Achtergrond
Modelgebaseerd ontwerpen blaast windturbine vroeg leven in
25 mei 2010
Windturbines diagnosticeren en repareren bij een storing is kostbaar. Dit maakt de testfase een belangrijk onderdeel van hun ontwikkeling. Vanwege formaat en kosten is het onmogelijk om tests puur op prototypesystemen uit te voeren. Modelgebaseerd ontwerpen kan hier uitkomst bieden: simulaties kunnen prototypetests deels vervangen of deze effectiever maken en de prestaties van de geïntegreerde systemen kunnen worden geoptimaliseerd.
Op dit moment draaien er meer dan tweeënhalfduizend windturbines in de Benelux. Deze genereren bijna 2700 MW aan energie, ruwweg drie procent van de elektriciteit die deze regio thans verbruikt. In 2012 zullen windturbines naar verwachting vijf keer zo veel stroom opwekken. Niet alleen komen er steeds meer en steeds grotere windparken, maar ook de turbines zelf worden steeds beter. Aerodynamischere rotorbladen, beter presterende generatoren en geoptimaliseerde regelsystemen maken hen efficiënter dan ooit.
De verbeterde technologie stelt ontwikkelaars echter voor verschillende nieuwe uitdagingen. Een windturbine is een complex systeem waarin allerlei subsystemen zo efficiënt mogelijk moeten samenwerken: mechanische onderdelen zoals de rotorbladen en de tandwielkast, hydraulische of elektrische actuatoren om de instelhoek van het rotorbladprofiel te veranderen, elektrische kruimotoren en elektronische componenten zoals de generator. Al deze onderdelen moeten ieder op hun eigen manier reageren op wisselende omgevingsomstandigheden, met name op veranderende windsnelheden.
Een complex centraal besturingssysteem moet ervoor zorgen dat de windturbine zo vaak mogelijk elektriciteit genereert. Zodra er een stroomstoring optreedt, dient het de turbine echter tot stilstand te brengen om te voorkomen dat deze instabiel wordt en zichzelf beschadigt. Tegelijkertijd moet het de individuele onderdelen beschermen. Normaal gesproken wordt de generator alleen ingeschakeld als de wind snelheden bereikt van 2 tot 4 m/s. Daaronder wekt de turbine onvoldoende elektriciteit op en slijten de onderdelen onnodig. Bij stormachtig weer wordt de generator uitgeschakeld en worden de rotorbladen ingesteld op langzaam draaien, om zo de belasting op de turbine te verminderen.
Daarnaast zijn er de systemen die de instelhoek van de rotorbladen en de kruihoek regelen. De instelhoekbesturing dient de snelheid van de generator in het relatief smalle bereik te houden waarin deze de maximale hoeveelheid energie genereert. De kruihoekregeling moet de turbine recht in de wind houden. Deze regeling heeft daarbij te maken met uitgesproken niet-lineair gedrag, dat bovendien extra wordt beïnvloed door speling in de transmissie en door frictie in de grote kogellagers. Het systeem zorgt er verder voor dat de gondel niet de hele tijd in dezelfde richting draait, zodat de kabels in de mast niet tot over hun limiet draaien.
Stroomstoringen
Zoals bij veel systemen in de hightech komen ook de onderdelen van een windturbine meestal bij verschillende teams of zelfs verschillende bedrijven vandaan. Niet zelden gebruiken die verschillende tools, elk met een eigen methode om de eisen vast te leggen. Ontwikkelaars kunnen het geïntegreerde ontwerp daardoor vaak pas testen wanneer er hardwareprototypes zijn. Door de grote variëteit aan weersomstandigheden en storingsanalyses is het echter onhaalbaar om dit uitgebreid te doen, waardoor de (deel)systemen worden overgedimensioneerd, en zo minder efficiënt worden, om er zeker van te zijn dat de turbine niet defect raakt.
Een modelgebaseerde ontwerpaanpak maakt het mogelijk om alle componenten in een vroeg stadium van het ontwikkelproces te simuleren en te testen als onderdeel van het geheel. Dit heeft twee belangrijke voordelen. Enerzijds kunnen we proefdraaien met de regelaarhardware voordat de betreffende deelsystemen beschikbaar zijn. Anderzijds kunnen we systemen die later nauw moeten samenwerken, zoals de instelhoek- en kruiaandrijvingen, samen testen en op elkaar afstemmen.
XEMC Darwind gebruikt Mathworks-tools om elk subsysteem van een windturbine gedetailleerd te modelleren en het gedrag te simuleren.
Modellering en simulatie gebeuren in één omgeving en zijn direct gekoppeld aan de requirements. Dat maakt het eenvoudig om te bepalen of het systeem als geheel voldoet aan de specificaties. Als de eisen incorrect of incompleet zijn, komt dat in een vroeg stadium boven water en niet pas bij de integratie van de onderdelen, op een moment dat reparatie duur of onmogelijk is. Bovendien vereenvoudigt het gebruik van één omgeving de communicatie tussen de verschillende teams. Met een druk op de knop kunnen we de benodigde embedded software rechtstreeks vanuit de modellen genereren.
