Institut für Mechatronik, Chemnitz

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1 Modellbasierte Entwicklung von Windenergieanlagen - MBE-Wind Albrecht Keil Institut für Mechatronik e.v. Reichenhainer Straße Chemnitz Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

2 Institut für Mechatronik, Chemnitz Modellierung und Simulation von Bewegungen und den zugehörigen Kräften eingetragener Verein, gegründet 1992 juristisch und wirtschaftlich selbständig 20 Mitarbeiter GmbH für Verkauf, Schulung, Support von alaska Domänen Mehrkörperdynamik, Systemdynamik FEM und MKS-FEM-Kopplung Modelle für physikalisch heterogene Systeme 2 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

3 Institut für Mechatronik, Chemnitz - Geschäftsfelder allgemeines MKS-Tool alaska Technologiespeicher, Lizenzen, Support Anwendungen (Modelle), Fallstudien maßgeschneiderte Simulatoren Simulation von Belastungen und Bewegungen für technische und Mensch-Maschine-Systeme effiziente und robuste Algorithmen Theorie und Software anwendungsspezifische Modellelemente/Modellgeneratoren Prä- und Postprozessing am Prozess des Kunden orientiert angepasste Bedienoberflächen 3 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

4 Projekt MBE-Wind gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Laufzeit November 2007 Oktober 2010 Partner Bosch Rexroth AG Nordex Energy GmbH TÜV Nord SysTec GmbH & Co KG Arbeitsschwerpunkte WEA-Modelle mit variabler Auflösung (allgemeines MKS) Anwendungstechnologie am WEA-typischen Prozess orientiert einheitliche Modellierungsbasis für verschiedene Anwender validierte Modelle von Subsystemen zur automatischen Generierung von Anlagenmodellen 4 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

5 Vorarbeiten, Herausforderung Vorarbeiten allgemeines MKS-Simulationswerkzeug alaska (IfM) branchenspezifische Erweiterung alaska/wind (entwickelt im Auftrag von Nordex in den Jahren ) Die Simulation der Dynamik von WEA mit variabler Modellierungstiefe ist damit möglich. Aber: Herausforderung zentrale Prozessunterstützung notwendig ( sonst permanente Validierung von Software und Simulationsmodellen mit inkompatiblen Schnittstellen) unterschiedliche Kompetenz der Bearbeiter berücksichtigen (Anlage, Subsysteme, Regelung/Betriebsführung, Lastrechnung) unterschiedliche Schnittstellen Nutzung/Entwicklung von Modellen Projektidee MBE-Wind 5 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

6 Projektziele Prozess-Unterstützung Unterstützung verschiedener Teilaufgaben separate Subsystem-Untersuchungen, Modellbasis für Steuerung/Betriebsführung, hochaufgelöste Gesamtanlage, Lastrechnung effiziente Nutzung für Anwender unterschiedlicher Kompetenz Einordnung in vorhandene Prozesse (Pre- und Postprozessing) Lastrechnung als zentraler Prozess Zielprozess Modelldefinition Modelldefinitionen Parametersätze Entwicklung von Anlagen und Komponenten Parametersätze getestete Datenbasis Lastrechnung Auswertung Lastfalldefinitionen Betriebsführung und Regelung Resultate zusammen mit verwendetem Modell und Daten für Nachweis 6 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

7 Projektziele Ziele für die Entwicklung von Simulationstechnologie a) Modellierungs-Framework Entwicklung konsistenter Subsystem-Modelle unterschiedlicher Tiefe und Funktionalität b) Generierung von Anlagen-Modellen Kombination von Subsystem-Modellen zu Simulationsmodellen alaska, alaska/wind WORKBENCH kompletter Anlagen ohne MKS-Modellierungs-Know-How c) Branchenspezifische Schnittstellen Nutzung brachenüblicher Blatt- und Turmbeschreibungen Zugriff auf herstellerspezifische Steuerung/Betriebsführung Last-Szenarien nach Regelwerk (Wind, Wellen, Betrieb) Lastfallkonzept (Beschreibung, Berechnung, Auswertung) d) Validierte Modelle Vergleich der Windlasten mit Ergebnissen etablierter Entwurfswerkzeuge (Flex5, Bladed), Bewertung von alternativen Algorithmen Bewertung von Subsystem-Modellen, Abgleich mit Experimenten 7 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

