Sensorsysteme für Windenergieanlagen

Windenergieanlagen sind in den vergangenen Jahren wesentlich leistungsfähiger geworden. Mit der zunehmenden Komplexität der Technologie steigen die Anforderungen an die Verfügbarkeit und Sicherheit stetig. Dieser Entwicklung versuchen Zulieferer und Anlagenbauer durch eine Verbesserung der Spezifikationen auf System- wie auf der Komponentenebene gerecht zu werden. Dies gilt insbesondere für die Komponenten und Subsysteme, die unmittelbar in die Sicherheitsfunktionen einer Windenergieanlage eingebunden sind. Zum Beispiel werden erhöhte Sicherheitsanforderungen an die Sensoren zur Erfassung der absoluten Flügelanstellwinkels verlangt, da diese zusammen mit den Antrieben und der Haltebremse die Not-Halt Funktion einer Anlage garantieren.

Aufgrund des steigenden Kostendrucks für Windenergieanlagen muss daher geprüft werden, welche Genauigkeitsanforderungen an die Sensorsysteme tatsächlich gestellt werden müssen bzw. notwendig sind, um eine bestimmte Anlagenfunktion zuverlässig ausführen zu können. In diesem Zusammenhang ist es zum genauen Verständnis notwendig ,Werkzeuge und experimentelle Daten zur Verfügung zu haben, die über das Vermessen der einzelnen Sensoren weit hinausgeht.

Lösungsansätze
Um die Sensorentwicklung und Sensorapplikation unter dem Blickwinkel einer optimalen Systemintegration unterstützen zu können, wurden im Rahmen des Kooperationsprojektes zwei Wege verfolgt:

  1. Ausgehend von einem detaillierten Windkraftanlagenmodell und dem Komponentenmodell eines elektrischen Pitchantriebs wurden mit Hilfe von Simulationsläufen grundlegende Fragestellungen der notwendigen Sensorgenauigkeit und Sensorpositionierung für verschiedene Teilsysteme untersucht. Hierzu wurde u.a. das Programmpaket FAST des National Wind Technology Center (NREL) eingesetzt. Das Simulationsprogramm wurde für verschiedene Anlagen durch Experiment/ Simulationsvergleich validiert, ist von Zertifizierungsstellen zugelassen und gilt als Industriestandard. Im Einzelnen sollten damit Sensoranforderungen zur Anstellwinkelsteuerung der Rotorblätter als auch der Gierpositionserfassung in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebsphasen einer Windkraftanlage systematisch untersucht werden.
  2. Zusätzlich zur Simulation wurde ein Pitchantriebsprüfstand zur experimentellen Validierung der Sensoren im Teilsystem der Anstellwinkelsteuerung aufgebaut. Der Prüfstand enthielt neben einer üblichen Industriesteuerung zur Lageregelung, einen elektrischen Antrieb bestehend aus Umrichter, Elektromotor (Asynchronmaschine) und Planetengetriebe sowie eine Vorrichtung, um die Bewegung im Zahnkranz realitätsgetreu abbilden zu können. Darüber hinaus wurde ein echtzeitfähiges Windkraftanlagenmodell entwickelt, um mittels Hardware-in-the-Loop-(HIL)-Methoden das reale Teilsystem innerhalb einer in Echtzeit berechneten Gesamtanlagensimulation betreiben zu können.

Projektlaufzeit

1.6.2012 - 31.12.2015

Projektleitung

Projektmitarbeiter/innen

Kooperationspartner

  • Pepperl + Fuchs Drehgeber GmbH

Mittelgeber

Pepperl + Fuchs Drehgeber GmbH