Emulation von Windenergieumwandlungssystemen
Windenergieumwandlungssysteme (WECS) nutzen die Kraft des Windes zur Stromerzeugung. Es handelt sich um eine erneuerbare Energiequelle, die weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnt, da sie geringe Umweltauswirkungen aufweist und zur Reduzierung von CO₂-Emissionen beiträgt. Ein typisches Windenergieumwandlungssystem besteht aus einer Windturbine, einem Generator sowie weiteren Komponenten wie leistungselektronischen Systemen.
Fig 1. Wind Energy Conversion Systems (WECS)
Im Zentrum steht die Turbine, die aus Rotorblättern besteht, die an einem Rotor befestigt sind. Wenn der Wind weht, nehmen die Blätter die Energie des Windes auf und versetzen den Rotor in Drehung. Diese Rotationsbewegung wird anschließend auf den Generator übertragen, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Je nach Auslegung und Anwendung kann der Generator unterschiedliche Typen aufweisen, beispielsweise synchron oder asynchron.
Die vom Generator erzeugte elektrische Energie wird anschließend aufbereitet und so umgewandelt, dass sie den Spannungs- und Frequenzanforderungen des Stromnetzes entspricht. Die Leistungselektronik spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem sie eine effiziente Energieübertragung gewährleistet. Zusätzlich können Transformatoren eingesetzt werden, um die Spannung für die Übertragung über große Entfernungen zu erhöhen.
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von WECS: Onshore- und Offshore-Systeme. Beide nutzen die Windenergie zur Stromerzeugung, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Standort, Auslegungsanforderungen und Herausforderungen.
Onshore-WECS befinden sich an Land und werden häufig in offenen Gebieten mit konstanten Windverhältnissen installiert. Aufgrund ihrer Nähe zu bestehender Infrastruktur und logistischer Netzwerke sind sie einfacher zu installieren und zu warten. Onshore-Windparks können in ihrer Größe variieren – von kleinen gemeinschaftlichen Anlagen bis hin zu großflächigen Windparks mit zahlreichen Turbinen. Im Vergleich zu Offshore-Anlagen sind sie in der Regel kostengünstiger in Bau und Betrieb.
Fig 2. On-shore vs Off-shore Wind power plants
Offshore-WECS hingegen befinden sich in Gewässern wie Meeren oder Ozeanen, wo die Windgeschwindigkeiten meist stärker und konstanter sind. Dies kann zu höheren Energieerträgen führen als bei Onshore-Systemen. Allerdings sind Bau und Wartung aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen sowie des Bedarfs an spezialisierter Ausrüstung komplexer und kostenintensiver. Trotz höherer Anfangsinvestitionen bieten Offshore-WECS zahlreiche Vorteile, darunter die Möglichkeit größerer Turbinen sowie die Nutzung stärkerer und gleichmäßigerer Winde. Zudem haben Offshore-Windparks geringere visuelle und akustische Auswirkungen auf nahegelegene Gemeinden und stellen daher eine geeignete Option für dicht besiedelte Regionen dar. Beide Systemtypen liefern eine saubere und nachhaltige Energiequelle.
Darüber hinaus spielen WECS eine zentrale Rolle in Mikronetzen, indem sie saubere, erneuerbare Energie bereitstellen und so zur Nachhaltigkeit dieser Systeme beitragen. Mikronetze sind lokale Energiesysteme, die entweder autark oder netzgekoppelt betrieben werden können. Der Einsatz von WECS in Mikronetzen bietet zahlreiche Vorteile, darunter die Diversifizierung der Energiequellen, eine verbesserte Netzstabilität sowie die Versorgung abgelegener oder netzferner Regionen.
In Mikronetzen können Windturbinen während Spitzenlastzeiten zusätzliche Energie bereitstellen und so zur Lastverteilung beitragen, wodurch andere Energiequellen entlastet werden. Wird mehr Energie erzeugt als lokal benötigt, kann der Überschuss gespeichert oder – im netzgekoppelten Betrieb – in das Hauptnetz eingespeist werden.
Wie bereits erläutert, spielt die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle in WECS, da sie eine effiziente Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie ermöglicht. Diese Komponenten sind entscheidend für die Interaktion zwischen dem Windturbinengenerator und dem Stromnetz und stellen sicher, dass die erzeugte Energie den Netzanforderungen, wie Spannungs- und Frequenzvorgaben, entspricht.
