Dynamic Simulation of Full-Scale Wind Turbine Nacelle System Test Benches
Dynamic Simulation of Full-Scale Wind Turbine Nacelle System Test Benches
Auflage 1. 2015
Seiten 124
Format 21.0 x 14.8 cm
Einband Paperback
Bandnr. 1
ISBN 978-3-95886-072-8
39,50€
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Englisch: A virtual replica of a system test bench for full-scale wind turbine nacelle is built up in the framework of this dissertation. The primary objective of the simulation study is to reveal the overall dynamics of the test bench and expose the difference between test bench dynamics and wind turbine field dynamics. The secondary objective is to make proper use of the developed models and design active control schemes for test bench operation. The virtual test bench is formulated in a multi-body simulation environment, with flexible drive train dynamics validated with experimental modal testing. The model also integrates the operation control and DUT control, having a similar hardware-in-the-loop architecture as the physical test bench. The data exchange between multi-body model and controllers is realized through co-simulation interface. Test scenarios with aeroelastic wind load calculation can be simulated. By comparing the interface force/torque response with the reference turbine model, it is found that the open-loop behavior of the tested nacelle explicitly differs from field operation. The changed boundary conditions of the tested nacelle are the root cause of the difference since the inertia and stiffness of the load application system largely differ from the original rotor system of the turbine. It is also found that the rheonomic joint is the reason why coupled rotor-drive train dynamics are lost when using the wind load software simulator. The difference of open-loop behavior is compensable via active control. A virtual rotor system can be artificially created to excited realistic load response inside the DUT as in field operation. However, the existing multi-body model has hundreds of states and thus computationally expensive. Therefore, low-order plant models in form of transfer elements were derived from the multi-body model by truncating high-order modes at designed operation points. The low-order models are feasible to represent the dominant dynamics of the test bench while maintaining the accuracy. This model-based approach enables convenient design and tuning of control frameworks. Control schemes corresponding to torque and non-torque load control are proposed respectively and then put together. Resonances inside the tested nacelle can then be effectively excited as observed in the simulated turbine field operation. The load application bandwidth is however limited by the dominant dynamics of the test bench.

 

Deutsch: Im Rahmen dieser Dissertation wird ein maßstäblicher Gondelsystemprüfstand für Windenergieanlagen virtuell abgebildet. Das Primärziel der Simulationsstudie besteht darin, die Gesamtdynamik des Prüfstandes sowie den Unterschied zur realistischen Dynamik der Windenergieanlage in Feld zu zeigen. Zudem soll das entwickelte Modell und die Systemsteuerung für den Prüfstandsbetrieb verwendet werden. Der Prüfstand wird in einer Mehrköpersystem (MKS) Simulationsumgebung formuliert, dessen flexibler Antriebsstrang mit experimentellen Modalanalysen validiert wird. Im Modell werden die Betriebsregelung und Steuerung des DUTs (auf Englisch: Deviceunder- test) ähnlichen Hardware-in-the-loop-Architektur des physikalischen Systems implementiert. Der Datenaustausch zwischen dem MKS Modell und dem Regler wird durch eine Co-Simulation-Schnittstelle realisiert. Auch können Testszenarien mit aeroelastische Windlastberechnung durchgeführt werden. Durch den Abgleich der Schnittstellenlast am Rotorflansch mit des Referenzturbinenmodells ist es festgestellt worden, dass sich das Open-loop-Verhalten des Gondelprüfstands ausdrücklich von Feldoperationen unterscheidet. Hauptursache sind die geänderte Randbedingung der geprüften Gondel zum Beispiel der abweichenden Massen und Trägheiten des Lastanwendungssystems. Es zeigt sich, dass das rheonomische (zeitabhängig) Gelenk des Rotormodells zu dem Verlust von Gekoppelt Rotor-Antriebsstrang Dynamik während Windlastberechnung führt. Die abweichende Open-loop-Verhaltensweise wird durch aktives Reglungsschema ausgeglichen. Um die realistische dynamische Reaktion des DUTs zu erhalten, wird ein virtuelles Rotorsystem entwickelt. Das bestehende MKS-Modell besitzt jedoch hunderte von Zustandsvariablen und ist damit sehr rechenintensiv. Es ist nur nutzbar nachdem ein Tiefe-Ordnung-Streckenmodell vorhanden ist. Mittels Modalreduktion werden die Übertragungsfunktionen in Streckenmodelle überführt, diese sind sowohl praktikable als auch ausreichend genau, und können die vorherrschenden Faktoren in der Dynamik des Prüfstands gut abbilden. Der obengenannte modell-basierte Ansatz ermöglicht ein komfortables Design sowie Feineinstellen des Reglungsschemas, das aus vorgeschlagen Torque –und Non-Torque Lastanwendungen besteht. So können dynamische Schwingungen, wie sie in einer realen Windenergieanlage beobachtet werden, simulative abgebildet werden. Die Bandbreiten der Lastanwendungen sind jedoch durch die dominante Dynamik des Prüfstands begrenzt.