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
- 3.1 Das Universal Maschinen-Modell
- 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
- 5.1 Einzelne Kommmutierungsgruppen
- 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
- 8.1 Mögliche weiterführende Schritte
- 9. Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Simulationsmodells für das elektrische Verhalten einer Windkraftanlage unter Verwendung des Programms ATP-EMTP. Die Arbeit soll die prinzipielle Funktion einer Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor erläutern und die Nachbildung einzelner Komponenten im Simulationsprogramm demonstrieren. Ein besonderer Fokus liegt auf dem Vergleich der Simulationsergebnisse mit realen Messdaten.
- Nachbildung einer Windenergieanlage in ATP-EMTP
- Simulation des transienten Verhaltens im Netzbetrieb
- Vergleich von Simulations- und Messdaten
- Modellierung von Asynchronmaschinen
- Realisierung eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der Simulationstechnik im Kontext der regenerativen Energieerzeugung ein und beschreibt die Vorteile von Simulationen gegenüber aufwendigen Messungen. Sie skizziert den Aufbau und die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, die sich auf die Simulation einer Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor konzentriert und einen Vergleich mit realen Messdaten vorsieht.
1. Energie aus dem Wind: Dieses Kapitel bietet einen Überblick über verschiedene Energiewandlersysteme in Windkraftanlagen, wobei der Fokus auf Asynchron- und Synchronmaschinen liegt. Es werden die Unterschiede im Betriebsverhalten beider Maschinentypen, insbesondere hinsichtlich der Reaktion auf kurzzeitige Leistungsänderungen, detailliert erläutert und verschiedene Konzepte zur mechanisch-elektrischen Energiewandlung verglichen.
2. Das Simulationsprogramm: Kapitel 2 beschreibt das Simulationsprogramm ATP-EMTP, seine Funktionen und Einsatzmöglichkeiten bei der Simulation elektromagnetischer und mechanischer Vorgänge in elektrischen Energieversorgungsnetzen. Es werden die zusätzlichen Programme ATPDraw, ATP Control Center, PFE Editor und Plot XY vorgestellt und ihre Rolle im Workflow erläutert.
3. Nachbildung von Asynchronmaschinen: Dieses Kapitel beschreibt die Nachbildung von Asynchronmaschinen im ATP-EMTP Programm, speziell das Universal Maschinen-Modell (UM-Modell). Es werden die verschiedenen Maschinentypen, die mit dem UM-Modell simuliert werden können, aufgelistet und die Eingabeparameter sowie die Ausgabemöglichkeiten des Modells detailliert erklärt. Die Parksche Transformation und die Modellierung des mechanischen Systems werden ebenfalls behandelt.
4. Parksche Transformation: Kapitel 4 erläutert die Parksche Transformation, eine wichtige Methode zur Vereinfachung der Maschinengleichungen im UM-Modell. Es wird die prinzipielle Vorgehensweise und deren Anwendung in ATP beschrieben, wobei der Übergang von einem dreiphasigen zu einem zweiphasigen System detailliert dargestellt wird.
5. Realisierung eines U- Umrichters in ATP Draw: Dieses Kapitel beschreibt die Umsetzung eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis in ATP Draw. Es werden die einzelnen Kommutierungsgruppen (netzseitig und generatorseitig) detailliert erläutert, die Erzeugung der Zündimpulse mithilfe von TACS-Elementen beschrieben und der Aufbau des vollständigen Umrichtermodells erklärt.
6. Das Modell eines 1,5-MW-Windgenerators: Kapitel 6 beschreibt die Modellierung eines 1,5-MW-Windgenerators in ATP Draw. Es werden Simulationen mit offenen und kurzgeschlossenen Läuferklemmen durchgeführt und die Ergebnisse hinsichtlich Rotorspannung und mechanischem Drehmoment analysiert.
7. Das Modell der doppeltgespeisten ASM: In diesem Kapitel wird das Modell der doppeltgespeisten Asynchronmaschine im Detail behandelt. Die Ermittlung der Rotorspannung und der Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messdaten für Ständerströme, Rotorströme, Rotorspannungen und Leistungen werden ausführlich dargestellt.
8. Ausblicke: Der Ausblick beschreibt mögliche Erweiterungen des Simulationsmodells, wie z.B. die Entwicklung eines detaillierteren Stromrichtermodells, die Integration eines Transformators und die Berücksichtigung der Netzanbindung für weiterführende Simulationsstudien.
