Lastrechnung und Systemdynamik

Die MoWiT-Bibliothek

Am Fraunhofer IWES wurde ein Berechnungsmodell zur Simulation der Lasten in modernen Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen entwickelt. Dieses Modell ist in der objektorientierten und gleichungsbasierten Open-Source-Sprache Modelica programmiert und wird in einer komponentenbasierten Bibliothek MoWiT gespeichert, die für den akademischen Gebrauch kostenlos zur Verfügung steht. MoWiT ermöglicht die Durchführung von aero-hydro-servo-elastischen Simulationen von Windenergieanlagen, das heißt sie beinhaltet Modelle von Windanströmung und Aerodynamik (aero), Wellen, Strömungen und Hydrodynamik (hydro), Regelungssystemen (servo) und Strukturdynamik (elastisch), die von der Simulationsumgebung im Zeitbereich analysiert werden können. Die Modelle sind nach WEA-Komponenten unterteilt, wie in der folgenden Abbildung für eine Offshore-Windenergieanlage dargestellt.

Modellierung für Echtzeitsimulationen

Trotz moderner Simulationsmethoden sind für die Auslegung und Zertifizierung von Windenergieanlagen Tests mit realen Komponenten unumgänglich. Um den hohen logistischen und finanziellen Aufwand für das Testen großskaliger WEA-Komponenten zu reduzieren, kann eine Kombination aus Simulationsmodellen und spezifischen Testeinrichtungen für einzelne Komponenten in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung zum Einsatz kommen.  

MoWiT wird für Hardware-in-the-Loop-Tests mit spezifischen Echtzeit-Simulatoren genutzt, um realistische und dynamische Testsituationen am Prüfstand zu realisieren. Die detaillierten Windenergieanlagen- bzw. Komponentenmodelle werden auf einem speziellen Opal-RT-Echtzeitsimulator berechnet, um optimale Schnittstellen-Kompatibilität zu erhalten. Dabei werden harte Echtzeitanforderungen mit einem Zeitschritt von 5 ms erfüllt. Ziel der Forschungsaktivitäten ist es, das MoWiT-Simulationsmodell mit dem IWES-DyNaLab-Prüfstand für zukünftige Testkampagnen zu koppeln.

Zudem ist die Verwendung eines echtzeitfähigen Simulationsmodells als digitaler Zwilling einer realen Windenergieanlage möglich. Dieses Verfahren macht die Live-Simulation eines möglichen Reglermanövers realisierbar, ohne die reale Windenergieanlage zu beeinträchtigen. Der digitale Zwilling kann auch als detailliertes Beobachtermodell für die Reglerentwicklung und/oder -verifizierung verwendet werden, um neue Regelungsstrategien zu testen. Darüber hinaus ist das Echtzeitmodell als detailliertes Beobachtermodell für zukünftige Zustandsüberwachungs- und/oder Structural-Health-Monitoring-Systeme einsetzbar.

Schwimmende Tragstrukturen und Offshore Umgebungsbedingungen

Schwimmende Tragstrukturen erhöhen die Komplexität der vollständig gekoppelten Lastanalyse des Windenergiesystems. Die freie Beweglichkeit einer schwimmenden Windenergieanlage führt zu Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Struktur. Dies ist vor allem für die hydrodynamischen Berechnungen relevant, da hier zum Beispiel der Effekt der Abstrahlung von Wellen von der Struktur hinzukommt (Radiation). Um die schwimmende Struktur an einer festen Position zu halten, ist ein Modell für Vertäuungsleinen in MoWiT implementiert. Außerdem sind zusätzlich zu den Wind- und aerodynamischen Modellen auch Modelle für die Offshore-Umgebungsbedingungen integriert: Wellen, Auftriebskraft, Strömungen und Eis. Somit sind viele verschiedene Seegänge und Effekte abbildbar wie zum Beispiel:

konstanter, deterministischer oder turbulenter Wind, mit oder ohne Scherung oder Böen

lineare (Airy), nichtlineare (Stokes) oder irreguläre Wellen nach dem Pierson-Moskowitz oder JONSWAP Wellenspektrum

durch brechende Wellen oder Wind erzeugte Strömungen sowie Tiefenströmungen

Validierung und Verifizierung

Das Fraunhofer IWES beteiligt sich aktiv an der Verifizierung und Validierung von gekoppelten Modellierungstools. Dazu gehören Modelle mittlerer Detaillierungsstufe, welche die gleichzeitige Belastung durch Wind und Wellen berücksichtigen sowie die Interaktion mit der Strukturdynamik des Systems und der Anlagenregelung (aero-servo-hydro-elastische Simulationswerkzeuge). Gekoppelte Simulationswerkzeuge werden für die Modellierung und den Entwurf von On- und Offshore-Windenergieanlagen benötigt.

