Simulation, Automatisierung und Hardware-in-the-Loop-Integration einer Windenergieanlage auf einem Systemprüfstand als Forschungsplattform

Leisten, Christian; Schelenz, Ralf; Abel, Dirk

doi:10.18154/RWTH-2025-00313

Simulation, Automatisierung und Hardware-in-the-Loop-Integration einer Windenergieanlage auf einem Systemprüfstand als Forschungsplattform = Simulation, automation and hardware in the loop integration of a wind turbine on a system test bench as research platform

Leisten, Christian^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Leisten

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Schelenz, Ralf (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00313
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1000381/files/1000381.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Projekte

BMWi-0325799 - Belastungen an den Antriebskomponenten von Windenergieanlagen (FVA-Gondel) (BMWi-0325799) (BMWi-0325799)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
control (frei) ; hardware-in-the-loop (frei) ; inertia emulation (frei) ; model predictive control (frei) ; system test bench (frei) ; wind energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Dissertation stellt eine neuartige Forschungsplattform am Center for Wind Power Drives der RWTH Aachen zur Labortestung von Windenergieanlagen vor. Sie besteht aus einer nach Stand der Technik neu aufgebauten und eigens automatisierten Forschungswindenergieanlage, die in einem Hardware-in-the-Loop System auf einem Systemprüfstand eingebettet ist sowie einem angedockten Simulationsmodell. Sie ermöglicht die einfache, automatisierte und reproduzierbare Testung unter frei wählbaren Bedingungen im Labor. Dabei werden die großen Bauteile Turm und Rotor entfernt und die Anlage auf einem Prüfstand von einem Motor und einem Non-Torque-Load-System mit realistischen Lasten beaufschlagt. Die originale Steuerung ist aktiv, wobei fehlende Komponenten vom Hardware-in-the-Loop-System emuliert werden. Die virtuellen Komponenten der Hardware-in-the-Loop-Umgebung und die physikalisch existenten können beliebig ausgetauscht werden. Die daran angedockte Simulationsumgebung sowohl der Anlage im Feld als auch auf dem Prüfstand ist ebenso nahtlos integriert, sodass eine bedarfsgerechte virtuelle oder physikalische Testung möglich ist. Die Steuerungen der Anlage und des Prüfstandes sind beide frei zugänglich, was maximale Flexibilität bietet. Auf der elektrischen Seite ist ebenso Flexibilität durch einen Netzemulator geboten. Aufgrund der starken Instrumentierung der Anlage ist außerdem besondere Einsicht in die einzelnen Antriebsstrangkomponenten möglich. Das System bietet besondere Vorteile für den Entwicklungsprozess von Windenergieanlagen und befindet sich aktuell in der Anerkennung entsprechender Gremien, mitunter auch für die Zertifizierung. So können Tests viel früher, schneller und regelmäßiger durchgeführt werden, was zu einer agileren Entwicklung führt. Forschungsergebnisse können frei publiziert werden, da keine kommerziellen Interessen dahinterstehen. Das Hardware-in-the-Loop-System ist modular aufgebaut, sodass auch andere Windenergieanlagen mit geringem Aufwand integriert werden können. Mit der präsentierten Plattform wurde eine typische Zertifizierungsmesskampagne durchgeführt und gegen Felddaten validiert.

This thesis presents a new kind of research platform at the Center for Wind Power Drives at RWTH Aachen University for the laboratory testing of wind turbines. It consists of a state-of-the-art research wind turbine which is newly set up and specifically automated. The platform is embedded in a hardware-in-the-loop system on a system test bench and is connected to a simulation model. It provides simple, automated and reproducible testing under arbitrary conditions in the laboratory. The major components, tower and rotor, are removed and realistic loads are imposed on the turbine on a test bench by a motor and a non-torque load system. The original programmable logic control remains active and missing components are being emulated by the hardware-in-the-loop system. The virtual components of the hardware-in-the-loop environment and the physically existing ones can be exchanged as needed. The attached simulation environment of both the turbine in the field and on the test bench is also fully integrated, enabling virtual or physical testing as required. The controls of both the turbine and the test bench are fully accessible, which offers maximum flexibility. Flexibility on the electrical side is provided by a grid emulator. Due to the extensive instrumentation of the turbine, particular insight into individual drive train components is also possible.The system offers particular advantages for the development process of wind turbines and is recognized by the relevant committees, including for certification. This allows for tests to be conducted much earlier, faster and more regularly, leading to a more agile development process. Research results can be freely published as there are no commercial interests involved. The hardware-in-the-loop system is modularly constructed so that other wind turbines can be integrated with minimal effort. A typical certification measurement campaign was conducted with the presented platform and validated against field data.

OpenAccess:
PDF
(additional files)