Robust control systems for innovative hardware-in-the-loop wind turbine testing

Basler, Maximilian; Abel, Dirk; Jacobs, Georg

doi:43611

Robust control systems for innovative hardware-in-the-loop wind turbine testing = Robuste Regelungssysteme für innovative Hardware-in-the-Loop Testverfahren von Windenergieanlagen

Basler, Maximilian^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Basler

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Jacobs, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07991
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992078/files/992078.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hardware-in-the-loop (frei) ; linear parameter-varying control (frei) ; nacelle test bench (frei) ; robust control (frei) ; wind energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Test- und Zertifizierungsmessungen von Windenergieanlagen werden heutzutage unter großem Zeit- und Ressourceneinsatz im Feldversuch durchgeführt. Um die Testdurchführung effizienter zu gestalten und einen reproduzierbaren Testprozess zu ermöglichen, eignen sich Prüfstandsversuche mit Hardware-in-the-Loop (HiL) Systemen. Forschungsgegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung von HiL-Systemen zum realistischen Betrieb von Windenergieanlagen auf Gondelprüfständen als Wegbereiter für zukünftige Testprozesse von Windenergieanlagen. In dieser Arbeit wird das Mechanical-Level HiL-Verfahren MRC-MHiL entwickelt, welches auf dem Ansatz der Modellfolgeregelung beruht. Dabei generiert ein echtzeitfähiges Simulationsmodell der Windenergieanlage in Interaktion mit dem Prüfstand und Prüfling das Referenzverhalten der Windturbine, welches an der mechanischen Schnittstelle zwischen Prüfstand und Prüfling nachgebildet werden soll. Die Folgeregelung regelt dieses Verhalten ein, während der unterlagerte aktive Triebstrangdämpfer höherfrequente, unerwünschte Schwingungen des Prüfstands unterdrückt. Nicht messbare Triebstranggrößen werden durch ein Kalman Filter geschätzt und der Regelung zugänglich gemacht. Die experimentellen Validierungen mit Stand der Technik Windturbinen und Prüfständen belegen zum einen den stabilen Betrieb des Gesamtsystems, eingebettet in das MHiL-System, zum anderen die Möglichkeit, Gondelprüfstände mit HiL-Funktionalität zur Systemintegration und zur Bewertung der elektrischen Eigenschaften einzusetzen. Die Gewährleistung einer performanten Folgeregelung bei zwangsläufig vorhandenen Unsicherheiten stellt ein bisher ungelöstes Problem dar und gilt es bei der Auslegung der HiL-Regelung zu berücksichtigen. Der ganzheitliche Entwurfsprozess einer robusten Prüfstandsregelung für Gondelprüfstände, bestehend aus der Systemidentifikation, der Ableitung eines regelungsorientierten Modells und der Reglersynthese, ist ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Die experimentelle Systemidentifikation macht das arbeitspunktabhängige Verhalten des Gesamtsystems sichtbar und quantifiziert Systemunsicherheiten. Vier Prüfstandsregler werden für dieses Problem durch normbasierte Synthese entworfen und miteinander verglichen: nominell und robust linear zeitinvariant (LZI), linear parameterveränderlich (LPV) und robust LPV. Die LPV-Reglersynthesen lassen sich als mathematisches Optimierungsproblem mittels linearen Matrixungleichungen formulieren und effizient mit numerischen Optimierungswerkzeugen lösen. Zwei repräsentative Benchmarks belegen die Verbesserung der Performanz- und Stabilitätseigenschaften durch das experimentell erlangte und in der LPV-Reglersynthese genutzte Systemwissen im Vergleich zur konventionellen LZI-Auslegung und zeigen somit das Potenzial des systematischen Entwurfsprozesses auf.

Nowadays, test and certification measurements of wind turbines are still carried out to a large extent in the field, requiring considerable time and resources. Test bench tests with hardware-in-the-loop (HiL) systems are suitable to make test execution more efficient and enable a reproducible test process. Therefore, the research object of this thesis is the development and validation of HiL systems for reproducing inertia and eigenfrequencies of wind turbines on nacelle test benches as an enabler for future wind turbine testing. The mechanical-level HiL method MRC-MHiL, which is based on the model reference control approach, is developed in this work. A dynamic simulation model of the wind turbine as part of MRC-MHiL interacts with the test bench and device-under-test (DUT) in real time to generate the reference behavior, which should ideally be replicated at the mechanical-level interface between the test bench and the DUT. The tracking control replicates this behavior, while the subsidiary active drivetrain damping control suppresses unwanted vibrations caused by the test bench. Unmeasurable drivetrain variables are estimated by a Kalman filter and provided to the control system. The experimental validations with two state-of-the-art full-scale wind turbines and test benches demonstrate the MHiL system’s ability to operate the overall system stably, as well as the possibility of using nacelle test benches with HiL functionality for system integration and for assessing the electrical properties of new wind turbine prototypes. Guaranteeing a performant tracking control in the presence of inevitable uncertainties in the test bench process model is a challenge that needs to be considered when designing the HiL control system. The holistic design procedure of a robust test bench control for nacelle test benches, consisting of system identification, control-oriented modeling, and controller synthesis, is a further focus of this work. The experimental system identification makes the operating point-dependent behavior of the overall system visible and quantifies system uncertainties. Four test bench controllers are designed using norm-based synthesis and compared for the test bench control problem: nominal and robust linear time-invariant (LTI), linear parameter-varying (LPV), and robust LPV. LPV controller syntheses can be formulated as mathematical optimization problems employing linear matrix inequalities, which are efficiently solved with numerical optimization tools. Two representative benchmarks show the improvement in performance and stability compared to conventional LTI design through the system knowledge gained experimentally and utilized by the LPV controller synthesis. Furthermore, it shows the potential of this systematic design procedure.

OpenAccess:
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