Offshore Bedingungen: Hydrodynamik und Eislasten

Die Offshore-Umgebung bringt zusätzlich zu den aerodynamischen Lasten auch hydrodynamische und Eislasten auf das gesamte Offshore-Windenergiesystem mit sich.

In Bezug auf die hydrodynamischen Lasten gilt es, Wellenanregung, Auftriebskraft und Strömungseinfluss zu  berücksichtigen. Der allgemeine Ansatz zur Bestimmung der Wellenlasten auf eine Struktur ist die Verwendung der Morison-Gleichung. Eine differenziertere Methode, welche auch die Effekte von Beugung und Abstrahlung von Wellen erfasst, ist der Ansatz nach MacCamy-Fuchs. Die Auftriebskraftberechnung folgt hauptsächlich dem Prinzip von Archimedes, wobei hier das aktuelle eingetauchte Volumen in Abhängigkeit von der momentanen Position des schwimmenden Windenergiesystems sowie der Wellenhöhe am betrachteten Ort und zum bestimmten Zeitpunkt zu  berücksichtigen ist. Zur Bestimmung des Einflusses der Strömung auf die Struktur wird zwischen drei verschiedenen Strömungstypen analog zu den Definitionen in Standards (IEC 61400-3) unterschieden:

Tiefenströmungen, die durch Gezeiten, Sturmflut oder atmosphärische Druckveränderungen erzeugt werden

durch Wind erzeugte Strömungen nahe der Wasseroberfläche, die nur bis zu einer Tiefe von 20 Meter unterhalb der Wasseroberfläche wirken

durch Wellen generierte küstennahe Oberflächenströmungen, die parallel zur Küstenlinie verlaufen und Scherungskräfte aufgrund von brechenden Wellen erzeugen

Am Fraunhofer IWES wird der Einfluss von Meereislasten auf die globale Dynamik von Offshore-Windenergieanlagen untersucht. Ein solches Verständnis fehlt derzeit im Forschungsumfeld, in der Industrie und bei Zertifizierungsstellen. Bislang ist man auf die Einschätzung durch Eis-Experten angewiesen (ohne oder mit nur geringem Hintergrundwissen zur Dynamik von Windenergieanlagen), deren Methoden zur Berechnung der Eislasten nicht vollständig transparent und nicht immer kompatibel mit Entwurfs- und Zertifizierungsmethoden für Offshore-Windenergieanlagen sind. Zum Thema Meereis kooperiert das Fraunhofer IWES im Rahmen des SeaLOWT-Projekts mit RAMBOLL, der Technischen Universität Hamburg und externen Experten von der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) und der Delft University of Technology.

Steuerung für automatisierte Lastrechnung

Zur Unterstützung der Lastrechnung ist der Fraunhofer IWES-Referenzregler entworfen und implementiert worden. Der Regler wird in Fortran 90 programmiert und verwendet die externe DLL-Schnittstellenkonvention von DNV-GL Bladed 4.3. Der Referenzregler bietet sowohl Funktionen zur kollektiven als auch zur individuellen Pitch-Regelung. Dazu gehört zum Beispiel Teil- und Volllast-Betriebsmodus. Drei Lastreduzierungsverfahren, nämlich aktive Antriebsstrangdämpfung, Dämpfung der Schwingungen am Turmkopf in fore-aft- und side-side-Richtung, werden eingesetzt. Eine einfache Betriebsführung einschließlich Normalstopp, Notfallstopp, Überdrehzahlüberwachung und Netzausfallerkennung ist ebenfalls implementiert.

