationspartner

  • Key Wind Energy GmbH, Berlin
  • Bachmann (Deutschland) GmbH, Bochum
  • Reiner Lemoine Institut gGmbH, Berlin
  • Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl für Mechatronik

Mittelgeber

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Förderprogramme

Ingenieurnachwuchs