Windenergieforschung

Der DFMRS stehen durch unsere Vernetzung mit zahlreichen Industrie- und Forschungspartnern eine Vielzahl von Kompetenzen und Ressourcen zur Verfügung, um Projektideen zu verwirklichen.


MoreWind – Modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen unter Nutzung einer Windfeldprädiktion

Windenergieanlagen sind in ihrem Betrieb räumlich und zeitlich stark variierenden Windfeldern ausgesetzt. Mit zunehmender Anlagengröße werden die Strukturelemente einer Windenergieanlage, wie Rotorblatt und Turm, immer flexibler. Dadurch werden die dynamischen Anregungen aus dem Wind teilweise verstärkt und die dynamischen Strukturbelastungen erhöht. Aktuell wird dieser Problematik mit einem erhöhten Materialeinsatz begegnet, der naturgemäß zu gesteigerten Herstellungskosten führt. Aus ökonomischer sowie ökologischer Sicht ist es jedoch erstrebenswert, den Materialeinsatz auf ein Minimum zu reduzieren.
Ziel des Projektes ist es, die resultierenden strukturellen Belastungen mit regelungstechnischen Eingriffen zu reduzieren, welche auf Basis von Informationen über die zeitliche Änderung des Windfeldes generiert werden. Innerhalb des Projektes werden dazu geeignete Methoden zur Schätzung der zukünftigen Windgeschwindigkeit sowie Verfahren der modellbasierten prädiktiven Regelung entwickelt, die es in Kombination ermöglichen, die an der Anlage auftretenden Lasten zuverlässig zu reduzieren und dabei einen optimalen Leistungsertrag zu gewährleisten.

MoreWind Modell
Geschlossener Wirkungsablauf eines Windenergieanlagenmodells, der Windfeldprädiktion sowie der Modellprädiktiven Regelung.

Beteiligte Forschungsinstitute:
RWTH Aachen, Institut für Regelungstechnik
RWTH Aachen, Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut


Verbundvorhaben GeoWiSol: Auswirkungen d. geografischen Verteilung u. zeitlichen Korrelation v. Wind- u. solarer Einspeisung auf die Stromversorgung

Durch den Zubau von erneuerbaren Energien werden die Übertragungs- und Verteilnetze stärker beansprucht, als in der Vergangenheit. Damit die eingespeiste Energie sinnvoll verwendet werden kann, sind intelligente Verteilnetze und Schnittstellen erforderlich. Insbesondere auch für eine optimale Integration von Speicherlösungen. Hierfür sind belastbare Studien gefordert, die eine geografische Analyse auf Basis realer Betriebsdaten und somit eine genaue Kenntnis der Energieflüsse bei unterschiedlichen Randbedingungen ermöglichen. Das ist das Kernziel des Forschungsvorhabens GEOWISOL.

Die Aufgaben realisieren die Forscher in einer Untersuchung der geografisch verteilten Erzeugungen von Solar- und Windparks auf Basis aufgezeichneter Betriebsdaten für Postleitzahlenbereiche in Deutschland. Ein zweiter Aspekt der Wind- und solaren Erzeugung ist die breite geografische Verteilung der Erzeugungsanlagen. Denn dadurch erzeugen identische Anlagen technisch identische Anlagen zu unterschiedlichen Zeiten eine unterschiedlich große Menge Energie. Zu der Energieerzeugung auf dem Festland kommen noch die Offhore-Windparks in den ausschließlichen Wirtschaftszonen von Nord- und Ostsee. Diese Einflüsse sollen im geplanten Vorhaben untersucht werden. Basis der Untersuchung sind die Daten von rund 2000 Windenergieanlagen (WEA) aus etwa 260 Windparks beziehungsweise Standorten sowie aus mehreren tausend Photovoltaikanlagen, in Form von Zeitreihen. Diese liegen bei WEA in 10- und bei Photovoltaik in 15-minütiger Auflösung für zunächst zwei oder drei komplette Jahre vor. Neben der Untersuchung der Korrelation beziehungsweise Antikorrelation der verteilten Einspeiseleistungen soll zusätzlich ein Abgleich mit dem Lastgang des bundesweiten Stromverbrauchs erfolgen.
Das Resultat des Vorhabens sind zunächst die Zeitreihen regionaler Leistungserzeugung aus Wind- und Solaranlagen und der Lastbedarfe über das ganze Bundesgebiet. Sie ermöglichen Aussagen über

