Lastsimulation von Windkraftanlagen. mit alaska/wind

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1 Lastsimulation von Windkraftanlagen mit alaska/wind Erweiterte Produktinformation Institut für Mechatronik e.v. Reichenhainer Straße Chemnitz Germany (01/2011)

2 alaska/wind ist eine Simulationsumgebung, die den spezifischen Entwicklungs- und Lastberechnungsprozess von Windkraftanlagen (WKA) unterstützt. Es basiert auf dem Simulationswerkzeug alaska, mit dem allgemeine Mehrkörpersysteme (MKS) modelliert und simuliert werden können. Die Möglichkeiten, die sich aus dieser Verbindung eines allgemeinen MKS- Tools mit der spezifischen Simulationstechnologie der WKA-Industrie ergeben, werden in diesem Dokument durch Informationen zu den folgenden Themen erläutert: Die allgemeine Simulationssoftware alaska Wichtige Features von alaska für die Modellierung von WKA alaska/wind ein Überblick Der effiziente Einstieg in alaska/wind Entwicklung detaillierter WKA-Modelle mit alaska/wind Anwendung von alaska/wind in der Steuerungsentwicklung Windmodell, Aerodynamik und spezielle Modellelemente der WKA Nutzung von alaska/wind in der Lastrechnung Die Simulation der Dynamik von WKA ist integraler Bestandteil des gesamten Entwicklungsprozesses von WKA. Darüber hinaus benötigen die Anlagenhersteller Simulationsergebnisse, um Zertifikate für Anlagen zu erhalten und die Auswirkungen standortspezifischer Bedingungen auf die prognostizierte Lebensdauer der Anlagen zu berechnen. Auch große Zulieferer nutzen Modelle der gesamten Anlage ihr spezielles Subsystem optimal zu dimensionieren. Heute wird die Mehrzahl der Berechnungen mit branchenspezifischen Werkzeugen, wie z.b. Flex5, GH-Bladed oder FAST durchgeführt. Diese enthalten ein fest vordefiniertes Modell der Windkraftanlage. Damit können Simulationsrechnungen sehr effizient ohne explizite Modellierung der Anlage durchgeführt werden. Außerdem sind die Spezialtools gut an die für die Branche typischen Berechnungsprozesse angepasst, die durch die stets notwendige Analyse einer extremen Vielfalt von Szenarien geprägt sind. Neue Anlagenkonzepte, kürzere Entwicklungszeiten und strengere Zertifizierungsbestimmungen erfordern jedoch oft detailliertere Modelle der Windkraftanlagen. Damit können die dynamischen Belastungen bis in die Baugruppen der Anlage hinein präziser berechnet werden. Software auf der Basis der Methode der Mehrkörpersysteme bietet die dazu notwendigen Voraussetzungen: ein Modelliersystem zur Beschreibung genauerer Modelle und einen Algorithmus, der die Modellgleichungen für diese Systeme automatisch generiert und löst. Damit können Simulationsmodelle von Windkraftanlagen in beliebiger Modellierungstiefe und Funktionalität entwickelt und simuliert werden. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 2