Schlüsselwörter
Windenergieanlage, EMTP-ATP, Asynchronmaschine, doppeltgespeiste Asynchronmaschine, Simulation, transientes Verhalten, Netzbetrieb, Stromrichter, Pulsweitenmodulation, Maschinenmodell, Messdaten, Vergleich, Leistungsanalyse.
Häufig gestellte Fragen zur Simulation einer Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor
Was ist der Inhalt dieser Arbeit?
Diese Arbeit beschreibt die Erstellung eines Simulationsmodells für das elektrische Verhalten einer Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor (ASM) unter Verwendung des Programms ATP-EMTP. Es beinhaltet eine detaillierte Erläuterung der einzelnen Komponenten, die Modellierung im Simulationsprogramm, und einen Vergleich der Simulationsergebnisse mit realen Messdaten. Die Arbeit umfasst eine Einleitung, ein Inhaltsverzeichnis, die Zielsetzung und Themenschwerpunkte, Kapitelzusammenfassungen, und Schlüsselwörter.
Welche Software wird verwendet?
Das Hauptprogramm ist ATP-EMTP (Alternative Transients Program / Analyse de Transitoires de Puissance), ein Programm zur Simulation elektromagnetischer und mechanischer Vorgänge in elektrischen Energieversorgungsnetzen. Zusätzlich werden ATPDraw (grafischer Preprozessor), ATP Control Center (Navigationszentrale), PFE Editor und Plot XY verwendet.
Welche Komponenten der Windkraftanlage werden simuliert?
Die Simulation konzentriert sich auf eine Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor. Das Modell umfasst die Asynchronmaschine selbst (inklusive des UM-Modells und der Parkschen Transformation), den Umrichter mit Spannungszwischenkreis, und die Schnittstelle zwischen Maschine und Netzwerk. Es werden Simulationen mit offenen und kurzgeschlossenen Läuferklemmen durchgeführt.
Wie wird die Asynchronmaschine modelliert?
Die Asynchronmaschine wird mit dem Universal Maschinen-Modell (UM-Modell) in ATP-EMTP nachgebildet. Das Kapitel beschreibt detailliert das UM-Modell, inklusive seiner Einschränkungen und Rahmenbedingungen, das d-q-0 System, die Modellierung des mechanischen Systems, die Schnittstelle zum Netzwerk, und die Eingabe- und Ausgabegrößen. Die Parksche Transformation wird zur Vereinfachung der Maschinengleichungen verwendet.
Wie wird der Umrichter modelliert?
Der Umrichter mit Spannungszwischenkreis wird in ATP Draw realisiert. Die Modellierung umfasst die einzelnen Kommutierungsgruppen (netzseitig und generatorseitig) und den Aufbau des vollständigen Umrichtermodells. Die Erzeugung der Zündimpulse mithilfe von TACS-Elementen wird beschrieben.
Wie werden die Simulationsergebnisse validiert?
Ein wichtiger Aspekt der Arbeit ist der Vergleich der Simulationsergebnisse mit realen Messdaten. Der Vergleich umfasst Ständerströme, Rotorströme, Rotorspannungen und Leistungsbetrachtungen, um die Genauigkeit des Simulationsmodells zu überprüfen.
Welche Zielsetzung verfolgt die Arbeit?
Die Zielsetzung ist die Erstellung eines funktionsfähigen und validierten Simulationsmodells für eine Windkraftanlage mit doppeltgespeistem Asynchronmotor in ATP-EMTP. Die Arbeit soll das Verständnis der Funktionsweise der Anlage verbessern und die Möglichkeiten der Simulation im Kontext der regenerativen Energieerzeugung demonstrieren.
Welche weiteren Schritte sind möglich?
Als Ausblick werden mögliche Erweiterungen des Modells genannt, wie die Entwicklung eines detaillierteren Stromrichtermodells, die Integration eines Transformators und die Berücksichtigung der Netzanbindung für umfassendere Simulationsstudien.
Welche Schlüsselbegriffe sind relevant?
Windenergieanlage, EMTP-ATP, Asynchronmaschine, doppeltgespeiste Asynchronmaschine, Simulation, transientes Verhalten, Netzbetrieb, Stromrichter, Pulsweitenmodulation, Maschinenmodell, Messdaten, Vergleich, Leistungsanalyse.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing.(FH) Mark Mittelgöker (Autor:in), 2002, Nachbildung einer Windenergieanlage mit dem Programm EMTP-AMTP zur Untersuchung des transienten Verhaltens im Netzbetrieb, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/113138
