{"id":2275,"date":"2023-04-17T09:52:46","date_gmt":"2023-04-17T09:52:46","guid":{"rendered":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/?p=2275"},"modified":"2026-01-12T13:58:18","modified_gmt":"2026-01-12T13:58:18","slug":"der-schritt-zum-digitalen-pruefverfahren-hybrides-testen-von-windenergieanlangen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/der-schritt-zum-digitalen-pruefverfahren-hybrides-testen-von-windenergieanlangen\/paul-robert-feja","title":{"rendered":"Der Schritt zum digitalen Pr\u00fcfverfahren: Hybrides Testen von Windenergieanlangen"},"content":{"rendered":"\n

Autoren: Muhammad Omer Siddiqui, Paul Robert Feja

Die Anforderungen an Pr\u00fcfst\u00e4nde f\u00fcr Windenergieanlagen steigen kontinuierlich und erfordern wiederum Investitionen in Pr\u00fcfstandserweiterungen oder -neubauten. Das Fraunhofer IWES hat ein hybrides Testverfahren entwickelt, um die Kapazit\u00e4t bestehender Pr\u00fcfeinrichtungen zu erweitern und sie mithilfe digitaler Methoden fit f\u00fcr zuk\u00fcnftige Pr\u00fcfanforderungen zu machen.<\/p>\n\n\n\n

Die Validierung neuer Anlagendesigns und -technologien ist ein Grundpfeiler, um den zuverl\u00e4ssigen Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) sicherzustellen. Weltweit sind darum in den vergangenen Jahren mehrere Gro\u00dfpr\u00fcfst\u00e4nde <\/a>f\u00fcr den Test von WEA-Triebstr\u00e4ngen gebaut und in Betrieb genommen worden. Jeder dieser in der Regel komplexen und mit hohen Investitionskosten verbundenen Pr\u00fcfst\u00e4nde wurde auf Basis der zu diesem Zeitpunkt absehbaren Anforderungen an die Anlagengr\u00f6\u00dfen dimensioniert. Infolge des andauernden Trends hin zu gr\u00f6\u00dferen Anlagen und Nennleistungen besteht ebenso der Bedarf nach gr\u00f6\u00dferen Pr\u00fcfeinrichtungen, damit Neuentwicklungen unter realistischen Betriebsbedingungen validiert werden k\u00f6nnen. Eine Herausforderung, denn die Entwicklung und der Bau gr\u00f6\u00dferer Testst\u00e4nde sind mit hohen Kosten verbunden. Zudem sind bereits bestehende Pr\u00fcfeinrichtungen oft innerhalb weniger Jahre nicht mehr leistungsstark genug f\u00fcr die neuesten Anlagengr\u00f6\u00dfen, sodass beispielsweise die erforderlichen Maximallasten nicht mehr eingeleitet werden k\u00f6nnen. Ein Ansatz dieses Problem zu l\u00f6sen ist der verst\u00e4rkte Einsatz von Simulationsverfahren, mit deren Hilfe virtuelle Tests durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Wichtig dabei ist, mit der Simulation auf den Ergebnissen physikalischer Pr\u00fcfungen aufzubauen, denn auch modernste Simulationswerkzeuge k\u00f6nnen bei unsicherer Modellparametrierung nur Ergebnisse mit unzureichender Genauigkeit liefern.<\/p>\n\n\n\n

Kopplung von Pr\u00fcfstand und Simulation<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Eine Antwort auf diese Entwicklung liefern die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt \u201eVirtGondel <\/a>– Entwicklung und Validierung eines virtuellen Abbildes des Gondelpr\u00fcfstandes zur Erarbeitung fortschrittlicher Pr\u00fcfmethoden und effizienterer Testkampagnen\u201c: Mithilfe des Einsatzes von modernen Simulationswerkzeugen entwickeln wir geeignete Testszenarien f\u00fcr WEA-Triebstr\u00e4nge, die oberhalb der nominellen Leistung bzw. Lastkapazit\u00e4t bestehender Pr\u00fcfeinrichtungen liegen. Der Grundgedanke dabei ist einfach: Der Gro\u00dfteil der Pr\u00fcfungen unterhalb der Maximallast kann trotzdem auf dem Pr\u00fcfstand durchgef\u00fchrt werden. F\u00fcr den fehlenden Teil oberhalb der Pr\u00fcfstandskapazit\u00e4t setzen die Wissenschaftler*innen dann moderne Simulationsmethoden ein, um die erforderlichen Messgr\u00f6\u00dfen zu ermitteln. Auf diese Weise verbinden sich physikalische Tests in Teillast und simulationsbasierte virtuelle Tests zum \u201ehybriden Test\u201c.

