Die Ruhe in der Kraft Aktive dynamische Dämpfung von Antriebssträngen

Transkript

1 Bosch Rexroth Die Ruhe in der Kraft Aktive dynamische Dämpfung von Antriebssträngen Dietmar Tilch Andreas Vath 1

2 Ganzheitliches Condition Monitoring von Windenergieanlagen Holistic ACoS, CMS (Advanced Condition Monitoring System),Systemaufbau Datenanalyse und KommunikationsWeb Server Antriebsstrang CMS Option: Last- Monitoring Option: Ölüberwachung Option: Turmüberwachung Zusammenführung von Antriebstrang- und Rotorblattüberwachung Gesamtheitliches CMS mit durchgängiger Leitstandanbindung Plattformstruktur, offen für die Integration weiterer Systeme oder Sensoren 2

3 Dynamische Lastreduzierung und Ertragssteigerung von Windenergieanlagen Inhalt Motivation Systemstruktur und Funktionsweise des Dynamic Load Monitor (DLM) Messergebnisse des Dynamic Load Monitor (DLM) im Feld Reduktion der Lasten im Antriebsstrang mit Active Torque Control (ATC) Möglichkeiten der Ertragssteigerung Zusammenfassung 3

4 Motivation: Dynamic Load Monitoring und Active Torque Control Schwingungen im Antriebsstrang Windenergieanlage Verhalten bei Nennmoment Drehmoment [%] Messung Drehmoment der Hauptwelle Nenndrehmoment Zeit [s] Mögliches Resultat Keine Möglichkeit es zu erkennen! Keine Aktion (bis zum Schaden???) PKW Verhalten bei Nennmoment Drehmoment [%] Annahme Antriebsdrehmoment Nenndrehmoment Zeit [s] Mögliche Aktion Fahrer erkennt merkwürdiges Verhalten und fährt in die Werkstatt, um das Problem beheben zu lassen 4

5 Dynamic Load Monitor (DLM) und Active Torque Control (ATC) Motivation Bestimmung der tatsächlich auftretenden Last im Antriebsstrang Einsatz der Drehzahl- und Drehmomentinformationen des DLM-Systems in der Turbinensteuerung zur Reduzierung von Lasten und Vermeidung von Überlasten Erhöhung der Nennleistung der Anlage bei Reduzierung der dynamischen Lasten mit Active Torque Control Steigerung des Energieertrags Reduzierung der Wartungs- und Instandhaltungskosten durch präventive und zustandsorientiere Wartung Verlängerung der Anlagenlaufzeit über 20 Jahre durch Transparenz der bisher real aufgetretenen Lasten Erkennung von Massenunwuchten und aerodynamischen Unwuchten am Rotor 5

6 Dynamic Load Monitor (DLM) und Active Torque Control (ATC) Inhalt Motivation Systemstruktur und Funktionsweise des Dynamic Load Monitor (DLM) Messergebnisse des Dynamic Load Monitor (DLM) im Feld Reduktion der Lasten im Antriebsstrang mit Active Torque Control (ATC) Möglichkeiten der Ertragssteigerung Zusammenfassung 6

7 Dynamic Load Monitor (DLM) und Active Torque Control (ATC) Systemaufbau und Funktionsweise Messpositionen: 2 Geberstrukturen (Stahlbänder) an der Hauptwelle 1ne Geberstruktur an der schnell laufenden Welle oder Verwendung von existierenden Geberstrukturen im Antriebsstrang Verwendung von Standard- Automobilsensoren Ermittlung Drehzahl der Hauptwelle Drehzahl schnell dreh. Welle Drehmoment Hauptwelle Drehmoment Getriebe Drehposition der Rotorwelle 7

8 Gesamtheitliches Condition Monitoring für Windenergieanlagen Gesamtheitliches CMS Analyse und Kommunikation, Zusammenführung von Web Antriebstrang- Server und Rotorblattüberwachung Gesamtheitliches CMS mit durchgängiger Leitstandanbindung Monitoring von Einzelanlagen sowie ganzer Windparks, on- und offshore Option: Dynamic Load Monitor Option: Ölüberwachung Zusammenführung von Antriebstrang- und Rotorblattüberwachung + Lasterfassung Lasterfassung kann einen wesentlichen Beitrag leisten zur Vermeidung von Überlasten und damit auch Schäden Reduzierung der Wartungs- und Reparaturkosten 8

10 Messergebnisse bei Volllast: Leistungsklasse der Anlage 2 MW Leistung Power (kw) [kw] Leistung der Windenergieanlage Torque (knm) Moment [knm] Drehmoment der Hauptwelle Zeit [s] Zeit [s] Messung Leistungssignal des Generators relativ konstant, kaum Dynamik enthalten Leistungsschwankungen durch Windeinflüsse Zeitweise Betrieb über Nennleistung erkennbar Im Messsignal für das Drehmoment sind hohe Drehmomentschwingungen enthalten 10

11 Drehmoment Messergebnisse bei Volllast: Leistungsklasse der Anlage 2-3 MW % 114 % 107 % 100 % 93 % Drehmoment der Hauptwelle Nenndrehmoment Zeit [s] FFT 1. Torsionseigenfrequenz Fazit: Moment / Lastkollektiv Condition Monitoring Drehmomentverlauf zeigt hohe Dynamik t Anlagensteuerung Anlage wird meistens mit unnötig hohen Drehmomentamplituden im Bereich der 1. Torsionseigenfrequenz und damit unnötig hoher Belastung betrieben Frequenz [Hz] 11