Angewandte Lastrechnung in Industrie- und Forschungsprojekten

Einige beispielhafte Aktivitäten in Industrieprojekten:

Analyse relevanter Turmbewegungen für eine Onshore-Windenergieanlage

Steuerungsentwicklung zur Lastreduzierung für eine Onshore-Windenergieanlage

Schulung in der Lastrechnung unter Berücksichtigung der Anforderungen aus gängigen Lastrechnungsnormen

Beurteilung der Eisbedingungen für den Standort einer Offshore-Windenergieanlage

Beratung und Beurteilung des Bemessungskonzepts für einen schwimmenden Offshore-Prototyp

Einige beispielhafte Aktivitäten in Forschungsprojekten:

Lastanalyse für die Auslegung eines 20-Meter- und eines 80-Meter-Rotorblattes

Vergleich verschiedener Strategien zur aktiven / passiven Lastreduktion von Rotorblättern

Lastrechnung für das Design von Monopiles für verschiedene Nordsee-Standorte

Zuverlässigkeitsbasierte Optimierung von schwimmenden Windenergieanlagen

Validierung von Werkzeugen zur Lastrechnung von Windenergieanlagen

Bewertung der Lasten einer Windenergieanlage aus Windfeldern mit nicht-gaußscher Statistik der Windinkremente

Simulationsumgebung in Python

Der Model Wrapper kann direkt ein Modelica Package eines MoWiT Modells verwenden und – falls benötigt – bestimmte Parameter abändern. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung des Modelica Package als Input für ein DLC-Skript (DLC = design load case = Bemessungslastfall) in Python, um die Simulationsparameter analog der DLC-Definitionen in den IEC- oder GL-Standards zu setzen.

In Abhängigkeit von der Anzahl der Simulationsfälle und Modelle muss der Simulation Manager eine oder mehrere Simulationen ausführen. Wenn die Anzahl der Prozessoren größer als 1 gesetzt wird, ist Multi-Processing und somit paralleles Simulieren möglich. Diese Option ist äußerst nützlich, wenn DLCs oder Optimierungsalgorithmen simuliert werden sollen.

Automatisierte Optimierung

Die Python-Umgebung kann auch für Optimierungszwecke genutzt werden. Aktuell sind Optimierer von Platypus (externer Link zu Platypus-Website) implementiert. Es sind aber auch andere Optimierer – wie zum Beispiel von OpenMDAO oder selbst-kodierte Optimierungsprogramme – nutzbar.

Für die Optimierungsanwendung ist die Multi-Processing-Option äußerst nützlich. Somit können beispielsweise mehrere Individuen einer Generation innerhalb eines evolutionären Optimierungsalgorithmus parallel simuliert werden.

Anwendungsfälle von Optimierungsprozessen sind zum Beispiel Regelungsoptimierung zur Lastreduktion einer Windenergieanlage oder Designoptimierung von schwimmenden Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen.

A new state-of-the-art 7.5 MW turbine model was designed within the Smart Blades project funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. This turbine model has a specific design focus on rotor blades and tower structure. The turbine design has been adapted based on results from fatigue and extreme loads simulation according to IEC 61400-1 Ed.3 [1]. Another important aspect was the implementation of several controller features such as peak-shaver, individual pitch and a combined torque-speed control. Many of these modifications were already developed and implemented in industry turbines but need further investigation for scientific purposes. This specification includes technical data to implement the numerical turbine model in a simulation environment and serves as a baseline for detailed component design and scientific research.

[1] IEC, "IEC 61400-1 Edition 3 - Wind turbines - Part 1: Design requirements," IEC, 2005.

Further information are available on the SmartBlades project homepage.

Contact for further information:  iweswindturbine@iwes.fraunhofer.de

Wind turbine definition and numerical models                                             

M.Sc. Wojciech Popko
Dipl.-Ing. Philipp Thomas
                                                                       

Blade structural design

Dipl.-Ing. Moritz Bätge
M.Sc. Malo Rosemeier
 

Blade aerodynamic design

Dr. Elia Daniele  
 

Controls

Dr.-Ing. Fanzhong Meng
 

Support structures design

M.Sc. Wojciech Popko
M.Sc. Mareike Leimeister  

The IWES Wind Turbine IWT-7.5-164 is distributed under the GNU General Public License v3.0