3 alaska/wind ist ein Werkzeug, das diesen steigenden Anforderungen an die Simulation von Windkraftanlagen auf der Grundlage des allgemeinen MKS-Tools alaska entspricht. alaska/wind bietet Features, die die Vorteile des allgemeinen MKS-Zugangs - die Möglichkeit der weitgehend freien Modellerstellung - für die Simulation von WKA nutzbar machen. Gleichzeitig unterstützt alaska/wind optimal die durch Regelwerke und durch die aktuell genutzten Spezialtools geprägte Simulationstechnologie. Das wird erreicht durch die Möglichkeit einer guten Trennung der Entwicklung von MKS-Modellen von der Nutzung dieser Modelle zur Auslegung von Anlagen. Unterschiedlichen Anwendern eines einmal entwickelten MKS-Modells stellt alaska/wind eine jeweils passende Umgebung für dessen effiziente Nutzung, z.b. zum Reglerentwurf, zur Lastrechnung oder zur Entwicklung von Anlagen zur Verfügung. Das allgemeine Simulationswerkzeug alaska alaska ist ein allgemeines Software-Werkzeug zur Simulation der Dynamik mechanischer Systeme, das auf der Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) basiert. Entsprechend den Modellannahmen der MKS-Methode wird das Modell in starre und flexible Körper unterteilt, die durch Kräfte oder Zwangsbedingungen wie z.b. Gelenke verbunden sind. Für ein solches MKS- Modell berechnet alaska die Bewegung des Systems unter dem Einfluss der wirkenden Kräfte bzw. die Kräfte, die zur Einhaltung von Zwangsbedingungen notwendig sind. Dabei werden stets Kräfte in diskreten Punkten an den Verbindungsstellen der Körper berechnet, die in beliebigen Koordinatensystemen dargestellt werden können. Für die Beschreibung des Simulationsmodells und dessen Test bietet alaska ein komfortables Modelliersystem. Die Modellbibliotheken der Basisversion von alaska beinhalten den Standardumfang der Starrkörpermechanik. Der Solver von alaska generiert automatisch die Bewegungsgleichun- Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 3

4 gen des Systems mit einem effizienten, rekursiven Order(N)-Algorithmus und löst sie mit erprobten Standardverfahren. Als Ergebnis der Simulation stehen alle denkbaren Kraft- und Bewegungsgrößen des MKS bereit. Diese können in Abhängigkeit von den Anforderungen des Anwenders als Ausgabe der Simulation angefordert werden. Die Basisversion von alaska ist nicht auf eine bestimmte Aufgabenklasse ausgerichtet. Es können ganz unterschiedliche technische Systeme, wie z.b. Fahrzeuge, Maschinen oder Windkraftanlagen modelliert und hinsichtlich ihrer Belastung und Bewegung analysiert werden. Für spezielle Anwendungen existieren zusätzliche Bibliotheken. Zu alaska/wind gehört eine solche Bibliothek, mit der Windkräfte und Windszenarien modelliert werden können. Wichtige Features von alaska für die Simulation von WKA Selbstverständlich kann mit den in der Basisversion von alaska realisierten Möglichkeiten der Modellierung jede beliebige Funktionalität der Anlage beschrieben werden. Dazu gehört eine variable Anzahl von Blättern, die Verwendung unterschiedlicher Blätter, die Modellierung von Unwuchten, Pitchfehlern, elastischen Lagern, diskreten Dämpfern, Antriebs- und Bremsmomenten, Reibung in den Lagern, Wirkungsgrad usw. Um WKA entsprechend dem üblichen Standard zu modellieren, werden darüber hinaus die Bibliotheken alaska/flexible, alaska/gear und natürlich alaska/wind benötigt. Mit alaska/flexible können Blätter, Turm und weitere Komponenten als flexible Körper mit modalem Ansatz modelliert werden. Dabei kann eine beliebige Anzahl von Moden berücksichtigt werden. alaska/gear bietet eine Reihe von Modellelementen, mit denen hoch aufgelöste Modelle für antriebstechnische Komponenten der WKA (Getriebe und andere Antriebssysteme) beschrieben werden können. Die Bibliothek alaska/wind beinhaltet die nahtlose Integration der Berechnung der aerodynamischen Kräfte sowie der Beschreibung zugehöriger Windszenarien in das Modelliersystem und den Analysekern von alaska. Eine entscheidende Voraussetzung für die erfolgreiche Integration der MKS-Methode in die Prozesse der WKA-Branche ist die Organisation einer Arbeitsteilung zwischen der Entwicklung von MKS-Modellen und der Entwicklung und Beurteilung von WKA. Während die erste Aufgabe vor allem gute Kenntnisse der MKS-Methode erfordert, wird für die zweite Aufgabe vor allem das WKA-spezifische Know-how wie z.b. die Kenntnis von Anlagenparametern, Entwurfsregeln, Lastannahmen und Zertifizierungsbestimmungen benötigt. Für eine solche Organisation der Anwendung bietet alaska/wind exzellente Voraussetzungen die auf dem Modelliersystem von alaska basieren: die einfache Trennung von Modellbeschreibung und Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 4