12 Drehmoment im Antriebsstrang [%] Messergebnisse bei Volllast: Leistungsklasse der Anlage 2-3 MW Vergleich von Auslegungslasten mit Messungen Zeit [s] Frequenz [Hz] Auslegungslasten Messung Nenndrehmoment Höhere dynam. Lasten in den Messungen (speziell bei 1.5 Hz) als in der Auslegung 12

13 Schwingungsanalyse mit Dynamic Load Monitoring Messdaten Rotordrehfrequenz (1P) 1. Turmeigenfrequenz 3P 1. Torsionseigenfrequenz Kombinierte Eigenfrequenz (Antriebsstrang + Rotor) Drehmoment Amplidude 6P 9P 12 P Frequenz Fazit: Triebstrangdynamik mit DLM im Antriebsstrang sehr gut erkennbar 13

14 Unwuchterkennung anhand Dynamic Load Monitoring Messdaten Massenunwucht Aerodynamische Unwucht 1. Turmeigenfrequenz 1. Turmeigenfrequenz Drehmoment Amplidude 3P Drehmoment Amplidude 3P Frequenz Frequenz Amplitude im Drehmoment der 1. Ordnung der Rotordrehfrequenz im kompletten Drehzahlbereich nahezu konstant Massenunwucht des Rotors Quantifizierung der Massenunwucht anhand der Amplitude im Drehmoment der FFT Amplitude im Drehmoment der 1. Ordnung der Rotordrehfrequenz steigt mit zunemender Windgeschwindigkeit stark an Aerodynamische Unwuch des Rotors Quantifizierung der aerodymaischen Unwucht anhand der Drehomentamplitude in der FFT 14

16 Active Torque Control (ATC) Aufbau und Wirkungsweise SCU Control unit Sensor Torsionsmoment des Antriebsstrangs Anpassung des Generatormoments Dynamische Drehzahlmessung mittels adaptierter Automotive Sensoren Berechnung des Torsionsmoments des Antriebsstrangs Regelung des Generatormoments zur Reduzierung von Schwingungen des Moments und der Drehzahl des Antriebsstrangs Patentiert durch Bosch Rexroth 16

17 Active Torque Control (ATC) Dynamikvergleich im Antriebsstrang Ohne Dämpfung rpm Anlagenregler Moment m 2,3,4 m 1 m 2 m 1 m x Zeit Mit Standarddämpfung rpm Modellbasierter Anlagenregler Moment Keine Dämpfung Dämpfungsbereich Keine Dämpfung Zeit Active Torque Control Moment ATC rpm Anlagenregler Moment Dämpfung im gesamten Bereich Zeit Optimale Lastreduzierung mit Active Torque Control 17

18 Active Torque Control (ATC) Dynamikvergleich im Antriebsstrang Ohne Dämpfung Moment ATC rpm rpm rpm Mit Standarddämpfung Active Torque Control Anlagenregler Modellbasierter Anlagenregler Anlagenregler Moment Torsionsmoment Moment Moment [%] Keine Dämpfung m 2,3,4 m 1 m 2 m 1 m x Ohne Dämpfung Mit Standarddämpfung Active Torque Control Gute Dämpfung Keine Dämpfung Zeit Zeit Zeit 4 Zeit [s] Dämpfung im gesamten Bereich Optimale Lastreduzierung mit Active Torque Control 18

19 Active Torque Control (ATC) Nutzen für Hersteller und Betreiber Vorteile durch Active Torque Control Niedrigere Belastungen für Zahnräder und Wälzlager aufgrund geringerer Schwingungen im Torsionsmoment Strukturelle Vorteile durch reduzierte Dynamik im gesamten Antriebsstrang Verlängerung der Wälzlagerlebensdauer durch geringere Drehzahlschwankungen Steigerung der Nennleistung möglich bei Einsatz Active Torque Control Gesteigerter Energieertrag Geringere Blattschwingungen und dadurch verbesserte Aerodynamik Gesteigerter Energieertrag 19

21 Möglichkeiten der Ertragssteigerung mit DLM und ATC Ertragssteigerung (Beispielrechnung) Annahmen: Nennleistung der Anlage: 3 MW Rotordurchmesser: 115 m Durchschnittl. Windgeschwind.: 7 m/s Einspeisevergütung: 8 ct/kwh Leistungssteig. bis 3% bei vergleich baren schädigungsrelevanten Lasten Optimierung der Leistungskennlinie speziell im Teillastbetrieb Weniger Blattschwingungen und damit bessere Aerodynamik Steigerung Energieertrag pro Jahr kwh kwh kwh In Summe kwh Höherer Energieertrag unterstützt eine Amortisation bereits im ersten Jahr 22

22 Dynamic Load Monitor und Active Torque Control Zusammenfassung Vorteile durch DLM Einsatz der Drehmoment- und Drehzahlinformationen des DLM für Anlagensteuerung zur Ertragssteigerung (speziell Teillast) Vermeidung von Überlasten Verringerung der Wartungs- und Reparaturkosten Verlängerung der Anlagenlaufzeit über 20 Jahre durch Transparenz der Lasten Erkennung von Massenunwuchten und aerodynamischen Unwuchten Vorteile durch ATC Reduzierung der schädigungsrelevanten Belastungen Steigerung der Nennleistung mit ATC durch Reduzierung der Dynamik höherer Energieertrag Weniger Blattschwingungen und damit bessere Aerodynamik höherer Energieertrag 23

23 Bosch Rexroth Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 24 Weitere Fragen beantworten gerne: