Zuverlässigkeit technischer Systeme

Betriebsfestigkeitstest von Antriebskomponenten

Bei der Auslegung von WEA spielen Betriebsfestigkeit und Lebensdauer eine besondere Rolle, um die Sicherheit und eine hohe technische Verfügbarkeit des Produkts zu gewährleisten. Der Weg zu höheren Leistungsklassen und das damit verbundene Hochskalieren von Komponenten zeigen jedoch neue, unerwartete Effekte. Um die aktuelle Auslegungspraxis von Großkomponenten zu überprüfen, mehr Sicherheit bei der Auslegung zu erreichen und die Voraussetzung für Gewichtseinsparung zu schaffen, bietet sich die Nutzung von Großprüfständen an. Theoretische Modelle zur Bauteilauslegung und Verfahren zur beschleunigten Dauerprüfung können durch Messungen verbessert und validiert werde. Darüber hinaus lassen sich Erkenntnisse auf andere Komponenten übertragen. Dies wird beispielsweise in dem Forschungsprojekt "BeBen XXL" untersucht.

Condition-Monitoring-Systeme (CMS) dienen der frühzeitigen Erkennung von Schäden an Triebstrangkomponenten. Sie erlauben ein planmäßiges Eingreifen in den Wartungs- und Betriebsablauf der Anlage. Das Auftreten schwerer Schäden und möglicher Folgeschäden an anderen Anlagenkomponenten kann vermieden werden, so dass die Reparaturkosten geringer ausfallen. Reparaturarbeiten sind besser planbar, was üblicherweise die Stillstandszeit der Anlage reduziert. In Einzelfällen wie z.B. der Detektion von Unwuchten oder von Fehlausrichtungen im Triebstrang lässt sich mittels CMS sogar die Entstehung von Schäden vermeiden.

CMS spielen somit für die technische Verfügbarkeit von WEA eine entscheidende Rolle. Sie sind zudem Grundlage für eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie, die unvorhergesehene Ausfälle vermeidet, zugleich aber die Lebensdauer der überwachten Komponenten voll ausnutzt und damit oftmals die insgesamt wirtschaftlichste Art der Instandhaltung darstellt.

Schwerpunkte:

Konzeptionierung, Auslegung, Realisierung und dem Test neuartiger Condition-Monitoring-Systeme für Multimegawatt-Offshore und -Onshore-Windenergieanlagen durch Kombination von modellbasierten Beobachtern der Anlagen und spezieller Sensortechnik

CMS-basierten Restlebensdauerprognose für Triebstrangkomponenten auf Grundlage von Ausfall- und CMS-Datenanalyse

Etwa 20 bis 30 % der Lebenszykluskosten von WEA gehen auf Betrieb und Instandhaltung zurück. Hierbei entfällt der Großteil auf die Instandhaltung, insbesondere auf die korrektive Instandsetzung nach Schäden bzw. Ausfällen von Anlagenkomponenten. Neben der Wahl geeigneter Instandhaltungsstrategien und -methoden kommt einer Zuverlässigkeitssteigerung der vorwiegend betroffenen Komponenten eine zentrale Rolle zu, um diese Kosten zu senken.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Verbesserung der Zuverlässigkeit, z.B. mittels Designmodifikationen oder Retrofit-Lösungen, ist dabei die Klärung der Ausfallursachen und -mechanismen. Deshalb führen wir Root-Cause-Analysen auf der Basis von Betriebs- und Ausfalldatenanalyse (u.a. SCADA- und Instandhaltungsdaten, Umweltfaktoren) durch, ergänzt durch Messungen im Feld und Laboruntersuchungen der Schadensbilder. Hauptarbeitsgebiet sind derzeit die leistungselektronischen Frequenzumrichter von WEA, die heute die Ausfallstatistiken dominieren und deren Versagensursachen noch weitestgehend unbekannt sind.

