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2021
Journal Article
Titel
Holistic simulation of wind turbines with fully aero-elastic and electrical model
Alternative
Ganzheitliche Simulation von Windkraftanlagen mit aero-elastischem und elektrischem Modell
Abstract
Requirements for the design of wind turbines advance facing the challenges of a high content of renewable energy sources in the public grid. A high percentage of renewable energy weaken the grid and grid faults become more likely, which add additional loads on the wind turbine. Load calculations with aero-elastic models are standard for the design of wind turbines. Components of the electric system are usually roughly modeled in aero-elastic models and therefore the effect of detailed electrical models on the load calculations is unclear. A holistic wind turbine model is obtained, by combining an aero-elastic model and detailed electrical model into one co-simulation. The holistic model, representing a DFIG turbine is compared to a standard aero-elastic model for load calculations. It is shown that a detailed modelling of the electrical components e.g., generator, converter, and grid, have an influence on the results of load calculations. An analysis of low-voltage-ride-trough events during turbulent wind shows massive increase of loads on the drive train and effects the tower loads. Furthermore, the presented holistic model could be used to investigate different control approaches on the wind turbine dynamics and loads. This approach is applicable to the modelling of a holistic wind park to investigate interaction on the electrical level and simultaneously evaluate the loads on the wind turbine.
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Die Anforderungen an Windenergieanlagen bei der Auslegung steigen angesichts des hohen Anteils an erneuerbaren Energien im öffentlichen Stromnetz. Ein hoher Anteil an erneuerbaren Energien schwächt das Netz und Netzstörungen werden wahrscheinlicher, die zu einer zusätzlichen Belastung der Windenergieanlage führen. Der Standard bei der Auslegung von Windenergieanlagen sind Lastberechnungen mit aero-elastischen Modellen. Die Komponenten des elektrischen Systems sind in der Regel nicht Teil dieser aero-elastischen Lastrechnungsmodelle und daher ist die Auswirkung von detaillierten elektrischen Modellen auf die Lasten nicht eindeutig. In diesem Artikel wird der Aufbau eines ganzheitlichen Windenergieanlagenmodells durch die Kombination eines aero-elastischen Modells und eines detaillierten elektrischen Modells vorgestellt. Dieses ganzheitliche Modell einer DFIG Wind Turbine wird mit einem aero-elastischen Standardmodell für Lastberechnungen verglichen. Es wird durch Co-Simulationen gezeigt, dass eine detaillierte Modellierung der elektrischen Komponenten, z.B. Generator, Umrichter und Netz, einen Einfluss auf die Ergebnisse der Lastberechnungen hat. Eine Analyse von Low-Voltage-Ride-Through Ereignissen bei turbulentem Wind zeigt einen massiven Anstieg der Lasten im Antriebsstrang und Auswirkungen auf die Turmlasten. Darüber hinaus könnte das vorgestellte ganzheitliche Modell für die Untersuchung verschiedener Regelungsansätze in Bezug auf die Dynamik und die Lasten der Windenergieanlage verwendet werden. Dieser Ansatz eignet sich für die Modellierung eines ganzheitlichen Windparks, um die Interaktion auf der elektrischen Ebene zu untersuchen und gleichzeitig die Lasten auf der Windenergieanlage zu bewerten.
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