Die Anforderungen an Prüfstände für Windenergieanlagen steigen kontinuierlich und erfordern wiederum Investitionen in Prüfstandserweiterungen oder -neubauten. Das Fraunhofer IWES hat ein hybrides Testverfahren entwickelt, um die Kapazität bestehender Prüfeinrichtungen zu erweitern und sie mithilfe digitaler Methoden fit für zukünftige Prüfanforderungen zu machen.
Die Validierung neuer Anlagendesigns und -technologien ist ein Grundpfeiler, um den zuverlässigen Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) sicherzustellen. Weltweit sind darum in den vergangenen Jahren mehrere Großprüfstände für den Test von WEA-Triebsträngen gebaut und in Betrieb genommen worden. Jeder dieser in der Regel komplexen und mit hohen Investitionskosten verbundenen Prüfstände wurde auf Basis der zu diesem Zeitpunkt absehbaren Anforderungen an die Anlagengrößen dimensioniert. Infolge des andauernden Trends hin zu größeren Anlagen und Nennleistungen besteht ebenso der Bedarf nach größeren Prüfeinrichtungen, damit Neuentwicklungen unter realistischen Betriebsbedingungen validiert werden können. Eine Herausforderung, denn die Entwicklung und der Bau größerer Teststände sind mit hohen Kosten verbunden. Zudem sind bereits bestehende Prüfeinrichtungen oft innerhalb weniger Jahre nicht mehr leistungsstark genug für die neuesten Anlagengrößen, sodass beispielsweise die erforderlichen Maximallasten nicht mehr eingeleitet werden können. Ein Ansatz dieses Problem zu lösen ist der verstärkte Einsatz von Simulationsverfahren, mit deren Hilfe virtuelle Tests durchgeführt werden können. Wichtig dabei ist, mit der Simulation auf den Ergebnissen physikalischer Prüfungen aufzubauen, denn auch modernste Simulationswerkzeuge können bei unsicherer Modellparametrierung nur Ergebnisse mit unzureichender Genauigkeit liefern.
Kopplung von Prüfstand und Simulation
Eine Antwort auf diese Entwicklung liefern die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „VirtGondel – Entwicklung und Validierung eines virtuellen Abbildes des Gondelprüfstandes zur Erarbeitung fortschrittlicher Prüfmethoden und effizienterer Testkampagnen“: Mithilfe des Einsatzes von modernen Simulationswerkzeugen entwickeln wir geeignete Testszenarien für WEA-Triebstränge, die oberhalb der nominellen Leistung bzw. Lastkapazität bestehender Prüfeinrichtungen liegen. Der Grundgedanke dabei ist einfach: Der Großteil der Prüfungen unterhalb der Maximallast kann trotzdem auf dem Prüfstand durchgeführt werden. Für den fehlenden Teil oberhalb der Prüfstandskapazität setzen die Wissenschaftler*innen dann moderne Simulationsmethoden ein, um die erforderlichen Messgrößen zu ermitteln. Auf diese Weise verbinden sich physikalische Tests in Teillast und simulationsbasierte virtuelle Tests zum „hybriden Test“.
Im Rahmen des Forschungsprojekts VirtGondel haben wir diese Methode unter dem Titel „Hybrides Testen“ weiterentwickelt und als neuartiges Prüfverfahren zum Patent angemeldet. Unsere Untersuchungen beziehen sich schwerpunktmäßig auf die mechanische Prüfung von WEA-Antriebssträngen auf einem Gondelprüfstand wie dem Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab), das Konzept ist jedoch auf zahlreiche weitere Prüfszenarien innerhalb und außerhalb der Windenergie übertragbar. Zuerst wird der Prüfling im DyNaLab einer Gondelprüfkampagne unterzogen. Aufgrund der Limitierung des Prüfstands können während der physikalischen Testkampagne jedoch nicht alle maximalen Belastungen des Prüflings angefahren werden, sondern beispielsweise nur bis zu einem Niveau von 70% der Zielbelastung. Das hybride Testverfahren setzt genau dort an und verbindet die physikalischen Tests in Teillast mit virtuellen Tests. Dafür erstellen wir ein (oder mehrere) detailliertes Simulationsmodell des Prüflings, welches die relevanten Messgrößen (bspw. Dehnungen, Verformungen, Vibrationen oder Beschleunigungen) abbilden kann. Anschließend ist entscheidend, das Simulationsmodell auf Basis der zahlreichen Messdaten aus der physikalischen Prüfkampagne zu optimieren und zu validieren – ein Vorgang, der über das konventionelle virtuelle Testen hinaus geht. Erst durch diesen Schritt wird eine hinreichende Genauigkeit des Simulationsmodells erreicht, sodass es anschließend dazu genutzt werden kann, die noch ausstehenden Messwerte aus Prüfszenarien oberhalb der Prüfstandskapazität durch virtuelle Prüfungen zu ermitteln.
