Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und
Energiesystemtechnik
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Energiesystemtechnik

WTsim

Echtzeitfähige Simulation von Windturbinen

für die Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Windturbinen-Controllern und -Steuerungen.

Der Einsatz von simulierten Windturbinen bei der Entwicklung, dem Prüfen und Optimieren von Steuerungen und Controllern von Windenergieanlagen reduziert die Risiken einer fehlerhaften Steuerung auf dem Feld und senkt deutlich Zeit und Kosten bis zur erfolgreichen Inbetriebnahme – besonders von Off-Shore Windenergieanlagen.

Die Windturbine in Ihrer Entwicklungsumgebung

Bei der Entwicklung von Steuerungen für Windturbinen entscheidet ein frühes und wiederholtes Testen der Steuerung über die Geschwindigkeit und Qualität der Entwicklung.

Mit WTsim steht eine performante und anpassbare Simulation auf Basis von Matlab/Simulink® zur Verfügung, die jedem Entwickler viel Zeit und Aufwand bei dem Aufbau der Steuerung für den Windturbinen-Controller spart.

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WTsim/HIL – die Windturbinen Hardware-in-the-Loop Platform

Die Virtuelle Windkraftanlage für die Echtzeit-Controller-Prüfung (WTsim/HIL) ist eine Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulationsplattform für die Prüfung von Windenergieanlagen-Steuerungen. Sie ermöglicht die umfassende, automatische Prüfung der kompletten Steuerung: Controller-Software und Hardware, einschließlich dynamischer Steuerung sowie der Überwachungssteuerung.

Im WTsim/HIL-Ansatz wird die Dynamik einer Windturbine aus der Sicht einer Turbinensteuerung Echtzeit auf einer Standard-Industrieumgebung emuliert. Dabei reagiert die simulierte Windturbine auf alle Eingangssignale der Steuerung wie eine reale Turbine.

Automatisches Testen

Ein Batch-Modus bietet die vollautomatische Verarbeitung verschiedener Lastfällen, wie z.B. unterschiedliche Windfelder, Extremereignisse und Netzfehler. Auf diese Weise können industrielle Windturbinenregler systematisch unter reproduzierbaren Umweltbedingungen getestet werden, Fehler frühzeitig erkannt und einer Zertifizierung vorbereitet werden.

Systemübersicht

Die Testplattform WTsim/HIL besteht aus zwei Komponenten. Über einen Host-Computer erfolgt die Konfiguration und Steuerung der Plattform und werden die Ergebnisse der Simulation anzeigt. Über einen Industrie-PC läuft die Echtzeitsimulation der Windturbine, die die Zeitreihen und Messwerte der Ausgänge der simulierten Windkraftanlage detailliert zurückliefert.

Der originäre Turbinenregler, der das dynamische Kontrollsystem ausführt (üblicherweise eine speicherprogrammierbare Steuerung [SPS] ) wird über die Original-Schnittstellen (in der Regel eine Kombination aus einem Feldbus und analogen und digitalen Ein- und Ausgang) direkt an die simulierte Windturbine angeschlossen.

Das Windturbinen-Modell

Zur Beschreibung der Windenergieanlage in der Simulation wird ein flexibler, modulbasierter Modellierungsansatz auf Basis von Matlab/Simulink® eingesetzt. Hierdurch kann das Modell leicht durch Anpassungen der Anzahl der mechanischen Freiheitsgrade und durch Verwendung von Untersystemblöcken mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad für Aerodynamik, Generatorsystem, Pitch-System usw. angepasst werden. Darüber hinaus ist das Windturbinen-Modell eng an Modelle aus der Steuerungentwicklung angelehnt, um so eine gute Balance der Modellkomplexität herzustellen, die bei einer Echtzeit-Fähigkeit die Genauigkeit anderer weit verbreiteten Simulationumgebungen (Bladed und Flex5) erreicht.

Anpassungen und Dienstleistungen

Da sowohl die Turbinen und deren Steuerung (in Hard- und Software) bei verschiedenen Herstellern variiert, bieten wir

  • Anpassung der simulierten Windturbinen-Modelle an die spezifische Windkraftanlage,
  • Umsetzung der simulierten Windturbine auf verschiedener Automatisierungshardware
  • Unterstützung für die Integration von kundenspezifischen Funktionen.

Darüber hinaus bieten wir die Projektierung und den Aufbau themenferner, vergleichbarer Hardware-in-the-Loop (HIL) Komponententeststände an. Die verfügbare Software-Umgebung wurde entwickelt, getestet, erprobt und erlaubt die Erstellung und die automatische Abarbeitung von definierten Testfällen und Testprozeduren.

Damit können HIL-Tests im Sinne eines Qualitätsmanagements in die Entwicklungs- und Inbetriebnahmeprozesse für verschiedene Komponenten eingebunden werden.

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