Zuverlässige Leistungselektronik für Windenergieanlagen

Niedersächsisches Leitprojekt - Koordination Fraunhofer IWES Nordwest

Der Betrieb und die Instandhaltung machen rund ein Drittel der Lebenszykluskosten von Windenergieanlagen aus. Für die weitere Senkung von Gestehungskosten von Windstrom wird die Anlagenzuverlässigkeit eine zentrale Rolle spielen. Im Fokus sollten dabei die Komponenten stehen, die aufgrund hoher Ausfallraten bzw. langer Stillstandszeiten die Hauptkostentreiber darstellen. Dies trifft insbesondere auf die leistungselektronischen Frequenzumrichter zu, die heute in nahezu allen modernen Windenergieanlagen zum Einsatz kommen. Als Bindeglied zwischen Generator und Anlagentransformator dienen sie der netzfrequenten Anbindung der drehzahlvariablen Windenergieanlagen an das Energieversorgungsnetz. Sie stellen sicher, dass die Netzanschlussbedingungen eingehalten werden und eine optimale Ausnutzung des Windangebotes möglich wird. Die Kombination aus windtypischen dynamischen Belastungen und extremen Umweltbedingungen stellt besonders hohe Anforderungen an die Leistungselektronik.

Dieses Projekt zielt darauf ab, die derzeit noch unverstandenen Ursachen und Mechanismen der häufig auftretenden Schäden an leistungselektronischen WEA-Komponenten nachzuvollziehen und darauf aufbauend Lösungen zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu entwickeln. Neben der umfassenden Auswertung von Felddaten sowie Schadensanalysen im Labor werden Simulationsmodelle optimiert, um die Belastung der Leistungselektronik unter Berücksichtigung der Gesamtanlagendynamik im Betrieb besser abbilden zu können. Weitere Schwerpunkte liegen in der Entwick-lung von Systemen zur Fehlerfrüherkennung in elektronischen Anlagenkomponenten und im Entwurf innovativer fehlertoleranter Generator-Umrichter-Konzepte für Windenergieanlagen der nächsten Generation.

Das Spektrum der Industriepartner reicht von Betriebsführungs- und Instandhaltungsunternehmen über Frequenzumrichter- und Anlagenher-stellern hin zu Versicherern und Unternehmen mit Schwerpunkten im Bereich der Messtechnik und der Zustandsüberwachung. Eine Besonderheit des Vorhabens liegt in der umfassenden systematischen Rückkopplung von Felderfahrung in den Design-, Herstellungs- und Instandhaltungsprozess.

Veröffentlichungen

2016

Utilisation of wind turbine field data for failure root-cause analysis
Fischer, K.
(Konferenzbeitrag)

Wind Farm Data Management and Analysis Forum
12.-13. Okt. 2016, Hamburg
urn:nbn:de:0011-n-4176611 (Vollversion)
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Reliability of power converters in wind turbines: Results of a comprehensive field study
Fischer, K., Bartschat, A.; Tegtmeier, B.; Coronado, D.; Broer, C.; Wenske, J.
(Poster)

Wind Europe Summit 2016
27.-29. Sept. 2016, Hamburg
urn:nbn:de:0011-n-4176888
(Vollversion)
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Utilizing wind-turbine failure and operating data for root-cause analysis
Fischer, K.
(Vortrag)

WindEurope Technology Workshop "Analysis of Operating Wind Farms"
April 14-15, 2016, Bilbao, Spain
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Extending the scope of gearbox oil condition monitoring for wind turbines: Identified challenges and recommendations
Coronado, D., Wenske, J.
(Poster)

Wind Europe Summit 2016
27.-29. Sept. 2016, Hamburg
urn:nbn:de:0011-n-4176892 (Vollversion)
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First results of a testing campaign to validate oil sensors for wind turbine gearboxes
Coronado, Diego
(Vortrag)

VGB Conference - Maintenance of Wind Power Plants
2.-3. März 2016, Hamburg
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