Abbildung 1: Aufteilung der Prüfergebnisse auf virtuelle (Simulation) und physikalische Tests bei einem konventionellen Volllasttest (oben) und dem neuen hybriden Testverfahren (unten) © Fraunhofer IWES
Vorteile des neuen hybriden Testverfahrens
Das Verfahren ermöglicht, Antriebsstränge mit steigenden Nennleistungen auf nominell nicht mehr ideal passenden Prüfständen zu testen. Hohe Kosten für neue Prüfeinrichtungen können somit eingespart werden. Ein weiterer Vorteil, neben der kosteneffizienten Weiternutzung bestehender Prüfinfrastruktur, ist auch die oft jahrelange Erfahrung im Betrieb der Prüfeinrichtung. Während neue Prüfstände mit höheren Nennleistungen gerade in den ersten Jahren noch unter Kinderkrankheiten leiden können, kann die Branche vom umfassenden Know-how bei bestehenden Prüfständen profitieren. Mithilfe des Verfahrens wird zudem ein validiertes Simulationsmodell des Prüflings bereitgestellt. Im Vergleich zum rein simulationsgestützten virtuellen Testen bietet das Verfahren den großen Vorteil, auf realen physikalischen Prüfungen aufzubauen. Häufig sind Simulationsmodelle ohne das Feedback echter Messungen nicht präzise genug – hier sind die Optimierung und Validierung des Simulationsmodells auf Basis der physikalischen Versuche unter Teillast der entscheidende Schritt hin zu validen Simulationsergebnissen.
Abbildung 2: Gegenüberstellung der Prozessschemata einer konventionellen Prüfkampagne unter Volllast mit der neuen hybriden Prüfmethode. © Fraunhofer IWES
Nächste Schritte fürs hybride Testverfahren
Die IWES Wissenschaftler*innen sehen in dem Verfahren einen wichtigen Schritt hin zur Digitalisierung von WEA-Prüfungen. Wir können damit kosteneffiziente Prüfungen neuester Anlagendesigns anbieten und sind dabei nicht auf immer neue, größere und mit hohen Kosten und Risiken verbundene Systemprüfstände angewiesen. Zudem stellen wir Kunden validierte Simulationsmodelle der Prüflinge bereit. Eine erste Demonstration des Verfahrens mit dem Fokus auf parasitären Belastungen des Antriebsstrangs wurde auf der diesjährigen Conference for Wind Power Drives (CWD 2023) in Aachen veröffentlicht [1]. Unser aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung weiterer Anwendungen des Verfahrens sowie auf der Quantifizierung möglicher Limitierungen, beispielsweise hinsichtlich nichtlinearer Prozesse oder schwer modellierbarer Messgrößen. Zudem wird untersucht, wie weit die nominelle Prüfstandskapazität im hybriden Test überschritten werden kann, um eine zufriedenstellende Genauigkeit der Simulationsergebnisse sicherzustellen. Das IWES strebt eine Weiterentwicklung des Verfahrens im Rahmen von weiteren öffentlichen Forschungsprojekten an.
Quellen:
[1] M. O. Siddiqui, A. R. Nejad und J. Wenske, „On a new methodology for testing full load responses of wind turbine drivetrains on a test bench,“ Forschung im Ingenieurwesen, 2023.
Mehr Informationen hier:
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