Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...

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Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...
Zertifizierung von WEA auf Prüfständen:
Von der Forschung in die Richtlinien

Dr. Uwe Jassmann

Managing Chief Engineer
1      Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
       12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
       Dr. Uwe Jassmann
Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...
Agenda

• Nacelle System Test Benches – Overview and Motivation

• Mechanical-level HiL for Test Benches

• Validation of HiL by means of Certification Measurements

• Summary and Outlook

2      Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
       12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
       Dr. Uwe Jassmann
Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...
Nacelle System Test Benches
Overview and Motivation General

                              Benefits / Goals
     Testing of complete nacelle before installed in the
      field (System Integration Test)
     Freely definable and reproducible test conditions
     Certification measurement campaigns compliant
      with grid codes (CertBench)

                                                                                                                                                © RWTH Aachen

       Prime Mover
                                                                                                                 Test Bench Properties
                                                                                                      Prime Mover             Grid Emulator
                                                                                                       – 4MW rated Power        – 21MVA rated Power
          Wind Load Unit                                                                               – 3.4MNm max. Torque     – Freq. Range 48-52Hz
                                          Nacelle                                                      – …                      – …

3          Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
           12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
           Dr. Uwe Jassmann
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Nacelle System Test Benches
History: Test Benches, Research Projects, Guidelines

                           CWD 1MW                                          CWD 4MW                             Research
                           Test Bench                                       Test Bench                         Wind Turbine
    CWD
                                            1st HiL-Test                                                    HiL-Test           Commercial         HiL-Test
                                            Vestas V52                                                    2.7MW WEA            ext. HiL-Test      Enercon
          2011                                                                                                           Aerodyn
       91b propos.                                                                                                     Wind Turbine

    2010           2011               2012               2013               2014               2015        2016         2017       2018        2019    2020

                                                               Start                      Adapt. Techn.               Start         Adapt. IEC
                                                            FVA-Gondel                    Guideline TR3             CertBench       61400-21-4

                                      Vestas                             LORC                        Clemson         LORC                              LORC
                                     (20MW)                             (10MW)                       (15MW)         (10MW)                            (25MW)
                                              Clemson                                      Fhg IWES
                                              (7,5MW)                                       (10MW)

4          Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
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Nacelle System Test Benches
History: Test Benches, Research Projects, Guidelines

                           CWD 1MW                                          CWD 4MW                             Research
                           Test Bench                                       Test Bench                         Wind Turbine
    CWD
                                            1st HiL-Test                                                    HiL-Test           Commercial         HiL-Test
                                            Vestas V52                                                    2.7MW WEA            ext. HiL-Test      Enercon
          2011                                                                                                           Aerodyn
       91b propos.                                                                                                     Wind Turbine

    2010           2011               2012               2013               2014               2015        2016         2017       2018        2019    2020

                                                               Start                      Adapt. Techn.               Start         Adapt. IEC
                                                            FVA-Gondel                    Guideline TR3             CertBench       61400-21-4

                                      Vestas                             LORC                        Clemson         LORC                              LORC
                                     (20MW)                             (10MW)                       (15MW)         (10MW)                            (25MW)
                                              Clemson                                      Fhg IWES
                                              (7,5MW)                                       (10MW)

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From Research to Guidelines
Bridging the Gap with research Project CertBench

    Obstacles or “CertBench Motivation”
    • Many Stakeholders need to understand and
      trust the correctness of Nacelle Test Benches
    • Missing Requirements for hard- and software
    • Missing Validation of test benches against field

    Goals of CertBench
    • Definition of required modelling detail (rotor)
    • Design of mechanical-level HiL-Systems and
      Control
    • Assessment of the grid emulator’s influence
    • Validation of results with the help of commercial
      ENERCON Turbine and field tests
6          Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
           12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
           Dr. Uwe Jassmann
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HiL-Systems for Wind Turbine System Test Benches
Detailed Perspective HiL-Systems

                                                                                          User Interface

                                                                                               Wind Speed                    Grid Properties

                                                                                               Turbulence                          …

                                                                                                        Sensor-Actuator
              Rotor-Drivetrain
                                                                                                        Emulation                                                      Grid Emulation
              Emulation
                                                                                                           Park Controller
                  Aerodynamics                                                                                                                                              Grid Model
                                                                                                          Windsensor Model
                                                                                                             Yaw Model
                                                                                                             Pitch Model
                 Internal Rotor &
                  Turbine Model
                                                                                  Nacelle
                   Test Bench                                                     (DUT)             Pitch Controller Main Controller                                     Converter Control
                  Drive Control
                                                                                                              Auxiliary
                                                                                                              Devices
                                                                                                              AC        DC                     U, I, f   Test Bench
                                                                                                      G                                                  Converter
                                                   Prime Mover and                                    ~            DC        AC

