RegViento: Innovative Windparkregelung mit digitalen Lastzwillingen und Unsicherheitsquantifizierung

Windenergieanlagen werden häufig in unmittelbarer Nähe zueinander in Windparks errichtet. Diese Anordnung führt jedoch zu Effizienzverlusten, den sogenannten Nachlaufverlusten, die durch die gegenseitige Abschattung der Anlagen entstehen und mit 10 bis 20 % des Jahresenergieertrags quantifiziert werden. Im Projekt RegViento entwickelt die MesH Engineering GmbH gemeinsam mit dem Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE) eine strömungsbeeinflussende Windparkregelung, mit der diese Verluste durch koordinierten Betrieb der einzelnen Anlagen erheblich reduziert werden können. Abhängig vom Standort sind Erhöhungen des Jahresenergieertrags um ca. 1 % möglich; dies entspricht einer Summe von ca. 70 Mio. € für die Stromproduktion aus Windkraft in Deutschland im Jahr 2023 (140 TWh) bei einem Strompreis von 50 €/MWh.

Ziel

Das Vorhaben entwickelt eine strömungsbeeinflussende Windparkregelung zur Marktreife und demonstriert sie unter realen Bedingungen. Dazu wird ein modulares, modellbasiertes Closed-Loop-Regelungsframework aufgebaut, das auf beliebige Windparkkonfigurationen angewendet werden kann. Der Windparkregler bestimmt aus den unsicherheitsbehafteten Messungen der Anlagen kontinuierlich neue Sollwerte, z.B. Gierwinkel-Offsets zur Ablenkung des Nachlaufs (wake redirection control), wobei das Regelungsziel (etwa die Maximierung der Windparkleistung) verfolgt wird und gleichzeitig sichergestellt wird, dass keine kritischen Lasten außerhalb des zertifizierten Lastbereichs entstehen.

Digitale Lastzwillinge

Ein zentraler Baustein des Frameworks ist der digitale Lastzwilling der Windenergieanlage. Da Turbinenhersteller dem Betreiber in der Regel nur wenige Informationen über ihre Produkte zur Verfügung stellen, wird im Projekt eine Methode entwickelt, mit der aus den begrenzt verfügbaren Daten ein detailliertes aeroelastisches Modell abgeleitet werden kann. Auf dieser Basis wird mit Hilfe Rekurrenter Neuronaler Netzwerke (LSTM) ein echtzeitfähiges Machine-Learning-Ersatzmodell erstellt, das die Lasten der Hauptkomponenten online überwachen und vorhersagen kann. Über kontinuierliches Fine-Tuning mit aktuellen Messdaten werden Alterungs- und Verschmutzungseffekte der Turbine in den Zwilling integriert.

Unsicherheitsquantifizierung

Eine umfassende Unsicherheitsquantifizierung sowohl des digitalen Lastzwillings als auch des Windparkströmungsmodells ist Voraussetzung dafür, belastbare Aussagen zu Ermüdungslasten und zur Vertrauenswürdigkeit des berechneten Strömungszustands treffen zu können. Untersucht und propagiert werden u.a. Unsicherheiten aus der Modellableitung bei limitierter Datenverfügbarkeit, aus der aeroelastischen Simulation, aus dem Machine-Learning-Ersatzmodell sowie aus der Strömungsmodellierung. Aus den kombinierten Unsicherheiten wird schließlich eine konkrete Handlungsempfehlung hinsichtlich der Einhaltung der Lastbudgets und der Anwendbarkeit der Windparkregelung abgeleitet.

Demonstration am WINSENT-Testfeld

Die entwickelte Lösung wird auf dem vom Land Baden-Württemberg geförderten Windenergie-Testfeld WINSENT auf der Schwäbischen Alb demonstriert. Über einen Zeitraum von einem Jahr wird mit den umfangreich instrumentierten Windenergieanlagen die Regelungsstrategie erprobt und für den kommerziellen Einsatz validiert. Die Integration in die verbreitete Windpark-Steuerungssoftware PcVue, für die MesH zertifizierter Systemintegrator ist, stellt sicher, dass das Regelungskonzept anschließend effizient als Produkt für Windparkbetreiber bereitgestellt werden kann.