Vroegtijdige virtuele integratie maakt het eenvoudiger om het ontwerp van een windturbine te optimaliseren, de juiste technologie te selecteren en te controleren op integratieproblemen tussen de verschillende regelsystemen. Door middel van simulatie kunnen we de hele turbine testen bij verschillende windrichtingen, windsnelheden en temperaturen, wat onmogelijk is op een echt systeem. De uniforme softwareomgeving bespoedigt de simulatiefase aanmerkelijk. Dat is van kritiek belang omdat windturbines moeten voldoen aan talloze certificatie-eisen die vaak langdurige en uitvoerige simulatiestudies met zich meebrengen. Bovendien maakt modelgebaseerd ontwerpen het niet alleen mogelijk om het systeem en de besturingshardware te testen voordat hardwareprototypes zelfs maar gemaakt zijn, maar ook om on-site stroomstoringen virtueel te reproduceren binnen het model. Doordat we opgedoken problemen niet ter plekke hoeven te diagnosticeren, besparen we reistijd, vooral bij afgelegen turbinelocaties.
Hardware-in-the-loop
Als startpunt van de ontwikkeling modelleren we de windturbine volledig in bijvoorbeeld Matlab en Simulink. Verschillende blokken symboliseren het fysische systeem met zijn mechanische, elektrische en hydraulische onderdelen, samen met de actuatoren voor het geheel, de bladinstelhoek en de kruihoek. Dit wordt aangevuld met modellen van de aerodynamische effecten en verschillende omstandigheden, in het bijzonder de windsnelheid en -richting.
Vervolgens voeren we op systeemniveau analyses uit met geïdealiseerde modellen om technologieën te selecteren en de requirements vast te stellen. De ideale modellen zijn geleidelijk te verfijnen en te vervangen door realistische om de systeemprestaties te bepalen. Met een geïdealiseerde instelhoekaandrijving kunnen we bijvoorbeeld de benodigde kracht van de actuator achterhalen en daarmee de afmetingen van de hydraulische cilinder. In de simulatie verwerken we dan een meer gedetailleerd model van de gekozen hydraulische eenheid. Het model van de kruiaandrijving kan starten als een enkele ideale torsiebron, om dan stapsgewijs te worden verfijnd door vier individuele motoren op te nemen, een model van het mechanische systeem inclusief de tandwielkrans, een diagram van het elektrische circuit en andere details. Deze geleidelijke vorderingen laten toe om het ontwerp tijdens elke stap te testen en de gestelde eisen te valideren en te verfijnen.
De modellen van de subsystemen kunnen we in een vroeg stadium van het ontwikkelproces integreren en simuleren in de simulatieomgeving. De prestatie van het geheel testen we door langzaam steeds meer componenten toe te voegen aan de totale simulatie, waarbij het telkens zaak is om een balans te vinden tussen betrouwbaarheid van het model en simulatiesnelheid. Als we bezig zijn met de kruihoekregelaar, kunnen we bijvoorbeeld een gedetailleerd model van het kruisysteem gebruiken en het bladhoekinstelsysteem binnen het geheel even vervangen door een minder nauwkeurig model. Dit houdt niet alleen de simulatietijd kort, maar maakt het ook mogelijk om te controleren op integratieproblemen tussen deze twee componenten.
Met het systeemmodel kunnen we verschillende simulaties uitvoeren. Een driedimensionale animatie en grafieken die verschillende relevante waardes aangeven, tonen hoe de windturbine reageert onder wisselende omstandigheden. De bidirectionele verbindingen die Simulink Verification and Validation legt tussen het model en de requirementsdocumenten maken het eenvoudig om op elk moment te checken of het systeem nog aan de eisen voldoet.
Vanuit het model genereren we tenslotte automatisch embedded C-code voor het volledige besturingssysteem. Om de resulterende regelapplicatie en de besturingshardware te testen, voeren we hardware-in-the-loop-tests uit in plaats van directe tests op prototypes van de windturbine. Het model van het fysische systeem kunnen we omzetten naar C-code en draaien op een computer die voor testdoeleinden verbonden is met de besturingshardware, die zich daarbij gedraagt alsof er een daadwerkelijke windturbine aan hangt. Zo kunnen we het systeem constant testen, onder een groter aantal omstandigheden dan mogelijk zou zijn met een prototype turbine. Door hetzelfde model van het fysische systeem te gebruiken als tijdens de eerdere ontwikkelfases kunnen we bovendien verifiëren dat de gegenereerde code exact zo presteert als in het Simulink-model.
Paul Lambrechts is senior applicatie-engineer en Steve Miller is technisch marketingmanager Fysische Modellering, beiden bij The Mathworks.