Da die von Windturbinen erzeugte Energie je nach Windgeschwindigkeit in Spannung und Frequenz variieren kann, wird Leistungselektronik eingesetzt, um diese Ausgangsgrößen zu konditionieren und an die Anforderungen des Stromnetzes anzupassen. Dies geschieht in der Regel durch netzgekoppelte Wechselrichter, die die variable Generatorleistung in stabile Wechselspannung umwandeln, die für die Netzintegration geeignet ist.
Darüber hinaus bietet die Leistungselektronik fortschrittliche Regelungsmöglichkeiten in WECS. Beispielsweise kann sie Drehzahl und Drehmoment des Generators steuern, um die Energieausbeute aus dem Wind zu maximieren. Außerdem ermöglicht sie eine reibungslose Synchronisation mit dem Stromnetz. Zusätzlich trägt sie zur Stabilität des Gesamtsystems bei, indem sie durch Blindleistungsregelung die Netzspannung stabilisiert und die Energiequalität verbessert. Solche Regelstrategien helfen, Schwankungen in der Windenergieerzeugung auszugleichen und einen zuverlässigen Betrieb des Energiesystems sicherzustellen.
WECS stellen eine saubere Energiequelle dar und sind ein wesentlicher Bestandteil des Übergangs zu einer nachhaltigen Zukunft. Mit dem technologischen Fortschritt ist in den kommenden Jahren mit noch effizienteren und kostengünstigeren Lösungen im Bereich der Windenergie zu rechnen.
Warum WECS-Emulation?
Die Echtzeit-Emulation von Windenergieumwandlungssystemen (WECS) ist entscheidend für die Prüfung und Validierung von Windenergietechnologien unter realistischen Bedingungen, ohne die Risiken und Kosten von Feldtests. Durch die Erstellung von Simulationsmodellen einer Windturbine und ihrer Umgebung können verschiedene Szenarien – wie Änderungen der Windgeschwindigkeit, Turbinenleistung und Netzinteraktionen – in Echtzeit nachgebildet werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Bewertung von Turbinen und Regelungsstrategien in einer kontrollierten Laborumgebung.
Die Emulation erlaubt es, reale Szenarien im Labor zu reproduzieren. Durch die Nachbildung unterschiedlicher Netzbedingungen und Lastfälle kann analysiert werden, wie WECS auf dynamische Betriebsbedingungen reagieren, und ihre Regelstrategien können entsprechend optimiert werden.
Darüber hinaus hilft die Echtzeit-Emulation, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und die Zuverlässigkeit sowie Sicherheit des Systems zu verbessern. Durch die Untersuchung verschiedener Betriebszustände kann die Leistung feinabgestimmt und ein effizienter sowie effektiver Betrieb der WECS sichergestellt werden. Zudem unterstützt die Emulation die Entwicklung verschiedener Regelalgorithmen für leistungselektronische Systeme zur Integration von Windenergie in das Stromnetz.
Zusammenfassend ist die WECS-Emulation eine wesentliche Methode zur Sicherstellung von Zuverlässigkeit, Robustheit und Leistungsfähigkeit von WECS- und Mikronetzsystemen. Durch umfassende Tests und Emulationen von Komponenten und Gesamtsystemen können Design und Performance optimiert und validiert werden. Für eine nachhaltige Zukunft wird die Prüfung und Emulation von WECS eine zentrale Rolle bei der Gestaltung einer zuverlässigen und widerstandsfähigen Energieinfrastruktur spielen.
Nun betrachten wir, wie ein WECS in Simulink modelliert wird.
Fig 3. Simulink Model of WECS
Implementierung des Simulink-Modells
Windturbinenmodell:
Das Windturbinenmodell verwendet einen permanentmagneterregten Synchrongenerator (PMSG), einen Turbinenrotor sowie einen Pitch-Winkel-Regler, um die Dynamik und Leistungsfähigkeit von Windenergiesystemen zu analysieren. Diese Modelle bilden das Verhalten realer Windturbinen nach, liefern Einblicke in deren Betriebsverhalten und ermöglichen Tests sowie Optimierungen.
Das Modell beginnt mit dem Turbinenrotor, der die kinetische Energie des Windes aufnimmt und in mechanische Energie umwandelt. Die Leistung der Turbine hängt von Faktoren wie der Windgeschwindigkeit ab. Der Pitch-Winkel-Regler spielt eine zentrale Rolle bei der Optimierung der Leistungsabgabe, indem er den Anstellwinkel der Rotorblätter anpasst. Dadurch werden die Rotordrehzahl gesteuert und die Leistungsabgabe für einen optimalen Betrieb geregelt.
Fig 4. Simulink BESS Model
Die mechanische Energie des Rotors wird anschließend auf den permanentmagneterregten Synchrongenerator (PMSG) übertragen, der sie in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann anschließend mithilfe von Leistungselektronik aufbereitet und geregelt werden, um den Anforderungen des Stromnetzes zu entsprechen.
AC/DC-Gleichrichter- und Wechselrichtermodelle:
Für die WECS-Emulation nutzt das AC/DC-Gleichrichtermodell den „Universal Bridge“-Block aus Simulink in Kombination mit einer Stromregelung im dq-Koordinatensystem (dq-Regelung) auf der Rotorsseite, um die vom PMSG erzeugte dreiphasige Wechselspannung effizient in stabile Gleichspannung umzuwandeln.
Fig 5. Rectifier and Inverter Models
Die dq-Stromregelung auf der Rotorsseite optimiert die Leistungsfähigkeit des Windenergiesystems. Dabei werden die dreiphasigen Generatorströme mittels Transformationsgleichungen in Direkt- und Quadraturkomponenten (dq) überführt. Durch die Regelung dieser dq-Ströme kann der Leistungsfluss gesteuert und ein stabiler Betrieb unter unterschiedlichen Windbedingungen gewährleistet werden.
Aufbauend auf dem Gleichrichtermodell wird ein Wechselrichtermodell integriert, das ebenfalls den „Universal Bridge“-Block aus Simulink für die DC/AC-Umwandlung verwendet. In Kombination mit einer dq-Stromregelung auf der Netzseite ermöglicht dieses Modell die Einspeisung der erzeugten Energie in das Stromnetz. Der „Universal Bridge“-Block wandelt die Gleichspannung wieder in dreiphasige Wechselspannung um, sodass eine Netzanbindung möglich ist. Dadurch kann die von der Windturbine erzeugte Energie effektiv mit dem Netz genutzt werden. Durch die Verwendung einer Phasenregelung (PLL) und entsprechender Transformationsgleichungen werden die Wechselströme ebenfalls in dq-Komponenten umgewandelt. Dies ermöglicht die Regelung des Leistungsflusses sowie die Synchronisation mit Netzfrequenz und -spannung. Diese Regelungsmethode verbessert die Energiequalität und gewährleistet einen stabilen Betrieb.
Netzmodell
Ziel ist es, das Verhalten verschiedener Netzkomponenten wie Generatoren, Lasten und Übertragungsleitungen nachzubilden. Im Zentrum der Netzmodellierung steht der „3-Phase Programmable Voltage Source“-Block in Simulink, der es ermöglicht, die Eigenschaften der Netzspannungsquelle flexibel zu definieren. Durch die Parametrierung von Größen wie Spannungsamplitude, Frequenz und Phasenwinkel können unterschiedliche Netzbedingungen simuliert werden – von Normalbetrieb bis hin zu Fehlerfällen. Die Kombination dieses Blocks mit Serienimpedanzen innerhalb von Simulink bietet eine leistungsfähige Plattform zur Simulation und Analyse des Netzverhaltens.
Fig 6. Simulink Grid Model
Nachdem nun alle Modelle erstellt wurden, erfolgt vor Beginn der Tests eine Einführung in die CHP-Technologie von Impedyme.
Impedymes CHP-Technologie
Fig 7. Impedyme’s CHP Cabinet
Die CHP-Technologie von Impedyme integriert nahtlos Hardware-in-the-Loop (HIL) und Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) und bietet damit eine unvergleichliche Genauigkeit und Effizienz bei der Entwicklung und Auslegung von WECS. Mit CHP können Ingenieure reale Szenarien präzise simulieren und netzgekoppelte WECS unter dynamischen Bedingungen testen. Von Batteriesystemen bis hin zu Wechselrichtern ermöglicht CHP Herstellern, die Leistung zu optimieren, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Markteinführungszeit ihrer Produkte zu verkürzen. Das modulare Design gewährleistet Flexibilität zur Anpassung an sich wandelnde Testanforderungen, während die intuitive Simulink-Oberfläche den Testprozess vereinfacht. Zu den Funktionen von Impedyme CHP gehören unter anderem:
Die Emulationslösungen von Impedyme bilden Ihre MATLAB/Simulink-Modelle nach und können für Hochleistungstests im Bereich von mehreren Megawatt sowie für Bandbreiten bis zu 20 kHz eingesetzt werden. Verbinden Sie einfach die optischen Schnittstellen mit unseren Schaltschränken und spielen Sie Ihre Modelle auf, um mit den Tests zu beginnen. Die Schaltschränke verfügen über mehrere optische Verbindungen mit jeweils bis zu 12,5 Gigabit pro Sekunde. Für Simulationen mit extrem kleinen Zeitschritten unterstützt das System FPGA-basierte Tests, die Zeitschritte im Nanosekundenbereich ermöglichen. Darüber hinaus bietet das FPGA eine deutlich höhere Leistung für Echtzeit-Emulationen, da seine Verarbeitungsgeschwindigkeit die eines klassischen Prozessors (CPU) übertrifft.
Für Hochgeschwindigkeitsemulationen können die einzelnen FPGAs innerhalb der Einschübe miteinander kommunizieren. Die Durchführung von Tests mit Impedyme CHP ist unkompliziert, da sie auf Simulink-Designs basiert. Unsere Produkte enthalten eine Vielzahl vorgefertigter Modelle, die Sie entsprechend Ihren Anforderungen anpassen können. Wenn sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsseite von Energiesystemen emuliert werden, kann ein zirkulierender Leistungsfluss realisiert werden. Da die Leistung im System zirkuliert, muss lediglich die Verlustleistung aus dem Netz eingespeist werden. Diese Technologie reduziert den Energiebedarf Ihres Labors erheblich, insbesondere bei Tests großer Leistungssysteme. Darüber hinaus nutzt das integrierte Thermomanagement während der Echtzeit-Emulation eine fortschrittliche Kombination aus Flüssigkeits- und Luftkühlung, sodass kein zusätzlicher Kühler erforderlich ist. Somit wird Impedyme CHP eingesetzt, um das entwickelte WECS-Modell in Echtzeit zu emulieren.
Nachdem das netzgekoppelte WECS-Modell entwickelt wurde, betrachten wir nun die Verschaltung zur Inbetriebnahme des Testsystems.
Fig 8. WECS Emulation: Impedyme’s CHP Connection Diagram
Wir weisen dem ersten Einschub (oberster Einschub) das Windturbinenmodell zu, dem zweiten Einschub den AC/DC-Gleichrichter und dem dritten Einschub das netzseitige Wechselrichtermodell. Der vierte Einschub ist dem Netzmodell zugeordnet. Die beiden untersten Einschübe sind für die Active-Front-End-Konverter vorgesehen, die die DC-Kopplung für die Emulation bereitstellen.
Nun betrachten wir die elektrische Verschaltung dieser Einschübe. Die Leistungsanschlüsse befinden sich auf der Rückseite der Schaltschränke. Die DC-Versorgung aus dem Active-Front-End-Einschub wird dem Windturbinenmodell zugeführt, während dreiphasige Wechselspannungen dem Gleichrichter-Einschub bereitgestellt werden. Der zweite Einschub emuliert die Funktion eines Gleichrichters und wandelt die Leistung in Gleichspannung um, die anschließend an den darunterliegenden Wechselrichter weitergeleitet wird. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung wieder in dreiphasige Wechselspannung um und speist diese in das Netzmodell ein. Abschließend wird die DC-Kopplung vom Netzmodell zurück zum Active-Front-End-Einschub geführt, um einen zirkulierenden Leistungsfluss zu ermöglichen. Da alle Verbindungen hergestellt sind, ist das System nun bereit für den Testbetrieb.
Emulationsparameter und Versuchsergebnisse
Die Systemparameter für das Experiment lauten wie folgt:
Grid Parameters
| Parameters | Values | Unit |
|---|---|---|
| \( V_{\text{RATED (L-L)}} \) | 575 | V |
| \( \text{Frequency} \) | 60 | Hz |
| \( \text{Phase Shift} \) | 0 | deg |
| \( P_{\text{Base}} \) | 20 | kW |
Fig 9. Transient Response of the Emulation
Wind Turbine Parameters
| Parameters | Values | Unit |
|---|---|---|
| \( P_{\text{RATED}} \) | 20 | kW |
| \( f_{\text{RATED}} \) | 60 | Hz |
| \( \text{Rated Wind-Speed} \) | 12 | m/s |
| \( V_{\text{RATED (L-L)}} \) | 575 | V |
Fig 10. Emulation Response for Step Wind-Speed Change
Referenzen
1. J. -Y. Ruan et al., "Transient Stability of Wind Turbine Adopting a Generic Model of DFIG and Singularity-Induced Instability of Generators/Units With Power–Electronic Interface," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 30, no. 3, pp. 1069-1080, Sept. 2015, doi: 10.1109/TEC.2015.2423689.