Elektrische Maschinen

Mehrkörpersimulation

Mehrkörpersimulationsmodell einer 50 kW Labor-Windenergieanlage

Am IALB werden derzeit verschiedene Möglichkeiten zu detaillierten Untersuchungen an Windenergieanlagen, sowohl simulatorisch als auch am Prüfstand und im Freifeld, geschaffen.

Das IALB verfügt über insgesamt drei Windenergieanlagen vom Typ Krogmann 15/50, die bereits bei einer Nennleistung von nur 50 kW sämtliche Funktionsmerkmale einer „großen“ Windenergieanlage aufweisen (Abb. 1, links). An solchen „kleinen“ Anlagen sind Änderungen und Anpassungen mit einem vertretbaren Aufwand möglich.

Weiterhin wird derzeit ein detailliertes Simulationsmodell einer Krogmann 15/50 erstellt (Abb. 1, rechts), um zu erwartende Belastungen bzw. die Auswirkungen neuer Steuerungs- und Regelungsverfahren schon vor einem Einsatz auf dem Prüfstand bzw. im Freifeld abschätzen zu können.

Hier kann die Methode der Mehrkörpersimulation in Kombination mit einem detaillierten Modellaufbau wertvolle Aussagen zur dynamischen Auslegung und Optimierung des Gesamtsystems geben.

Eine mögliche Mehrkörperdarstellung des Triebstrangs beinhaltet einzelnen Komponenten wie Rotor, Getriebe, Welle, Generator, usw. als konzentrierte Massen. Diese sind untereinander und mit dem Gehäuse über Feder- / Dämpferelemente verbunden, die die axialen Torsions- und Biegesteifigkeiten abbilden. Ebenso können die Rotorblätter und der Turm als elastische Elemente simuliert werden.

Das Modell erlaubt es, die aerodynamischen Effekte z.B. durch turbulenten Wind oder Böen realitätsnah zu simulieren und damit die zu erwartenden mechanischen Belastungen sowohl im Triebstrang als auch diejenigen auf Gondel und Turm zu ermitteln.

Die Gondel einer der Krogmann-Anlagen wurde im Prüffeld des IALB aufgestellt und mit einem 50 kW Transversalfluss- Direktantrieb gekoppelt. Die Anlage im Labor wird in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner mit innovativen Frequenzumrichtern gekoppelt (Abb. 2). Die Frequenzumrichter werden durch ein neuartiges Konzept zur Bereitstellung von  Systemdienstleistungen geregelt, das es der Windenergieanlage ermöglicht, das Netz wie ein konventionelles Kraftwerk zu stützen.

Die Aufstellung einer weiteren Anlage ist für den Sommer 2016 in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWES im Raum Bremerhaven geplant. Hierbei soll die Anlage auf einer Freifläche zunächst im Originalzustand wieder aufgebaut und betrieben werden.

Durch den dualen Aufbau im Labor und Original können Verfahren und Optimierungen ausgiebig im Labor getestet und Aufbauten oder Messsysteme erprobt werden, bevor diese an der realen Anlage installiert werden. Durch den Abgleich von Messungen aus der Anlage im Feldeinsatz mit dem Prüfstand kann das Verhalten der Laboranlage optimal angepasst und somit realitätsnahe Ergebnisse im Labor erzeugt werden.

Mit der Aufstellung dieser Anlagen sichert sich das IALB einen führenden Platz in der realitätsnahen Windenergieforschung.