Antriebssysteme

  Prototyp der 3-MW-Windenergieanlage "W2E-120/3.0fc" von W2E Wind to Energy GmbH Urheberrecht: © W2E Wind to Energy, 2020

Die Gruppe Antriebssysteme ist Teil der Abteilung Energiesysteme und forscht an neuartigen regelungstechnischen Verfahren für den breiten Anwendungsbereich der Antriebssysteme. Forschungsschwerpunkte sind hierbei die Regelung und das Testen von Windenergieanlagen, sowie die Regelung neuartiger Verbrennungsprozesse.

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Maximilian Basler

Gruppenleiter Antriebssysteme

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Windenergie

Die Gruppe Antriebssysteme forscht an regelungstechnischen Lösungen für den gesamten Anwendungsbereich der Windenergiesysteme. Hierbei stehen sowohl die Regelung einzelner Windenergieanlagen und Parks als auch die Entwicklung und Umsetzung multi-physikalischer Hardware-in-the-Loop Systeme für Windenergieanlagen Prüfstände im Fokus.

Regelung von Windenergieanlagen

Da die Windenergie ein interdisziplinäres Forschungsfeld ist, kooperiert das Institut für Regelungstechnik als Mitbegründer des Center for Wind Power Drives, kurz CWD, der RWTH Aachen eng mit den Hochschulvertretern der verwandten Disziplinen.

Die Regelung einer Windenergieanlage verfolgt grundsätzlich zwei gegenläufige Ziele:

  • die Maximierung des Ertrags und
  • die Minimierung der Belastung.
  Windräder Urheberrecht: © RWTH

Windenergieanlagen und die dazugehörige Regelungsaufgabe zeichnen sich dabei durch folgende Eigenschaften aus:

  • Die Windenergieanlage ist ein nichtlineares System und
  • verfügt über mindestens zwei Stellgrößen: Generatormoment und Anstellwinkel der Rotorblätter. Regelungstechnisch handelt es sich daher um ein Mehrgrößensystem.
  • Das Regelungsproblem wird maßgeblich durch die schwer messbare Störgröße Wind bestimmt. Die Regelungsaufgabe kann daher als Störgrößenunterdrückung aufgefasst werden. Dies bedeutet hier, dass der turbulente, energiearme Anteil des Windes, möglichst geringen Einfluss auf die abgegebene Leistung und die Belastungen ausübt.
 
 

Gemeinsam mit Industrie- und Hochschulpartnern werden neuartige Regelungsverfahren für Windenergieanlagen entwickelt, mit dem Ziel diese in die industrielle Praxis zu überführen. Dabei stehen folgende Themen und Methoden im Fokus:

  • Die Entwicklung adaptiver Modellbasierter Prädiktiver Regelungen zur Lastreduktion im Rotorblatt, im Turm und im Antriebstrang
  • Die Nutzung von Windfeldprädiktionen in Prädiktiven Regelungen und Vorsteuerungen
  • Der Entwurf von Beobachtern zur Schätzung der Anströmungsverhältnisse und anderer nicht messbarer Anlagengrößen
  • Der Aufbau reduzierter, echtzeitfähiger White-Box Modelle
  • Die Erprobung neuer Regelungen in Co-Simulationen mit anerkannten Simulationstools wie zum Beispiel FAST, Bladed, Simpack oder alaskaWind und Umsetzung auf Industriesteuerungen
 
  Schemazeichnung der Modellprädiktiven Regelungskonzepte Urheberrecht: © IRT Exemplarische Umsetzung von Modellprädiktiven Regelungskonzepten auf Industriesteuerungen und Testverfahren im Hardware-in-the-Loop Konzept
 
 

  Enercon Windturbine E115 am 4 MW-Systemprüfstand im CWD Urheberrecht: © CWD Elektrische Vermessung einer 3,2MW Windenergieanlage auf 4MW Systemprüfstand mit Hardware-in-the-Loop Funktionalität zur Rotoremulation, siehe auch: Verbundvorhaben CertBench

Hardware-in-the-Loop Systeme für Windenergieanlagen Prüfstände

Innerhalb des Themengebietes Windenergie wird außerdem intensiv an Hardware-in-the-Loop Verfahren für Windenergieanlagengeforscht. Ziel dieser Verfahren ist die Einbettung einer Windenergieanlage der MW Leistungsklasse in ein multi-physikalisches Hardware-in-the-Loop System. Um die Dynamik der zu testenden Anlage trotz fehlender Komponenten, wie beispielsweise dem Rotor, auf dem Versuchsstand zu reproduzieren und die Auswirkungen elektrischer Fehlerfälle untersuchen zu können, werden elektromechanische und hydraulische Antriebseinheiten verwendet, die realistische Lastaufprägungen in allen Freiheitsgraden ermöglichen. Eine Nachbildung des realen Netzverhaltens ist durch die Verwendung eines Netzemulators gewährleistet. Die in diesem Bereich erzielten Forschungsergebnisse werden aktiv in die Normung zur elektrischen Zertifizierung von Windenergieanlagen eingebracht.

Die regelungstechnischen Herausforderungen multi-physikalischer Hardware-in-the-Loop Systeme sind:

  Schema: Systemprüfstand und Windenergieanlage in Hardware-in-the-Loop Urheberrecht: © IRT Schematische Übersicht: Systemprüfstand und Windenergieanlage eingebettet in Hardware-in-the-Loop System
  • Das Gesamtsystem weist elektromechanische Interaktionen auf und
  • muss variabel auf unterschiedliche Windenergieanlagen angepasst werden können, um eine optimale Aufprägung realistischer Lasten zu ermöglichen.
  • Die Emulation fehlender Komponenten, wie dem Rotor und dem Turm, mit dem Ziel die reale Anlagendynamik auf Prüfständen zu reproduzieren
  • Das Regelungsproblem wird maßgeblich durch vorhandene dynamische und parametrische Systemunsicherheiten bestimmt. Totzeiten, induziert durch die Kommunikation einer Vielzahl an Teilsystemen, sind unvermeidbar und tragen gemeinsam mit der zusätzlich unbekannten Dynamik des Windanlagenreglers der zu testenden Gondel und der Dynamik des elektrischen Systems zur erschwerten Reglersynthese bei.

