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alaska/Wind
alaska/Wind bietet Softwarekomponenten zur Simulation der Dynamik von Windkraftanlagen auf der Basis der allgemeinen
MKS-Bibliotheken von alaska. Dazu gehören Kraftelemente zur Modellierung von Wind- und Wellenkräften auf Turm und Blätter sowie
Modellelemente zur Beschreibung von Wind- und Wellenszenarien nach den geltenden Vorschriften. Für die Simulation der Rotor-Aerodynamik
sind verschiedene in der WKA-Branche akzeptierte Methoden implementiert.
Zusätzlich umfasst alaska/Wind Softwarekomponenten, die eine problemlose Integration der Simulationsrechnung
in die herstellerspezifische Technologie der Lastberechnung ermöglichen. Dazu gehören Generierungsprogramme für
stochastische Wind- und Wellenbeschreibungen ebenso wie Programme zur Generierung von Blatt- und Turmmodellen aus brachenüblichen
Beschreibungen. Mit alaska/Wind gelingt die Verbindung der vollen Funktionalität eines allgemeinen MKS-Simulationssystems mit den
branchenspezifischen Anforderungen an ein Werkzeug zur Konzeption und Auslegung von Windkraftanlagen und deren Subsystemen
sowie zur effizienten Durchführung von Last- und Zertifizierungsrechnungen.Zu alaska/Wind gehört ein sofort einsetzbares komplettes Simulationsmodell einer frei parametrisierbaren Windkraftanlage, das in seiner Modellierungstiefe der von Flex5 entspricht. Über Parameterdateien bzw. Dialogabfragen kann das Modell mit kundenspezifischen Daten versehen werden. Daneben wird ein Beispielregler bereitgestellt, der die Nutzung der Steuerungsschnittstellen des Simulationsmodells demonstriert. Der Regler liegt als C-Programmcode bzw. DLL und als entsprechendes MATLAB/Simulink-Modell vor. Das Beispielmodell illustriert die in alaska/Wind verwendeten Prinzipien der Modellierung und Parametrisierung von Windkraftanlagen und ermöglicht in Verbindung mit einigen ebenfalls mitgelieferten Lastfallbeschreibungen bereits die Durchführung umfangreicher Berechnungen. Entsprechend dem in alaska/Wind empfohlenen Vorgehen besteht das Modell dieser Beispielanlage aus selbständig lauffähigen Modellen der relevanten Subsysteme einer Anlage. Ausgehend von dem Beispielmodell können eigene Modelle für einzelne Subsysteme der Anlage entwickelt werden. Damit ist die Modellierungstiefe, also der Detaillierungsgrad der Simulationsmodelle frei wählbar. Entsprechend der jeweiligen Fragestellung können Subsystemmodelle beliebiger Modellierungstiefe automatisch zu Anlagenmodellen kombiniert und anschließend für beliebig viele Lastfälle interaktiv oder im Stapelbetrieb simuliert werden.
Das Konzept von alaska/Wind unterstützt die Trennung der Entwicklung von Modellen von deren Nutzung in betrieblichen Prozessen. Der Prozess der Modellentwicklung umfasst die Modellierung von Subsystemmodellen, die in ihrer Funktionalität über die der mitgelieferten Beispielmodelle hinaus geht. Dazu werden die in den Komponenten FRAMEWORK und EXTENDED zusammengefassten Bestandteile von alaska/Wind verwendet. Für den Prozess der Modellnutzung finden die Komponenten WORKBENCH und BATCH Verwendung.
alaska/Wind - FRAMEWORK
Mit dem FRAMEWORK wird die Topologie der Anlage, also die Position der einzelnen Subsysteme in der Anlage, über die Angabe einiger
weniger Designparameter festgelegt. Für jedes Subsystem einer Windkraftanlage stellt das FRAMEWORK ein Basismodell bereit, das über die
minimal notwendige Funktionalität verfügt. Dazu gehören auch Kommunikationsschnittstellen zu anderen Subsystem-Modellen. Zusätzlich ist ein
Parametrisierungskonzept angelegt, das eine konsequente Trennung von Modelldefinition und Parameterwerten verfolgt. Damit ist es möglich,
für ein und die selbe Modelldefinition mehrere Parametersätze abzulegen, die unterschiedlichen Ausführungen der modellierten Komponente
entsprechen. Änderungen der Werte von Modellparametern erfordern keine Änderung der Modelldefinition. Das FRAMEWORK stellt mit den
Subsystem-Basismodellen und den daraus kombinierbaren Anlagenmodellen die Grundlage und den Rahmen der Entwicklung neuer Modelle für
Subsysteme bzw. komplette Anlagen dar. Für die Steuerung der Beispielanlage wird ein einfacher Regler bereitgestellt. Dieser Regler kann, in C-Code programmiert, als dynamische Bibliothek (DLL) an das Modell gekoppelt werden. Für den interaktiven Reglerentwurf bietet sich die Verwendung von MATLAB/Simulink an. Der Beispielregler wird deshalb auch als Simulink-Modell bereitgestellt. Die Verbindung von alaska-Modell und MATLAB/Simulink erfolgt dabei entweder durch die direkte Verwendung des alaska-Berechnungskernes als S-Function-Block in einem Simulink-Modell oder durch die Kopplung der Simulationswerkzeuge alaska und MATLAB/Simulink über eine TCP/IP-Verbindung.
