Simulation und Steuerung eines Windkraftgetriebes

Simulation und Steuerung eines Windkraftgetriebes Johannes Schmitz 25.5.211 Gliederung Einleitung Optimierung des Antriebsstrangs Entwicklung der Getriebesteuerung Statische und dynamische Vermessung Zusammenfassung und Ausblick 2 von 25

Konzeptidee Turbine und Hydraulikpumpe gekoppelt Hydraulikmotor treibt Generator an Stufenlose Drehzahlübersetzung Mechanische Entkopplung Überlastschutz Radialkolbenpumpe Axialkolbenmotor 3 von 25 Entwicklungsschritte Idee & Voruntersuchungen Konfiguration & Optimierung Statische Vermessung Entwicklung Steuerung Dynamische Vermessung Simulation von Wirkungsgraden Prüfstandssteuerung automatisierte Messungen Simulation des dynamischen Verhaltens Echtzeitsimulation Hardware-in-the-Loop Prototyp Anlage 4 von 25

Gliederung Einleitung Optimierung des Antriebsstrangs Entwicklung der Getriebesteuerung Statische und dynamische Vermessung Zusammenfassung und Ausblick 5 von 25 Simulationsmodell zur Optimierung des Antriebsstranges Steuerung Motoren Rotormodell Pumpen 6 von 25

Abbildung eines Axialkolbenmotors Volumenströme - Theoretischer Volumenstrom - Kennfelder der Leckage Drehmoment - Theoretisches Moment - Kennfeld für Momentsverlust Realistische Abbildung auch in extremen Arbeitspunkten Gute Genauigkeit bei vorhandenen Messdaten Q th= f(v,ω,tan(α)) Q Verl_HD= f(ω,α,p HD) Q HD = Q th Q Verl_HD Q Verl_ND= f(ω,α,p ND) Q T= Q Verl_HD+Q Verl_ND Q ND = Q th + Q Verl_ND M Abtr= M th+/- M Verl M th= f(v, p,tan(α)) M Verl= f(ω,α, p) 7 von 25 Ausgewähltes Konzept Zwei Kreisläufe Drei verschiedene Arbeitspunkte Komponenten 2 Pumpen (7 & 28 knm) 3 verstellbare Motoren 1 Konstantmotor 2 Generatoren 321 8 von 25

Simulationsergebnis Gesamtwirkungsgrad - 1 MW Rotor - Wirkungsgradkennfelder wurden skaliert Drehsteifigkeit des Triebstrangs - Turmschatten-Effekt - Windböen Drehmomentstößewerden geglättet overall efficiency [%] torque [knm] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 35 3 25 2 15 1 5 turbine power overall efficiency 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 wind speed [m/s] torque from wind torque turbine shaft turbine rotation speed 7 71 72 73 74 75 76 77 78 79 8 time [s] 1 8 6 4 2 32 31.8 31.6 31.4 31.2 31 3.8 3.6 power [kw] rotation speed [rpm] 9 von 25 Gliederung Einleitung Optimierung des Antriebsstrangs Entwicklung der Getriebesteuerung Statische und dynamische Vermessung Zusammenfassung und Ausblick 1 von 25

omgrotor omg_rotor Integrierer1 Signal5 i l M SMR Rotorwelle M_Pumpen P1 Ventile Blasenspeicher2 P2 HD_P2 RSV_P2 ND2 P2_aus Ventil_P2 Q_Ventil_P2 Speisepumpe HD_P1 Schlauch_P1 Schlauch_P2 Q_P1 Q_P2 PanM3 p_hd1 Q p H2S HD_M1 Q_P2zuP1 DBV_P1 Q_DBV_P1 V5 RSV_P2zuP1 HD_M234 Ventil_P1zuP2 DBV_P2 Q_DBV_P2 Q_P1zuP2 Q_ND p_hd2 Q RohrND ph2s1 Q_DBV_ND Ausgang DBVstatisch2 ND1 Haehne Q_M1 V4 V3 V2 V1 Motoren Ventil_M1 Ventil_M2 Ventil_M3 Ventil_M4 M4 M3 M2 M1 RSVM2 RSVM3 Stellzeit_M1 V_M1 RSVM1 Stellzeit_M2 V_M2 Stellzeit_M3 V_M3 Ventil_Druckaufbau RSVM4 Stellzeit_M4 V_M4 schw_m1 schw_m2 schw_m3 schw_m4 Motor1 Motor2 Motor3 Motor4 Kopplung von Matlab Simulink mit DSHplus Rotormodell und Steuerung Simulationsmodell der Hydraulik 11 von 25 Simulationsergebnisse Schaltpunkte AP 1 AP 2 AP 3 Rotordrehzahl [U/min] Schwenkwinkel Druck [bar] [-1] 35 3 25 2 15 1 5 Rotordrehzahl M_Prüfstand M_Soll 45 1 25 46 11 26 47 12 27 48 13 28 49 14 29 5 15 3 51 16 31 52 17 32 53 18 33 54 19 34 55 2 35 56 21 36 57 22 37 58 23 38 59 24 39 6 25 4 61 26 41 62 27 42 63 28 43 64 29 44 65 3 45 Zeit [s] 35 1 HD1 3.8 HD1 Soll 25 HD2 2.6 HD2 Soll 15.4 1.2 5 Rotordrehzahl M_Prüfstand M_Soll Motor 1Motor 1 Motor 3Motor 3 Motor 4Motor 4 45 1 25 46 11 26 47 12 27 48 13 28 49 14 29 5 15 3 51 16 31 52 17 32 53 18 33 54 19 34 55 2 35 56 21 36 57 22 37 58 23 38 59 24 39 6 25 4 61 26 41 62 27 42 63 28 43 64 29 44 65 3 45 Zeit [s] 35 3 25 2 15 1 5 Lastmoment [knm] 12 von 25

