Center for Wind Power Drives

Thinking the Future Zukunft denken

Inhaltsverzeichnis Table of Contents 2

Vorwort

Preface

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Das Center for Wind Power Drives CWD – 1 MW-Systemprüfstand – 4 MW-Systemprüfstand – CWD Technologie-Roadmap

The Center for Wind Power Drives CWD – 1 MW system test bench – 4 MW system test bench – CWD Technology Roadmap

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FVA-Gondel – Belastungen an den Antriebskomponenten von Windenergieanlagen

FVA nacelle – Stress loads on drivetrain components of wind turbines

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WEA-Lagerzentrum.NRW

WT Bearing Center.NRW

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Kompetenzen des CWD – Fluidmechanik – Lagertechnik – Windkraftgetriebe – Generatoren und Umrichter – Rapid Control Prototyping in der Windenergie – Lastreduzierende Regelung – Triebstrang-Konzepte – Echtzeit-Simulation elektrischer Netze – Gesamtsystemmodellierung und Validierung – Instandhaltungsmanagement für maximale Verfügbarkeit

CWD fields of expertise – Fluid mechanics – Bearing technology – Wind power drives – Generators and converters – Rapid control prototyping in wind energy – Load alleviation – Drivetrain concepts – Real-time simulation of power systems – Overall system modelling and validation – Maintenance management for maximum availability

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Institutsstruktur



The institute’s structure

Titelbild/Cover: FVA-Gondel auf dem 4 MW-Prüfstand des Center for Wind Power Drives FVA nacelle on 4 MW system test bench of the Center for Wind Power Drives

Center for Wind Power Drives CWD 2017 | 1

Vorwort Preface Liebe Leserinnen und Leser, Dear Readers, vor einigen Monaten hat unsere generische Forschungsgondel, die mit Siemens und weiteren FVA-Mitgliedsfirmen entwickelt wurde, den Betrieb aufgenommen. Einen Eindruck vom Prüfstandsaufbau vermittelt das Cover dieser Broschüre. Die Gondel ermöglicht erstmals die vorwettbewerbliche Gemeinschaftsforschung der OEMs und ihrer Zulieferer. Drängende, oft komplexe Forschungsfragen zur Systemdynamik von Windenergieanlagen und zum Betriebsverhalten ihrer Komponenten werden so mit gemeinsamer Kraft und finanzieller Unterstützung des BMWi angegangen. A few months ago, our generic research nacelle was put into operation, a system that we developed together with Siemens and other FVA members. You can get an idea of the test rig from the cover of this brochure. This nacelle enables the CWD to conduct joint, pre-competitive research with OEMs and suppliers for the first time, allowing our combined forces to address pressing and often complex research questions concerning system dynamics in wind turbines. Mit dem Lagerzentrum wurde kürzlich ein Leuchtturmprojekt für die Windenergie in NRW gestartet, um gemeinsam mit namhaften Anlagen- und Lagerherstellern die aktuellen Herausforderungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Wälzlagern anzugehen. Es sollen Testverfahren entstehen, mit denen die Robustheit der Lager gegenüber den in Windenergieanlagen relevanten Schädigungsmechanismen überprüft werden kann. The Bearing Center consists of a flagship project recently launched for wind turbines in North Rhine Westphalia to address the current challenges in improving roller bearing reliability in cooperation with renowned system and bearing manufacturers.The aim is to create test procedures which can be used to test the resistance of bearings to damage mechanisms occurring in wind turbines.

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Wir freuen uns, wenn Sie diese und weitere Projekte aus unserer Broschüre interessieren und Sie mehr erfahren möchten. Überwiegend entstehen unsere Projekte in direktem Dialog zwischen Industrie und Forschung. Wir nutzen halbjährliche CWD-Workshops, um Forschungsideen zu diskutieren und Projekte zu initiieren. Wir laden Sie herzlich ein, an diesen Workshops teilzunehmen und die Technologie-Roadmap des CWD mitzugestalten. Derzeit engagieren sich zwanzig Industriepartner von Energieversorgungsunternehmen, OEMs, Komponentenherstellern und Dienstleistern als Mitglieder des CWD in diesen Workshops. Mehr Informationen hierzu finden Sie auf Seite 7. It would please us immensely if you are interested in these and other projects in our brochure and wish to learn more about them. Our projects are primarily based on direct dialogue between industry and research. We use the biannual CWD workshops to debate research ideas and initiate projects. We warmly invite you to take part in these workshops and help to shape the CWD’s Technology Roadmap. Twenty industry partners consisting of power supply companies, OEMs, component producers and service providers are currently involved in these workshops as members of the CWD. You will find more information on workshops on page 7. Die zweite große Plattform zur Präsentation und Diskussion unserer wissenschaftlichen Arbeitsergebnisse stellt die Conference for Wind Power Drives dar, welche im zweijährigen Turnus im Aachener Eurogress stattfindet. Hier stellt das CWD zusammen mit seinen industriellen Forschungspartnern und weiteren nationalen und internationalen Forschungsstellen den neuesten Stand der Forschung und Technik im Bereich der Hauptantriebe, Pitch- und Yawsysteme von Windenergieanlagen der internationalen Öffentlichkeit vor. Neben dem wissenschaftlichen Austausch unterstützt die Conference die internationale Netzwerkbildung rund um das CWD. The second major platform used to present our scientific output is the Conference for Wind Power Drives, which takes place at Eurogress Aachen every two years. At this event, the CWD presents cutting edge research and technology for drivetrains and pitch and yaw systems in wind turbines to an international public together with its industrial partners and other international research centres. Besides being an interdisciplinary platform for knowledge and technology transfer, the conference also promotes international networking and increases visibility for the Center for Wind Power Drives. Ich wünsche Ihnen auch im Namen meiner Kollegen eine interessante Lektüre und eine gute Zeit. My colleagues and I hope you enjoy reading this brochure and find it interesting.

Prof. Georg Jacobs

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Das Center for Wind Power Drives CWD/ The Center for Wind Power Drives CWD

Das Center for Wind Power Drives CWD The Center for Wind Power Drives CWD

Das CWD steuert und organisiert die interdisziplinären Forschungsaktivitäten der RWTH Aachen University auf dem Gebiet der Windenergieanlagen (WEA). Diese Forschungsaktivitäten umfassen neben den grundlegenden wissenschaftlichen Untersuchungen auch industrienahe Forschungs- und Entwicklungsprojekte. Die Wissenschaftler/innen der am CWD beteiligten Institute, die sich mit multiphysikalischen Fragestellungen rund um den Triebstrang von WEA befassen, werden zur Intensivierung der Vernetzung und zur Förderung von Innovation räumlich im CWD zusammengezogen. Die wissenschaftliche und organisatorische Verantwortung für Planung, Nutzung und Betrieb des CWD trägt der Vorstand, der sich aus den Institutsleitern der sieben Gründungsinstitute interdisziplinär zusammensetzt. Um eine enge Einbindung der Industrie zu gewährleisten, veranstaltet das CWD regelmäßige Industrieworkshops. Als Plattform zum Transfer der Ergebnisse in die Industrie und die Wissenschaft dient u. a. die Conference for Wind Power Drives in Aachen.

