alaska/wind - Systemdynamik von WEA

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1 alaska/wind - Systemdynamik von WEA mit einem allgemeinen MKS-Tool Institut für Mechatronik Stand, Entwicklungsziel alaska/modellerstudio MKS-Modell der Anlage Erweiterung des Standard-Tools relevante alaska-module Beispiel alaska/wind wurde entwickelt durch Nordex Energy GmbH Institut für Mechatronik e.v.

2 Institut für Mechatronik Kernkompetenz virtuelles Engineering, speziell Bewegungs- und Belastungssimulation Software Kern-alaska alaska-module kundenspezifische Simulatoren Methoden Mechanik, Elektromechanik Numerik Modellierung Softwaretechnik Engineering Modellierungsprojekte Softwareanpassung Fallstudien

3 Simulation von WEA Lastberechnung Versicherung der Anlagen, Zertifizierung Vorschriften der Versicherer (GL-Richtlinie) Spezialprogramme für WEA Bladed (UK), Flex5 (Dänemark) festes Modell der gesamten Anlage fester Satz von Modellgleichungen, kein Modelliersystem Stärke: Wind und Wellen Lebensdauer Genauigkeit der Lastannahmen Baugruppen separate Modelle und Werkzeuge Dresp, Matlab/Simulink, FEM Probleme wenig Innovationspotential für den Systementwurf zu grobes Modell für Sonderlastfälle Zahl der geforderten Lastfälle steigt ständig

4 Entwicklungsziel einheitlicher Ansatz, ein Modell Zertifizierung Baugruppenentwurf Anlagenentwicklung Wind und Wellen State-of-the Art Lastfall- Modellierung Lastfall-Rechnung Batch detaillierte Modelle einzelner Baugruppen Getriebe Bremssystem Antriebssysteme separate Nutzung montierbar freie Modellierung neuer Konzepte Modellierungstiefe je nach Fragestellung Montage vorhandener Modelle Erweiterung von alaska alaska/wind

5 alaska/modellerstudio Modellierung interaktive grafisch unterstützte Modellerstellung MKS-Standardbibliothek: Körper, Gelenke, Kräfte Definition eigener anwendungsspezifischer Elemente Modellierung in Absolut- oder Relativkoordinaten Simulation Anfangslagen- und Gleichgewichtslagenberechnung Integration mit verschiedenen Lösern lineare Systemanalyse (beliebiger Arbeitspunkt) Parameterstudien, Lastfallrechnung Auswertung online Animation des Modells im 3D-Viewer online Plot und Export von Ergebnissen Fast Fourier Transformation

6 MKS - Modell der Windenergieanlage Vorschlag für Modellstruktur Basistemplates Nabe mit Blättern Hauptwelle Turm Getriebe Kupp- Generator lung Maschinenträger MKS-Standard plus flexible Körper selbständig lauffähige Submodelle Turm, Blatt, Nabe, Getriebe, schnelle Welle etc. flexibel austauschbar, z.b. anderes Blatt Submodelle frei kombinierbar z.b. hochaufgelöster Triebstrang für Sonderlastfall Modell in Absolutkoordinaten (Flansche) beliebige Ergänzung um Modellelemente aus dem Standard-alaska Steuerung als DLL angebunden, zeitdiskrete Systeme Container mit Variablen für die Lastrechnung über XML-File mit Parametern versorgt flexible Anwendung Modellierungstiefe beliebig veränderbar zusätzliche Submodelle, z.b. für Antriebe mehr Moden für flexible Körper weitere flexible Körper aus FEM-Modellen variable Nutzung der Baugruppenmodelle

7 Erweiterung von alaska Defizite Wind- und Wellenkräfte Szenarien für Lastfälle Modellierung von Wind und Wellen Steuerung, Betriebsführung Schnittstelle, Firmen-Kompetenz Forderungen Niveau der Spezial-Tools bei Wind und Wellen Lastrechnung am Wochenende - Rechenzeiten für Standardmodell nahe Echtzeit ca. 250 Lastfälle mit je 600 Sensoren Produktionslastfall: 10min Wind, 1ms Abtastrate Entwicklungsbedarf Standard-Kraftelemente nicht ausreichend keine Formel für Windkraft Aerodynamik des Rotors als Ganzes

8 Berechnung von Windkräften auf das Blatt Physikalisches Modell Diskretisierung (Blattelemente, Blade-Stations) flexibler Körper - FEM-Balken Knoten Vorkrümmung Drehung um die Längsachse Masse, Steifigkeit, eingeprägte Kräfte Aerodynamik Tragflügel statische Beiwerte C L, C D, C M über Anströmwinkel Geschwindigkeit des Blattes Präprozessor Blattschnitt Wind-Koordinatensystem (Frame2) 2 Segment-Koordinatensystem Anströmwinkel α Wind Drag Lift

9 Aerodynamik Induziertes Windfeld (Wake Modell) Korrektur des Windes, den das Blatt sieht Propellertheorie Drehzahl Anzahl der Blätter Equilibrium (BEM) Gleichgewicht an jeder Station Iteration Dynamic Wake Ansatz U + U - Dynamisches Stall-Modell Korrektur der statischen Beiwerte für α& Methode nach Beddoes- Leishman Helicopter Semi-empirisch Ablösen der Strömung statisch dynamisch

10 Modellierung des Windes mittlerer Wind in Nabenhöhe analytischer Ausdruck für Geschwindigkeit, Richtung, Neigung vordefinierte, parametrisierbare Modelle für Böen Richtung und Stärke Überlagerung von Turbulenz ja/nein Höhengradient Turmvorstau ebene Potentialströmung verschiedene Modelle Gitter - Geometrie Spektrum (z.b. Kaimal) Zeiten, Frequenzen Kohärenz Zufall nominaler Wind+Höhe Turbulenz Präprozessor Turbulenzfiles Zeitreihe je Gitterpunkt Rechteck dreidimensional

11 Relevante alaska-module alaska/wind alaska/flexible Erweiterung auf flexible Körper modaler Ansatz Anzahl der Moden frei wählbar Basis sind FEM-Modelle Schnittstelle zu ANSYS Berechnung von Wind- und Wellenkräften Rotor-Aerodynamik wählbares Modell für induzierten Wind (Equilibrium, Dynamic Wake) Dynamic Stall (Beddoes-Leishman) Modellierung von Wind-Szenarien Turbulenzfiles (Generierungsprogramm) Böenmodelle mit und ohne Turbulenz deterministischer Wind (arithmetischer Ausdruck)

12 Relevante alaska-module alaska/gear alaska/sfunction Kopplung zu Matlab/Simulink Modellkopplung alaska-modell als kontinuierliches System Matlab integriert, linearisiert, Co-Simulation alaska-modell als zeitdiskreter Block effiziente Erstellung hochaufgelöster Triebstrangmodelle Zahnkraft-Elemente schlupfbasiert oder geometriebasiert Wälzlagermodelle in verschiedenen Modellierungstiefen Wellen, Reibelemente etc. Modellierung konsistenter Anfangslagen

13 Startvorgang und Notstopp der Anlage Beispiel