Considerations for testing full-scale wind turbine nacelles with hardware-in-the-loop

Abstract

In this paper, pole placement control techniques are utilized to compensate for variations in the torsional dynamics resulting from the different boundary conditions experienced by a wind turbine nacelle when mounted on a test bench. Simulation case studies are used to understand the baseline torsional characteristics of the nacelle coupled to the test bench versus that coupled to the rotor. It was found that the frequency shifts by up to 200% and 400% for the first and second torsional modes, respectively. The feasibility of utilizing pole placement technique to match the torsional characteristics of the turbine on the test bench is investigated using PI and PID controllers. The performance of the tuned controller is then verified under two test scenarios: Low Voltage Ride Through (LVRT), and a highly dynamic turbulent wind input. It is demonstrated that tuning the test bench speed controller can effectively shift the poles of the closed-loop system to match the desired first and second modes of the full turbine and replicate transient field events on the test bench. Überlegungen zum Testen von Windkraftanlagengondeln in Originalgröße mit Hardware-in-the-Loop Zusammenfassung In diesem Artikel werden Techniken zur Steuerung der Polplatzierung verwendet, um Schwankungen der Torsionsdynamik auszugleichen, die sich aus den unterschiedlichen Randbedingungen ergeben, denen eine Windturbinengondel bei der Montage auf einem Prüfstand ausgesetzt ist. Simulationsfallstudien werden verwendet, um die Grundtorsionseigenschaften der an den Prüfstand gekoppelten Gondel im Vergleich zu den an den Rotor gekoppelten zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass sich die Frequenz für den ersten und den zweiten Torsionsmodus um bis zu 200% bzw. 400% verschiebt. Die Machbarkeit der Verwendung der Polplatzierungstechnik zur Anpassung an die Torsionseigenschaften der Turbine auf dem Prüfstand wird unter Verwendung von PI-und PID-Reglern untersucht. Die Leistung des abgestimmten Reglers wird dann anhand von zwei Testszenarien überprüft: LVRT (Low Voltage Ride Through) und ein hochdynamischer turbulenter Windeingang. Es wird gezeigt, dass durch das Einstellen des Drehzahlreglers des Prüfstands die Pole des geschlossenen Regelkreises effektiv verschoben werden können, um den gewünschten ersten und zweiten Modi der Vollturbine anzupassen und transiente Feldereignisse auf dem Prüfstand zu replizieren.

From Simulations to Accelerated Testing: Design of Experiments for Accelerated Load Testing of a Wind Turbine Drivetrain Based on Aeroelastic Multibody Simulation Data

“…The importance of WT component testing is also growing due to the advent of machine learning algorithms that rely on sensor data collected during operation to learn patterns of interest [6,7]. A common challenge among such tests is the need to identify time efficient test procedures as well as reach load levels of interest in a controllable or, at least, a predictable manner during testing [8][9][10]. This challenge is only exacerbated when performing such tests in the field as wind conditions are difficult to predict leading to a lack of controllability [1,3].…”

Evaluation of dynamic testing of full-scale wind turbine drivetrains with hardware-in-the-loop

“…This testing platform enables full-operational testing and evaluation of sub-system interactions which become very important as the turbines become larger, especially for offshore applications. Heinold et al (2020Heinold et al ( , 2021 studied modeling requirements for real-time implementation and proposed control techniques necessary to compensate for differences between the virtual and real drivetrains in the HIL setup. Another aspect for successful implementation of HIL platform is the capability of the test bench to apply dynamic loads with enough bandwidth and understanding of the acceptable load tracking performance.…”