Hardware-in-the-loop wind turbine system test benches and their usage for controller validation

• Nutzung von Hardware-in-the-Loop Systemprüfständen für Windenergieanlagen zur Reglervalidierung

Jassmann, Uwe; Abel, Dirk (Thesis advisor); Monti, Antonello (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung von Hardware-in-the-Loop (HiL) Systemen für Systemprüfstände, um den Betrieb moderner Windenergieanlagen mit aktivierter, unmodifizierter Hauptsteuerung an diesen Prüfständen zu ermöglichen. Darüber hinaus stellt die Entwicklung einer Modellbasierten Prädiktiven Regelung für Windenergieanlagen einen zweiten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es unterschiedliche HiL-Verfahren zu entwickeln und zu untersuchen inwieweit sie für die Erprobung von Windenergieanlagen, ausgestattet mit einer modellbasierten Regelung, an Systemprüfständen geeignet sind. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird hierzu exemplarisch eine Modellbasierte Prädiktive Regelung entwickelt, die auf Basis eines reduzierten Windenergieanlagenmodells und ohne zusätzliche Sensorik, die mechanischen Belastungen der Windenergieanlage verringert und ihre abgegebene elektrische Leistung verstetigt. Durch die Implementierung einer Move-Blocking Strategie wird gezeigt, dass der Rechenaufwand der Modellbasierten Prädiktiven Regelung deutlich gesenkt und sie hierdurch, gemeinsam mit einer Kalman-Filter-basierten Schätzung der Windgeschwindigkeit, auf einer handelsüblichen Speicherprogrammierbaren Steuerung in Echtzeit ausgeführt werden kann. Das in dieser Arbeit entwickelte HiL-System besteht aus einem Signal-level HiL, zur Emulation fehlender Sensoren und Aktoren, und einem Mechanical-level HiL, zur Emulation der fehlenden Rotorträgheit und den damit verbundenen Eigenfrequenzen. Vier Verfahren für das Mechanical-level HiL System werden entworfen und bilden entweder die Trägheit, die Trägheit und die vorberechneten Eigenfrequenzen oder die Trägheit und die sich zur Laufzeit einstellenden Eigenfrequenzen ab. Diese variierende Abbildungsgenauigkeit geht mit einer unterschiedlichen Robustheit der Verfahren einher. Dies führt dazu, dass einzelne, sehr robuste Verfahren für erste Inbetriebnahmen besonders gut geeignet sind. Dies wird im Rahmen dieser Arbeit mit erzielten experimentellen Ergebnissen belegt. Andere Verfahren hingegen weisen einen sehr guten Kompromiss zwischen Robustheit und Genauigkeit auf und sind daher für die Erprobung von Windenergieanlagen, ausgestattet mit einer Modellbasierten Prädiktiven Regelung - als ein exemplarischer Vertreter moderner, modellbasierter Regelungsverfahren - geeignet, was in dieser Arbeit mithilfe umfangreicher Simulationsstudien gezeigt wird.