Gegenstand des Vortrages ist Entwicklung und Validierung eines elastischen Mehrkörpermodells der Prototypenanlage W2E-120/3.0fc der Frima W2E Wind to Energy GmbH. Folgende Schwerpunkte werden gesetzt: - Anforderungen an die Modellierung - Topologie des Mehrkörpermodells - Einbindung elastischer Körper - Einbindung aerodynamischer Lasten - Einbindung des Anlagenreglers - Experimentelle Validierung anhand von Produktionslastfällen Die vorgestellte Arbeit ist Teil des aktuellen Forschungsprojektes "DynAWind– Leichtbauoptimierte Konstruktionen von Windenergieanlagen" am Lehrstuhl für Technische Mechanik/Dynamik in Zusammenarbeit mit der W2E Wind to Energy GmbH.

Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Das generelle Vorgehen beim Erstellen von Simulationsmodellen in Mehrkörperdynamik-Software besteht in der Abstraktion eines realen Systems, der Umsetzung in ein virtuelles Modell, der Validierung und eventuellem Einfügen in Toolketten. Mit diesen Modellen können nun Simulationen zur Auslegung und Zertifizierung des realen Objektes vorgenommen werden. Anhand zweier Beispiele werden Modifikationen und Erweiterungen von Standard-Analysen in der Mehrkörperdynamik-Software alaska erläutert, welche diese Prozesse erheblich erleichtern und verbessern: 1. Freie Resultatkonfiguration in der Linearisierung zur Analyse und Auslegung von schwingfähigen Systemen -- am Beispiel der Auslegung eines Tilgers einer Windkraftanlage, 2. Berechnung schwerkraftinduzierter Lasten in transienter Analyse zur Reduktion von Lasten in der Zertifizierung -- am Beispiel der Biegemomente in Rotorblättern von Windkraftanlagen.

Gegenstand des Vortrages ist Entwicklung und Validierung eines elastischen Mehrkörpermodells der Prototypenanlage W2E-120/3.0fc der Frima W2E Wind to Energy GmbH. Folgende Schwerpunkte werden gesetzt: - Anforderungen an die Modellierung - Topologie des Mehrkörpermodells - Einbindung elastischer Körper - Einbindung aerodynamischer Lasten - Einbindung des Anlagenreglers - Experimentelle Validierung anhand von Produktionslastfällen Die vorgestellte Arbeit ist Teil des aktuellen Forschungsprojektes "DynAWind– Leichtbauoptimierte Konstruktionen von Windenergieanlagen" am Lehrstuhl für Technische Mechanik/Dynamik in Zusammenarbeit mit der W2E Wind to Energy GmbH.

Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Oberschwingungen als ein Merkmal der Elektroenergiequalität gewinnen durch die starke Netzintegration leistungselektronisch geregelter Anlagen wie Windenergieanlagen und nichtlineare Lasten zunehmend an Bedeutung. Bestehende Normen entsprechen nicht den zukünftigen Erfordernissen des Elektroenergiesystems und bedürfen diesbezüglich einer Überarbeitung. In der Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf das Oberschwingungsverhalten von Windparks identifiziert, beschrieben und modelliert. Dabei wird der stochastische Charakter der Oberschwingungen mithilfe von probabilistischen Ansätzen erfasst. Des Weiteren wird ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Windpark und dem vorgelagerten Netz entwickelt. Der Ansatz ermöglicht, die vom Windpark verursachte Änderung der Oberschwingungsspannung am Netzanschlusspunkt zu ermitteln. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Verbesserung bestehender Normen für die Anbindung von Windparks. / Harmonics, as one of the power quality criteria, are increasingly gaining attention due to the progressive contribution of renewable energy resources and the application of the nonlinear load in the power system. Current standards do not conform to the future requirements of the power system, thus requiring a revision. In this work, main influence factors on the harmonic behavior of wind farms are identified, explained, and modelled. Thereby, the stochastic nature of harmonics is taken into account using probabilistic approaches. Moreover, a novel approach is developed to investigate the interaction between the wind farm and the upstream grid. With the aid of this approach, it is possible to determine the voltage change caused by the wind farm at the point of connection. This work contributes to improve the existing standards for the connection of wind farms.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der indirekten Methoden zur automatisierten Lösung von einer bestimmten Klasse von Optimalen Steuerungsproblemen im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung für Windenergieanlagen. In einem zweiten Teil wird der Einfluss dieser Regelungsmethode auf die Festigkeit des Triebstranges untersucht. Diese führt zu einer überproportionalen Beanspruchung und damit zu einer Reduktion der Betriebsfestigkeit. Es gilt entsprechende Randbedingungen für die der Regelung zugrunde liegenden Optimalen Steuerungsprobleme zu finden, so dass weiterhin die Energieausbeute maximiert werden kann, gleichzeitig jedoch die Beanspruchung durch die Regelung begrenzt wird.

