Reduzierung der mechanischen Belastung von Windkraftanlagen durch Messung, Modellierung und Regelung der dynamischen Kräfte (ReDynForce)

Windenergieanlagen (WEA) sind aufgrund der Turbulenz des Windes starken Wechsellasten ausgesetzt, die die Lebensdauer der mechanischen Komponenten des Antriebstrangs verkürzen. In zukünftigen Anlagen werden verbesserte Regelalgorithmen eingesetzt werden müssen, die die mechanische Wechsellast verringern. Diese benötigen eine sehr schnelle sensorische Information über eine Veränderung der Anströmung. Im Projekt ReDynForce soll die Möglichkeit diese Informationen mit Beschleunigungssensoren im Rotor bereits den Beginn eines erhöhten Energieeintrags zu gewinnen untersucht werden. Für diese Aufgabe kooperieren das FWBI (Regelungstechnik) und das IMSAS (Institut für Mikrosensoren, -aktoren und –systeme) der Universität Bremen (Sensornetze).

Projektleitung FWBI: Prof. Dr.-Ing. Bernd Orlik
Projektleitung IMSAS: Prof. Dr.-Ing. Walter Lang

Kooperationspartner


http://www.imsas.uni-bremen.de

Problemstellung

Im Projekt ReDynForce soll die Möglichkeit einer innovativen Anlagenregelung theoretisch und experimentell untersucht werden. Es wird ein Sensornetz entwickelt, das die Axial- und Tangentialbeschleunigung der Rotorblätter misst und in die Gondel überträgt. Ein neuer Regelalgorithmus nutzt diese Messdaten, um die mechanische Wechsellast zu minimieren. Messungen werden an einer Versuchs-WEA im Betrieb durchgeführt. Die Wirkung der neuen Regelung und die Möglichkeiten der Verminderung der Belastung werden in numerischen Experimenten auf Basis der Realdaten von dieser Anlage nachgewiesen.

Die Gewinnung regenerativer Energie aus modernen WEA ist ein permanent wachsender Sektor. Moderne WEA mit hohen Leistungen von bis zu 7,5 MW erfahren Belastungen, die in dieser Form bei konventionellen stationären Industrieanlagen nicht vorkommen. Hierzu zählen neben starken Last­wechsel­einflüssen vorwiegend aeroelastische Schwingungen der Rotorblätter, wie sie z.B. durch Turbulenzen des Windes hervorgerufen werden. Diese Schwingungen übertragen sich direkt auf den Triebstrang und führen dort zu dynamischen Lastwechseln und damit zu hohen Belastungen.

Analysiert man die Schadensstatistiken der Versicherer, so fällt auf, dass mit zunehmender Anlagengröße die aufgetretenen Schäden an den Komponenten des Antriebsstrangs zunehmen. Die Abbildung gibt eine Übersicht über die Mängelhäufigkeiten in WEA. Hauptgetriebe und Wellen-strang kommen dabei zusammen auf einen Schadensanteil von fast 40%.

Untersuchungen zur Zuverlässigkeit und Schadensstatistiken von WEA zeigen, dass die mechanischen Komponenten wie Triebstrang, Getriebe, Rotor und Generator relativ  lange und somit kostenintensive Ausfallzeiten von durchschnittlich fünf bis sieben Tagen verursachen (siehe Tabelle 1).

Wenn es sich bei den Belastungen um nicht direkt messbare Größen handelt, können diese mit Hilfe eines Beobachters geschätzt werden.Am FWBI wurde bereits ein Beobachter entwickelt, welcher unter Ausnutzung von Messungen am Generator, die auftretenden Torsionsmomente erfolgreich ermittelt.

Gelingt es die Energieeinträge in den Rotor zu ermitteln, bevor die Belastungen im Antriebstrang eintreten, dann ist durch eine Anpassung des elektrischen Generatormoments eine Verringerung der Belastung möglich. Es ist eine Verringerung des Verschleißes der mechanischen Komponenten des Triebstrangs und somit eine deutliche Kostenreduktion beim Betrieb der WEA zu erwarten.

Mit Beschleunigungs-sensoren kann man die beginnende Bewegung eines einzelnen Rotorblatts erfassen. Damit steht z.B. bei einer Bö die Information eines plötzlich erhöhten Energieeintrags nach wenigen Millisekunden der Regelung zur Verfügung. Daher erscheint es sinnvoll, die Integration von Beschleunigungssensorik in ein Rotorblatt als ergänzende oder alternative Methode zu untersuchen. Ein derartiges Sensornetz für WEA wurde bisher noch nicht realisiert.

Forschungsziel

Entwickelt werden soll ein leistungsfähiges Regelungsverfahren, welches im Zusammenhang mit einem neuen im Rotorblatt integrierten Sensorsystem, den Betrieb einer WEA unter minimaler mechanischer Belastung sicherstellt. Das drahtlose Sensornetz detektiert die Auswirkungen von Turbulenzen direkt am Ort des Energieeintrags zum frühestmöglichen Zeitpunkt. Es kann energieautark arbeiten und nachträglich eingebaut werden. Für die kleinen und mittelständischen Zulieferunternehmen werden  eine präventive Wartung der Triebstränge und die Umsetzung neuer Regelungskonzepte möglich.

Die Forschungsziele sind hierbei:

• Ermittlung eines theoretischen Triebstrangmodells zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen den Rotorblattbeschleunigungen und den entstehenden Verformungen am Maschinenträger
• Entwicklung eines erweiterten Beobachters zur Schätzung kritischer Zustandsgrößen wie der Durchbiegung der Rotorwelle sowie Verifikation am realen physikalischen System einer WEA
• Aufbau eines drahtlosen Systems zur Messung der axialen und tangentialen Beschleunigung im Rotorblatt
• Aufbau eines Systems in der Gondel zur Erfassung der Verformungen am Maschinenträger und zur hochgenauen Erfassung der Winkelposition der Rotorwelle
• Entwicklung eines Regelungsverfahren zur dynamischen Begrenzung des Torsionsmoment in Abhängigkeit der beobachteten mechanischen Belastungen

Förderung

Laufzeit: 1. Dez. 2014  - 31. Nov.  2017

Das IGF-Vorhaben 18502 N der Forschungsvereinigung DFMRS e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.