The CWD manages and organises interdisciplinary research activities on wind power drives at RWTH Aachen University. These activities include not only fundamental scientific research but also industry-related research and development projects. The scientists at the member institutes involved in the CWD address multi-physical issues related to drivetrains in wind turbines (WT) and are relocated to the CWD to strengthen the interconnection and assist with innovations. Consisting of the heads of the seven interdisciplinary foundation institutes, the executive board is responsibility for planning, usage and operation at the CWD on a scientific and organisational level. To ensure close collaboration with industry, the CWD organizes workshops on a regular base. Among other events, the Conference for Wind Power Drives in Aachen functions as a platform for transfer of results.

Executive Board:

Abel, Brecher, De Doncker, Hameyer, Jacobs, Monti, Schröder

Director:

Schelenz

Prof. Abel

Controls

Prof. Brecher

Gears

Prof. De Doncker

Power Electronics

Prof. Hameyer

Generators

Prof. Monti

Grids

Prof. Schröder

Aerodynamics

Prof. Stich

Logistics Prof. Jacobs



System Engineering

Industrial Partnership with OEMs, Suppliers, Utilities and Service Providers

Organisationsstruktur des CWD/ Organizational structure of the CWD

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1 MW-Systemprüfstand/1 MW system test bench

1 MW-Systemprüfstand

1 MW system test bench

Am CWD ist ein WEA-Systemprüfstand mit einer Nennleistung von 1 MW zur versuchsbasierten Systemanalyse unter realitätsnahen Bedingungen entwickelt und aufgebaut worden. Die mechanischen Eingangslasten am Rotor werden durch eine hydraulische Belastungseinheit realisiert. Diese ist in der Lage, eine WEA-Gondel der Leistungsklasse 850 kW mit bis zu 5-fachem Rotorschub, 2-fachem Rotorgewicht sowie Gier- und Nickmomenten in realer Größe dynamisch und reproduzierbar zu beaufschlagen. Eine MotorGetriebe-Einheit ermöglicht bei einer Anlagendrehzahl von bis zu 32 min-1, die WEA-Gondel mit Nennmoment zu belasten. Durch eine umrichterbasierte Netzemulation auf Mittelspannungsebene erfolgt die Rekuperation des von der Gondel produzierten Stroms. Durch die Kopplung der Umrichter an eine Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulation basierend auf einem Real-Time Grid Simulator (RTDS) wird die Aufschaltung von ein- oder mehrphasigen Netzschwankungen in Amplitude und Phase auf den Gondelgenerator realitätsgetreu ermöglicht. Dies, in Verbindung mit der HiL-Simulation des WEA-Rotorsystems, ermöglicht den Betrieb der Gondel mit dem originalen Anlagencontroller auf dem Systemprüfstand.

A wind turbine system test bench with a capacity of 1 MW has been developed and constructed at the CWD for trial-based system analysis under realistic conditions. The mechanical input loads on the rotor are applied by a hydraulic load unit that is capable of supplying an 850 kW wind power drive nacelle with up to 5 times the rotor thrust with twice the rotor weight and yaw pitch moments which are dynamic und reproducible in real size. An engine transmission unit allows the rated torque to be applied to the wind turbine nacelle at a system speed of up to 32 min-1. The electricity produced by the nacelle is recovered by a converter-based network emulation at a medium voltage. Coupling the converter to a real-time grid simulator (RTDS) applies monophase or polyphase power fluctuations in amplitude and phase to the nacelle generator. A hardware-in-the-loop (HiL) operating mode allows a nacelle to be operated using the original system controller on the test bench.

Die Gesamtsystembetrachtung unter Berücksichtigung von Windlasten, Netzlasten und inneren Einflüssen wie der Regelungs- und Steuerungsstrategie ermöglicht es, die stark gekoppelten Systemeigenschaften der WEA zu erfassen und so die experimentelle Validierung von Berechnungsmethoden durchzuführen sowie standardisierte Bauteiltestverfahren für WEA-Komponenten zu entwickeln.

The overall system approach based on wind loads, network loads and internal influences such as the controller strategy enables research to gather information on strongly interrelated wind turbine system properties. This ensures that the experimental validation of calculation methods can be performed and standardized component test procedures for wind power drive components developed.

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Das Center for Wind Power Drives CWD/ The Center for Wind Power Drives CWD

4 MW-Systemprüfstand

4 MW system test bench

2014 ist der 4 MW WEA-Systemprüfstand des CWD in Betrieb genommen worden. Der Prüfstand verfügt über einen hochdynamischen Direktantrieb mit einer Nennleistung von 4 MW und einem maximalen Drehmoment von 3,4 MNm. Eine spielfreie, hydrostatisch gelagerte Belastungseinheit ermöglicht die Abbildung von Lasten in fünf Freiheitsgraden, so dass Prüflinge hochdynamisch mit Windlasten in sechs Freiheitsgraden (Kräfte bis 4 MN und Biegemomente bis zu 7,2 MNm) belastet werden können.

The CWD 4 MW WT system test bench has been in operation since 2014. The test bench has a high-dynamic direct drive with a nominal output of 4 MW and a maximum torque of 3.4 MNm. A backlash-free, hydrostatic load unit enables loads to mapped at five degrees of freedom. The test system can thus be subjected to highly dynamic wind loads at six degrees of freedom with forces of up to 4 MN and bending moments up to 7.2 MNm.

Auf elektrischer Seite stellt der Prüfstand einen emulierten Netzanschluss auf 20 kV-Ebene für die Gondel bereit, der mit einer Umrichterleistung von 22 MVA volle FRT-Funktionalität aufweist. Die dynamischen Lasten an Rotorflansch und Netzanschluss werden mittels Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulationen aufgeprägt. Mithilfe des Systemprüfstands kann das Verhalten von WEAAntrieben vollumfänglich und reproduzierbar beurteilt werden. Wie auch am 1 MW WEA-Systemprüfstand ist es durch den weltweit einzigartigen HiL-Betriebsmodus möglich, gesamte Gondeln mit der OEM-eigenen Betriebsstrategie zu betreiben und diese auf dem Prüfstand systematisch für den späteren Feldeinsatz zu optimieren.

As far as the electrical system is concerned, the test bench provides an emulated network connection at 20 kV for the test object, which features full FRT functions. The dynamic loads on the rotor flange and the power connection can be calculated with hardwarein-the-loop (HiL) models. The test bench can fully evaluate behaviour of wind power drives in a reproducible way. All nacelles can be run on the 1 MW WT test bench with the OEM operating strategy based on the globally unique HiL mode of operation, integrating the nacelle as an active controlling element in the test bench.