5 Parametern, ein effizientes Konzept für die Arbeit mit Parametersätzen und die Fähigkeit, komplexe Modelle der Anlage automatisch aus selbständig lauffähigen Subsystem-Modellen zusammenzustellen. Detaillierte Kenntnisse der MKS-Methode werden vor allem benötigt, um neue Modelle für Subsysteme zu entwickeln und um Anlagensteuerung, Lastfälle und Parametrisierung zu testen. Diese Aufgaben werden durch das GUI des alaska/modellerstudio mit seiner interaktiven Systemanalyse hervorragend unterstützt. Durch die Möglichkeit der Arbeit mit separaten Parameterdateien ermöglicht alaska eine gute Dokumentation der verwendeten Modelle sowie eine transparente Arbeit mit Parameterwerten ohne die Kenntnis des Modelliersystems von alaska. Darauf stützt sich das Konzept der WORKBENCH, mit der Anlagenmodelle ohne Kenntnis der Details der enthaltenen MKS- Modelle genutzt und verändert werden können. Ein nützliches Feature für die WKA Simulation ist die variable Definition von Parametersätzen. Bei der WKA-Simulation werden die Lastfälle als Parametersätze genutzt. Lastfallbeschreibungen steuern die Durchführung umfangreicher Lastanalysen mit alaska/batch. Mit alaska/distributedcomputation kann die Simulation einer großen Anzahl von Lastfällen im Rechnernetz verteilt werden. In alaska/wind wird eine WKA generell durch Montage selbständig lauffähiger Subsystem- Modelle modelliert. Dieses Feature des Modelliersystems bietet die Grundlage für den effizienten Umgang mit sehr komplexen Modellen. Es ermöglicht den eleganten Austausch von Blättern und Türmen sowie den Austausch von einfach modellierten Komponenten gegen komplexe Subsystem-Modelle. Weitere, für die Simulation von WKA wichtige Features von alaska sind die gut ausgebauten Schnittstellen, von denen insbesondere die Schnittstelle zu MATLAB/Simulink für Entwurf und Test von Reglern und Betriebsführung benötigt wird. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 5

6 Die Anwendung von alaska/wind - ein Überblick alaska/wind bietet allen Ingenieuren, die zur Erfüllung ihrer Aufgaben (simulierte) Informationen über das dynamische Verhalten von WKA benötigen, die nahezu unbegrenzten Möglichkeiten der Erweiterung ihrer Anlagenmodelle mit Hilfe des MKS-Tools alaska in Verbindung mit einer nahtlosen Integration der Modellierung von Windkräften und Windszenarien in Modelliersystem und Analysekern von alaska. Bei der Anwendung von alaska/wind sind Kenntnisse der MKS-Modellierung und der zur Beschreibung von Modellen benötigten grafischen Oberfläche nur für wenige spezielle Aufgaben erforderlich. Dazu gehört die Entwicklung detaillierter Modelle für einzelne Subsysteme, die Anpassung des Anlagen-Frameworks an eine bisher nicht implementierte Anlagentopologie sowie die Problembehandlung, für die das alaska/modellerstudio mit seinen Möglichkeiten der interaktiven Systemanalyse eine optimale Umgebung darstellt. Die typischen Anwendungsprozesse der Branche unterstützt alaska/wind durch geeignete Methoden und Werkzeuge optimal. Dadurch können gewohnte Abläufe z.b. in der Lastrechnung mit geringen Anpassungen beibehalten werden. Möglich wird das durch zwei wesentliche Konzepte: die konsequente Arbeit mit Subsystem-Modellen sowie die transparente, auf Dateiebene realisierte Trennung von Modell und Parametern. Im Rahmen des vordefinierten FRAMEWORKS für ein bestimmtes Anlagenkonzept können Modelle für Subsysteme unabhängig voneinander entwickelt und getestet werden. Die daraus gebildeten Modelle der Anlage entstehen durch einfaches Kombinieren der enthaltenen Subsysteme. Dadurch wird die Nutzung eines speziellen Tools der WORKBENCH Wind möglich. Mit diesem Tool können Anlagenmodelle zusammengestellt, Parameter von Subsystem-Modellen variiert, Modelle für Blätter und Türme generiert sowie einzelne Lastfälle editiert und simuliert werden, ohne das MKS-Modelliersystem benutzen zu müssen. Sämtliche Beschreibungen sind in gut lesbaren Textdateien abgelegt, so dass versierte Nutzer auch auf die gewohnte Arbeit mit dem Texteditor nicht verzichten müssen. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 6

