Dynamic Simulation of Full-Scale Wind Turbine Nacelle System Test Benches

Beschreibung

Im Rahmen dieser Dissertation wird ein maßstäblicher Gondelsystemprüfstand für Windenergieanlagen virtuell abgebildet. Das Primärziel der Simulationsstudie besteht darin, die Gesamtdynamik des Prüfstandes sowie den Unterschied zur realistischen Dynamik der Windenergieanlage in Feld zu zeigen. Zudem soll das entwickelte Modell und die Systemsteuerung für den Prüfstandsbetrieb verwendet werden. Der Prüfstand wird in einer Mehrköpersystem (MKS) Simulationsumgebung formuliert, dessen flexibler Antriebsstrang mit experimentellen Modalanalysen validiert wird. Im Modell werden die Betriebsregelung und Steuerung des DUTs (auf Englisch: Deviceunder- test) ähnlichen Hardware-in-the-loop-Architektur des physikalischen Systems implementiert. Der Datenaustausch zwischen dem MKS Modell und dem Regler wird durch eine Co-Simulation-Schnittstelle realisiert. Auch können Testszenarien mit aeroelastische Windlastberechnung durchgeführt werden. Durch den Abgleich der Schnittstellenlast am Rotorflansch mit des Referenzturbinenmodells ist es festgestellt worden, dass sich das Open-loop-Verhalten des Gondelprüfstands ausdrücklich von Feldoperationen unterscheidet. Hauptursache sind die geänderte Randbedingung der geprüften Gondel zum Beispiel der abweichenden Massen und Trägheiten des Lastanwendungssystems. Es zeigt sich, dass das rheonomische (zeitabhängig) Gelenk des Rotormodells zu dem Verlust von Gekoppelt Rotor-Antriebsstrang Dynamik während Windlastberechnung führt. Die abweichende Open-loop-Verhaltensweise wird durch aktives Reglungsschema ausgeglichen. Um die realistische dynamische Reaktion des DUTs zu erhalten, wird ein virtuelles Rotorsystem entwickelt. Das bestehende MKS-Modell besitzt jedoch hunderte von Zustandsvariablen und ist damit sehr rechenintensiv. Es ist nur nutzbar nachdem ein Tiefe-Ordnung-Streckenmodell vorhanden ist. Mittels Modalreduktion werden die Übertragungsfunktionen in Streckenmodelle überführt, diese sind sowohl praktikable als auch ausreichend genau, und können die vorherrschenden Faktoren in der Dynamik des Prüfstands gut abbilden. Der obengenannte modell-basierte Ansatz ermöglicht ein komfortables Design sowie Feineinstellen des Reglungsschemas, das aus vorgeschlagen Torque –und Non-Torque Lastanwendungen besteht. So können dynamische Schwingungen, wie sie in einer realen Windenergieanlage beobachtet werden, simulative abgebildet werden. Die Bandbreiten der Lastanwendungen sind jedoch durch die dominante Dynamik des Prüfstands begrenzt.

Autor*in

Bi Laiye

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Gondelsystemprüfstand Windenergieanlage full-scale wind turbine system test bench virtual replica

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