4 MW-Systemprüfstand/4 MW system test bench

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CWD Technologie-Roadmap

CWD Technology Roadmap

Größe und Umfang vieler CWD-Forschungsprojekte erfordern eine besonders gründliche Vorbereitung. In diesem Sinne binden wir die Industrie frühzeitig in unsere Planungen ein und erarbeiten in Workshops interaktiv die CWD-Technologie-Roadmap. Die frühe Beteiligung der Unternehmen erleichtert den Technologietransfer und sichert die industrielle Verwertung.

The size and scope of many CWD research projects require very thorough preparation. As a result, we involve industry in our planning processes from an early stage and develop the CWD Technology Roadmap interactively in workshops. Early participation from companies simplifies technology transfer and ensures industrial use of developed systems.

Derzeit beteiligen sich zwanzig Unternehmen von Energieversorgern, OEMs, Komponentenherstellern und Dienstleistern als Mitglieder des CWD an diesen Workshops, bringen ihre Ideen ein und bekunden frühzeitig ihre Mitwirkung an Verbundprojekten. Die Verbundprojekte »FVA- Gondel« und »Lagerzentrum« sind beispielsweise genau so entstanden.

Twenty industry partners consisting of power supply companies, OEMs, component producers and service providers currently take part in these workshops as members of the CWD, contributing their ideas and showing their involvement in joint projects at an early stage.The FVA nacelle and Bearing Center projects, for example, originated precisely in this way.

Wir möchten auch Ihnen die Möglichkeit bieten, Teilnehmer an unserem Workshop zu werden. Wenn Sie mit dabei sein möchten, wenden Sie sich bitte an die folgende Mailadresse: [email protected]

We’d also like to offer you the opportunity to take part in our workshop. Please contact the following email if you would like to attend: [email protected]

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FVA-Gondel/ FVA nacelle

FVA-Gondel – Belastungen an den Antriebskomponenten von Windenergieanlagen

FVA nacelle –

Stress loads on drivetrain components in wind turbines Die systematische Optimierung der Funktion und Zuverlässigkeit des elektromechanischen Antriebsstranges von WEA erfordert den Einsatz von geeigneten Simulationsmodellen im Produktentstehungsprozess. Das Projektziel ist die Weiterentwicklung der Aussagekraft heute eingesetzter Simulationsmodelle durch die erstmalige, umfassende Validierung an einer WEA, die auf dem 4 MW WEA-Systemprüfstand flexibler betrieben und detaillierter vermessen werden kann, als dies im Feld möglich ist. Um technische Details der Anlage und relevante Forschungsergebnisse umfassend offenlegen zu können, wurde für die Versuche auf dem Systemprüfstand auf Basis einer marktgängigen WEA der Multi-MWKlasse mit aufgelöstem Triebstrang eine generische Forschungs-WEA aufgebaut. In intensiver Zusammenarbeit der Institute des CWD wurde die WEA in den Prüfstand integriert. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme bis hin zur Volllast konnte mit der Durchführung der Messungen an der Gondel begonnen werden. Das verwendete Messdatenerfassungssystem erfasst zeitgleich einen Großteil der Signale aus den über 300 im Antriebsstrang der Gondel verbauten Sensoren. Um mit den großen Mengen von Messdaten umgehen zu können, erfolgt die Auswertung weitgehend automatisiert.

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Systematic optimisation of electromechanical drivetrain function and reliability in wind power drives requires the use of appropriate simulation models during the product development process. The project aims to improve the informative value of simulation models currently used by providing first-time, comprehensive validation of a wind turbine that can be flexibly operated on the 4 MW WT system test bench and measured in more detail than is possible at present in the field. A generic research wind power drive was built on the system test bench for experiments to reveal the detailed technical characteristics in the system and provide relevant research results. This system is based on a standard multi-MW class wind turbine with a dismantled drivetrain. The WT was integrated in the test bench in close cooperation with the CWD institutes. Following successful commissioning up to full load, measurements on the nacelle could be commenced. The data acquisition system used simultaneously records a large proportion of the signals from more than 300 sensors installed in the nacelle‘s drive train. Analysis is predominantly automated, in order to handle the large quantities of data. In a comprehensive test series, planned in close cooperation with our industry partners, the mechanical and electrical properties of the WT are investigated in detail. Critical operating conditions, in which the local loads at the component level reach unfavourable values, are identified. This is achieved, on the one hand, in a hardware-in-the-loop mode, in which only wind speed and turbulence data are transferred to the test bench as input variables. From this, torque and other loads on the rotor flange are calculated from validated models and impressed on the WT by the test bench. The system‘s operating strategy is dictated by the system controller,

FVA-Gondel/FVA nacelle

Hardware-in-the-Loop-Konfiguration des 4 MW WEA-Systemprüfstands Hardware-in-the-loop configuration of the 4 MW WT system test bench

In einer umfassenden Testreihe, die in enger Kooperation mit den Industriepartnern geplant wurde, werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der WEA eingehend untersucht. Kritische Betriebszustände, bei denen die lokalen Lasten auf Bauteilebene ungünstige Werte erreichen, werden identifiziert. Dies erfolgt zum einen im Hardware-in-the-Loop-Modus, bei welchem dem Prüfstand als Eingangsgrößen lediglich Werte für Windgeschwindigkeit und Turbulenz übergeben werden. Daraus werden mit validierten Modellen Drehmoment und weitere Belastungen am Rotorflansch errechnet und durch den Prüfstand auf die WEA aufgeprägt. Die Betriebsstrategie der Anlage wird durch den in eigener Entwicklung programmierten Anlagencontroller vorgegeben, wodurch die Anlage sich wie im Feldbetrieb verhält. Zum anderen wird durch manuelle Vorgabe der Lasten am Rotorflansch der gesamte Betriebsbereich systematisch durchfahren. Auf Basis der gewonnenen Daten können die kritischen Betriebszustände besser verstanden werden. Weiterhin werden die Messdaten zur Validierung verschiedener Simulationsmodelle genutzt, die das Anlagenverhalten auf unterschiedlichsten Skalen korrekt abbilden müssen: Der Maschinenträgerverformung im Bereich von 10 mm stehen Verformungen in den Zahnkontakten im Bereich von 1/1000 mm gegenüber. Der Netzemulator des Prüfstandes ist in der Lage, die dynamischen Eigenschaften eines simulierten elektrischen Netzes zu generieren und der Anlage vorzugeben. Damit kann die Reaktion der Anlage auf unterschiedliche Netzeigenschaften und auf Netzfehler, wie sie im täglichen Feldbetrieb auftreten können, untersucht werden.

developed in house, allowing the system to simulate field operating conditions. On the other hand, the entire operating range is systematically covered by manually specifying the loads at the rotor flange. Critical operating conditions can be better understood on the basis of the data acquired. Moreover, the data are used to validate a variety of simulation models, which must correctly reflect system responses at a variety of scales. Main carrier deformations in the 10 mm range are juxtaposed with tooth contact deformations in the region of 1/1000 mm. The test bench grid emulator is capable of generating the dynamic properties of a simulated electrical grid and transmitting them to the system. This allows researchers to examine the turbine’s response to different grid properties and to grid failures such as those which may arise during daily operation. With the aid of parameter variations and sensitivity analyses, validated simulation models are used to show the options for reducing locally active component loads by making structural adjustments and modifying the turbine controls. This should reduce the influence of critical operating statuses on the drivetrain’s operational life.