7 alaska/wind bietet Ingenieuren, die neue Anlagenkonzepte entwickeln, umfangreiche Möglichkeiten, diese in der Simulation zu testen. Neue Prinzipien lassen sich mit Hilfe der WORKBENCH einfach mit Modellen vorhandener Subsysteme verbinden und gemeinsam mit den auch für andere Aufgaben vorhandenen Lastfallbeschreibungen simulieren. Entwickler von Anlagensteuerungen können beliebige Modelle einer Anlage auf verschiedene Weise mit einem Modell der Steuerung koppeln. Das Interface zur Steuerung ist als eigenständiges Subsystem konzipiert und kann frei konfiguriert werden. Wird die Steuerung mit MATLAB/Simulink entwickelt, stehen verschiedene Möglichkeiten der Kopplung zur Verfügung. Hinzu kommt bei Bedarf ein Target für den Real-Time Workshop von MATLAB/Simulink. Die Lastrechnung, eine in den Unternehmen der Branche häufig durchzuführende Simulation von hunderten oder sogar mehreren tausend Lastfällen, wird durch alaska/wind zunächst mit einem Tool zur Generierung von Lastfällen unterstützt. Aus wenigen Schablonen kann mit Hilfe von definierbaren Regeln sicher und in kurzer Zeit eine große Anzahl von Lastfallbeschreibungen generiert werden. Zudem existiert mit alaska/distributedcomputation ein Tool, mit dem die große Anzahl zu rechnender Lastfälle komfortabel innerhalb eines Rechnernetzes verteilt werden kann. Für Zulieferer großer Subsysteme, wie z.b. von Getrieben oder Antriebssystemen stellt alaska eine gute Möglichkeit dar, detaillierte Modelle ihres Subsystems im Kontext von Anlagenmodellen zu testen. Dabei können alle Möglichkeiten der Definition von Lastfällen und erprobte Modelle anderer Komponenten genutzt werden. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 7

8 Der effiziente Beginn mit alaska/wind Die grundlegenden Konzepte von alaska/wind, die Arbeit mit dem FRAMEWORK des Anlagenmodells sowie das Konzept zur Parametrisierung, lassen sich am besten an einem Beispiel erklären. Deshalb gehört zu alaska/wind ein einfaches Simulationsmodell einer Windkraftanlage inklusive Regelung sowie einigen vordefinierten Lastfällen. Damit können sofort Berechnungen durchgeführt werden. Die Auflösung des Modells entspricht der in Flex5 fest implementierten Anlage, so dass Anwender von Flex5 über alle notwendigen Parameter verfügen. Das FRAMEWORK der Beispielanlage hat wahlweise einen dreigeteilten Triebstrang bestehend aus Hauptwelle/Hauptlager, Getriebe und schneller Welle. Die enthaltenen Subsystem-Modelle können deshalb einfach als Basis für die Entwicklung veränderter Modelle für Anlagen der gleichen Struktur genutzt werden. Die Beispielanlage zeigt auch das Parametrisierungskonzept von alaska/wind. Für jedes Subsystem gibt es neben der Modelldefinition eine Parameterdatei. Dadurch können die Parameter der Baugruppen einfach außerhalb des alaska/modellerstudio mit der WORKBENCH oder einem beliebigen Texteditor geändert werden. Detaillierte WKA-Modelle mit alaska/wind In alaska/wind werden Modelle der gesamten WKA grundsätzlich durch Zusammenfügen von Modellen der enthaltenen Subsysteme gebildet. Die Zusammenstellung der in einem Anlagenmodell enthaltenen Subsysteme-Modelle wird durch die WORKBENCH unterstützt. Subsysteme sind beispielsweise das Getriebe, das Blatt oder das System Hauptwelle/Hauptlager. Aufbau eines detaillierten WKA-Modells bedeutet deshalb zunächst, einzelne Subsysteme der Anlage separat zu modellieren und zu testen. Beim Laden des Anlagenmodells verbindet alaska die Subsystem- Modelle automatisch. Dabei stellt das alaska/wind- FRAMEWORK sicher, dass ein korrekt arbeitendes Modell entsteht. Das FRAMEWORK be- Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 8

9 steht aus Templates für Subsystem-Modelle, die eine Beschreibung der Schnittstellen enthalten. Diese Templates sind Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer, detaillierter Subsystem-Modelle. Das Bedatungskonzept von alaska/wind, wie es in der Beispielanlage implementiert ist, kann auf jedes erweiterte Modell übertragen werden, so dass alle weiteren Features von alaska/wind, wie z.b. die Parameteränderung mit der WORKBENCH, auch für jedes neu entwickelte Modell verfügbar sind. Zum Test der Subsystem-Modelle wie auch des erweiterten Anlagenmodells kann die komfortable Debug-Funktionalität des alaska/modellerstudio genutzt werden. Natürlich können die selbständig lauffähigen Subsystem- Modelle auch in anderen Umgebungen, z.b. zur Modellierung eines Prüfstandes Verwendung finden. Unterstützung der Steuerungsentwicklung mit alaska/wind Mit seinen vielfältigen Möglichkeiten der Modellierung von Lastszenarien und mit qualifizierten mechanischen Modellen der Anlage bietet alaska/wind einen guten Hintergrund für die Steuerungsentwicklung. Innerhalb des FRAMEWORKS der Anlage stellt die Steuerung ein eigenes Subsystem-Modell dar. Dabei kann die Schnittstelle zum Anlagen-Modell frei modelliert werden. Zum schnellen Start liefert alaska/wind zwei Beispiele für Anlagensteuerungen: ein Subsystem mit einer zu dem Simulationstool GH-Bladed kompatiblen Schnittstelle und die Steuerung der alaska/wind-beispielmaschine. Letztere zeigt im Detail die Implementierung der Schnittstelle zum Anlagenmodell. Sie liegt sowohl als MS VisualStudio-Projekt mit C-Quelltext als auch als Modell in MATLAB/Simulink vor. Wird die Steuerung mit MATLAB/Simulink entwickelt, so bietet alaska weitere Möglichkeiten der Kommunikation mit diesem Tool. Dazu gehören die Kopplung über das TCP/IP- Protokoll und die Verwendung des alaska-berechnungskerns als S-function Block innerhalb von MATLAB/Simulink-Modellen. Darüber hinaus gibt es ein Target für den Real-Time Workshop von MATLAB/Simulink. Damit kann eine in MATLAB/Simulink modellierte Steuerung als DLL exportiert und sofort mit alaska/wind genutzt werden. Die Steuerungsschnittstelle von alaska/wind kann auch genutzt werden, um das mechanische Modell der Anlage mit anderen Modellen, z.b. proprietären Modellen von Zulieferern zu koppeln. Diese liegen oft nur als dynamische Bibliothek vor. Sie können analog zur Steuerung als zeitdiskrete Blöcke durch den Austausch frei wählbarer Größen mit dem Modell der Anlage verbunden werden. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 9

