Nachbildung einer Windenergieanlage mit dem Programm EMTP-AMTP zur Untersuchung des transienten Verhaltens im Netzbetrieb

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

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.