Auf Basis der validierten Simulationsmodelle werden mithilfe von Parametervariationen und Sensitivitätsanalysen Möglichkeiten aufgezeigt, die lokal wirkenden Bauteillasten durch konstruktive Anpassungen sowie durch Modifikation der Anlagensteuerung gezielt zu reduzieren. Auf diese Weise soll der Einfluss kritischer Betriebszustände auf die Gebrauchsdauer des Antriebsstranges reduziert werden.

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WEA-Lagerzentrum.NRW / WT Bearing Center.NRW

WEA-Lagerzentrum.NRW Leuchtturmprojekt für die Windenergietechnik in NRW gestartet

WT Bearing Center.NRW Flagship project launched for wind turbines in North Rhine Westphalia Die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen wird durch frühzeitig auftretende Wälzlagerschäden seit Jahren belastet. Ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Zuverlässigkeit von Wälzlagern speziell für die Anwendung in WEA kann jetzt im neu aufgestellten WEALagerzentrum.NRW geleistet werden. Mit einem Projektvolumen von 7 Mio. € startete im November 2016 das von der LeitmarktAgentur.NRW im Rahmen des Leitmarktwettbewerbes EnergieUmwelt.NRW bewilligte Verbundprojekt »Reduzierung von Lagerschäden im Antriebsstrang von Windenergieanlagen«. Gemeinsam mit dem »Who’s Who« der Windenergieanlagenbranche und wichtigen Zulieferern forschen die Wissenschaftler des CWD im Rahmen dieses Projektes an der Qualifizierung von Lagern für Windenergieanlagen. Laboratory test rigs

Component test rigs (WT Bearing size)

System test rig

Synthetic load cases for failure reproduction under laboratory conditions

Failure reproduction under real critical load cases

Real critical load cases

0,2 m

1m

3m

Transfer of synthetic load cases

Transfer of realistic load cases

Until now insufficient

WT Bearing Center.NRW

Unzureichender Transfer von Laboruntersuchungen zu Lagertests in realer Baugröße und neuer Weg vom WEA-Systemtest zum WEA-Lagertest Inadequate transfer from laboratory tests to life-size bearing tests and new approach from

Roller bearing damage emerging prematurely has been making a negative impact on the profitability of wind turbines for years. The newly established WT Bearing Center. NRW is now set to help improve reliability in roller bearings for their use in wind turbines. Authorised by the regional development agency LeitmarktAgentur.NRW as part of the EnergieUmwelt.NRW leading market competition, the joint »Reduction in bearing damage in wind turbine drivetrains« project commenced in November 2016 with a project investment of €7 million. As part of this project, CWD scientists are working together with leading figures and key suppliers in the wind turbine sector to perform research into qualification of bearings for wind turbines. Efforts to design roller bearings which offer adequate operational reliability have not been fruitful to date, because the critical operating conditions which cause premature damage to bearings have not yet been identified. However, success might be achieved by the current approach widely used in research and development to identify critical operating statuses by reproducing damage in laboratory scale on test benches. However, the problem very often consists of transposing the identified operating statuses onto life-size components.

wind turbine system test to wind turbine bearing test

This project thus aims to transfer the real, top-down identified critical operating statuses on the wind turbine system test bench to component test benches with test bearings in original wind turbine size to reproduce WEC damage on original size wind turbine bearings. Two worldwide unique test benches are to be set up for this purpose and study life-size bearings under realistic operating conditions. This

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WEA-Lagerzentrum.NRW /WT Bearing Center.NRW

Die betriebssichere Auslegung von Wälzlagern für WEA gelingt bisher nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit, weil die zu frühzeitigen Lagerschäden führenden, kritischen Betriebsbedingungen nicht bekannt sind. Der heute in der Forschung und Entwicklung verbreitete Ansatz, auf Prüfständen im Labormaßstab kritische Betriebszustände zur Schadensreproduktion zu ermitteln, kann zum Erfolg führen. Sehr häufig besteht allerdings das Problem, die ermittelten Betriebszustände auf real große Bauteile zu transferieren. Im Rahmen dieses Projektes sollen daher die am WEA-Systemprüfstand top down ermittelten, realen, kritischen Betriebszustände auf Komponentenprüfstände mit Prüflagern in WEA-Originalgröße übertragen werden, um WEC-Schäden an originalgroßen WEALagern zu reproduzieren. Zu diesem Zweck sollen zwei weltweit einzigartige Prüfstände zur Untersuchung realgroßer Lager unter realistischen Betriebszuständen aufgebaut werden. Damit wird es möglich, Planeten- und HSS-Wälzlager mit einem Innendurchmesser von bis zu 240 mm unter multiaxialer Belastung von bis zu 2 MN dynamisch zu untersuchen. Es werden speziell auf die WEAWälzlager angepasste, versuchszeitraffende Testprozeduren (HALT) entwickelt sowie neuartige Testprozeduren zur Freigabe von Lagern entwickelt und deren Wirksamkeit nachgewiesen. Die Investitions- und Betriebskosten für die aufzubauenden Prüfstände sind um ein vielfaches geringer als die eines WEA-Systemprüfstandes. Dies erlaubt im Projekt längere Versuchszeiten und mit dem Ausblick auf den Einsatz mehrerer Prüfstände im WEALagerzentrum.NRW eine statistische Absicherung bei der Freigabe neuer Lagertypen. Im Projektkonsortium arbeiten in NRW ansässige Weltmarktführer für mechanische Komponenten von Windenergieanlagen, wie die Siemens AG, PD MD WIND, Voerde, die thyssenkrupp Rothe Erde GmbH, Dortmund aber auch wichtige Zulieferer für Getriebelager, wie die Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Schweinfurt mit. Assoziierte Partner ohne eigene Förderung aber mit konkreten Aufgaben im Arbeitsplan sind die Windanlagenhersteller Vestas Nacelles Deutschland GmbH, die GE Wind Energy GmbH und die Nordex Energy GmbH. Weitere Partner aus der Zulieferindustrie für Windenergieanlagen sind die Eickhoff Antriebstechnik GmbH, die ZF AG, SKF GmbH und die Timken Company. Die Projektleitung übernimmt der Chair for Wind Power Drives (CWD).