Stand des Projekts

Im ersten Projektjahr wurden die technischen und methodischen Grundlagen für die strömungsbeeinflussende Windparkregelung geschaffen. Eine erste funktionsfähige Baseline-Version des Regelungsframeworks liegt vor, einschließlich Umsetzung in Matlab und Python sowie MQTT-Kommunikation als Schnittstelle zur übergeordneten Windparkregelungslogik. Die Strömungsmodellierung baut auf der FLORIS/FloriDyn-Modellfamilie auf und ist über MesH REcon mit der Simulationsumgebung gekoppelt; FAST.Farm wurde für realitätsnahe Tests integriert. Für die WINSENT-Demonstration wurde in Abstimmung mit dem ZSW ein Wake-Redirection-Modus im Anlagenregler implementiert, die OPC-UA-Kommunikation zwischen Testfeldinfrastruktur und PcVue erfolgreich hergestellt und ein Design and Verification Plan (DVP) entworfen. Sicherheitsorientierte Lastsimulationen unter Gierwinkelfehlern wurden durchgeführt und mit dem ursprünglichen Zertifizierungsgutachten harmonisiert. Damit befindet sich das Vorhaben nach dem ersten Jahr in einem belastbaren Stand für die planmäßige Fortführung der Demonstrations-, Validierungs- und Integrationsarbeiten.

Projektpartner:

Förderprogramm: VwV Invest BW Innovation III
Projekt-Laufzeit: 01.04.2025 bis 31.03.2027

OTELLO – Betriebstechnische Strategien zur wirtschaftlichen Last- und Lebensdaueroptimierung für Windenergieanlagen

Offshore-Windparks mit Null-Cent-Förderung-Geboten sowie Post-EEG-Windenergieanlagen müssen ihre Erträge allein am Strommarkt erwirtschaften. Das verlangt vorausschauende Betriebsstrategien, die neben den Marktpreisen auch die zu erwartende Abnutzung der Anlagen am nächsten Tag einbeziehen. Die MesH Engineering GmbH hat sich daher dem BMWK geförderten Projekt OTELLO angeschlossen, in dem sie gemeinsam mit dem Fraunhofer IEE und anemos Gesellschaft für Umweltmeteorologie neue Instrumente entwickelt, mit denen sich Fahrpläne für Windparks optimieren lassen. Die Expertinnen und Experten integrieren dort unter anderem Kurzfrist-Prognosen zur Turbulenzintensität – der zentrale Faktor für die Abnutzung von Windenergieanlagen.

Projektpartner:

Förderkennzeichen: 03EE2060C
Projekt Laufzeit: 01.01.2024 – 31.12.2026

e-TWINS – Ganzheitliche digitale Zwillingstechnologie für das Energiesystem

Das Teilvorhaben "Entwicklung der Softwareplattform und digitaler Zwillinge des Antriebstrangs" verfolgt zwei Forschungsziele:
(1) Aufbau und Entwicklung einer holistischen generischen Software-Plattform und deren Schnittstellen (Software und Hardware) zur Verwirklichung, Implementierung und Schaffung der digitalen Zwillinge und Industrie 4.0 Technologien im Energiebereich.
(2) Entwicklung eines digitalen Zwillings von Antriebssträngen von Windenergieanlagen unter Verwendung von UQ Methoden, AI, und maschinellem Lernen.
Beide angestrebten Ergebnisse werden individuell, im Zusammenspiel und gemeinsam mit den Forschungsergebnissen der Partner im Gesamtvorhaben validiert und deren Anwendung an Referenzszenarien demonstriert.

