System level multi-physics power hardware in the loop testing for wind energy converters

Helmedag, Alexander; Monti, Antonello; de Doncker, Rik W.

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-022385

System level multi-physics power hardware in the loop testing for wind energy converters

Helmedag, Alexander

2015 & 2015

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Helmedag

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2015

UmfangVIII, 222 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-942789-28-8

ReiheE.On Energy Research Center / ACS, Automation of Complex Power Systems ; 29

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-022385
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466674/files/466674.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466674/files/466674.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems (616310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung und den Aufbau eines 1-MWMulti-Physics Power Hardware in the Loop-Prüfstands zur Untersuchung von Windenergieanlangen-Gondeln, der an der RWTH Aachen realisiert wurde. Neben der Dokumentation des Aufbaus werden die Ergebnisse der Inbetriebnahme und der ersten Test-Phase aufgezeigt. Als Basis dieser Arbeit werden Grundlagen der Windenergie, geltende gesetzlichen Rahmenbedingungen, sowie aktuell relevante Technologien dargelegt, die in Windenergieanlagen zum Einsatz kommen. Außerdem wird der Wandel des elektrischen Netzes besprochen, der mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energiequellen einhergeht. Zu den daraus resultierende Problematiken werden darüberhinaus aktuell diskutierte Lösungsvorschläge aufgezeigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den technischen Eigenschaften und den Vorteilen von Hardware in the Loop-Untersuchungen und legt den Schwerpunkt auf Multi-Physics Power Hardware in the Loop-Simulationen. Es werden die Zertifizierung sowie das Testen von Windenergieanlagen mit dem Fokus auf prüfstandsbasierte Gondel-Untersuchungen behandelt. Dazugehörige Schnittstellenlösungen werden beispielhaft dargelegt. Zum einen ist dies eine am Institut ACS entwickelte Schnittstelle zum Testen von elektrischen Betriebsmitteln im Haushalts-Leistungsbereich. Zum anderen werden die Problematiken dieser Schnittstellen für hohe Leistungen erörtert. Der 1-MW Prüfstand dient als Grundlage zur Beschreibung der in dieser Dissertation eingeführten Methoden sowie der Schilderung der am Aufbau umgesetzten elektrischen, mechanischen und Signal-Level Bereiche. Die Eigenschaften des vorliegenden Prüfstands werden bewertet und mit anderen ähnlichen Prüfständen verglichen. Eine experimentelle Verifizierung rundet die Dokumentierung des Prüfstands ab, um anschließend dessen resultierendes Verhalten zu analysieren. Die Ergebnisse der Dissertation dienen als Basis zur methodisch fundierten Untersuchung von Windenergieanlagen-Gondeln auf System-Prüfstanden. Insbesondere die umrichterbasierte Erzeugung von Spannungseinbrüchen inKombination mit einem Multi-Physics Power Hardware in the Loop-Prüfstand zeigen die Vorteile der Vorgehensweise. Es wurde belegt, dass Tests auf dem umgesetzten Prüfstand deterministisch, wiederholbar, zeit-invariant und hochlastfähig sind.

This dissertation embraces the development and the realization of a 1-MW Multi-PhysicsPower Hardware in the Loop setup for the testing of wind energy converter nacelles at RWTH Aachen University. Moreover, results from the commissioning and the first testphase of the installation are depicted. The background of wind energy in general, the current conditions of legislative regulations, and the state of the art technologies in use forwind energy converters are included in this research study. In addition, the change of theelectrical power grid due to the increasing share of renewable power generation is illustrated and suggestions which currently are discussed for addressing the resultingproblems in grid operation are presented.This study characterizes the advantages and technical aspects of Hardware in the Loopi nvestigation with focus on Multi-Physics Power Hardware in the Loop. Furthermore, its use for the certification and testing of wind turbine nacelles with emphasis on test-benchbasedexamination of nacelles is delineated. Examples of interfaces for power-level Hardware in the Loop testing are given. Firstly, a flexible interface solution for the testing of components at household power levels is introduced that has been developed at the Institute ACS. Secondly, the challenges of power-level interfaces for high power test benches are depicted. Moreover, the 1-MW system-level nacelle test bench is outlined including an exposition of the involved technologies regarding the electrical as well as the mechanical and signal level domain. The test bench setup is compared to other ground-level wind turbine testing installations and the characteristics of the different approaches are evaluated. An experimental verification of the test bench completes the description of the setup. The results are analyzed and discussed. Based on the outcomes of this dissertation the method of investigating nacelles of wind energy converters on system-level test benches has been proven advantageous. In particular, the use of power-converter-based voltage breakdown generation in combination with the realization of a multi-physics power-level Hardware in the Loop setup yields superior outcomes. It is demonstrated that investigations on the implemented test bench are deterministic, repeatable, time-invariant, and high-loadcapable.

OpenAccess:
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