Forschungsprojekt IFEC 2009: „Entwicklung eines Power Maximizers für Windkraftanlagen”
Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veranstaltet regelmäßig einen Wettbewerb unter weltweit ausgewählten Hochschulen. Die „International Future Energy Challenge 2009“ stellte die studentischen Teams vor die Aufgabe, einen kompakten Power Maximizer für Windkraftanlagen kleiner Leistung zu entwickeln.
Auf einen Blick
| Kategorie | Beschreibung |
|---|---|
| Forschungsprojekt | Entwicklung eines Power Maximizers für Windkraftanlagen |
| Leitung | Prof. Dr.-Ing. Heinz van der Broeck, Prof. Dr.-Ing. Andreas Lohner |
| Fakultät | Fakultät Informations- Medien und Elektrotechnik |
| Institut | Institut für Automatisierungstechnik |
| Beteiligte | Heinz van der Broeck, Andreas Lohner, Heike Barth, Magnus Böh, Marcel Busmann, Heiner Dirks, Philip Guimaraes, Stephan Meyer, Patrick Roßbroich, Tim Schmidla |
| Fördermittelgeber | IEEE, TH Köln |
| Laufzeit | 09/2008 – 07/2009 |
IEEE Future Energy Challenge 2009
Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veranstaltet regelmäßig einen Wettbewerb unter weltweit ausgewählten Hochschulen. Die „International Future Energy Challenge 2009“ stellte die studentischen Teams vor die Aufgabe, einen kompakten Power Maximizer für Windkraftanlagen kleiner Leistung zu entwickeln.
Der Konverter soll eine Batterie von 12V und/oder 24V laden, die Batterie vor Überladung schützen und das Windrad bei starken Windgeschwindigkeiten abbremsen. Um dem Windgenerator immer die von der Windgeschwindigkeit maximale Leistung entnehmen zu können, müssen von der Regeleinheit verschiedene Größen überwacht und von einem µ-Controller Regelparameter vorgegeben werden.
Der von Studenten der Fachhochschule Köln entwickelte Power Maximizer erfüllt alle Anforderungen der FEC09. Das Gerät ist so konzipiert, dass es universell für verschiedene permantenterregte Synchrongeneratoren einsetzbar ist.
Schematischer Systemaufbau (Bild: H. Dirks, TH Köln)Leistungselektronik
Die Leistungselektronik des Power Maximizers beruht auf der Topologie des sogenannten Cuk-DC/DC-Wandlers.
Das einstufige System erlaubt eine Leistungsübertragung von 600W dauerhaft und 900W peak. Die dreiphasige Wechselspannung des Generators wird mittels einer B6-Brücke gleichgerichtet und auf die Batteriespannung angepasst.
Die Regeleinheit überwacht die Leistungsabgabe an die Batterie. Der MPP-Algorithmus stellt nach dem P&O Verfahren den optimalen Arbeitspunkt für den Generator ein.
Bremsung
Die Generatordrehzahl wird vom μ-Controller überwacht. Beim Erreichen einer maximal zulässigen Drehzahl wird die Bremsung aktiviert. Zwei Triacs parallel zum Generator schalten zwei Phasen über niederohmige Bremswiderstände kurz. Bei genügender Drehzahlreduzierung deaktiviert der Controller die Bremseinheit.
Unabhängig davon wird das Windrad aufgrund der autarken Power Supply der Bremseinheit auch im Leerlauf vor Überdrehzahl geschützt.
Simulation
Um den Power Maximizer unter realen Bedingungen zu testen wurde ein Motor-Generator System aufgebaut, welches von einem Umrichter angesteuert wird. Eine Software-SPS ermöglicht dem Benutzer die Vorgabe von Windgeschwindigkeiten bzw. das Abfahren einer realen Windkurve unterschiedlicher Windverhältnisse. Der Motor simuliert den Wind und treibt einen permanenterregten Synchrongenerator an.
Zusammenfassung
Das Team der Fachhochschule Köln wurde zum Finale der Future Energy Challenge nach Melbourne/Australien eingeladen. Dort wurde der entwickelte Power Maximizer einer Fachjury vorgestellt. In mehreren Tests musste das Team die Funktionalität des Gerätes beweisen. Dabei wurde unter Anderem in einem Windkanal der Monash University in Melbourne mit einem Windrad getestet. Der Kölner Power Maximizer konnte als einziges Gerät alle Sicherheitsvorgaben erfüllen und die meiste Leistung übertragen.
Aufgrund dessen konnte das Team im Gesamtergebnis die Plätze zwei und drei belegen. Die Studenten wurden mit dem „I.E.S. Innovation in Power Electronics Design Award“ sowie dem „Suzlon Outstanding Engineering Award“ ausgezeichnet.