Windenergieanlagen spielen eine entscheidende Rolle in der nachhaltigen Energiegewinnung. Die Zustandsüberwachung dieser Anlagen ist von großer Bedeutung, um ihre Effizienz und Langlebigkeit zu gewährleisten und unerwartete Ausfälle zu verhindern. Diese Überwachung ist jedoch aufwendig und kostenintensiv, weshalb innovative berührungslose und markierungsfreie Verfahren zur Unterstützung dieser Prozesse von großem Interesse sind. Insbesondere die Torsion der Rotorblätter ist ein wesentlicher Faktor für die Beschreibung der Effizienz und der Zustandsbewertung der Anlagen. Die Messung der Torsion ermöglicht es, den aerodynamischen Wirkungsgrad zu maximieren und strukturelle Belastungen zu minimieren. Eine maximale Messabweichung von 1° relativ zum Anstellwinkel wird dabei als Ziel definiert, um präzise und verlässliche Ergebnisse zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund wird ein Konzept entwickelt und umgesetzt, das die Torsion der Rotorblätter berührungslos und markierungsfrei erfassen kann. Zum Einsatz kommen mehrere Laserscanner sowie ein photogrammetrisches Messverfahren. Die Laserscanner werden im 1D-Modus genutzt, um Profildaten an verschiedenen Positionen entlang der Rotorblattlängsachse zu erfassen. Diese Daten sollen bei gleichem Rotationswinkel aufgezeichnet werden, um die Torsion in Abhängigkeit vom Anstellwinkel bestimmen zu können. Hierzu sind Soll-Daten der Geometrie des Rotorblattes erforderlich. Um die Ausrichtung der Laserscanner zu vereinfachen und die Messgenauigkeit zu verbessern, wird das Konzept eines Systems zur Erfassung multipler hochaufgelöster 1D-Laserdistanzmessungen, dem sogenannten Fächersensor, entwickelt. Die Laserstrahlen des Fächersensors spannen eine Ebene auf. Das System wird als Demonstrator mit vier Distanzmessern umgesetzt. Um aus den gemessenen Distanzen 3D-Koordinaten berechnen zu können, wird das System um Kameras ergänzt und ein Ansatz zur Bestimmung der relativen Orientierungen der Distanzmesser und der eingesetzten Kameras entwickelt. Dazu werden photogrammetrisch 3D-Koordinaten der Laserflecken in verschiedenen Entfernungen ermittelt. Mit den entsprechend gemessenen Strecken können der Ursprung und die Ausrichtung der Distanzmesser bestimmt werden. Zur Überprüfung der Eignung des Fächersensors zur Torsionsmessung wird ein Messobjekt realisiert. Das Messobjekt besteht aus vier Ebenen, sodass jeder Laserstrahl eine Ebene erfassen kann. Die Ebenen können um eine gemeinsame Achse gedreht werden, um eine Torsion zu simulieren. Das Messobjekt ermöglicht es, Referenzdaten (photogrammetrisch und über Neigungssensoren) zu erfassen, sodass eine Evaluierung des Systems erfolgen kann. Laborversuche werden durchgeführt, und als Ergebnis kann festgehalten werden, dass die Torsion mit einer Genauigkeit von 0,3° (1 σ) bestimmt werden kann. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial des entwickelten Fächersensors für die präzise Torsionsmessung. Eine Weiterentwicklung des Fächersensors befindet sich derzeit in Arbeit.