8 Modellierung von Subsystemen MKS-Modellierung (Kompetenz) (Projektziel a) Framework Vorlagen (Templates) für den Entwurf neuer Subsystemmodelle Grundfunktionalität der Baugruppe, Anlagentopologie Kommunikation zwischen den Subsystem-Modellen Schema zur Bedatung Framework GearBox.mdl i, η, c t data.xml Beschreibung von Lastfällen (welche Parameter) Simulationsmodell einer kompletten Anlage in Minimalauflösung (Flex5) Entwicklung neuer Subsystem-Modelle es werden stets nur Subsysteme modelliert Verwendung der Basis-Modelle oder Vorlagen Testumgebung: alaska/modellerstudio Modellfunktionalität und tiefe im Rahmen der MKS-Bibliotheken alternativ verwendbare Submodelle GearBox1.mdl data1.xml GearBox2.mdl data2.xml 8 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

9 Arbeit mit Anlagen-Modellen WEA-Kompetenz (Projektziel b,c) Workbench - Funktionalität Generieren von Blatt- und Turmmodellen Beispiel: Modellierung der Anlage Submodell-Bedatung (Werte für Parameter) Kombination von Submodellen zu kompletten Anlagenmodellen Definition und Verwaltung von Lastfällen Simulation von Lastfällen Modellstruktur (konfigurierbar) Auswahl von Submodellen (Parametersätze) Submodell- Parameter ändern 9 3. Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

10 Arbeit mit Anlagen-Modellen WEA-Kompetenz (Projektziel b,c) Workbench Lastfälle und Berechnung Lastfallverwaltung Lastfallübersicht Berechnungen starten Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

11 Nutzung von alaska/wind und Workbench (Projektziel b,c) Subsysteme modellieren, Modelle und Lastfälle testen FRAMEWORK alaska/wind BasisModel.mdl i, η, c t data.xml Submodel1.mdl data1.xml Submodel2.mdl data2.xml Subsysteme und Lastfälle nutzen Datenbank WORKBENCH getestete Lastfallbeschreibungen Zusammenstellung von Submodellen zu Anlagenmodellen BATCH viele(!) Lastfälle Resultate Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

12 Branchenspezifische Schnittstellen (Projektziel c) Schnittstellen Verarbeitung von Blatt- und Turmbeschreibungen für Flex5 Verarbeitung von aerodynamischen Beiwert-Tabellen für Flex5 Bladed-kompatible Schnittstelle für Regelung/Betriebsführung Resultatkonvertierung (FlexView) Einsatz von Subsystem- und Anlagenmodellen in Matlab/Simulink- Umgebungen Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

13 Validierte Modelle (Projektziel d) Beispiel Windkraftberechnung angepasste Anlagenmodelle - Idealisierung Test-Lastfälle für isolierte Effekte identische Anlagen in alaska und Flex und Bladed relevante Sensoren Schlagmoment, Wind 8m/s, Turmschatten Beispiel Getriebemodellierung, Planetengetriebe 2,5MW Hilfsgetriebe mit Bremse Prüfstandsversuch Prüfgetriebe mit Sensorik Modell des Prüfstandsversuches Abgleich von Drehschwingungsmodellen (DRESP) starre Lagerung des Getriebes flexible Lagerung des Getriebes Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009

14 Zusammenfassung erreichter Stand seit 10/2009 nutzbares System Modell in Flex5-Auflösung als Startpunkt Validierung des Windkraftmoduls fast abgeschlossen Demonstration des Nutzungskonzeptes am Beispiel zu tun Test des Gesamtsystems, Integration weiterer hoch aufgelöster Subsysteme Lastfälle mit einfachem und hoch aufgelöstem Anlagenmodell Vergleich der dabei berechneten Lasten Solver-Technologie, mehr als 1000 Lastfälle, einige hundert Sensoren Wissenschaftstage des BMU zur Offshore-Windenergienutzung, Oldenburg, 17./18. November 2009