alaska/Wind - EXTENDED
alaska/Wind EXTENDED beinhaltet die Integration der branchenspezifischen Modellkomponenten in das Modelliersystem von alaska. Damit steht die volle Funktionalität des Simulationswerkzeuges alaska zur Entwicklung neuer Subsystem-Modelle auf der Grundlage der Basismodelle der Beispielanlage (-> FRAMEWORK) zur Verfügung. Die entwickelten Simulationsmodelle sind selbständig lauffähig und können mit der Funktionalität des Modelliersystems effizient getestet werden.Darüber hinaus können Modelle kompletter Anlagen in das alaska/ModellerStudio geladen werden, um das Zusammenspiel der Subsystem-Modelle zu testen und das Verhalten des Anlagenmodells für unterschiedlichen Belastungsszenarien zu überprüfen (Einfahren von Lastfällen). Die nachfolgende Abbildung illustriert die Entwicklung neuer Simulationsmodelle für das Subsystem Getriebe. Grundlage ist das Basis-Modell, das das Getriebe einer Windkraftanlage lediglich als Torsionsschwinger mit entsprechender Übersetzung und einem Wirkungsgrad berücksichtigt. Darauf aufbauend werden - unter Beibehaltung der Schnittstellen zur Hauptwelle sowie zur schnellen Welle/Generator - detailliertere Modelle unterschiedlicher Modellierungstiefe entwickelt. Je nach Untersuchungszweck können diese Modelle ohne Änderung des Modells der restlichen Anlage alternativ verwendet werden. Die Auswahl der für die jeweiligen Anlagenkomponenten zu verwendenden Subsystem-Modelle, also das Zusammenstellen der Anlagenmodelle, erfolgt mit der WORKBENCH von alaska/Wind.
alaska/Wind - WORKBENCH
Die WORKBENCH bietet Features an, die vor allem den Lastberechnungsprozesses unterstützen. Simulationsmodelle für Windenkrafteanlagen können aus Modellen der Subsysteme zusammengestellt und für Lastrechnungen genutzt werden, ohne die Benutzeroberfläche des allgemeinen MKS-Modeliersystems von alaska benutzen zu müssen. Das Modell für die gesamte Turbine kann einfach beschreiben werden, in dem die Modelle der enthaltenen Subsysteme, wie z.B. Blätter, Turm, Getriebe, Generator ausgewählt werden.Die WORKBENCH stellt Editoren zur Generierung und Anpassung von Blatt- und Turmmodellen bereit. Dabei ist es möglich, branchenspezifische Modellbeschreibungen (Flex5) zu verarbeiten. Die Blatt- bzw. Turmbeschreibungen können interaktiv geändert werden. Ein entsprechender Viewer zeigt die eingegebene Geometrie zu Kontrollzwecken an. Aus den geladenen bzw. angepassten Beschreibungen generiert die WORKBENCH Subsystem-Modelle für Blätter bzw. Türme, die im Modelliersystem von alaska separat geladen bzw. in Anlagenmodellen verwendet werden können.
Modelle kompletter Anlagen werden in der WORKBENCH durch die interaktive Auswahl der zu verwendenden Subsystem-Modelle zusammengestellt. Zur Parametrisierung der Subsystem-Modelle steht ein spezieller Editor zur Verfügung. Beschreibungen der Windverhältnisse, der Anfangsbedingungen der Anlage sowie Informationen für die Betriebsführung werden in sogenannten Lastfall-Dateien gespeichert. Diese Lastfall-Dateien können von der WORKBENCH aus angelegt, geändert und verwaltet werden.
alaska/Wind - BATCH
Der Prozess der Lastberechnung von Windkraftanlagen erfordert für den Entwurf, die Auslegung und nicht zuletzt für die
Zertifizierung die Simulation einer sehr großen Anzahl von Szenarien (Lastfällen). Die alaska/Wind - WORKBENCH realisiert zusammen mit
der BATCH-Komponente die automatische Simulation einer Vielzahl von Lastfällen. Dabei werden Ergebnisdateien generiert, die
Zeitschriebe von frei wählbaren Simulationsresultaten, sogenannten Sensoren, enthalten. Das sind zumeist Bewegungsgrößen und Schnittstellenlasten,
wie z.B. Drehzahlen oder Verformungen, Blattwurzelkräfte und -momente, Lagerbelastungen im Hauptlager
und in der Verbindung zwischen Gondel und Turm oder Kräfte und Momente am Turmfuß. Die automatisierte Weiterverarbeitung dieser Resultate,
z.B. für die Lebensdauerberechnung oder andere Nachweise, kann mit alaska oder mit anderen Werkzeugen, die im Prozess des Kunden
erprobt sind, erfolgen.
Zur Durchführung der Simulation eines einzelnen Lastfalls wird das Simulationswerkzeug alaska im Hintergrund unter Angabe einer
Lastfalldatei und eines Lastfall-Namens gestartet. Die BATCH-Komponente erledigt die Bereitstellung lastfallspezifischer Parameterwerte
und initiiert automatisch die Berechnung. Eine Interaktion mit dem Anwender ist nicht erforderlich. Es besteht die Möglichkeit,
die Vielzahl der erforderlichen Lastfallberechnungen auf mehrere Rechner im Netz zu verteilen.