Elektrischer Differenzialantrieb für eine 3.0 MW Windkraftanlage SET GmbH A-9020 Klagenfurt

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1 3.0 MW DSgen-set Elektrischer Differenzialantrieb für eine 3.0 MW Windkraftanlage SET GmbH A-9020 Klagenfurt

2 SET Hintergrund 1986 Start Entwicklung 600 kw WKAs mit variable speed & pitch control 1995 Gründung WINDTEC Start Entwicklung 600kW bis 5.0MW WKAs mit DFIG, (hybrid-type) PMG-FSC hydrostatic VR gear / supergear Floda 600kW, Israel Start weltweite Technologie-Transfer-Aktivitäten 2005 Start Engineering- und Liefer-Aktivitäten in Asien Multibrid 5MW, Germany 2004

3 SET Geschichte 2008 Gründung SET Sustainable Energy Technologies GmbH 2009 Start Entwicklung eines hochdynamischen, elektromechanischen Differenzialsystems (DSgen-set ) 2011 Test und Qualifizierung eines 3.0 MW DSgen-set Prototyps

4 Aufgabenstellung Stand der Technik: Doppelt-gespeisten Drehstrommaschinen bzw. permanentmagneterregte Synchrongeneratoren in Kombination mit Niederspannungs-Frequenzumrichter Nachteile: Das elektrische Verhalten der Windkraftanlagen im Fall einer Netzstörung erfüllt nur bedingt die Anforderungen der Elektrizitätsversorgungsunternehmen. Die Windkraftanlagen sind nur mittels Transformatorstation an das Mittelspannungsnetz anschließbar und die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter sind sehr leistungsstark und daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste und Ausfälle.

5 Aufgabenstellung Lösungsansatz: Einsatz von fremderregten Mittelspannungs- Synchrongeneratoren Forderung: Erhalt variabler Rotor-Drehzahl bzw. Drehmomentregelung im Triebstrang der WKA. Lösungsansatz: Einsatz von Differentialgetrieben welche durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Generatordrehzahl, eine variable Drehzahl des Rotors der WKA erlauben. Nachteile bekannter, am Markt verfügbaren Systeme: Bekannte Ausführungen von Differenzialsystemen sind einerseits hohe Verluste im Differential- Antrieb bzw. andererseits bei Konzepten die dieses Problem lösen, komplexe Mechanik und damit hohe Kosten verbunden.

6 Aufgabenstellung Aufgabenstellung: Entwicklung eines hochdynamischen, elektromechanischen Differenzialsystems (in Folge DSgen-set ) zur Realisierung der für z.b. Windkraftanlagen notwendigen variablen Rotordrehzahl.

7 Aufgabenstellung Aufgabenstellung: Entwicklung eines hochdynamischen, elektromechanischen Differenzialsystems (in Folge DSgen-set ) zur Realisierung der für z.b. Windkraftanlagen notwendigen variablen Rotordrehzahl.

8 Schwerpunkt des Projekts Entwicklung, Fertigung und Tests eines hochdynamischen, elektro-mechanischen Differenzialsystems für Energiegewinnungsanlagen. Wesentliche Arbeit lag in: Entwicklung des Differenzialgetriebes inkl. Antrieb, Systemsteuerung, detaillierten Vermessung und Untersuchung am Prüfstand

9 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Programmierung dynamisches Triebstrang-Modell Systemauslegung Differenzialgetriebe und -Antrieb Spezifikation Mittelspannungs-Synchrongenerator Programmierung Regelungs-Software Engineering für Prüfstände und Feldtests

10 Arbeitspakete: Bau Forschungsanlage Prüfstandsläufe Auswertung der Tests und Re-design

11 Engineering Teilbereiche: Systemauslegung Differenzialgetriebe Vordimensionierung von Verzahnungen und Lagerungen Festlegung Schmierungskonzept Festlegung Sicherheitskonzept Grob-Spezifikation Servoantrieb Technischen Parameter 3.0 MW-Prototyp: WKA-Rotordrehzahl... Nennleistung Synchrongenerator... Nennspannung Synchrongenerator.. Nennleistung Differenzial-Antrieb Nennspannung Differenzial-Antrieb.. 10,8 rpm -15,7 rpm 2,750 kw 10 kv 390 kw (250 kw im Nennpunkt) 690 V

12 Engineering Teilbereiche: Erstellung eines dynamischen Triebstrangmodells Dynamisches Modell in Matlab/Simulink 3D Mehrkörper-Simulationsmodell in Excite Dynamisches 3D-Modell Excite

13 Engineering Teilbereiche: Simulation von typischen Betriebszuständen mit dem dynamischen Triebstrangmodell Abbildung: Simulationsergebnis