Abschlussbericht: PDF öffnen

Projektpartner:

Förderkennzeichen: 03EI6020D
Projekt Laufzeit: 01.01.2020 – 30.06.2023

GridLoads - Methoden und Werkzeuge für die netzstützende Regelung von Windrad-Generatoren

Im Forschungsprojekt „GridLoads“ untersuchen das Fraunhofer IEE und die MesH Engineering GmbH Wechselwirkungen zwischen frequenzstützender Generatorregelung und mechanischer Belastung des Triebstrangs. Ziel ist die Entwicklung eines Analysemodells, mit dem sich wichtige Informationen für die Gestaltung der netzstützenden Maßnahmen sowie für die Auslegung der Triebstränge gewinnen lassen. Das Projekt wird vom BMWi gefördert und läuft noch bis Anfang 2020.

Ziel

Für den Umbau der deutschen Energieversorgung und des großflächigen Ausbaus der Windenergie müssen die Windenergieanlagen (WEA) zunehmend zur Netzstützung bzw. zur Netzstabilisierung beitragen. Dafür ist insbesondere eine hochdynamische Reaktion der Wirk- und Blindleistung auf Störungen im Netz, wie z.B. Kurzschlüsse, Teilnetzabspaltungen, Kraftwerksausfälle usw. notwendig. Im Sonderfall kann auch ein kurzzeitiger motorischer Betrieb der Anlagen sinnvoll sein. Die dafür erforderlichen Generatorregelungen sind aktuell Gegenstand umfangreicher Forschungsaktivitäten. Ein bisher nicht umfassend untersuchter Aspekt dieser Regelungen aus Sicht der Einzelanlagen besteht jedoch darin, dass dynamische Spannungs- und Frequenzänderungen im Netz eine direkte Rückwirkung auf die Wirkleistung der Anlagen und somit auf die Anregung von Triebstrangschwingungen und die damit verbundenen mechanischen Lasten haben.

Netzstützung

Die Anforderungen zur schnellen Netzstützung bei Störungsereignissen im Verbundnetz stellen zukünftig neue Anforderungen an die Generatorregelung von Windenergieanlagen. Insbesondere zur schnellen Frequenzstützung müssen hohe Gradienten in der Wirkleistung realisiert werden. Diese Wirkleistungsänderungen resultieren in entsprechenden Änderungen des Drehmomentes am Generator und können somit die Struktur der WEA zu Schwingungen anregen und erhöhte mechanische Lasten verursachen. Betroffen sind insbesondere der Triebstrang, also das gekoppelte System aus Rotorblättern, Wellen, Getriebe und Generator, aber auch dem Turm der WEA. Durch Generatorregelungen, die mit hoher Dynamik auf Änderungen in Betrag und Phasenlage des lokalen Spannungszeigers reagieren, wird die Dynamik des Verbundnetzes effektiv mit der Strukturdynamik der WEA gekoppelt. Somit können gekoppelte Schwingungsmoden auftreten, die das Verhalten mehrere Einzelanlagen untereinander als auch mit anderen Generatoren im Netz koppeln.

Es soll daher eine multidisziplinäre Analyseumgebung erstellt werden, mit der die Rückwirkung und die Einflüsse der neuen netzstützenden Generatorregelungen auf die Strukturdynamik, Stabilität und Lasten einer Windenergieanlage untersucht werden.

Mehrkörpersysteme

Dabei werden Mehrkörpermodelle der Strukturdynamik mit Modellen zur Beschreibung der Generatordynamik und des elektrischen Netzes gekoppelt. Insbesondere muss das Generatorsystem als Koppelglied zwischen den dynamischen Netzvorgängen und der Strukturdynamik der WEA mit hoher Genauigkeit abgebildet werden. Einflüsse dieser Art von Regelungssystem auf die Strukturdynamik werden veränderte Anforderungen an die Auslegung der Triebstrangsysteme verursachen, die in diesem Projekt untersucht werden.

