Die Simulationstechnik hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Durch wachsende Leistungsfähigkeit der Rechner und der Software sind präzise Vorhersagen verschiedenster Abläufe möglich. Sind die physikalischen Zusammenhänge bekannt und ist ein System mathematisch erfassbar, so kann sein Verhalten berechnet werden.
Die Möglichkeit durch eine Simulation vorherzusagen, was unter welchen Umständen geschehen wird, bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Ist einmal ein zuverlässiges Modell zu einem technischen System erstellt, können Simulationen aufwendige und somit kostspielige Messungen ersetzen. Wird ein neu entwickeltes Objekt in seinem Verhalten simuliert, lassen sich Fehler und Probleme erkennen noch bevor ein Prototyp gebaut wurde. Die Liste der Vorzüge ließe sich weit fortsetzen.
Auch auf dem innovativen Markt der regenerativen Energieerzeugung existiert eine Vielzahl von Simulationsprogrammen, welche die Auslegung von Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerken und Windenergieanlagen vereinfachen.
In dieser Arbeit soll versucht werden, ein grundlegendes Simulationsmodell zur Bestimmung des elektrischen Verhaltens einer Windkraftanlage zu erstellen. Zu diesem Zweck wird das Programm ATP-EMTP verwendet. Die prinzipielle Funktion einer ausgewählten Windkraftanlage wird dargelegt, und die grundlegende Handhabung des Simulationsprogramms wird erklärt. Einzelne Systemkomponenten werden nachgebildet, getestet und zusammengefügt. Es wird eine Windenergieanlage verwendet, die mit einem doppeltgespeisten Asynchronmotor arbeitet. Da Messdaten zu dieser Anlage vorhanden sind, kann das so erstellte Modell auf seine Funktion getestet werden. Die simulierten Daten können mit der Realität verglichen und bewertet werden. Weiterführende Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung des entstandenen Modells werden aufgezeigt und diskutiert.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. Energie aus dem Wind
1.1 Das Generatorsystem
1.2 Grundlagen und Funktion der Systemkomponenten
1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine
1.2.2 Doppeltgespeiste Asynchronmaschine
1.2.3 Umrichter mit Spannungszwischenkreis
2. Das Simulationsprogramm
2.1 EMTP / ATP
2.2 Zusätzliche Programme
2.2.1 ATPDraw- Graphischer Preprozessor ATP
2.2.2 ATP CONTROL CENTER – Navigationszentrale für ATP
2.2.3 Der PFE Editor
2.2.4 Plot XY
3. Nachbildung von Asynchronmaschinen
3.1 Das Universal Maschinen-Modell
3.1.1 Einschränkungen
3.1.2 Rahmenbedingungen
3.2 Das d-q-0 System
3.3 Das mechanische System
3.4 Die Schnittstelle zwischen der Maschine und dem Netzwerk
3.5 Eingabegrößen im UM Modell
3.5.1 Eingabedaten
3.5.2 Datenausgabe
3.6 Initialisierung der U.M.- Asynchronmaschine
3.6.1 Hinweise zur automatischen Initialisierung
4. Parksche Transformation
4.1 Prinzipielle Vorgehensweise
4.2 Übertragung in das d-q-0 System
5. Realisierung eines U- Umrichters in ATP Draw
5.1 Einzelne Kommmutierungsgruppen
5.1.1 Netzseitige Kommmutierungsgruppe
5.1.2 Generatorseitige Kommmutierungsgruppe
5.2 Der vollständige Umrichter
6. Das Modell eines 1,5-MW-Windgenerators
6.1 Simulation mit offenen Läuferklemmen
6.2 Simulation mit kurzgeschlossenen Läufer
7. Das Modell der doppeltgespeisten ASM
7.1 Ermittlung der Rotorspannung
7.2 Vergleich der Simulation mit Messdaten
7.2.1 Die Ständerströme
7.2.2 Die Rotorströme
7.2.3 Die Rotorspannungen
7.2.4 Leistungsbetrachtungen
7.3 Betrieb mit Stromrichter
8. Ausblicke
8.1 Mögliche weiterführende Schritte
8.1.1 Entwicklung eines Stromrichtermodells
8.1.2 Verwendung eines Transformators
8.1.3 Netzanbindung
9. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ein grundlegendes Simulationsmodell zur Bestimmung des elektrischen Verhaltens einer Windkraftanlage unter Verwendung des Programms ATP-EMTP zu erstellen und zu validieren.
- Grundlagen zur Funktionsweise von Windenergieanlagen mit doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren.
- Einsatz und Konfiguration des Simulationsprogramms ATP-EMTP sowie ergänzender Tools wie ATPDraw.
- Methodische Nachbildung von Asynchronmaschinen und Umrichtersystemen in einer Simulationsumgebung.
- Validierung der erstellten Modelle durch Vergleich der Simulationsergebnisse mit realen Messdaten.
- Analyse des transienten Verhaltens und Diskussion von Erweiterungsmöglichkeiten.
Auszug aus dem Buch
1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine
Die Asynchronmaschine besteht aus Ständer und Läufer. Im Ständer befindet sich eine meist dreisträngige Wicklung, die in die Nuten eines Blechpaketes eingebracht ist.
Der Läufer, auch Rotor genannt, besteht aus einem Blechpaket mit Nuten zur Aufnahme der Läuferwicklung. Dieses Blechpaket ist direkt auf die Welle oder auf eine Tragekonstruktion geschichtet.
