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Advanced aerodynamic modeling and control strategies for load reduction in aeroelastic wind turbine simulations

Perez-Becker, Sebastian Rafael

Increasing the size of wind turbines has been one of the most effective ways to decrease the cost of wind energy. If this trend is to continue, we need to ensure that the design loads of wind turbine components do not increase disproportionately with the turbine size. One promising way to do this is by increasing the accuracy of the aeroelastic modeling of wind turbine simulations. As aeroelastic load calculations are a critical part in determining the design loads of the turbine, increasing the model accuracy leads to more detailed load predictions and less conservative safety factors that need to be applied to compensate for model uncertainty.nAnother promising way to obtain competitive design loads for larger wind turbines is through the use of advanced control strategies that aim at reducing the design-driving loads of the turbine components. These loads are varied by nature so a combination of different actuators and strategies is required to effectively reduce them. The present work contributes to this effort in two separate but complementing ways. On the one hand, it includes a study of advanced aerodynamic models in aeroelastic simulations and their quantitative effect on wind turbine loads. On the other hand, it presents a wind turbine controller that is capable not only of performing a complete set of design load calculations but also includes advanced control strategies that mitigate design-driving loads using the generator torque, the blade pitch actuators and active trailing edge flaps distributed along the blade span. This controller is used in separate studies to reduce design-driving fatigue and extreme loads on the turbine. This dissertation is based on three papers that study different ways to achieve a load reduction. The first paper presents the turbine controller in detail. It also presents its advanced load reduction capabilities using traditional pitch and torque actuators and studies the load reduction capabilities of the individual pitch control strategy using the more accurate lifting line free vortex wake aerodynamic model in aeroelastic calculations. The second paper uses the developed controller in a study that quantifies how using more accurate aerodynamic models in aeroelastic simulations affects the loads. It compares the extreme and fatigue loads of key turbine sensors in aeroelastic simulations that are performed with the widely used blade element momentum aerodynamic model with simulations that use the lifting line free vortex wake aerodynamic model. It not only quantifies the loading differences but also finds the reasons that lead to these differences. The third paper explores the potential of active trailing edge flaps in reducing the design-driving extreme loads and critical deflections of the wind turbine blade. It considers the trailing edge flap hinge moment as a robust and readily available sensor that can be used as an input for the controller strategy. The hinge moment, in combination with other sensors, is used in a model-based observer to estimate the local inflow conditions and allow a fast response of the flap actuators. This observer is then used as part of a novel control strategy to effectively lower the extreme blade root loads and critical tip deflections. Each of the papers studies one aspect where load reduction can be obtained for larger wind turbines. This dissertation also includes suggestions for further developing and improving the respective aspects. Including them all in the design process of the next generation of wind turbines is a promising way of making this source of energy even more cost-competitive and its use more widespread.
Die Vergrößerung von Windturbinen ist einer der effektivsten Wege die Stromgestehungskosten von Windenergie zu verringern. Um diesen Trend zu erhalten muss gewährleistet werden, dass die designtreibenden Lasten der Turbinenkomponenten nicht überproportional mit der Turbinengröße steigen. Eine versprechende Methode um dies zu erlangen ist die Verbesserung der aeroelastischen Modellierung in Windturbinensimulationen. Da aeroelastische Lastrechnungen eine kritische Rolle beim Design von Windturbinenkomponenten spielen, führt eine Verbesserung der Modellierung zu genaueren Designlasten und weniger konservativen Sicherheitsfaktoren bei den Lasten. Eine andere versprechende Methode um die Designlasten von großen Windturbinen zu verringern ist die Anwendung von fortgeschrittenen lastreduzierenden Regelungsstrategien. Unterschiedliche Lasten beeinflussen die Turbinenkomponenten anders und deshalb müssen auch verschiedene Aktuatoren in Betracht gezogen werden, um die desingtreibenden Lasten mehrerer Komponenten zu reduzieren. Diese Dissertation trägt zu diesem Thema in zwei separaten aber sich ergänzenden Themenbereiche bei. Einerseits beinhaltet die Arbeit eine Studie zu fortgeschrittenen aerodynamischen Modellen und deren quantitativen Effekt auf die Turbinenlasten. Andererseits präsentiert die Arbeit einen Windturbinenregler, der komplette Lastberechnungen durchführen kann und über fortgeschrittene lastreduzierende Regelungsstrategien verfügt. Diese Strategien nutzen verschiedene Aktuatoren wie Generator, Pitchaktuatoren und aktive Hinterkantenklappen und werden in unterschiedlichen Studien für die Verringerung von designtreibenden Extrem- und Ermüdungslasten verwendet. Die Arbeit basiert auf drei Veröffentlichungen die verschiedene Wege zur Lastreduzierung untersuchen. Die erste Veröffentlichung beschreibt den Windturbinenregler im Detail. Die Veröffentlichung beschreibt auch die fortgeschrittenen Lastreduktionsstrategien des entwickelten Reglers, welche auf traditionellen Aktuatoren wie die Pitchaktuatoren und dem Generatormoment beruhen. Die Lastreduktionsfähigkeit der Individual Pitch Control Strategie wird in aeroelastischen Simulationen untersucht, die das fortgeschrittene aerodynamische Modell Lifting Line Free Vortex Wake nutzen. Die zweite Veröffentlichung verwendet den Regler in einer Studie, die die Lasteffekte von fortgeschrittenen aerodynamischen Methoden in aeroelastischen Simulationen untersucht. Die Studie vergleicht Extrem- und Ermüdungslasten von wichtigen Turbinensensoren, die in aeroelastischen Simulationen mit zwei verschieden aerodynamischen Methoden berechnet worden sind. Die erste Methode ist die verbreitete Blade Element Momentum Methode. Die zweite Methode ist die fortgeschrittene Lifting Line Free Vortex Wake Methode. Die Studie quantifiziert nicht nur die Lastunterschiede sondern findet auch die Ursachen dieser Unterschiede. Die dritte Veröffentlichung untersucht das Potential von aktiven Hinterkantenklappen um designtreibende Extremlasten und kritische Durchbiegungen vom Rotorblatt zu reduzieren. Sie betrachtet das Klappengelenk-Moment als ein möglicher Regler-Sensor, der robust und bereits im Klappensystem vorhanden ist. In der Veröffentlichung wird das Klappengelenk-Moment und andere Sensoren für einen modellbasierten Beobachter genutzt, der die aerodynamischen Zustände an der Blattsektion schätzen kann. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion des Klappenreglers. Der Beobachter wird als Teil einer neuen Klappenstrategie verwendet, welche die Extremlasten und kritische Durchbiegung vom Rotorblatt effektiv reduziert. Die Veröffentlichungen untersuchen jeweils ein möglicher Lastreduktionsaspekt für größere Windturbinen. Diese Dissertation enthält Vorschläge, wie man diese einzelnen Aspekte verbessern kann. Alle Aspekte im Turbinen-Designprozess zu verwenden ist eine versprechende Option um die Kosten der Windenergie weiter zu reduzieren und die Nutzung dieser Technologie zu verbreiten.