10 Windmodell, Aerodynamik und spezielle Modellelemente Zur Modellierung des freien Windes bietet alaska/wind alle Möglichkeiten die benötigt werden, um Lastfälle entsprechend dem geltenden Regelwerk zu modellieren. Geschwindigkeit, Richtung und Höhengradient des deterministischen Windes können konstant oder zeitlich veränderlich sein. Zeitlich veränderlicher Wind kann über Tabellen oder durch vordefinierte Böen beschrieben werden. Unabhängig von der gewählten Beschreibung kann dem deterministischen Wind Turbulenz überlagert werden. Dazu werden offline Turbulenzdateien mit einem separaten Programm generiert. Dabei kann zwischen unterschiedliche Spektren (nach Kaimal, nach IEC, nutzerdefiniert) gewählt werden. Für die Modellierung des Höhengradienten sowie für die Berücksichtigung des Turmeinflusses existieren verschiedene Optionen. Zur Berechnung der Windkräfte wurden in alaska/wind Methoden implementiert, die sich bereits in anderen Umgebungen bewährt haben. Für die Berechnung des induzierten Windes und des dynamischen Stall-Effektes stehen sowohl die in der Software Aerodyn als auch die in Flex5 enthaltenen Ansätze zur Auswahl. Die Implementierung der Algorithmen in alaska/wind wurde durch umfangreiche Tests mit anderen Simulationswerkzeugen validiert. Für Rotorblätter und Türme existiert in der WKA-Branche ein spezielles Beschreibungssystem. Das Modell wird durch die Vorgabe von Material, Geometrie und Zusatzmassen an Blatt- bzw. Turmschnitten definiert. Die WORKBENCH unterstützt eine auf diesem System basierende Beschreibung, stellt die Blatt- bzw. Turmbeschreibungen tabellarisch und grafisch dar und generiert daraus ein FE-Modell, das aus Timoshenko-Balkenelementen besteht. Die Berücksichtigung geometrisch nichtlinearer Effekte (geometric stiffening) sowie separater Zusatzmassen ist möglich. Die WORKBENCH führt eine modale Reduktion des FE-Modells durch, wobei die Anzahl der zu berücksichtigenden Moden frei gewählt werden kann. Es werden automatisch Subsystem-Modelle generiert, die direkt in Modelle der gesamten WKA eingefügt werden können. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 10

11 alaska/wind in der Lastrechnung Ein wichtiges Kriterium für Auslegung und Zertifizierung von WKA ist die berechnete Lebensdauer. Sie wird durch Simulation einer sehr großen Anzahl von Lastfällen ermittelt. Anlagenmodell und Lastfälle müssen dabei bestimmten Regeln entsprechen. Lastfälle stellen bestimmte Belastungsszenarien dar, die im Wesentlichen den Betriebszustand der Anlage und die Windverhältnisse beschreiben. Im Modell werden Lastfälle beispielsweise durch den Anfangszustand der Anlage, durch Dateinamen für transienten Wind und Turbulenz oder durch Vorgabe von Ereignissen (z.b. Ausschalten zu einem definierten Zeitpunkt) beschrieben. alaska/wind stellt ein schlüssiges und einfach erweiterbares Konzept zur Beschreibung von Lastfällen bereit. Die Beschreibungen werden in Lastfall-Dateien abgelegt. Eine Lastfalldatei kann dabei eine Vielzahl von Lastfallbeschreibungen enthalten. Die WORKBENCH bietet Unterstützung bei der Verwaltung von Lastfällen. Zum Test können Lastfälle einfach durch Angabe der Datei und der Lastfallnummer in das alaska/modellerstudio geladen werden. Für eine Lastrechnung sind oft hunderte von Lastfällen zu simulieren, die sich durch Kombination von standortspezifischen, anlagenspezifischen und aus dem Regelwerk resultierenden Merkmalen ergeben. Die effiziente und sichere Erzeugung der Lastfallbeschreibungen wird von alaska/wind mit einem Lastfall-Präprozessor unterstützt, der auf der Grundlage von Vorlagedateien und Variationsvorschriften automatisch die Lastfallbeschreibungen generiert. Die Abarbeitung von Lastrechnungen erfolgt mit alaska/batch. Mit alaska/distributedcomputation können solche Rechnungen komfortabel im Netzwerk verteilt und ihre Abarbeitung überwacht werden. Ergebnis der Lastrechnung sind die Zeitreihen beliebiger Schnittkraft- und Verformungsgrößen für jeden Lastfall, die für eine Weiterverarbeitung zur Berechnung der Lebensdauer und zum Nachweis zulässiger Extremwerte von Spannungen und Verformungen benötigt werden. Die Resultate werden in einem Textformat abgelegt und können z.b. mit dem alaska/xmlviewer grafisch dargestellt oder in andere Dateiformate konvertiert werden. Institut für Mechatronik e.v., Chemnitz 11