LOAD RESPONSE: WEA-Modelle
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Beschreibung der generischen WEA-Modelle
LOAD RESPONSE beinhaltet zwei generische WEA-Response-Modelle, eins für WEA mit großem Rotor (≥90m) das andere für kleinere Rotordurchmesser (<90m). Diese Modelle basieren auf der Annahme eines modernen Standard-Designs mit folgenden Haupt-Charakteristika:
Generische WEA Konfiguration:
- 3 Rotorblätter
- Pitch-Regelung
- Standard PID-Regelung
- Getriebe
- Stahlturm
- Onshore
Die zugrunde liegenden aero-elastischen Simulationen für die generischen Response-Modelle wurden für eine Reihe von repräsentativen Sensoren für die Hauptkomponenten einer WEA durchgeführt.
Komponenten und Sensoren der generischen Response-Modelle:
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Abb. 95. Liste der Sensoren des generischen Response-Modells, Skizze mit markierten Sensoren.
Die Abkürzung DEL steht für Damage Equivalent Load (Schadensäquivalent), LDD für Load Duration Distribution (Lastdauer-Verteilung). Das Konzept der “schadensäquivalenten Lasten” bezieht sich auf eine übliche Weise die kumulativen Ermüdungslasten zu beschreiben. Mathematisch resultieren die DEL aus der Akkumulation der Anteile der Ermüdungslasten bei verschiedenen Berechnungszyklen (über Rainflow-Zählung), um die kumulative Ermüdung nach Miners Gesetz zu erhalten. Die Schadensbelastung ist verbunden mit einer linearen S-N-Kurve, um den äquivalenten Stress (Last) für eine bestimmte Anzahl von Zyklen zu erhalten. Dieser resultierende Lastbereich wird als Damage Equivalent Load bezeichnet.
Die lineare S-N-Kurve (definiert durch den Wöhler-Exponent m) bezieht den Belastungsbereich auf Fehlerzyklen. Load Duration Distribution ist ein vergleichbares Konzept für die Lastdauer, was die Schädigungs-Akkumulation der mechanischen Komponenten wie Getriebe widergibt. Weitere Details dazu finden sich in Anhang IV.
WEA-Hersteller, die ihre eigenen WEA-Typen in LOAD RESPONSE anlegen möchten, können unabhängig von den generischen EMD-Modellen festlegen, welche Kombination von Sensoren und Komponenten in ihrem Modell enthalten sein sollen.
Anlegen neuer WEA-Response-Modelle (nur für WEA-Hersteller)
WEA-Herstellern wird empfohlen für die firmeninterne Nutzung ihre eigenen WEA-Modellein LOAD RESPOSNE anzulegen. Dies führt zu einer schnelleren Durchführung von standortspezifischen Lastberechnungen und kann die internen Prozesse zwischen Wind & Site- und Lastberechnungs-Abteilung stark beschleunigen.
Voraussetzung um eine eigene WEA einzufügen sind aero-elastischen Simulationen des Anlagenmodells. Eine Spezifikation der benötigten Ergebnisse und des Speicherformats ist auf Anfrage bei EMD erhältlich. Alle aero-elastischen Simulation werden durch den WEA-Hersteller und seine eigenen Tools durchgeführt, wie in folgender Grafik beschrieben:
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Abb. 96. Schematische Darstellung der einzelnen Schritte zur Implementierung von WEA-Response-Modellen in LOAD RESPONSE.
Wenn die benötigten aero-elastischen Simulation sowie die Nachbearbeitung abgeschlossen ist, müssen die Ergebnisse in einem binären Datei-Format, dem *.mat-Format, gespeichert werden, wie es auch in MATLAB verwendet wird. Dieses Vorgehen wird in der o.g. Spezifikation näher beschrieben. Zusätzlich wird eine *.xml-Datei benötigt, die die generelle Beschreibung der WEA, den Namen und die Konfiguration des WEA-Modells enthält. Diese Eingangsdaten werden verschlüsselt, komprimiert und in das windPRO-Format *.loadresponse umgewandelt. Während dieses Prozesses ist es möglich einzelne Lizenznummern zu definieren, für deren Nutzer diese Datei in windPRO LOAD RESPONSE verwendbar sein wird (wenn die Datei verfügbar ist). Die LOAD RESPONSE-Modelle, die von WEA-Herstellern implementiert werden enthalten damit drei Sicherheitsstufen:
- Verschlüsseltes Dateiformat: Die aero-elastischen Eingangsdaten sind in binärem, verschlüsseltem Dateiformat gespeichert
- Lizenzfreigabe: Der WEA-Hersteller entscheidet selbst, welche windPRO-Lizenznehmer die Datei nutzen können
- Dateiübermittlung: Anwender, die spezifische LOAD RESPONSE-Dateien nutzen sollen / dürfen, müssen diese Datei(en) vom WEA-Hersteller selbst bekommen
Als vierte Sicherheitsstufe hat der Hersteller die Möglichkeit, alle aero-elastischen Lastdaten für das Response-Modell mit einer willkürlichen, nur dem Hersteller bekannten, Konstante zu verändern. Das Hauptergebnis - der Lastindex – bleibt dadurch unbeeinflusst, da er nur vom Verhältnis der WEA-Lasten zu den IEC-Auslegungslasten abhängt, die dann beide mit der Konstante belegt sind.