Durch Umwandlung unterschiedlichster Formen von Energie in mechanische oder elektrische Energie wird die Menschheit seit Jahrhunderten bei der Umsetzung von Arbeitsprozessen im Alltag und bei der industriellen Nutzung unterstützt. Strömende Medien wie Wasser oder Wind gelten dabei als die ältesten Energielieferanten. Im Rahmen der Dissertation wird das Konzept einer zugspannungsverankerten Plattform für Offshore Windenergieanlagen (WEA) vorgestellt, wobei neben den, für diesen Plattformtyp typischen, vertikalen auch geneigte Verankerungselemente Verwendung finden. Diese Art der Verspannung einer zugspannungsverankerten Plattform, respektive ’Tension Leg Platfrom’ (TLP) ist bisher von keiner Quelle bekannt und stellt ein Alleinstellungsmerkmal dar. Folglich sollen Untersuchungen zum dynamischen Verhalten schwimmender Gründungen für Offshore WEA, im Speziellen zu einer TLP mit vertikalen und geneigten Ankerelementen, im Rahmen dieser Arbeit erstmalig vorgestellt werden. Die Plattform ist ein modular gestaltetes Tragwerk bestehend aus großen Rohren und mit integrierten zylindrischen Auftriebskörpern. Diese erzeugen im Transportzustand der Plattform vom Hafen zum Einsatzort und im Betriebszustand innerhalb eines Windparks den nötigen Auftrieb. Infolge der speziellen Art der Verspannung werden die Bewegungen der TLP durch die, aus den Belastungen resultierenden, Seildehnungen dominiert. Damit stellte die TLP im Vergleich zu anderen schwimmenden Gründungen ein bewegungsarmes System dar. Inhalt der hier vorgelegten Arbeit sind Untersuchungen zum dynamischen Verhalten schwimmender Offshoregründungen, im speziellen einer TLP für Windenergieanlagen. Es wurden unterschiedliche Tragstrukturen für TLP-Systeme entwickelt und im Rahmen von Modellversuchen getestet. Den Kern der Arbeit bildet der Vergleich des dynamischen Tragverhaltens der unterschiedlichen Plattformen unter Berücksichtigung der geometrischen und strukturellen Randbedingungen.

Durch Umwandlung unterschiedlichster Formen von Energie in mechanische oder elektrische Energie wird die Menschheit seit Jahrhunderten bei der Umsetzung von Arbeitsprozessen im Alltag und bei der industriellen Nutzung unterstützt. Strömende Medien wie Wasser oder Wind gelten dabei als die ältesten Energielieferanten. Im Rahmen der Dissertation wird das Konzept einer zugspannungsverankerten Plattform für Offshore Windenergieanlagen (WEA) vorgestellt, wobei neben den, für diesen Plattformtyp typischen, vertikalen auch geneigte Verankerungselemente Verwendung finden. Diese Art der Verspannung einer zugspannungsverankerten Plattform, respektive ’Tension Leg Platfrom’ (TLP) ist bisher von keiner Quelle bekannt und stellt ein Alleinstellungsmerkmal dar. Folglich sollen Untersuchungen zum dynamischen Verhalten schwimmender Gründungen für Offshore WEA, im Speziellen zu einer TLP mit vertikalen und geneigten Ankerelementen, im Rahmen dieser Arbeit erstmalig vorgestellt werden. Die Plattform ist ein modular gestaltetes Tragwerk bestehend aus großen Rohren und mit integrierten zylindrischen Auftriebskörpern. Diese erzeugen im Transportzustand der Plattform vom Hafen zum Einsatzort und im Betriebszustand innerhalb eines Windparks den nötigen Auftrieb. Infolge der speziellen Art der Verspannung werden die Bewegungen der TLP durch die, aus den Belastungen resultierenden, Seildehnungen dominiert. Damit stellte die TLP im Vergleich zu anderen schwimmenden Gründungen ein bewegungsarmes System dar. Inhalt der hier vorgelegten Arbeit sind Untersuchungen zum dynamischen Verhalten schwimmender Offshoregründungen, im speziellen einer TLP für Windenergieanlagen. Es wurden unterschiedliche Tragstrukturen für TLP-Systeme entwickelt und im Rahmen von Modellversuchen getestet. Den Kern der Arbeit bildet der Vergleich des dynamischen Tragverhaltens der unterschiedlichen Plattformen unter Berücksichtigung der geometrischen und strukturellen Randbedingungen.