Bisher konnte das entwickelte Hardware-in-the-Loop Verfahren erfolgreich mit unterschiedlichen Stand der Technik Windenergieanlagen von namhaften Industriepartnern sowie einer eigenständig automatisierten Forschungswindenergieanlage der multi-MW Klasse validiert werden. Folgende Themen und Methoden werden dazu stets weiterentwickelt und bilden den inhaltlichen Rahmen der Forschung:

  • Die Entwicklung Modellbasierter Prädiktiver Regelungen und Robuster Regelungsverfahren zur Kompensation der Eigendynamik der Testeinrichtung, um eine exakte Aufprägung berechneter Lasten auf die Anlage zu ermöglichen
  • Die Garantie der Stabilität der geschlossenen, stets totzeitbehafteten Regelkreise unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten
  • Die mathematische Beschreibung von Unsicherheiten und deren Berücksichtigung in der Reglersynthese
  • Der Aufbau reduzierter, echtzeitfähiger White und Grey-Box Modelle zur Verwendung auf der Echtzeithardware
  • Die regelungstechnische Berücksichtigung multi-physikalischer Kopplungen der im Gesamtsystem interagierenden elektrischen und mechanischen Teilsysteme unter Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitskalen
 

Verbrennungsprozesse

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Gruppe Antriebssysteme liegt auf dem Themenkomplex innovativer und neuartiger Verbrennungsprozesse und Verbrennungsmotoren. Durch die Gemeinsamkeiten der verschiedenartigen Verbrennungsprozesse ergeben sich übergreifende Herausforderungen für die Regelungstechnik:

  Motorprüfstand zur Erprobung der Regelungen von Niedertemperaturbrennverfahren Urheberrecht: © IRT Motorprüfstand zur Erprobung der Regelungen von Niedertemperaturbrennverfahren an unserem Partnerinstitut tme  
  • Verbrennungsprozesse sind nichtlinear.
  • Verbrennungsprozesse lassen sich durch Betrachtung der verschiedenen physikalisch-chemischen Prozesse wie Brennchemie, Strömungsmechanik und Thermodynamik physikalisch modellieren. Die entstehenden Modelle sind allerdings zu komplex für einen Zugang zur Anwendung in der Regelungstechnik. Daher müssen diese Modelle zum Zwecke der Regelung reduziert werden oder andere geeignete datengetriebene Modelle identifiziert werden.
  • Die Dynamik der Verbrennungsprozesse umfasst mehrere Zeitskalen. Der Prozess der chemischen Reaktionen bis zum dem Takt eines Motors decket mehrere Zeitskalen ab.
 
Erprobung der Luftpfadregler am Automotive Testing Center in Aldenhoven
Erprobung der Luftpfadregler am Automotive Testing Center in Aldenhoven
 
 

Gemeinsam mit Industrie und Hochschulpartnern forschen wir an modernen, modellprädiktiven Regelungsverfahren für Verbrennungsprozesse, die über die in der industriellen Praxis verbreiteten Verfahren weit hinausgehen. Ein weiterer Fokus liegt auf der echtzeitfähigen Implementierung der Algorithmen auf Prototypensteuerungshardware sowie der experimentellen Erprobung an Prüfständen oder in Prototypenfahrzeugen.

  • Einsatz von echtzeitfähigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungen. Hierbei können systematisch das nichtlineare Verhalten und gleichzeitig neben der Folgeregelung auch die Einhaltung von Grenzwerten berücksichtigt werden.
  • Kombination von modellprädiktiven und iterativ-lernenden Regelungen für zyklische Prozesse.
  • Nichtlineare Blackbox-Identifikation für schwierig zu modellierende Prozessbestandteile
  • Erstellung von regelungsorientierten White-Box-Modellen.
  • Nichtlineare Beobachterkonzepte, um die nicht messbaren Größen schnell und zuverlässig zu schätzen.
 

Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten

In all diesen Themenfeldern suchen wir ständig nach engagierten und motivierten Studenten für Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten. Gerne können Sie sich initiativ bei uns bewerben!

 
 

Weitere Projekte der Gruppe Antriebssysteme

Akronym Projekttitel
IntelliWindIntelligente Modelle zur selbstoptimierenden Lastreduktion bei Windenergieanlagen
HyInnoICEEntwicklung und Aufbau eines Demonstratorfahrzeugs mit hocheffizientem Wasserstoff-Verbrennungsmotor
TurboWindAdaptive Robuste Regelung von Windenergieanlagen auf Basis einer geschätzten Turbulenzintensität
DynaGETVerbesserte Auslegung von WEA-Getrieben unter Berücksichtigung dynamischer Lasten aus unterschiedlichen Triebstrangkonzepten
VAeroWindVerbesserte aerodynamische und strukturmechanische Lastvorhersage an Rotorblättern von Windenergieanlagen und deren Anwendung in einer Online-Lastschätzung
koRolaVerfahren zur kombinierten Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen
CertBenchSystematische Validierung von Systemprüfständen anhand der Typprüfung von Windenergieanlagen
Regelung Hochlast AGRLuftpfadregelung für zweistufig aufgeladene Ottomotoren mit Abgasrückführung