LOAD RESPONSE verschlüsseln und zippen
Wenn eine Lizenz für LOAD RESPONSE vorhanden ist, kann das Tool LOAD RESPONSE verschlüsseln und zippen über das Werkzeuge-Menü geöffnet werden.
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Abb. 97. Links: Öffnen von LOAD RESPONSE verschlüsseln und zippen aus dem Werkzeuge-Menü, rechts das geöffnete Tool.
Nun können folgende Aktionen durchgeführt werden:
- Auswahl der benötigten XML-Datei mit Beschreibung der WEA und der aero-elastischen Berechnungen
- Auswahl der MAT-Datei mit den Ermüdungslasten aus den aero-elastischen Simulationen
- Definition von Lizenznummern deren Nutzer diese Response-Modell verwenden dürfen
Achtung: Wenn das Eingabefeld der windPRO-Nutzer-ID leer bleibt, ist die Nutzung der Datei nicht beschränkt. Voraussetzung ist jedoch, dass die Datei dem Nutzer zugeführt wurde.
Nachdem alle Eingaben getätigt wurden, kann die Datei über Loadresponse-Datei zippen und speichern im gespeichert werden, idealerweise im Ordner /windPRO Data/LoadResponse.
Wenn die die Lizenznummer zu den freigegebenen gehört, kann nun dieses neu angelegte Modell in der LOAD RESPONSE-Berechnung ausgewählt werden.
Register Genauigkeit und Zertifizierungsanforderungen
Im Rahmen der Zertifizierung von LOAD RESPONSE durch TÜV Süd wurden einige Einschränkungen für die herstellerspezifischen WEA-Response-Modelle vereinbart. Diese stellen eine ausreichende Genauigkeit des Response-Modells für die Kombination des herstellerspezifischen WEA-Modells und der klimatischen Parameter am Standort sicher.
Die Einschränkungen finden Anwendung, wenn die Ergebnisse in offiziellem Kontext, wie bei Baugenehmigungsverfahren genutzt werden. Wenn herstellerspezifische Modelle in LOAD RESPONSE genutzt werden erscheint daher ein neues Register Genauigkeit. Im oberen Bereich werden die Ergebnisse der Prüfung zusammengefasst.
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Abb. 98. Register Genauigkeit (oberer Teil) mit der Übersicht der Genauigkeitsprüfung
Register Genauigkeit: Abweichungen von klimatischen Parametern
Das erste Unterregister zeigt den Vergleich der klimatischen Parameter der WEA im Verhältnis zu den Referenzbedingungen des Response-Modells und der Zertifizierung. Grund dafür ist, dass das Response-Modell auf aero-elastischen Simulationen beruht, die den typischen Variationsbereich der vier klimatischen Parameter Effektive Turbulenz (Iref), Wind shear (α), Neigung der Anströmung (φ) und Luftdichte (ρ) enthalten. Liegen diese Paramter am Standort deutlich außerhalb des Bereiches, der im Response-Modell enthalten ist, verringert sich die Genauigkeit des Modells. Zur Abschätzung wie weit die standortspzifischen Bedingungen von dem Bereich der im Response-Modell enthaltenen Parameter abweichen, wird für jede WEA ein „normalisierter Radius“ berechnet. Dieser Radius ist einfach nur der euklidische Abstand von einem Referenzpunkt (Iref,0 , α0, φ0, ρ0) des Response-Modells (üblicherweise die Auslegungsbedingungen der relevanten IEC--Klasse) zu den standortspezifischen Windbedingungen im vierdimensionalen Raum (Iref, α, φ, ρ). Jede der vier Dimensionen (Achsen) wird auf eine charakteristische Schrittlänge normalisiert, wie sie im Response-Modell verwendet wird, siehe folgende Gleichung:
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Beispiel: Eine WEA entspricht in allen Auslegungs-Parametern einer IEC-Klasse, ausgenommen der Luftdichte, die eine Schrittlänge (Δρ) höher ist als der Referenzwert. In diesem Fall gleicht der normalisierte Radius Rnorm=1.
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Abb. 99. Das Register Genauigkeit zeigt die Abweichung der standortspezifischen Bedingungen von den Referenzbedingungen (nur bei herstellerspezifischen Response-Modellen!)
Register Genauigkeit: Genauigkeit des Response-Modells (Übersicht)
Das Response-Modell in LOAD RESPONSE basiert auf einer Anpassung von 25 Kombinationen der klimatischen Parameter für jede Windgeschwindigkeitsklasse. Für jeden Sensor und jeden der 25 Anpassungspunkte ist es möglich die Abweichung der Anpassung zu berechnen. Der relative und maximale Fehler der 25 Anpassungspunkte wird auf dem Register Genauigkeit des Response-Modells (Übersicht) dargestellt.
Zusätzlich zu den 25 Anpassungspunkten sind 8 Kontrollpunkte gefordert, um die Anforderungen der Zertifizierung einzuhalten. Diese werden in der Anpassung nicht verwendet, erlauben jedoch dadurch eine zusätzliche, unabhängige Prüfung der Modellgenauigkeit. Diese sind ebenfalls in diesem Register enthalten.
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Abb. 100. Das Register Genauigkeit des Response-Modells (Übersicht) zeigt die Genauigkeit für 25 Anpassungspunkte und 8 zusätzliche Kontrollpunkte. Im Beispiel liegen die Abweichungen aller Punkte im akzeptierten Bereich.
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