Wird die Ständerwicklung an ein Drehspannungssystem gelegt, so nehmen die drei Stränge Ströme auf, die je eine zeitlich und räumlich phasenverschobene Durchflutung aufbauen. Es entsteht ein magnetisches Drehfeld mit der Synchrondrehzahl n1.
Läuft das Ständerdrehfeld über den noch stehenden Läufer hinweg, wird in den Läuferwicklungen eine Spannung induziert. Bei geschlossener Wicklung entstehen Stabströme, die über den Läuferradius ein Drehmoment bewirken.
Dem Lenzschen Gesetz entsprechend läuft der Rotor in Drehfeldrichtung an, um die Relativdrehzahl zum Ständer zu verringern und damit der Ursache der Induktion entgegenzuwirken.
Der Rotor kann nicht bis zu der Drehzahl n1 hochlaufen, da in diesem Fall keine Spannung mehr in den Läufer induziert werden würde, und somit kein Drehmoment mehr entstehen würde. Der Läufer kann nicht synchron mit dem Ständerdrehfeld laufen. Er muss asynchron laufen.
Der relative Unterschied zwischen Drehfeld- und Läuferdrehzahl wird als Schlupf s bezeichnet. Der Schlupf berechnet sich aus der Schlupfdrehzahl ∆n und der Synchrondrehzahl.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Einführung in die Bedeutung der Simulationstechnik und die Zielsetzung der Arbeit bezüglich der Modellierung einer Windkraftanlage.
1. Energie aus dem Wind: Beschreibung der physikalischen Grundlagen von Windkraftanlagen und der spezifischen Funktionsweise doppeltgespeister Asynchrongeneratoren.
2. Das Simulationsprogramm: Vorstellung von ATP-EMTP und der zugehörigen Werkzeuge für die elektrotechnische Simulation.
3. Nachbildung von Asynchronmaschinen: Erläuterung der Modellierung von Asynchronmaschinen im Universal-Maschinen-Modell, inklusive mechanischer Systeme und Initialisierung.
4. Parksche Transformation: Mathematische Grundlagen der Transformation, die für die Lösung der Maschinengleichungen im d-q-0 System notwendig ist.
5. Realisierung eines U- Umrichters in ATP Draw: Detaillierte Darstellung des Aufbaus und der Steuerung eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis in ATPDraw.
6. Das Modell eines 1,5-MW-Windgenerators: Konkrete Anwendung der Modelle auf eine 1,5-MW-Anlage und Simulation unter verschiedenen Bedingungen.
7. Das Modell der doppeltgespeisten ASM: Ausführliche Analyse und Validierung des Modells durch Vergleich der Simulationswerte mit vorliegenden Messdaten.
8. Ausblicke: Diskussion möglicher weiterführender Forschungsansätze und Erweiterungen des bestehenden Simulationsmodells.
9. Zusammenfassung: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Modellgüte und des methodischen Vorgehens in der Diplomarbeit.
Schlüsselwörter
Simulationstechnik, ATP-EMTP, Windenergieanlage, Asynchrongenerator, doppeltgespeiste Asynchronmaschine, Stromrichter, Spannungszwischenkreis, Leistungsfluss, Parksche Transformation, Netzbetrieb, transienter Vorgang, Modellerstellung, Validierung, elektrische Maschinen, Regelungstechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Nachbildung einer Windenergieanlage in einer Simulationsumgebung, um deren elektrisches Verhalten bei verschiedenen Betriebszuständen untersuchen zu können.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der Simulation elektrischer Energiesysteme, der Modellierung von Generatoren und Umrichtern sowie der Validierung durch Vergleiche mit realen Messdaten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Ziel ist die Erstellung eines zuverlässigen Simulationsmodells einer Windkraftanlage mit einem doppeltgespeisten Asynchrongenerator, um das elektrische Verhalten im Netzbetrieb zu analysieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die numerische Simulation mittels der Software ATP-EMTP eingesetzt, wobei mathematische Transformationen wie die Parksche Transformation zur Anwendung kommen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Modellierung, die Implementierung der Komponenten in ATPDraw sowie den detaillierten Vergleich der simulierten Daten mit gemessenen Betriebswerten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Simulationstechnik, ATP-EMTP, Windenergieanlage, doppeltgespeiste Asynchronmaschine, Stromrichter und transientes Verhalten.
Wie wird der Umrichter in der Simulation realisiert?
Der Umrichter mit Spannungszwischenkreis wird durch die Kombination elektrischer Bauelemente mit logischen TACS-Steuermodulen nachgebildet, die Schalthandlungen basierend auf einer Pulsweitenmodulation durchführen.
Wie wird das Modell validiert?
Die Validierung erfolgt durch den Vergleich der berechneten Ständerströme, Rotorströme und Leistungsdaten mit gemessenen Daten der realen 1,5-MW-Windenergieanlage.
Warum ist die Wahl des Schlupfes für die Simulation entscheidend?
Der Schlupf definiert den Betriebszustand der Asynchronmaschine; da die automatische Initialisierung diesen Wert zur Berechnung des stationären Ausgangszustands benötigt, ist er für die Genauigkeit der Simulation fundamental.
- Citation du texte
- Dipl.-Ing.(FH) Mark Mittelgöker (Auteur), 2002, Nachbildung einer Windenergieanlage mit dem Programm EMTP-AMTP zur Untersuchung des transienten Verhaltens im Netzbetrieb, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/113138