will allow the team to study planetary and HSS roller bearings with an inside diameter of up to 240 mm while in motion under a multiaxial load of up to 2 MN. Test procedures specifically adapted to wind turbine roller bearings (HALT) covering the whole test period are being developed and innovative test procedures to approve bearings and prove their effectiveness created. The investment and operating costs for the test benches being set up are far lower than those for a wind turbine system test bench. This allows the project to contain longer test periods and ensure statistical reliability when approving new bearing types by using a number of test benches at the WT Bearing Center.NRW. The project consortium includes world market leaders for wind turbine mechanical components based in North Rhine Westphalia, such as Siemens AG, PD MD WIND, Voerde and Dortmund-based thyssenkrupp Rothe Erde GmbH, as well as key suppliers for gear bearings, such as Schweinfurt-based Schaeffler Technologies AG & Co. KG. Wind turbine manufacturers Vestas Nacelles Deutschland GmbH, GE Wind Energy GmbH and Nordex Energy GmbH are associated partners without own funding but fulfil specific tasks in the work schedule. Other partners in the wind turbine supplier industry are Eickhoff Antriebstechnik GmbH, ZF AG, SKF GmbH and Timken Company. The Chair for Wind Power Drives (CWD) is responsible for project management.

Projektleitung/Coordinator

Geförderte Unternehmen/ Funded Companies

Assoziierte Unternehmen/ Associated Companies

Förderung/Funding

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Kompetenzen des CWD/ CWD fields of expertise

Kompetenzen des CWD CWD fields of expertise Fluidmechanik Fluid mechanics Das Fachgebiet der Fluidmechanik wird im CWD durch das Aerodynamische Institut der RWTH Aachen University vertreten. Es werden analytische, modellbasierte und experimentelle Analyseformen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fragestellungen eingesetzt und weiterentwickelt. Beispielhaft sollen im Folgenden zwei hieraus erwachsende Kompetenzfelder dargestellt werden.

The field of fluid mechanics is represented by the RWTH Aachen University Institute of Aerodynamics at the CWD. Analytic, modelbased, and experimental analysis techniques are used and further developed for a variety of problems. Two closely related fields of expertise are presented below as examples.

Experimentelle Untersuchung zwei- und dreidimensionaler Strömungsfelder Experimental analysis of 2D and 3D flow fields Die experimentelle Bestimmung der Strömungsverhältnisse von Windfeldern, Windparks und Windenergieanlagen sowie der strömungsmechanischen Eigenschaften von Komponenten stellt eine Form der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung von Windenergieanlagen dar. Auf diese Weise können Komponenten erprobt, die strömungsmechanischen Eigenschaften verbessert, die aerodynamischen Eigenschaften optimiert und numerische Modelle validiert werden. The experiment-based identification of flow conditions in wind fields, wind farms and wind turbines and the flow characteristics of specific components constitute the application-oriented research used in the development of wind turbines. This allows components to be tested, their flow characteristics improved, aerodynamic behaviour optimised and numerical models validated. Bestimmung der wandnahen Geschwindigkeit an einem Tragflügel (Quelle: AIA) Near-wall flow field measurement over an airfoil surface (Source: AIA)

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Kompetenzen des CWD/CWD fields of expertise

Numerische Strömungssimulation und Strömungsakustik Computational fluid dynamics and computational aeroacoustics Numerische Strömungssimulationen haben einen mannigfaltigen Einzug in die Entwicklung von Windenergieanlagen erfahren. Neben der Blattelementmethode, die häufig in der ersten Entwurfsphase einer Windenergieanlage genutzt wird, erfordert die detaillierte Analyse der oftmals sehr komplexen Anströmbedingungen den Einsatz von exakteren Finite-Volumen-Verfahren in Verbindung mit Standardturbulenzmodellen. Integrierte Simulationsumgebungen ermöglichen darüber hinaus die Modellierung, Betriebssimulation und spektrale Belastungsanalysen vollständiger Windenergieanlagen und Windparks. Der Stellenwert der Akustik von Windenergieanlagen ist gleichsam mit der Dichte der Anlageninstallationen sowie dem Rotordurchmesser gewachsen. Die Reduktion der strömungsinduzierten Geräuschentwicklung erfordert eine systematische Analyse der Schallquellen. Während experimentelle Untersuchungen die Frage nach allgemeiner Schallabstrahlung beantworten können, ist für die systematische Analyse der Schallreduktion eine hochaufgelöste numerische Strömungssimulation mit anschließender Bestimmung der aeroakustischen Mechanismen notwendig.

Grobstruktursimulation des Strömungsfeldes über einem Rotorblatt (Quelle: AIA) Large eddy simulation of flow over a rotor blade (Source: AIA)

Numerical simulations are used intensively in the development of wind turbines. During the initial design process, the blade element method is typically applied in combination with different semiempirical models. However, more precise finite-volume methods are used in conjunction with standard models to simulate real flow characteristics. Integrated simulation environments provide modelling and simulation of operational scenarios and spectral load analyses of complete wind turbines and wind farms. The role of acoustics in the field of wind turbines has increased as the density of installed wind turbines and their rotor diameters has risen. The reduction of flow-induced noise requires a systematic analysis of the acoustic sources. While experimental flow investigations can answer questions concerning overall noise emission, a systematic analysis requires high-resolution numerical flow simulations to subsequently determine aero-acoustic mechanisms.

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Kompetenzen des CWD / CWD fields of expertise

Lagertechnik Bearing technology Main and gear box bearings in wind energy turbines are exposed to stress loads, such as mixed friction and slippage, which designers usually try to avoid by using rolling bearings. These stress loads cause damage mechanisms which current design methods are unable to incorporate. Such mechanisms include, above all, white etching cracks (WEC), which can lead to a drastic reduction in service life. Vibrations and rehardening due to slippage and micro-pitting can also cause premature rolling bearing failure. Along with other effects, these damage mechanisms mean that sliding bearings are being increasingly used in wind energy turbines.