14 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Systemauslegung Differenzial-Antrieb Spezifikation Servoantrieb Überprüfung Konstruktion Servomotors mittels FEM-Analyse Integration dynamisches Gesamtmodell Abbildung: Dynamische Analyse Gesamtmodell

15 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Spezifikation Mittelspannungs-Synchrongenerator Detaillierte Spezifikation des Generators Schwerpunkt: Anbindung des Differenzialgetriebes an den Generator Überprüfung der Konstruktion des Generators mittels FEM-Analyse Integration in ein dynamisches Gesamtmodell

16 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Detailauslegung Differenzialgetriebe Vollständige Berechnung und Konstruktion des Differenzialgetriebes Optimierung der Schmierung/Kühlung mittels dynamischer Simulation Abbildung: 3.0 MW DSgen-set

17 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Programmierung Software Hardware:» SPS (Fabr. Beckhoff) Steuerungssoftware:» Steuerungsorientierte Programmteile in Instruction List» Regelungsorientierte Programmteile in Structured Text implementiert Abbildung: Data Viewer

18 Arbeitspakete: Engineering Teilbereiche: Engineering Prüfstände und Feldtests Konzeption Prüfstand Erstellung Konstruktions-, Schalt- bzw. Aufbaupläne Einsatz Messwerterfassungs- und Analysesystem DEWE-800 der Fa. Dewetron Abbildung: Prüfstandsaufbau

19 3.0 MW Prüfstand 690 V TRANSFORMER FSC Calibrated Voltage/Current Measurement CONVERTER 690 V TRANSFORMER Calibrated Voltage/Current Measurement 10 kv Servo Ext. power supply PMG Input shaft Variable speed DSgen-set Calibrated Torque/Speed Measurement Abbildung: Prüfstandsaufbau

20 3.0 MW Prüfstand Abbildung: 3.0 MW Prüfstand mit Prototyp DSgen-set

21 3.0 MW Prüfstand Abbildung: 3.0 MW Prüfstand mit Prototyp DSgen-set

22 Arbeitspakete: Bau Forschungsanlage Lieferantenabstimmung & Beschaffung Montage Abbildungen: Montage 3.0 MW Prototyp DSgen-set

23 Arbeitspakete: Prüfstandsläufe Werkstests Servomotor Werkstests Differenzialgetriebe Abbildung: Messaufbau Abbildung: Schmierungsprüfstand

24 Arbeitspakete: Bau Forschungsanlage Endmontage Abbildungen: Endmontage 3.0 MW Prototyp DSgen-set

25 Arbeitspakete: Prüfstandsläufe Systemtest Allgemeine IBN-Tests Erwärmungsläufe Softwaretests: Regler-Optimierung Wirkungsgradbestimmung (Toleranz 0,5 %) Verifizierung dynamisches Modell Lebensdauertest Abbildung: Tragbild Planetenrad

26 Arbeitspakete: Auswertung der Tests und Re-design Auswertung Messungen/Anpassung des dynamischen Modelles Abbildung: Vergleich der Drehzahlen Messung vs. Simulation

27 Arbeitspakete: Auswertung der Tests und Re-design Auswertung der Messungen/Anpassung des dynamischen Modelles des Triebstranges Re-design und Software up-date Abbildung: Wirkungsgradverlauf DSgen-set vs. FC

28 Projektergebnisse Zertifizierbare Berechnungsunterlagen und ein am Prüfstand verifiziertes und optimiertes dynamisches Modell Für WKA-Lasten-Berechnungsprogramm integrierbares Simulationsmodell DSgen-set Prototyp Betriebssoftware des DSgen-set Testergebnisse Prüfstand

29 Ergebnisse & Schlussfolgerungen Das Differenzialsystem ist hochdynamisch regelbar Das System erfüllt jeden grid code Die Systemwirkungsgrade sind um rund 3% höher als Stand der Technik Sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung optimale Basis für Weiterentwicklungen Kostenziele (HSK) wurden erreicht DSgen-set ist kostengünstiger als Stand der Technik Lösungen

30 Ausblick, Empfehlungen & Verwertung Errichtung Referenz-Windkraftanlage, Plan 2014 Separates Investitions-Projekt, Entwicklungszentrum mit Montagehalle für die Assemblierung und Tests des DSgen-set (für rd. 100Stk./Jahr) Weitere Einsatzgebiete: (Antriebsleistungen bis ca.15 MW) Großpumpen Pumpturbinen Großkompressorantriebe Mühlenantriebe

31 KONTAKT Ing. Mag. Christoph Pilgram Bakk. MAS /