  • die Korrelation beziehungsweise Antikorrelation der Erzeugung aus Wind und Sonne
  • erforderliche Austauschleistungen mit ausländischen Netzen
  • Untersuchungen über erforderliche Speicherkapazitäten zur Verringerung von Austausch- oder Regelleistung in Deutschland
  • das Maß der erforderlichen „Überproduktion“ aus Anlagen der erneuerbaren Energie
  • das Ausmaß erforderlicher Einspeisemanagement-Eingriffe
  • die ökonomischen Auswirkungen der vermiedenen Einspeisungen (Ertragsausfälle).
GeoWisol Windeinspeisung
Beispielhafte Windenergie-Einspeisung Deutschlands aufgeteilt nach zweistelligen Postleitzahlenbereichen. | Bild: BIMAQ

Beteiligte Forschungssinstitute: 
Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)


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

Die dynamischen Belastungen des Triebstranges einer Windenergieanlage, welche durch ungleichmäßige Anströmung hervorgerufen werden, wirken sich rotatorisch durch ein änderndes Torsionsmoment, axial als Druckkomponente und lateral in Form von Durchbiegung auf die Rotorwelle aus. Besonders die Fälle einer teilflächigen Abschattung durch andere WEAs im Windpark, unterschiedliche Windverhältnisse aufgrund der Höhenunterschiede zwischen oberen und unteren Rotorhälfte oder Turbulenzen aufgrund lokaler Geländeverhältnisse beeinflussen die eingebrachten Kräfte auf den Triebstrang, besonders auf die Rotorwelle. Ein Anstieg der eingebrachten Kräfte führt zu mechanischen, Belastungen der Getriebekomponenten und des Maschinenträgers. Diese Belastungen wirken sich nachteilig auf die Lebensdauer der Anlagenkomponenten besonders des Getriebes aus. In diesem Projekt sollen in den Flügel integrierbare autarke Beschleunigungssensoren entwickelt werden, die als Sensorknoten agieren und ihre Messdaten per Funk an eine Basis in der Gondel oder Rotorstern senden. Mit Hilfe von Dehnungsmesstreifen am Maschinenfundament der Gondel, kann die Korrelation zwischen der aeroelastischen Verformung des Rotorblatts und auftretenden Schwingungen am Maschinenfundament hergestellt werden. Ein dafür zu entwickelnder Beobachter soll Grundlage einer Regelungsstrategie sein, um an einer realen Forschungsanlage (ca.100kW) die Minimierung der Triebstrangbelastungen zu untersuchen. Die vorgesehenen Untersuchungen und Simulationen sind sehr relevant und von großem Interesse für die Hersteller von WKA aber auch für viele beteiligte Dienstleister, insbesondere KMU. Durch das Forschungsvorhaben ist eine sichere Auslegung von WKA-Komponenten denkbar. Das Vorhaben kann zur wesentlichen Erhöhung der Verfügbarkeit bestehender und neuer Windkraftanlagen beitragen durch Verringerung der Schadenhäufigkeit. Durch das Vorhaben ist für KMU ein Wissens- bzw. Wettbewerbsvorteil zu erwarten.

Beteiligte Forschungsinstitute:
Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut, Forschungsgesellschaft m.b.H. (FWBI), Bremen
Universität Bremen, Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS)


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

Vor dem Hintergrund sich häufender Schäden an Antriebssträngen großer Windenergieanlagen (WEA) und der Forderungen der Versicherungswirtschaft besitzen die erzielten Ergebnisse beste Perspektiven für die Nutzung in kleinen und mittelständischen Unternehmen. Es wird eine Software-Modellbibliothek entstehen, die den kmU nach Vorhabenende als Werkzeuge zur Mehrköper- und zur Systemsimulation zur Verfügung stehen werden. Die kmU werden wirkungsvoll in die Lage versetzt, die Anlagenkonstruktionen belastungsgerecht vorzunehmen und beim späteren Betrieb der WEA Informationen über die tatsächl.auftretenden dynamischen Beanspruchungen kritischer Komponenten zu bekommen. Die Ergebnisse werden sowohl für die Auslegung und Überwachung neuer WEA anwendbar sein, als auch zur Überprüfung oder Überwachung einzelner Komponenten in bestehenden Anlagen genutzt werden können. Ein weiteres Umsetzungspotential erwächst durch die Genehmigung der ersten Offshore-WEA, die aufgrund Ihrer geographischen Position zwingend mit Online-Überwachungssystemen ausgestattet sein müssen. Die Nutzung der komplexen mechanisch-elektrischen Mehrkörpersimulationsmodelle wird insbesondere hier einen wesentlichen Beitrag zur beanspruchungsgerechten Auslegung zukünftiger Multi-Megawatt-WEAleisten. Durch die Mitwirkung des projektbegl. Ausschusses wird bereits während des Vorhabens sichergestellt, dass die Forschungseinrichtungen ihre Arbeiten auf die Bedürfnisse der Industrie ausrichten. Im Rahmen eines Anwendungsseminars werden praktische Hinweise für die Anwendung der neuen Simulationsmodelle gegeben. In einem Versuchsstand werden die Qualität der Beschreibung realer Effekte durch die entwickelten Simulationsmodelle und ihre praktische Nutzung eindrucksvoll demonstriert.
Im Forschungsvorhaben wurde auf Basis einer Torsionsmomentregelung mit unterlagertem Zustandsregler für den Ruck (Änderung des Torsionsmomentes) eine Leistungsregelung für Windenerieanlagen entwickelt. Diese bietet im Vergleich zur Standard-Regelung die Möglichkeit, die Belastung im Triebstrang durch die Begrenzung von Torsionsmoment und Ruck gezielt zu reduzieren. Der Zustandsregler wurde auf Basis eines Zweimassensystems ausgelegt. Es handelt sich um eine sehr leistungsfähige Möglichkeit, dem Zielkonflikt zwischen der Reduktion der dynamischen Triebstrangbelastungen und der Einspeisung konstanter Leistung Rechnung zu tragen. Die Regelung sorgt solange für eine konstante Leistungseinspeisung, bis es zu einer bauteilspezifischen, konfigurierbaren Begrenzung des Torsionsmomentes oder des Rucks durch eine aktive Generatorregelung kommt. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen an einem Prüfstandsaufbau wurde die Leistungsfähigkeit der Regelung des Torsionsmomentes zur Reduzierung der dynamischen Belastungen bestätigt. Diese neuartige Regelung ist speziell für den Einsatz in Windenergieanlagen (WEA) entwickelt worden. Besonders bei Offshore-WEA kann es durch einen belastungsreduzierten Betrieb zu geringeren Stillstandszeiten kommen. Daneben ist auch der Einsatz in Antriebssträngen von Industrieanlagen denkbar.

