| dc.description.abstract | Eksisterende vindturbin- og vindparksimuleringsverktøy tenderer til å ha forenklede modeller av drivverket integrert i modellen. Dette gjør simuleringene av drivverket raske, men fanger ikke opp den interne dynamikken i vindturbinen. Den kan heller ikke gi informasjon om delskaden på komponenter i drivverket. Fordi svikt i drivverk står for en stor del av svikt av vind turbiner og disse resulterer i lange nedetider, er det fordelaktig å inkludere denne dynamikken. På en annen side er det en balanse mellom detaljnivå på modellen og tiden simuleringen tar.
Denne masteren har sett på mulighetene for å integrere en forenklet modell av drivverket med vindkraftsimuleringsverktøy. Dette er gjort for å fange den interne dynamikken i drivverket, som kan brukes for å estimere utmattingen på komponentene i drivverket. En forenklet modell er utviklet som en del av dette og simuleringer har blitt kjørt ved bruk av denne.
Flere simuleringsverktøy for vindkraft er utforsket og OpenFAST og FAST.farm ble utvalgt som de mest lovende verktøyene for simuleringer med den forenklede drivverkmodellen. Dette er både fordi disse programmene er ganske like, som gjør det lettere å bruke begge, men også fordi FAST.farm var det beste alternativet av simuleringsverktøy for vindparker.
En forenklet modell basert på referanseturbinen for 10MW vindturbin utviklet av DTU ble laget i Simpack. Denne inkluderer frihetsgrader i både aksiell- og torsjonsretning for hovedakslingen. I tillegg er det laget et skript for estimering av utmatting på hovedlagrene på grunn av trustkrefer. Girdynamikken var forsøkt inkludert, men på grunn av problemer under valideringen ble dette gitt opp.
Resultatene vil vise at det har vært vanskelig å få til en co-simulering med OpenFAST, FAST.farm og et verktøy for drivverkmodellen. Allikevel har en integrert modell med OpenFAST og Simpack blitt laget ved bruk av Simulink. Resultatene fra dette er brukt til å estimere delskade på hovedlagrene fra trustkraften. Dette er gjort vel bruk av Nautilusmodellen for 10 MW flytende vindturbin som ble utviklet i LIFE50+prosjektet.
Det vil vise seg at forskjellige sjøtilstander ikke vil påvirke delskaden fra trust i hovedlagrene særlig. Simuleringen viste dog at delskaden på hovedlager INP-B fra trustkraften er nesten det dobbelte av INP-A på grunn av parameterne til dette lageret.
Delskaden på hovedlagrene følger trustkurven og viser at utmatting under nominell vindhastighet er lavere enn for vindhastigheter over. Allikevel er effekten høyere over og utmatting per MW trenger ikke å være lavere under nominell vindhastighet.
En tidsanalyse viser at å bruke Simulink for den integrerte simuleringen gjør den mindre effektiv. Det tyder på at Simulink ikke er den beste løsningen for simulering av en forenklet drivverkmodell og en global modell. | |
| dc.description.abstract | Existing wind turbine and wind farm simulation tools tend to have a simplified drivetrain model integrated within the global model. This makes simulation of the drivetrain fast, but does not capture the internal dynamics of the wind turbine, nor can it provide information regarding the damage of the drivetrain components. Because drivetrain failures stands for a significant portion of the wind turbine failures and these result in long downtime, it is beneficial to capture this as well. However, there is a trade off between the drivetrain fidelity and the computational cost, which should be considered.
This Master's Thesis have been looking into the possibility of integrating a reduced order model of the drivetrain with wind energy simulation tools to capture the internal dynamics of the drivetrain, which may be used for estimation of fatigue on drivetrain components. As part of this work, a reduced order model have been developed and simulations run with a global model.
Several wind energy tools have been reviewed and OpenFAST and FAST.farm was deemed the most promising to do simulations with the reduced order drivetrain model. This was both due to the similarity of these programs, making it easy to use both, and because FAST.farm was the best alternative of the wind farm tools investigated.
A reduced order model for the 10 MW reference wind turbine model from DTU was developed in Simpack and includes two DOF for the main shaft; axial and torsional. Additionally, a script for calculating the fatigue on the main bearings due to thrust force was written. It was attempted to include the gear dynamics, but due to validation challenges, this was abandoned.
The result will show that it has been difficult to achieve a co-simulation with OpenFAST, FAST.farm and a third drivetrain tool. Nevertheless, an integrated simulation with OpenFAST and Simpack was developed using Simulink, where the outputs was be used to estimate the damage of the main bearings from the thrust forces. This was done using the Nautilus model of a floating 10 MW wind turbine model developed in the LIFE50+ project.
It will be shown that different sea states does not affect the main bearing damage from thrust significantly. However, the simulation showed that the damage of main bearing INP-B due to thrust forces is almost twice that of INP-A due to the parameters of this bearing.
The damage of the main bearings due to thrust follows the thrust curve and show that the fatigue damage below the rated wind speed is lower than for the wind speeds above the rated wind speed. Still, the power production is higher above, hence the damage per MW may not be lower.
A time analysis shows that using for the integrated simulation makes the simulation slower, not faster. This indicates that is not the best solution for simulating the reduced order drivetrain model with the global model. | |
