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〜3Dシミュレーションと1Dシミュレーションの連携〜風力発電のシステムシミュレーション

概要

風力発電設備のような、制御・メカトロ・パワエレ・流体など多数の技術要素が混在した大規模で、システム全体の試作による最適化が困難なケースでは、システム全体の1Dシミュレーションが有効です。しかしながら、風車の性能や反り、ねじれといった3次元性の影響が強いものについては、3Dシミュレーションによる詳細な性能把握が必要になります。
そのような場合、システム全体を対象とした1Dシミュレーションと3Dシミュレーションを連携させることで、システムの重要な要素については3Dシミュレーションで詳細にその特性を把握し、またその情報を1Dシミュレーションに組み込むことで、高精度で高速なシステムシミュレーションが可能になります。

ソリューション

本事例で対象としている風力発電システムは一般的な揚力型のプロペラ風車1機を想定しており、発電機は同期発電機をAC-DC-ACリンクで系統に連係しています。このようなシステムを、風車、同期発電機、電力変換までモデル化し、MapleSimによる1Dシミュレーションを行っています。

1Dシミュレーションモデルは、基本的にMapleSimに搭載されているコンポーネントを使用してモデリングしています。しかし、風車性能は翼形状や風の速度などによって大きく変化するため、ANSYSによる3D流体解析を行ってその特性を把握しています。本事例では、3D流体解析で得られた風車特性を1Dシミュレーションに組込み解析精度を向上させています。
本モデルの風車性能は、翼角度及び周速比とパワー係数の関係で表されています。しかし、その性能は風向きや風速、翼角度などによって効率が変化し、常に最大効率で発電するためには、風向きや風速によって風車の向きや翼角度などを制御する必要があり、本事例では、これらの制御系も併せてモデル化しています。

実機のシミュレーションモデルへの変換

3D解析データの1Dシミュレーションへの組込み

1Dシミュレーションの入力と応答

ソリューションの導入における効果

解析コストを抑制しながら精度の高い結果を得ることが可能です。
システム全体の影響を考慮してコンポーネント設計(最適化)が可能です。
解析要件に応じて必要モデルを柔軟に検討可能です。

必要プロダクト

マルチフィジックス解析ツール ANSYS

STEM コンピューティング・プラットフォーム Maple

システムレベルモデリング&シミュレーション MapleSim


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