Im Rahmen des Forschungsprojekts VirtGondel haben wir diese Methode unter dem Titel \u201eHybrides Testen\u201c weiterentwickelt und als neuartiges Pr\u00fcfverfahren zum Patent angemeldet. Unsere Untersuchungen beziehen sich schwerpunktm\u00e4\u00dfig auf die mechanische Pr\u00fcfung von WEA-Antriebsstr\u00e4ngen auf einem Gondelpr\u00fcfstand wie dem Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab), das Konzept ist jedoch auf zahlreiche weitere Pr\u00fcfszenarien innerhalb und au\u00dferhalb der Windenergie \u00fcbertragbar. Zuerst wird der Pr\u00fcfling im DyNaLab einer Gondelpr\u00fcfkampagne unterzogen. Aufgrund der Limitierung des Pr\u00fcfstands k\u00f6nnen w\u00e4hrend der physikalischen Testkampagne jedoch nicht alle maximalen Belastungen des Pr\u00fcflings 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. Daf\u00fcr erstellen wir ein (oder mehrere) detailliertes Simulationsmodell des Pr\u00fcflings, welches die relevanten Messgr\u00f6\u00dfen (bspw. Dehnungen, Verformungen, Vibrationen oder Beschleunigungen) abbilden kann. Anschlie\u00dfend ist entscheidend, das Simulationsmodell auf Basis der zahlreichen Messdaten aus der physikalischen Pr\u00fcfkampagne zu optimieren und zu validieren \u2013 ein Vorgang, der \u00fcber das konventionelle virtuelle Testen hinaus geht. Erst durch diesen Schritt wird eine hinreichende Genauigkeit des Simulationsmodells erreicht, sodass es anschlie\u00dfend dazu genutzt werden kann, die noch ausstehenden Messwerte aus Pr\u00fcfszenarien oberhalb der Pr\u00fcfstandskapazit\u00e4t durch virtuelle Pr\u00fcfungen zu ermitteln.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Aufteilung der Pr\u00fcfergebnisse auf virtuelle (Simulation) und physikalische Tests bei einem konventionellen Volllasttest (oben) und dem neuen hybriden Testverfahren (unten) \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/p>\n\n\n\n

Vorteile des neuen hybriden Testverfahrens<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Das Verfahren erm\u00f6glicht, Antriebsstr\u00e4nge mit steigenden Nennleistungen auf nominell nicht mehr ideal passenden Pr\u00fcfst\u00e4nden zu testen. Hohe Kosten f\u00fcr neue Pr\u00fcfeinrichtungen k\u00f6nnen somit eingespart werden. Ein weiterer Vorteil, neben der kosteneffizienten Weiternutzung bestehender Pr\u00fcfinfrastruktur, ist auch die oft jahrelange Erfahrung im Betrieb der Pr\u00fcfeinrichtung. W\u00e4hrend neue Pr\u00fcfst\u00e4nde mit h\u00f6heren Nennleistungen gerade in den ersten Jahren noch unter Kinderkrankheiten leiden k\u00f6nnen, kann die Branche vom umfassenden Know-how bei bestehenden Pr\u00fcfst\u00e4nden profitieren. Mithilfe des Verfahrens wird zudem ein validiertes Simulationsmodell des Pr\u00fcflings bereitgestellt. Im Vergleich zum rein simulationsgest\u00fctzten virtuellen Testen bietet das Verfahren den gro\u00dfen Vorteil, auf realen physikalischen Pr\u00fcfungen aufzubauen. H\u00e4ufig sind Simulationsmodelle ohne das Feedback echter Messungen nicht pr\u00e4zise genug \u2013 hier sind die Optimierung und Validierung des Simulationsmodells auf Basis der physikalischen Versuche unter Teillast der entscheidende Schritt hin zu validen Simulationsergebnissen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Gegen\u00fcberstellung der Prozessschemata einer konventionellen Pr\u00fcfkampagne unter Volllast mit der neuen hybriden Pr\u00fcfmethode. \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/p>\n\n\n\n

N\u00e4chste Schritte f\u00fcrs hybride Testverfahren<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Die IWES Wissenschaftler*innen sehen in dem Verfahren einen wichtigen Schritt hin zur Digitalisierung von WEA-Pr\u00fcfungen. Wir k\u00f6nnen damit kosteneffiziente Pr\u00fcfungen neuester Anlagendesigns anbieten und sind dabei nicht auf immer neue, gr\u00f6\u00dfere und mit hohen Kosten und Risiken verbundene Systempr\u00fcfst\u00e4nde angewiesen. Zudem stellen wir Kunden validierte Simulationsmodelle der Pr\u00fcflinge bereit. Eine erste Demonstration des Verfahrens mit dem Fokus auf parasit\u00e4ren Belastungen des Antriebsstrangs wurde auf der diesj\u00e4hrigen Conference for Wind Power Drives (CWD 2023) in Aachen ver\u00f6ffentlicht [1]. Unser aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung weiterer Anwendungen des Verfahrens sowie auf der Quantifizierung m\u00f6glicher Limitierungen, beispielsweise hinsichtlich nichtlinearer Prozesse oder schwer modellierbarer Messgr\u00f6\u00dfen. Zudem wird untersucht, wie weit die nominelle Pr\u00fcfstandskapazit\u00e4t im hybriden Test \u00fcberschritten werden kann, um eine zufriedenstellende Genauigkeit der Simulationsergebnisse sicherzustellen. Das IWES strebt eine Weiterentwicklung des Verfahrens im Rahmen von weiteren \u00f6ffentlichen Forschungsprojekten an.<\/p>\n\n\n\n

Quellen<\/strong>:<\/h4>\n\n\n\n

[1] M. O. Siddiqui, A. R. Nejad und J. Wenske, \u201eOn a new methodology for testing full load responses of wind turbine drivetrains on a test bench,\u201c Forschung im Ingenieurwesen, <\/em>2023.<\/p>\n\n\n\n

Mehr Informationen hier:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Gondelpr\u00fcfungen f\u00fcr k\u00fcnftige Windenergieanlagen \u2013 Was bringt die Zukunft?<\/a>
Vereinte Windenergie-Kompetenzen f\u00fcr virtuelle Turbinenmodelle<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autoren: Muhammad Omer Siddiqui, Paul Robert Feja Die Anforderungen an Pr\u00fcfst\u00e4nde f\u00fcr Windenergieanlagen steigen kontinuierlich und erfordern wiederum Investitionen in Pr\u00fcfstandserweiterungen oder -neubauten. 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