Wälzlagerprüfstand Rolling bearing test rig

Windenergieanlagen setzen ihre Haupt- und Getriebelager Beanspruchungen wie Mischreibung und Schlupf aus, die man bei Wälzlagern üblicherweise versucht zu vermeiden. Es kommt dadurch zu Schadensmechanismen, die bisher in Auslagungsrichtlinien nicht berücksichtigt werden können. Hierzu zählen insbesondere White Etching Cracks (WEC), die zu einer drastischen Minderung der Lebensdauer führen können. Auch durch Vibrationen und schlupfbedingte Neuhärtungen sowie Graufleckigkeit kann es zu frühzeitigen Wälzlagerausfällen kommen. Auch diese Mechanismen führen zur vermehrten Nutzung von Gleitlagern in Windenergieanlagen. In aktuellen Projekten werden daher die Einsatzgrenzen von Gleitlagern, insbesondere für den Bereich der Mischreibung erforscht. Hierbei wurden erweiterte Auslegungsmethoden geschaffen, die die Bewertung der Betriebssicherheit von Gleilagern unter geringen Drehzahlen ermöglichen. Zudem können durch geeignete Materialkombinationen und Einlaufprozesse die minimal zulässigen Drehzahlen nach derzeitigen Auslegungsrichtlinien um bis zu 90 % gesenkt werden. So konnte die Einsatzmöglichkeit für hydrodynamische Gleitlager in Getrieben von Windenergieanlagen nachgewiesen werden. Weiterhin werden Prüfprozeduren für komplexe Schadensmechanismen wie WEC in Wälzlagern unter möglichst anwendungsnahen Bedingungen abgeleitet, die zukünftig eine Bewertung von Ausfallrisiko und Abhilfemaßnahmen ermöglichen. 14 | Center for Wind Power Drives CWD 2017

Current projects are researching the operational limits of sliding bearings, especially when subject to mixed friction. Here, advanced design methods have been derived which reliably determine operational safety for sliding bearings at slow turning speeds. Experimental testing has showed that using optimised material pairing and run-in procedures leads to a reduction in the required minimal speed according to current guidelines by up to 90%. This confirms that sliding bearings can be used in wind energy turbine gear boxes. Testing procedures under life-like conditions for complex failure mechanisms, such as WEC in rolling bearings, are being developed, which will allow the risk of failure and remedial measures to be identified at a future point in time.

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® SKF ist eine eingetragene Marke der SKF Gruppe | © SKF Gruppe 2016 | September 2016

Bestimmte Aufnahmen mit freundlicher Genehmigung von Shutterstock.com

Center for Wind Power Drives CWD 2017 | 15

Kompetenzen des CWD / CWD fields of expertise

Windkraftgetriebe Wind power drives Von entscheidender Bedeutung für den Betrieb einer Windkraftanlage ist das Getriebe. Hierzu werden am CWD in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen verschiedene Forschungsthemen betrachtet.

The gearbox is a central component in the operation of wind turbines. Consequently, there are different research projects focusing on the gearbox within the CWD in collaboration with the Laboratory for Machine Tools and Production Engineering (WZL) at RWTH Aachen.

Produktive Fertigungstechnologien für Großverzahnungen Productive manufacturing technologies for large module gears

Prozessauslegung und -analyse zur Herstellung von großmoduligen Verzahnungen Process design and analysis for manufacturing large module gears

Mit dem steigenden Bedarf an erneuerbaren Energien kommt es zu wachsenden Stückzahlen von Getrieben im Windkraftbereich. Dies führt zu einem Wandel hin zu einer Serienfertigung von Großverzahnungen und steigenden Anforderungen an die Großgetriebefertigung hinsichtlich der Produktivität. Um eine wissensbasierte Verfahrensauswahl und Prozessauslegung zu ermöglichen, sind wissenschaftliche Untersuchungen zu den verschiedenen eingesetzten Werkzeugkonzepten zur Herstellung von Großverzahnungen notwendig. So soll eine Ausnutzung der Potenziale der verwendeten Fräs- und Schleifprozesse ermöglicht werden. Beispielsweise konnten in zwei Forschungsprojekten diese Potenziale zur Steigerungen der Produktivität für das Fräsen von Großverzahnungen mit Schnellarbeitsstahl und Hartmetall aufgezeigt werden. Ein besonderes Augenmerk bei der Prozess- und Werkzeugauslegung muss hierbei auf dem Spanfluss liegen. Dazu werden neben der Durchführung von experimentellen Arbeiten ebenfalls simulative Analysen des Fertigungsprozesses durchgeführt. Zum Beispiel wurde die Verzahnungsfrässimulation SPARTApro zur Abbildung von Wendeschneidplattenwälz- und -profilfräsern erweitert. 16 | Center for Wind Power Drives CWD 2017

The rising demand for renewable energy has led to an increase in the number of gearboxes in the wind turbine sector. As a result, large module gear production is now being transformed into series manufacture with the demand for production processes rising as a result. Scientific research examining different tool concepts for manufacturing large module gears is needed to allow processes to be selected and designed based on knowledge. The aim is to make better use of potential for gear hobbing and grinding processes. For example, two research projects managed to identify potential for higher productivity in gear machining with high-speed steel and carbide tools. Chip flow is of special interest in the design of these processes and the tools used. Simulative analysis of manufacturing parts is also being carried out in addition to experimental studies. For example, the SPARTApro teeth milling simulation process was enhanced to include cutting insert hobbing and profile milling tools.

Kompetenzen des CWD/CWD fields of expertise

Analyse der Zahnflankenbruchtragfähigkeit Tooth flank breakage resistance analysis Die Sicherstellung der Zahnflankentragfähigkeit von Verzahnungen in Windenergieanlagen ist ein wesentliches Kriterium in der Auslegung von Windkraftgetrieben. Daher ist es wichtig, den Einfluss der aus der Wärmebehandlung resultierenden Werkstoffeigenschaften sowie die Zahnflankenbeanspruchungen zu beurteilen. Aufbauend auf einem FVA-AVIF-Forschungsvorhaben sowie einem Vorhaben im WZL-Getriebekreis wird der Einfluss unterschiedlicher verbleibender Resthärtetiefenprofile nach der Hartfeinbearbeitung auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit großmoduliger Stirnräder untersucht, um Empfehlungen für maximal zulässige Maß- und Formabweichungen aussprechen zu können. Dazu werden in Tragfähigkeitsversuchen Zahnräder mit unterschiedlichen Härtetiefenverläufen bzw. Wärmebehandlungsmethoden und Abschliffbeträgen in Bezug auf die resultierende Zahnflankentragfähigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde eine werkstofffehlstellenbasierte Berechnungsmethodik zur simulativen Analyse des Flankenbruchs entwickelt.

To guarantee tooth flank breakage resistance in gears in wind turbine gearboxes, there is a need to evaluate material properties after heat treatment and local stress loads in the tooth flank. An FVA-AVIF research project and a project in the WZL Gear Research Circle are both examining the influence of different hardness properties produced after the grinding process on the occurrence of tooth root breakages in large module gears. These research projects focus on different remaining hardening depths to make recommendations on maximum dimensional and shape deviations. Trials were thus carried out to determine the load carrying capacity of gears with varying remaining hardness properties in relation to the occurrence of flank breakages. A material inclusion-based calculation method was developed for the simulative analysis of tooth root breakages that is based on FEA and which precisely evaluates the level of stress due to load and residual stresses at each point in the tooth flank volume.