Simulationsergebnisse Dauerlauf Druck [bar] Rotordrehzahl [U/min] 35 14 3 12 25 1 2 8 15 6 1 4 Windgeschwindigkeit 5 2 Rotordrehzahl 5 1 15 2 25 3 Zeit [s] 35 3 HD1 HD2 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 Zeit [s] Windgeschwindigkeit [m/s] 13 von 25 Simulationsergebnisse Dauerlauf Arbeitspunkte 35 Rotordrehzahl [U/min] Drehmoment [knm] 3 25 2 15 1 5 35 3 25 2 15 1 5 optimale Strömung am Rotor Rotordrehzahl 3 6 9 12 15 Windgeschwindigkeit [m/s] M_Prüfstand M_Soll 5 1 15 2 25 3 35 Rotordrehzahl [U/min] 14 von 25

Gliederung Einleitung Optimierung des Antriebsstrangs Entwicklung der Getriebesteuerung Statische und dynamische Vermessung Zusammenfassung und Ausblick 15 von 25 Integration in den Prüfstand Herausforderung Hohes Drehmoment Dynamische Lasten Begrenzte elektrische Leistung Prüfstandlayout Hydrostatische Energierückführung Generatoren ersetzt durch Elektromotor und Pumpe Turbine wird durch Radialkolbenmotor abgebildet Verspannung wird über Verstellpumpen eingestellt 16 von 25

HD_antrieb p Q H2S2 K q_speisung Q_Speisung ND_antrieb1 HD_Antrieb p Q H2S1 ND_Antrieb DBVstatisch4 RSV1 DBVstatisch2 Q_Tank_Antrieb schw_p1 A4_75_1 schw_p2 A4_75_2 T_stell1 schw_pumpen T_stell2 Hgg_Motor M2 schw_p1_soll schw_p2_soll omg_rotor 1 2 M1 Rotor schalt_motoren schw_motoren schw_m4_soll schw_m1_soll schw_m3_soll Hgg_Pumpe T_stell3 T_stell5 schw_m2_soll T_stell4 V2 V4 schw_m4 schw_m3 V3 Antrieb V1 Motor4 Motor3 schw_m1 HD_Getriebe Motor1 ND_Getriebe RSV2 DBVstatisch1 DBVstatisch3 Q_Tank_Getriebe p Q H2S3 p Q H2S7 ND_getriebe Q-Speise HD_getriebe K Konstante2 Getriebe Windkraftprüfstand am IFAS Prüfstandsantrieb Hydrostatisches Windkraftgetriebe 17 von 25 Inbetriebnahme der Steuerung Wichtige Funktionen können nicht am Prüfstand getestet werden Inbetriebnahme in Co-Simulation Vereinfachtes Prüfstandsmodell in DSHplus 18 von 25

Struktur des Messsystems Steuern Aufzeichnen 19 von 25 Anforderungen um das Getriebe dynamisch zu vermessen Testen unter möglichst realen Bedingungen Rotorträgheit muss berücksichtigt werden - Großer Einfluss auf Dynamik - Entscheidend bei Betriebsstrategie Windlasten sind entscheidend für die Getriebelasten - Aufprägen von dynamischen Windkennfeldernaus Messungen - Generierung eines Drehmomentsin Abhängigkeit - Windgeschwindigkeit - Rotordrehzahl - Pitchwinkel der Rotorblätter - Turmschatteneffekt 2 von 25

Simulation der Windkraftanlage für dynamische Messungen Rotor und Wind werden in Echtzeitsimulation abgebildet Prüfstandsantrieb überträgt die Drehzahl in der Simulation auf den Prüfstand Hydrostatisches Getriebe wird von Steuerung eingestellt Lastmoment am Prüfstand wird in Simulation zurückgeführt Messungen unter realen Windverhältnissen 21 von 25 Messergebnis mit dynamischen Windlasten Dynamischer Wind bis 12 m/s Drehmomentgleichgewicht am Rotor Schalten zwischen zwei Verdrängervolumen Ein Motor wird zu-/ abgeschaltet 22 von 25

Gliederung Einleitung Optimierung des Antriebsstrangs Entwicklung der Getriebesteuerung Statische und dynamische Vermessung Zusammenfassung und Ausblick 23 von 25 Zusammenfassung und Ausblick Entwicklungsarbeit erfordert viele Teilschritte bis zum Prototypen Simulationen helfen Optimierungsarbeit zu beschleunigen Fehler in Steuerungen und Regelungen können frühzeitig erkannt werden HIL ermöglicht auch komplexe Zusammenhänge am Prüfstand zu realisieren Weitere Optimierung des Getriebes auf Basis der Messdaten Verbesserung der Betriebsstrategie Erweiterung der Steuerung um Notfallfunktionen 24 von 25

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen & Anregungen? 25.5.211