Die Analyse von Schwingungsphänomenen am Triebstrang einer WEA erfolgt nach dem Stand der Technik mit entsprechend aufgelösten Mehrkörpermodellen, die die elastischen Strukturkomponenten und die Kopplung mit den aerodynamischen Kräften beschreiben. Je nach Fragestellung können solche Modelle niederfrequente Schwingungen im Bereich 0,1 Hz bis hin zu Problemen der Schallausbreitung bei mehreren 100 Hz beschreiben.

Stabilität

Besonderes Augenmerk im Projekt soll auf die Möglichkeit zur Entstehung von Instabilitäten, die ein Versagen der Struktur verursachen, gelegt werden. Windenergieanlagen mit modernem Regelungssystem können durch die Wechselwirkung zwischen den aerodynamischen Kräften, elastischen Kräften, Trägheitskräften und den von dem Regelungssystem induzierten Kräften eine Reduzierung der Systemdämpfung erfahren, die im Schlimmsten Fall zu einer Instabilität oder starke Vibration führt. Um das Auftreten solcher Instabilitäten vorhersagen zu können, müssen die Wechselwirkungen und Interaktionen zwischen Struktur, Aerodynamik und Regelungssystem in dem Gesamtsystemmodell berücksichtigt werden. Für die Stabilitätsanalyse einer WEA mit netzstützendem Regelungssystem soll zuerst eine Modellierungsstrategie definiert und eine Simulationsumgebung realisiert werden. Diese Simulationsumgebung wird für den Bau des Gesamtsystemmodells verwendet. Für die aeroelastische Stabilitätsanalyse einer WEA wurde bereits bei MesH ein Softwaretool entwickelt. Dieses basiert auf der Modellierung der WEA als Mehrkörpersystem. Für die Stabilitätsanalyse in Gridloads soll das vorhandene Stabilitätsanalysetool weiterentwickelt werden, um eine hinreichend genaue Vorhersage der aero-servo-(elektro)-elastischen Instabilität zu ermöglichen. Mit der Anwendung des neuentwickelten Werkzeuges wird eine Möglichkeit geschaffen, den Abstand zur Stabilitätsgrenze zu ermitteln und somit die Auslegung des Regelungssystems zur Beeinflussung der Stabilität zu ermöglichen.

Ein weiterer Aspekt der Rückwirkung des netzstützenden Regelungssystems besteht in der Beeinflussung der Komponentenlasten der WEA (z.B. Rotor, Getriebe, usw.). Diese Lasten sind dimensionierend für die Auslegung der Struktur. Zur Analyse der Lasten werden Zeitsimulationen für das Gesamtsystemmodell durchgeführt und bewertet. Für diese Zeitsimulationen werden repräsentative Lastfälle ausgewählt und mit den Lasten aus der Simulation ohne netzstützende Regelungssysteme verglichen.

Schallemissionen

Neben den mechanischen Lasten sollen auch mögliche Mechanismen für die Anregung erhöhter Schallemissionen, die aus dem Generatorsystem und der Kopplung mit dem Netz resultieren, betrachtet werden. Beispieleffekte sind unsymmetrische Netzzustände und durch elastische Verlagerungen des Generatorläufers bewirkte unsymmetrische Magnetfelder.

Nach der Identifikation der Rückwirkung des netzstützenden Regelungssystems auf Lasten sollen im zweiten Schritt die Möglichkeiten zur aktiven Beeinflussung des Schwingungsverhaltens über die Regelung des Generatorsystems untersucht werden. Dabei wird von IWES eine Erweiterung der bekannten netzstützenden Regelungsverfahren um Maßnahmen zur Reduktion von Triebstranglasten geplant. Zur Reduktion der Systemkosten ist eine gemeinsame Optimierung der Struktur- sowie Regelungsparameter sinnvoll. In diesem Teilvorhaben wird dazu mit einer numerischen Sensitivitätsanalyse dieser Parameterraum aufgespannt. Die beschriebenen Untersuchungen sollen in der Simulation durchgeführt werden, um zum einen die Kopplungen zwischen Strukturdynamik und Netz transparent zu machen. Zum anderen sind die untersuchten Regelungen für kommerzielle Umrichtersysteme noch nicht verfügbar. Eine experimentelle Erprobung auf Generator- oder Gondelprüfständen ist nicht zielführend, da die interessierende Strukturdynamik der WEA aufgrund fehlender Rotorblätter und der Bandbreitenbeschränkungen in der Ansteuerung nicht realistisch nachgebildet werden kann.