Auslegung und dynamische Analyse von Stirnrad- und Planetengetriebestufen Design and dynamic analysis of cylindrical and planetary gear stages In Getrieben von Windkraftanlagen werden zumeist ein- oder zweistufige Planetengetriebe eingesetzt. Ergänzt werden die Planetengetriebe je nach Konzept in der Regel um ein oder zwei Stirnradstufen. Die Auslegung und Optimierung insbesondere von Planetengetrieben stellt eine wesentliche Herausforderung dar. Aufgrund der Bauweise liegen mehrfache Räderketten vor. Die Planetenräder unterliegen stets dem Mehrfacheingriff mit dem Sonnen- und Hohlrad, wodurch starke Wechselwirkungen zwischen den Zahneingriffsebenen auftreten. Steifigkeits-, fertigungs- und montagebedingte Abweichungen führen zusätzlich zu einer ungleichmäßigen Lastaufteilung an den Planetenrädern. Daher wurden höherwertige Berechnungsansätze in Form von FE-basierten Zahnkontaktanalysen (z.B. FVAProgramm FE-Stirnradkette) entwickelt. Neben der Bewertung der Verzahnungsmakrogeometrie (z.B. Asymmetrische Verzahnungen) ist es mit diesem Ansatz anhand automatisierter Variantenrechnungen möglich, ein robustes Design für die Zahnflankenmodifikationen aller Eingriffe in einem vorgegebenen Fertigungs- und Montagetoleranzfeld zu ermitteln. Die Methode wurde beispielsweise im Rahmen des FVA-BMBF-Projekts FVA-Gondel am CWD angewendet. Durch Kopplung der lokalen Steifigkeiten der FE-Zahnkontaktanalyse mit einer Mehrkörpersimulation anhand eines am WZL entwickelten Kraftkoppelelements wird das dynamische Anregungsverhalten der Getriebestufen in Windenergieanlagen analysiert. Diese Methode wird ebenfalls im Projekt FVA-Gondel am CWD eingesetzt.

One or two-staged planetary gears are those most commonly used in wind turbine gearboxes. Depending on the gearbox architecture, planetary stages are usually followed by one or two cylindrical gear stages. The design and optimisation of planetary gear stages are especially challenging. In planetary gear stages, multiple contacts apply their force simultaneously. Planetary wheels are subject to multiple contact with sun and ring gears. This can produce intense interaction between the meshing levels. Deviations due to stiffness or manufacturing and assembly processes cause uneven load distribution in planetary gears. High-order calculation methods such as FE-based tooth contact analysis (e.g. FVA FE spur gear program) have been developed to address such issues. Besides evaluating macro geometries (e.g. asymmetric gears), the program can also be used to design tooth flank modifications while taking into account manufacturing and assembly tolerances by automated variant calculations. The method was used to design gears for the wind turbine gearbox in the FVA-BMBF FVA nacelle project at the CWD. The dynamic excitation behaviour of gear stages in wind turbine gearboxes is evaluated by interlinking local stiffness based on FE-tooth contact analysis with a multibody simulation based on a force coupling element that has been developed at the WZL. The method will also be applied in the FVA nacelle project at the CWD.  

Center for Wind Power Drives CWD 2017 | 17

Kompetenzen des CWD / CWD fields of expertise

Generatoren und Umrichter Generators and converters

Besides testing complete wind turbine nacelles, another important step prior to system integration comprises the evaluation of electrical components. A high-speed test bench belonging the Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) is available at the E.ON Energy Research Center (E.ON ERC) for this purpose.

Prüfstand für elektrische Triebstrangkomponenten am PGS E.ON ERC Test bench for electrical drivetrain components at PGS E.ON ERC

Neben der Prüfung von kompletten Gondeln sind Prüfungen von elektrischen Komponenten von entscheidender Bedeutung im Entwicklungsprozess von Windenergieanlagen. Dazu steht der Prüfstand des Instituts for Power Generation and Storage Systems (PGS) am E.ON ERC zur Verfügung. Er erlaubt die Prüfung von Umrichtern und Generatoren für Windenergieanlagen. Auch die separate Prüfung von Teilumrichtern, welche Anwendung mit doppelt-gespeisten Maschinen finden, ist möglich. Auf dem Prüfstand können Komponenten mit einer maximalen Leistung von 5 MW getestet werden. Je nach Übersetzungsverhältnis des variablen Prüfstandsgetriebes können Generatoren bis Drehzahlen von 15.000 rpm bzw. bis Drehmomente von 31,8 kNm getestet werden. Ohne die Verwendung weiterer prüfstandseitiger Komponenten kann ein umrichterbasiertes Netz mit einer Spannung von 3.3 kV zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus kann der EchtzeitNetzsimulator vom Institut for Automation of Complex Power Systems (ACS) des E.ON ERC eingebunden werden. Mit diesem Simulator können Rückwirkungen und Wechselwirkungen mit weiteren leistungselektronischen Systemen im Netz abgebildet werden.

18 | Center for Wind Power Drives CWD 2017

This test bench provides testing for power converters and generators for wind turbines. Partial converters, which are used dual-fed machines, can be tested separately. The test bench can also assess components with a maximum power rating of 5 MW. Depending on the variable transmission ratio of the test-bench gear box, generators can be tested with a maximum speed of 15,000 rpm and maximum torque of 31.8 kNm respectively. A converter-based 3.3 kV grid can be provided without any additional components. The real-time power grid simulator at the Institute of Automation of Complex Power Systems (ACS) at the E.ON ERC can also be integrated into tests. This simulator can be used to produce feedback and interaction with other power electronics-based systems.

Kompetenzen des CWD/CWD fields of expertise

Rapid Control Prototyping in der Windenergie Rapid control prototyping in wind energy Die Steuerung und Regelung einer Windenergieanlage beeinflussen maßgeblich die auftretenden mechanischen Belastungen und damit die Dimensionierung der einzelnen Komponenten. Essentiell für moderne, kosteneffiziente Anlagenkonzepte ist es daher, die Anlagenauslegung und deren Regelung abhängig voneinander zu entwickeln. Die Methoden des Rapid Control Prototypings, z. B. Software-in-the-Loop- und Hardware-in-the-Loop-Tests, ermöglichen eine solche gemeinsame Betrachtung zu einem frühestmöglichen Zeitpunkt innerhalb des Entwicklungsprozesses.

A wind turbine’s control system has a major impact on occurrent mechanical loads and, consequently, affects the dimensioning of many components. In modern and cost-efficient wind turbines, it is thus essential to design the overall system comprising all mechanical and electrical components and the control system as an interdependent whole. The Rapid Control Prototyping approach, which is based on methods such as software-in-the-loop and hardwarein-the-loop simulations, ensures such combined development at the earliest possible stage in the design process.

Das Center for Wind Power Drives verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung und Implementierung von Hardware-in-the-Loop-Testständen, sowohl auf Signalebene für einzelne Steuergeräte als auch auf physikalischer Ebene für mechatronische und leistungselektronische Systeme, wie beispielsweise Multimegawatt-Gondelprüfstände. Mit dem Ziel, diese Systeme optimal in existierende Entwicklungsprozesse zu integrieren, werden am Center for Wind Power Drives Toolketten zur Kopplung der verschiedenen Entwicklungsumgebungen konzeptioniert und entwickelt.

