Gondelprüfung und Untersuchung der elektrischen Eigenschaften

Tests auf Systemprüfständen für beschleunigte Markteinführung

Der zunehmende Wettbewerbsdruck auf dem globalen Markt und eine deutliche Professionalisierung der Branche haben die Anforderungen erhöht: Bei neuen Anlagendesigns wird heute vorausgesetzt, dass bereits die ersten ausgelieferten Anlagen eines Typs zuverlässig laufen. Vor der Finanzierungszusage für Projekte verlangen Investoren den Nachweis umfangreicher Betriebserfahrung. Aus der Sicht der Hersteller stellen somit Neuentwicklungen - selbst Modifikationen bestehender Produkte - ein erhebliches wirtschaftliches Risiko dar. Eine experimentelle Validierung von Prototypen auf Großprüfständen verringert dieses Risiko, beschleunigt die Zertifizierung und macht sie besser planbar.

Der höhere Stromanteil aus regenerativen Quellen in den Verteil- und Übertragungsnetzstrukturen auf unterschiedlichsten Spannungsebenen lässt die Anforderungen an die Netzintegration von Windenergieanlagen als Erzeugungseinheiten (EZE) weiter steigen. Diese finden Ausdruck in Normen und Richtlinien, die bei der zukünftigen Entwicklung berücksichtigt werden müssen. Für Neu- und Weiterentwicklungen sind Anlagenzertifikate zwingend erforderlich. Sie gewährleisten den netzkonformen Betrieb der EZE und garantieren damit den dauerhaften Netzanschluss sowie den Erhalt einer Einspeisevergütung.

Durch effiziente Testmethoden zur beschleunigten Absicherung der elektrischen Eigenschaften von EZE auf Prüfständen unterstützt das Fraunhofer IWES Anlagenhersteller dabei, den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.
 

Status Quo: Feldtests und schwer planbare Markteinführung

Die Prüfung der Netzverträglichkeit zur Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften neuer Windenergieanlagen - oder zur Nachzertifizierung bei Änderungen oder Weiterentwicklungen bestehender Anlagentypen - erfolgt heute nahezu ausschließlich mit Hilfe von mobilen Prüfeinrichtungen im Feld. Die gesamte Zertifizierungskampagne umfasst in der Regel einen Zeitraum bis zu zwei Jahren; dieser Zeitaufwand ist ein wesentlicher Kostenfaktor der Anlagenentwicklung und bestimmt maßgeblich den Zeitpunkt der Markteinführung. Die Nachfrage nach geeigneten Standorten für die Prototypen-Zertifizierung ist groß, ebenso die Anzahl der zu zertifizierenden Anlagen. Neben einem guten Windangebot muss ein Standort bei zunehmender Anlagengröße auch erhöhte Anforderungen für den Netzanschluss erfüllen. Feldversuche sind praktisch nicht reproduzierbar - es finden keine zwei Tests bei exakt identischen Wind- und Netzverhältnissen statt. Die Ergebnisse können daher nur eingeschränkt zur Absicherung verglichen werden. Außerdem ergeben sich schnell lange Wartezeiten - die Planung der Markteinführung wird dadurch erheblich erschwert.

 

Der Labor-Vorteil: unterschiedliche Betriebsfälle beliebig oft anfahren

2015 wurde in Deutschland erstmals ein großtechnischer Prüfstand für komplette Gondeln von Windenergieanlagen in Betrieb genommen. Das Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) bietet ein realitätsnahes Testumfeld im Multimegawattbereich für aussagefähige Labortests. Mit einer Antriebsleistung von 10 MW und der Einleitung eines nominellen Drehmoments von 8,6 MNm werden einmalige Prüfleistungen zur Prototypen-Validierung angeboten. Durch die Netz- sowie die HiL-Windlastsimulationen können unterschiedliche Belastungsszenarien unter reproduzierbaren Bedingungen erstellt werden und das Verhalten einer WEA bei Szenarien wie Multidips im Netz bei Sturm, Netzkurzschluss bei fehlerhafter Pitchregelung oder Notstopps getestet werden.

Neben der Zertifizierung im Feld bietet das DyNaLab damit die Möglichkeit, bisher langwierige Zertifizierungen stark zu verkürzen, da im DyNaLab unterschiedliche Betriebsfälle beliebig oft angefahren werden können. Auf diese Weise lassen sich zudem
 die Betriebsführung und die Regelung optimieren sowie Modellvalidierungen durchführen. Die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit der Anlage können hierdurch gesteigert und gleichzeitig Wartungs- und Reparaturkosten gesenkt werden.

Videos DyNaLab

Test des supraleitenden EcoSwing-Generators

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Gondelprüfung Siemens

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Video: Doku & Interview

Aufbau und Inbetriebnahme des DyNaLabs  Starten
 

Validierung von Windenergieanlagen

Interview mit M. Schubert, wyncon & Prof. J. Wenske, IWES  Starten

Neue und modifizierte Anlagendesigns zeitsparend absichern

Das Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab)  bietet ein realitätsnahes Testumfeld im Multimegawattbereich, um Prüfungen unter reproduzierbaren Bedingungen in einem zeitlich definierten Rahmen durchzuführen. Bestehende und zukünftige Konzepte für Windenergieanlagen können auf diese Weise validiert und gegebenenfalls optimiert werden. Durch den Einsatz eines virtuellen Netzes mit 44 MVA installierter Umrichterleistung lassen sich typische Netzfehler wie Spannungseinbrüche mit hoher Wiederholfrequenz nachgebilden.

Die Kombination aus mechanischen Tests mit einem Netzemulator zur Prüfung von Windenergieanlagen bis 10 MW ist derzeit weltweit einzigartig.Seit Betriebsbeginn im Jahr 2015 wurde der Prototyp der AD 8-180 getestet, und auch Enercon und Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE) haben den Gondelprüfstand für Testkampagnen genutzt. Im Rahmen des Forschungsprojektes Eco-Swing wurde ein supraleitender Generator in der Einrichtung getestet.

Der leistungsstarke Netzemulator ermöglicht die Durchführung statischer Tests, um zum Beispiel die Wirk- und Blindleistungsabgabe bei unterschiedlichen Netzzuständen zu ermitteln. Zudem können transiente Netzereignisse simuliert werden, die sich auf das Gesamtsystem Gondel auswirken: Tests von dynamischen Low-Voltage-Ride-Through (LVRT)- und High-Voltage-Ride-Through (HVRT)-Ereignissen, wie sie von unterschiedliche Grid Codes gefordert werden, sowie dynamische Änderungen der Netzfrequenz können gezielt nachgebildet und ihre Auswirkungen auf die Anlage untersucht werden.

Da die Gondel im Prüfstand ohne Rotor und Turm getestet wird, weist sie andere Systemeigenschaften als im Feld auf. Zur Nachbildung der realen Bedingungen werden die auftretenden Lasten und Wechselwirkungen zwischen Gondel und Rotor berechnet und im Prüfstand auf die Gondel eingeprägt. Dafür werden leistungsfähige Echtzeitmodelle und entsprechende Regelungsalgorithmen herangezogen, um den Prüfstand inklusive Prüfling im Hardware-in-the-Loop-Verfahren (HiL) zu betreiben. Eine Prüfkampagne zur Zertifizierung im Prüfstand lässt sich genau terminieren und herstellerspezifisch definieren.

Das Fraunhofer IWES kann dabei unterstützen, die auf dem Prüfstand erlangten Ergebnisse mit Feldmessungen abzugleichen. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Anwendungszentrum Feldmessungen im Bereich Messtechnik und Sensorik können Synergien erschlossen werden. Die enge interne Verknüpfung von Feldmessungen und Testbetrieb bietet die Möglichkeit, akkreditierte Lastmessung gemäß IEC 61400-13 durchzuführen.