Projektpartner:

Förderkennzeichen: 0324192B
Projekt Laufzeit: 01.09.2017 – 29.02.2020

TremAc - Objektive Kriterien zu Erschütterungs- und Schallemissionen durch Windenergieanlagen im Binnenland

Das mittlerweile abgeschlossene Verbundprojekt TremAc, welches vom Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF) am Karlsruhe Institute of Technology (KIT) geleitet wurde, diente der Identifikation der Hauptparameter und Schwellwerte zu einer objektiven Bewertung der Schall- und Erschütterungsbelastung von Windenergieanlagen in Abhängigkeit der Anlagendaten, der Konstruktion, der Topographie und der Entfernung zum Immissionsort.

Wir von MesH Engineering haben uns in diesem Projekt intensiv mit der Emission von tonalen Geräuschen von Windenergieanlagen mit Getriebe beschäftigt. Wir konnten in diesem Projekt einen Simulationsprozess entwickeln, der er es erlaubt die tonalen Schallemissionen von Windenergieanlagen rein numerisch zu ermitteln. Diese Art von Schallemissionen an Getriebeanlagen hat ihren Ursprung in den Verzahnungen der einzelnen Getriebestufen. Die Anregung an den Verzahnungen wird dabei durch ein spezielles Kraftelement in unserem sehr detaillierten Mehrkörpermodell abgebildet. Das Mehrkörpermodell repräsentiert zudem den gesamten Transferpfad von Vibrationen innerhalb der Windenergieanlage. Die in diesem Projekt besonders im Fokus stehenden niederfrequenten Schwingungen werden dann insbesondere an den Rotorblättern und dem Turm in die Umgebung als Luftschall emittiert. Der Übergang von der Vibration in der Struktur an die umgebende Luft kann nicht in einem Mehrkörpersystem modelliert werden. Daher wurde zu diesem Zweck ein dediziertes finite-Elemente-Modell entwickelt, um auch diesen Effekt numerisch zu betrachten.

Die Möglichkeit die tonale Vibroakustik numerisch zu behandeln ist zwar ein sehr wichtiger, aber noch kein ausreichender Schritt bei der Verbesserung moderner Windenergieanlagen. Daher wurden im Projekt TremAc bei MesH Engineering auch verschiedene Möglichkeiten untersucht, die Schallemissionen von Windenergieanlagen zu reduzieren. Eine untersuchte Möglichkeit liegt darin, die Mikrogeometrie der Verzahnung so zu verändern, dass der Übertragungsfehler an den Verzahnungen und somit die Anregungen des Systems kleiner wird. Eine andere Möglichkeit liegt im Einbau von Hydrolagern an den Verbindungsstellen zwischen den rotierenden und den nichtrotierenden Komponenten der Windenergieanlagen. Die dämpfenden Eigenschaften von Hydrolagern machen deren numerische Behandlung in Mehrkörpersystemen sehr aufwendig. Im Projekt TremAc ist es unseren Experten jedoch gelungen einen effizienten Weg zur Modellierung zu finden und den Effekt auf die Reduktion tonaler Schallemissionen zu quantifizieren. Beide Möglichkeiten zur Beeinflussung der tonalen Schallemissionen zeigten ein vielversprechendes Ergebnis, dass auf die Entwicklung zukünftiger Generationen von Windenergieanlagen sicher Einfluss haben wird. So helfen unsere Experten mit, dass wir zukünftig als Anwohner in der Nähe von Windparks noch besser schlafen können.

TremAc ist ein Projekt im

Projektpartner:

Förderkennzeichen: 0325839
Projekt Laufzeit: 01.02.2016 – 31.07.2019