                                                    Wind Load Unit
    mHiL-Operated Test Bench                                                                                                                                     Power-HiL-Operated Test Bench

7         Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
          12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
          Dr. Uwe Jassmann
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HiL-Systems for Wind Turbine System Test Benches
Decisions to make

Modelling Details: Rotor Modes                                                                          Controller Performance
                                                       0Hz       2Hz      10Hz      20Hz
    No.         Description of mode                    MT0      MT2      MT10       MT20
    1           1st tower fore-aft swing               0.63     0.61      0.61       0.61
    2           1st tower lateral swing                0.63     0.63      0.63       0.63
    3      1st asym. blade flap bending axis             -      0.98      0.98       0.98
    4        1st asym. blade flap yaw axis               -      0.98      0.98       0.98
    5           1st collective blade flap                -      1.04      1.03       1.03
    6       1st sym.blade edgewise mode                  -      1.76      1.76       1.76
    7      1st asym. blade edgewise mode                 -      1.80      1.80       1.80
    8     1st rotor edgewise-drive train mode          2.91     2.46      2.45       2.45
    9     2nd asym. blade flap bending axis              -         -      2.80       2.80
    10      2nd asym. blade flap yaw axis                -         -      2.84       2.84
    11         2nd collective blade flap                 -         -      2.90       2.90
    12      2nd rotor edgewise-drive train               -      5.87      4.51       4.50
                        mode

    • Investigated MT0; MT2 and MT10                                                                    • Controller Bandwidth depends on modelling depth
                                                                                                        • Torque change rate of >1 MNm/s

8             Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
              12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
              Dr. Uwe Jassmann
Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...
HiL-Systems for Wind Turbine System Test Benches
Evaluation of Performance - General

Simulation vs. Test Bench Measurement                                                           Test Bench Measurement vs. Field

                                                                                   Take Away

                                           Modelling Details are represented at Test Bench

                                           ! Test Bench will not be better then the Model

9     Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
      12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
      Dr. Uwe Jassmann
Zertifizierung von WEA auf Prüfständen: Von der Forschung in die Richtlinien - Branchentag ...
HiL-Systems for Wind Turbine System Test Benches
Evaluation of Performance – Certification Measurement

For each test we…                                                                  Derived Requirements

 • Compare field measurement                                                        • Rotormodell: at least MT2
   with CWD and IWES results                                                             The rotor model reproduces the mechanical properties of the rotor
 • Impact of Modelling Depth                                                              in such a way that each blade is considered individually.
                                                                                    • Windfeld: 3D und turbulent
 Example: Active Power Peaks                                                             The wind field is to be created according to IEC 61400-1 using
                                                                                          standard tools, whereby the selected turbulence intensity must
                       Vergleich Modelltiefen                                             correspond to the site classification valid for the WTG.
 1,04                                                                               • Netzemulator: without special requirements
 1,03
 1,02
                                                                                    • Recommendations for carrying out measurements:
 1,01                                                                                    Each point of time stored in the wind field (e.g. 0-600s) may only
 1,00
                                                                                          be run through once during the ten-minute measurement
 0,99
 0,98                                                                                    Common trigger between HiL system and measurement system
 0,97                                                                                     to ensure the synchronization of wind field and measurement
           P_0.2                      P_60                      P_600

           Feld    MT 4 (GE)    MT4 Laminar (PG) (*)   MT0 (GE) (*)

11      Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
        12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
        Dr. Uwe Jassmann
Exploitation of Results and Experience
From Research to Guidelines to Business

• Using the results in the guidelines
        IEC 61400-21-4 & FGW TR3 (in future also TR8)
        Not only modelling depth, but especially recommendations for test execution
        Identified gaps in test procedures  Forthcoming presentation FGH
        Final Report latest CWD Conference for Wind Power Drives March 2021 Aachen

• Present and Future Tasks and Challenges
      V-Modell: Integration in Customer Development Cycle
      Further virtualization and down-strapping of WTG System

• Commercialization
        The University is not the place for commercialization
        Enable Customers to certify at their test benches
        Enable Customers to seamlessly integrate their models into HiL-System
        Driving forward the down strapping of WTG System with modular HiL-Systems

      RWTH Spin-Off

12           Zertifizierung von WEA auf Prüfständen - von der Forschung in die Richtlinien
             12. Branchentag Windenergie NRW | Wissenschaftspark Gelsenkirchen | 27.-28. August 2020
             Dr. Uwe Jassmann
Thank you for your attention.

Dr.-Ing. Uwe Jassmann
Managing Chief Engineer

RWTH Aachen University          conatys GmbH

u.Jassmann@irt.rwth-aachen.de   uwe.jassmann@conatys.com
+49 241 80 28033                +49 241 4120 9751
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