Die anhaltende Nachfrage der Industrie nach beschleunigten Tests des elektrischen Systems einer Windenergieanlage bedient das Fraunhofer IWES mit dem Bau eines neuen Prüfstandes, der 2019 den Betrieb aufnehmen wird. Im Gegensatz zum Gondelprüfstand wird dieser für den Test von Minimalsystemen ausgelegt, bestehend aus schnelllaufendem Generator und Umrichtersystem sowie den Komponenten zur Netzanbindung auf Mittelspannungsebene. Damit ist der Prüfstand einsetzbar für den Test von Systemen mit hohen Generatordrehzahlen (1200-1800 1/min) bis zu einer Leistung von circa 6-7 MW mit zwei- bis dreistufigen Getrieben.

Prüfmethoden, die im Rahmen des BMWi-geförderten Projektes HiL-Grid- CoP entwickelt werden, sollen die erforderlichen Prozesse für die Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften teilautomatisiert ablaufen lassen. Anlagenhersteller sparen damit Zeit und Kosten beim Prüfverlauf, aber auch durch eine vereinfachte Logistik. Die ersten Nutzer des Prüfstandes werden die HiL-GridCoP-Projektpartner Senvion, Nordex und Vestas sein.

Um alle Eigenschaften einer Windenergieanlage im Labor zu überprüfen, sind Entwicklungstests mit diversen Durchläufen erforderlich, die teilautomatisiert durchgeführt werden sollen. Für das Software-gestützte Testmanagement werden Ansätze aus der Automobilindustrie verwendet, um zum Beispiel den Kunden einheitliche Schnittstellen bereitzustellen, Testprofile aus der Testspezifikation zu erzeugen und die Testdurchführung nur noch teilweise manuell steuern zu müssen.

Der Prüfstand wird über eine 9 MW-Antriebseinheit (bis zu 13 MW in Überlast) zur Nachbildung realistischer Generatormomente mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop (HiL)-Verfahren verfügen. Die Anforderungen an die HiL-Testverfahren steigen - zusätzlich zur Nachbildung des Rotors auf dem Gondelprüfstand muss auch eine Emulation des Triebstrangs erfolgen. Durch den Einsatz detaillierter Echtzeitmodelle auf leistungsfähiger Ziel-Hardware, die einen optimalen Datenaustausch mit der Prüfstandssteuerung ermöglicht, wird diese Anforderung erfüllt.

Der Prüfstand nutzt das vorhandene virtuelle Netz des Gondelprüfstandes zur Nachbildung verschiedener Netzzustände. Um auch den Anforderungen an die Netzintegration zukünftiger Windenergieanlagen gerecht zu werden, ist eine deutliche Erweiterung der Funktionalitäten des bestehenden Netzemulators geplant. Ziel ist es, extrem schwache Netze ebenso nachbildbar zu machen wie spezielle harmonische Störspektren.

Um einen stabilen Betrieb der Verteil- und Übertragungsnetze bei einem zunehmenden Anteil an fluktuierender Einspeisung auf unterschiedlichsten Spannungsebenen sicherzustellen, werden die Voraussetzungen für die Netzintegration immer anspruchsvoller. Dies zeigt sich zum Beispiel an den steigenden Anforderungen an die Hauptumrichter von Windenergieanlagen, die - unabhängig von der Antriebsstrangtopologie - für die elektrischen
Eigenschaften im Bereich der Power Quality (PQ) bestehen. Eine weitere Reduktion des zu testenden Systems auf die (Haupt-)Komponente Umrichter ist daher ein logischer nächster Schritt.

Analysen im Hinblick auf Power Quality und die Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften des Umrichters sind für Erzeuger- und Verbrauchereinheiten im unteren Leistungsbereich (einige kW) bereits heute Stand der Technik. Vor diesem Hintergrund plant das Fraunhofer IWES, Konzepte zum Testen und Validieren von Umrichtersystemen weiterzuentwickeln und der Branche damit Impulse zu geben. Diese Aktivitäten zielen auch darauf ab, die Wettbewerbsfähigkeit der Umrichterhersteller als wichtige Komponentenlieferanten der Windindustrie zu stärken und auszubauen.