Dynamische Belastung in Triebsträngen

Simulation, Beobachtung und regelungstechnische Minimierung der dynamischen Belastungen in Triebsträngen von Windenergieanlagen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Bernd Orlik

Der Anteil der Windenergie an der gesamten Energieversorgung hat in den vergangenenJahren mit jährlichen Wachstumsraten von ca. 35% kontinuierlich zugenommen. Die Leistung einer einzelnen Anlage stieg in den letzten zehn Jahren von unter 500 kW auf durchschnittlich mehr als 2 MW. Größere Anlagen im Bereich von 5 MW sind bereits im Betrieb und werden bei den „Offshore“-Windparks zum Einsatz kommen.

Aufgrund der erheblichen Leistungssteigerungen der letzten Jahre kommen die Anlagen in Auslegungsbereiche, in denen mechanische Belastungen auftreten, die mit herkömmlichen Industrieanlagen nicht mehr vergleichbar sind. Hierunter fallen insbesondere hohe Spitzendrehmomente und dynamische Lastwechseleinflüsse, die sich auf den gesamten Antriebsstrang übertragen. Der Antriebsstrang unterliegt somit hohen dynamischen Belastungen, da er die direkte Verbindung zwischen dem Rotor (Umwandlung der Windenergie in rotatorische Energie) und dem Generator mit Frequenzumrichter (Umwandlung der rotatorischen Energie in elektrische Energie) darstellt.

In dieser Funktion muss der Antriebsstrang sowohl die Dynamik der Windlasten über den Rotor als auch die Dynamik des elektrischen Netzes über den Generator aufnehmen. Der Antriebstrang einer Windenergieanlage umfasst sämtliche Komponenten der gesamten Wirkungskette der elektromechanischen Energiewandlung vom Rotor bis zur Netzeinspeisung. Die Analyse von Schadensfällen an Windenergieanlagen in den letzten Jahren zeigt deutlich, dass bei zunehmender Anlagengröße immer häufiger der Ausfall von mechanischen und elektrischen Komponenten Ursache für längere Ausfälle und Stillstandszeiten ist.

Da diese Untersuchungen über den Betrieb von „Onshore“-Anlagen erhoben wurden, ist einsichtig, dass ein Defekt bei einer „Offshore“-Anlage im Regelfall eine deutlich längere Ausfallzeit zur Folge hat, da der (Zeit-) Aufwand für einen entsprechenden Service-Einsatz deutlich größer ist. Es ist also festzustellen, dass mit der stark anwachsenden Anlagengröße und der anstehenden Verbreitung von „Offshore“-Anlagen detaillierte Untersuchungen zur stationären und dynamischen Beanspruchung des gesamten Triebstranges erforderlich werden.

Eine Berücksichtigung der Wechselwirkung der mechanischen und elektrischen Komponenten ist dabei unerlässlich, um gesicherte Vorhersagen zur Lebensdauer einzelner Komponenten und damit zur Nutzungsdauer der gesamten Anlage machen zu können. Das vorliegende Forschungsvorhaben hat diese übergreifende Problemstellung aufgegriffenund soll die Möglichkeit bieten, grundlegende Lösungen zum dynamischen Verhalten des Antriebsstranges zu erarbeiten.

• Jüchter, Gert: Netzsynchronisation und Leistungsregelung zur Energieeinspeisung beiWindenergieanlagen mit doppeltgespeister Asynchronmaschine, Studienarbeit, Universität Bremen, April 2007
• Jüchter, Gert: Modellbildung, Simulation und Regelung von Windenergieanlagen zurReduktion der dynamischen Triebstrangbelastungen, Diplomarbeit, UniversitätBremen, April 2008
• Finke, Fabian: Anbindung der Sensorik und Ansteuerung eines Frequenzumrichters fürdie optimierte Regelung eines Windenergieanlagen-Prüfstandes, Diplomarbeit, Universität Bremen, März 2008
• Schmidt, Christoph: Erstellung eines Modells für den Triebstrang einer WEA undInbetriebnahme eines Prüfstandes zur Untersuchung von dynamischen Belastungen,Diplomarbeit, Universität Bremen, August 2007
• Mehler, Christian; Völker, Thorsten; Orlik, Bernd: Control of a Doubly Fed InductionGenerator System to Reduce Dynamical Power Train Loads of Wind Turbines, EPEWind Chapter 09, Stockholm
• Mehler, Christian; Völker, Thorsten; Orlik, Bernd: Analyse und Bewertung vondynamischen Belastungen in Antriebssträngen, DFMRS-Jahrestagung 2008, Bremen
• Mehler, Christian; Völker, Thorsten; Orlik, Bernd: Control Strategy to reducedynamical Power Train Loads of Wind Turbines with a superposed Power control, DEWEK 2008, Bremen