Beteiligte Forschungsinstitute:
Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut, Forschungsgesellschaft m.b.H, Bremen
Technische Universität Dresden, Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion Professur für Maschinenelemente


Dynamische Belastungen in Windenergieanlagen bei Netzunsymmetrien und Netzfehlern

Durch die steigenden Anforderungen an die Netzanbindung, die mit dem wachsenden Teil der Windenergie an der Energieversorgung verbunden sind, müssen Windenergieanlagen (WEA) bei Netzfehlern zur Stabilisierung des Netzes beitragen und mit diesem verbunden bleiben. Die direkte Kopplung des Stators mit dem Netz bei Anlagen mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator bewirkt direkte mechanische Einflüsse auf den Antriebsstrang der WEA. Vor dem Hintergrund einer notwendigen höheren Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von WEA (vor allem bei Offshore-WEA) besitzen die erzielten Ergebnisse beste Perspektiven für die Nutzung in kleinen und mittelständischen Unternehmen (kmU). Es werden Systemmodelle entstehen, die den kmU nach Projektende Möglichkeiten bieten, WEA bei Netzunsymmetrien und Netzfehlern zu regeln und weiter am Netz zu betreiben. Die kmU werden wirkungsvoll in die Lage versetzt bereits bei der Entwicklung und Konstruktion der WEA die Auswirkungen von Netzunsymmetrien und Netzfehlern zu berücksichtigen. Zudem werden die kmU Möglichkeiten erhalten, beim Betrieb der WEA, die Einflüsse des Netzes auf die mechanischen Komponenten zu reduzieren. Der Einsatz komplexer mechanisch-elektrischer Mehrkörpersimulationsmodelle wird einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Analyse von Netzunsymmetrien und Netzfehlern in Bezug auf den Antriebsstrang von WEA leisten. 
Durch kombinierte Mehrkörper- und Matlab Simulationen war es möglich, die im Antriebsstranges durch Netzstörungen verursachten dynamischen Belastungen zu identifizieren und darauf aufbauend, eine Regelung zu entwickeln, mit der sich diese Belastungen minimieren lassen. Wichtigste Aufgabe war es, den Umrichter mit Regelung auch während einer Netzstörung ständig im Eingriff zu halten, damit der Generator regelbar bleibt und die mechanischen Belastungen beeinflusst werden können. Im Projekt ist dazu ein detailliertes Simulationsmodell entwickelt worden. Das Gesamtmodell ist modular aufgebaut und flexibel einsetzbar. Aufbauend auf diese Untersuchungen wurde eine Regelung entwickelt, um die im Fehlerfall auftretenden Überströme zu begrenzen. Die Vorhersage und Beurteilung von Belastungen in den Kupplungs- und Lagerkräften mit Hilfe kombinierter MKS-Matlab-Simulationen und die Möglichkeit zur Bewertung des Schädigungspotentials wird für die Entwicklung neuer Windenergieanlagen von großem Nutzen sein.

Beteiligte Forschungsinstitute:
Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut, Forschungsgesellschaft m.b.H. (FWBI), Bremen
Technische Universität Dresden, Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion Professur für Maschinenelemente

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