The Center for Wind Power Drives has gained comprehensive experience in the research, development and implementation of hardware-in-the-loop test systems. This includes signal-level hardware-in-the-loop tests for single control units and physicallevel tests for mechatronic or power electronic systems, such as the multi-megawatt wind turbine system test bench. The Center for Wind Power Drives is investigating concepts and implementing tool chains that link the different development domains with the aim of integrating such systems in existing design processes.

AixControl GmbH | Aachen | +49 241 510083-0 | www.aixcontrol.de

Staⅽk Testbenⅽhes

Appⅼiⅽation Testing Type Ⅽharaⅽterization Enⅾ−of−Ⅼine Tester

Griⅾ Siⅿuⅼator

Up to 10 ⅯW / 3.3 kV HVRT / ⅬVRT Ⅽontroⅼⅼeⅾ Harⅿoniⅽs Asyⅿⅿetriⅽ Fauⅼts

Power Staⅽks

ⅬV / ⅯV Range Ⅽustoⅿ Ⅾesign In−House Proⅾuⅽtion

Geseⅼⅼsⅽhaft für ⅼeistungseⅼektronisⅽhe Systeⅿⅼösungen

Center for Wind Power Drives CWD 2017 | 19

Control Design | Software | Industrial Controller | Real-Time Simulator | Power Electronic Systems

Kompetenzen des CWD / CWD fields of expertise

Lastreduzierende Regelung Load alleviation Wind Speed

20

Global Test Bench Control

Pitch Angle

25

Classic MPC

20

[°]

5

5

-5

0

Nacelle Orig. Turbine Controller

Drivetrain

Generator/ Converter

Grid Converter

2

Power Level

1

[m/s 2 ]

Mechanical Level

10

10

Sensor/Actuator Interface Load Application System

15

[m/s]

15

Grid Simulation

Schematische Darstellung der Einbettung einer Windenergieanlage in das Hardware-in-theLoop-Systems des Systemprüfstandes Schematic diagram showing how a wind turbine is integrated into the hardware-in-the-loop system on the system test bench

0

20

40

60

Tower Top Acceleration

0 -1 -2

0

20

40

Time [s]

0

60

20

40

60

Tower Bottom Bending

1

[normalized]

Inertia-Eigenfreq. Emulation

Sensor-ActuatorSimulation

Signal Level

Aerodynamic Simulation

0.5 0 -0.5 -1

0

20

40

60

Time [s]

Vergleich der auftretenden mechanischen Lasten an einer Windenergie

Unter dem Begriff der lastreduzierenden Regelung für Windenergieanlagen verbirgt sich eine Vielzahl möglicher Regelungsziele, wie beispielsweise die Reduktion von Turmschwingungen mithilfe der kollektiven Pitchverstellung, die Kompensation unsymmetrischer Anströmung durch individuelle Pitchverstellung oder die aktive Triebstrangdämpfung mithilfe des Generatormoments. Zur Erreichung dieser Ziele können verschiedene Regelungsstrukturen genutzt werden. Das Center for Wind Power Drives forscht intensiv an modellbasierten Regelungsstrategien in Windenergieanlagen mit dem Ziel, die mechanischen Lasten zu minimieren. Dabei werden beispielsweise Plug-and-Play-Erweiterungen bestehender Regelungsstrukturen auf Basis modellbasierter Vorsteuerungen beforscht sowie modellbasierte Mehrgrößenregelungen. Letztere bieten verglichen mit konventionellen, einschleifigen Regelkreisen den Vorteil, die Vielzahl denkbarer Regelungsziele zu vereinen und gleichzeitig die Einstellmöglichkeiten zu entzerren, so dass die Regelung »intuitiv« eingestellt werden kann. Die Validierung solcher Verfahren anhand komplexer Mehrkörpersimulationen und von Design-Lastfällen der IEC-61400 sind dabei genauso Bestandteil dieser Arbeiten wie die Umsetzung auf handelsüblichen speicherprogrammierbaren Steuerungen.

20 | Center for Wind Power Drives CWD 2017

während einer 50-jahres Böe, wenn ein konventioneller (Classic) oder ein Modellbasierter Prädiktiver Regler (MPC) eingesetzt wird Comparison of resultant mechanical loads on a wind turbine when operated with a conventional or a model predictive controller

Load alleviation control for wind turbines refers to several control objectives, such as reducing tower oscillations by adjusting the collective pitch, compensating asymmetrical incident wind flow using individual pitch control or damping drivetrain oscillations by controlling the generator torque. Various control approaches can be used to achieve these objectives. The Center for Wind Power Drives performs active research in the field of model-based predictive control for wind turbines with the aim of minimising the mechanical loads on the turbine components. In this context, the CWD is researching model-based feedforward and multivariable feedback control to develop plug-and-play solutions for existing control approaches. Compared to single-input single-output systems, multivariable feedback control allows several control objectives to be united within one single framework, so that control behaviour can be adjusted more intuitively and comprehensively. Research thus covers validation of control approaches using multibody simulations, IEC 61400 design cases and implementation in state-of-the-art programmable logic controller hardware.

Kompetenzen des CWD/CWD fields of expertise

Triebstrang-Konzepte Technische und wirtschaftliche Betrachtung

Drivetrain concepts

Technical and commercial considerations

Entwicklung eines Multi-Generatorkonzeptes Development of a new multi-generator concept Durch Einsatz eines Mehrfachgenerator-Konzepts ist eine Ertragsoptimierung der WEA durch Zu- und Abschalten einzelner Generatoren im Teillastbereich möglich. Gleichzeitig bietet das Konzept im Fehlerfall erhöhte Betriebszeiten durch Redundanz. Eine Reduktion der Produktionskosten ergibt sich aufgrund von Modularität und Verwendung von Gleichteilen in der Konstruktion. When using a multi-generator concept, energy production is improved in the partial load range by switching generators on and off separately. This concept also provides redundancy for system failures to achieve longer operation times. Production costs are reduced thanks to modularity and use of the same parts in the design.

Permanentmagnetsysteme Permanent magnet systems

Statorwicklung stator winding Welle shaft

Magnetische  Feldverteilung Magnetic field  distribution

Mehrfachgenerator  Triebstrang Multi‐generator  drive train

Entwicklung eines Generators für Hochdrehzahl-Mehrfachgenerator-Triebstränge Development of generators for high-speed multi-generator drivetrains

Mechanische Leistungsverzweigung Mechanical power split Über eine mechanische Leistungsverzweigung wird ein direkt an das Versorgungsnetz geschalteter Synchrongenerator in den Triebstrang integriert. Über einen Servomotor (