Förderprojekt VirTuOS

 

Virtualisierung der Testverfahren von Windenergieanlagen durch Online Services

01.01.2023

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.01.2023 bis 31.12.2025
Akronym:
VirTuOS
Gruppe:
Antriebssysteme
Fördergeber:
BMWK

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+49 241 80-28034

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Motivation

Windenergieanlagen, kurz WEA, sind ein essentieller Bestandteil der Energiewende, indem Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Hierbei ist die Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des Systems Windenergieanlage unabdingbar, um Betriebssicherheit und das gewünschte Verhalten im Normalbetrieb und in Ausnahmesituationen zu gewährleisten. Um den Zeitaufwand und die damit einhergehenden Kosten zur Ermittlung dieser Eigenschaften zu reduzieren, wurden in der jüngsten Vergangenheit große Anstrengungen unternommen, um entsprechende Tests für Windenergieanlagen auf Gondelprüfständen durchzuführen. Die zugrunde liegende Idee ist, Teile des Gesamtsystems der realen Windenergieanlage durch Echtzeitsimulationen der fehlenden Komponenten zu ersetzen. Obwohl solche Tests auf Systemebene die Flexibilität und Reproduzierbarkeit erhöhen, sind sie doch mit einem aufwändigen mechanischen Testaufbau verbunden. Um diesen Aufwand weiter zu reduzieren, soll das Prüfstandskonzept auf Komponentenebene reduziert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Tests auf Gondelprüfständen erfolgt die Lastaufprägung bei umrichterbasierten Komponentenprüfständen rein elektrisch, sodass vollständig auf mechanische Prüfstands- und Prüflingskomponenten verzichtet wird. Ziel ist, ein realistisches WEA-Verhalten auf elektrischer Leistungsebene mehrerer Megawatt im Labor nachzubilden und mit dem vorhandenen Prüfling zu koppeln. Im Projekt wird die Entwicklung eines solchen Gesamtsystems und die Erbringung eines experimentellen Funktionsnachweises angestrebt.

 

Projektziele und Methoden

Im Projekt VirTuOS sollen auf Hardware-in-the-Loop (HiL) basierende Testverfahren für das gesamte Umrichtersystem einer WEA entwickelt werden. Im Gegensatz zu bereits etablierten Mechanical-level HiL-Verfahren, gewährleistet das zu entwickelnde Power-level HiL (PHiL) System die realistische Nachbildung elektrischer Größen an den Schnittstellen des Prüflings. Die reduzierte Komplexität des physischen Aufbaus wird dabei durch komplexere Echtzeitsimulationen der emulierten Komponenten ausgeglichen. PHiL-Systeme werden hierbei zur Nachbildung der generatorseitigen Windenergieanlage und des elektrischen Netzes verwendet. Das simulierte Verhalten soll schlussendlich mithilfe von Emulationsumrichtern an den realen Schnittstellen des Prüflings aufgeprägt werden. Essentieller Bestandteil des Projekts ist dabei der Aufbau eines Prüfstandes der Megawatt Leistungsklasse am Center for Wind Power Drives, kurz CWD, der RWTH Aachen University, auf dem das HiL-Konzept in Kombination mit Prüfstand und Prüfling experimentell validiert wird. Dies erfordert fortschrittliche PHiL Methoden zur Kopplung von Simulation und Prüfstand sowie innovative Regelungsansätze, welche die notwendige Systemstabilität und -performanz gewährleisten. Ebenfalls werden Vernetzungskonzepte untersucht, die die Möglichkeit des geographisch verteilten Rechnens und die Kopplung dieser Simulationen mit den PHiL-Systemen eröffnen sollen.

 

Innovationen und Perspektiven

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Die Einführung neuartiger Testprozesse ermöglicht einen Innovationsschub für die gesamte hiesige Windbranche und kann als Wegbereiter für die fortschreitende Revolution von Testprozessen für WEA dienen. Die Innovation resultiert hierbei aus dem Prüfstandskonzept mit zwei PHiL-Systemen, welche die Einbettung des Prüflings in ein holistisches Emulationssystem ermöglichen. Weiteres Innovationspotential besteht zudem in der Vernetzung von geographisch verteilten, virtuellen und realen, Systemkomponenten, zu einem virtuellen Gesamtsystem. Die Erforschung und Vereinheitlichung geeigneter Schnittstellen und Kommunikationsstandards erlaubt unterschiedlichen Stakeholdern, die sogenannten virtuellen Komponenten selbstständig zu verknüpfen und so die bereitgestellte Testinfrastruktur zu nutzen. Dabei wird der Prüfstand als Infrastructure-as-a-Service (Iaas) konzipiert, was es ermöglicht, die Interaktion des realen Prüflings mit virtuellen Komponenten bereits in frühen Entwicklungsstadien zu untersuchen und daraus Erkenntnisse für die Weiterentwicklung zu gewinnen. Das Projekt als Konzeptstudie bereitet somit den Weg um den Standort Deutschland langfristig als Innovationstreiber in der Windbranche zu sichern.

 
Projektpartner assoziierte Partner