BCMS

Im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung mit dem Fokus für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung wurde das Forschungsvorhaben „Beobachterbasiertes Condition Monitoring System für Hauptgetriebe in Windenergieanlagen (BCMS)“ bearbeitet.

Durch die Erhöhung der Nennleistung von On-und Offshore- Windenergieanlagen (WEA) wird eine höhere elektrische Energieproduktion erzielt. Gleichzeitig steigen die Belastungen der einzelnen Anlagenkomponenten wie beispielsweise Hauptlager, Hauptgetriebe, Generatoren und Hilfsantriebe an. Des Weiteren nehmen mit den erhöhten Leistungen ebenfalls die Kosten im Schadensfall für den Anlagenbetreiber zu, was auf die Erhöhung der Strommenge pro Anlage zurückgeht. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten ist eine Steigerung der Verfügbarkeit notwendig, wofür Condition Monitoring Systeme (CMS) verwendet werden.

Gegenwärtige CMS in WEA basieren auf einem signalgestützten Ansatz, da sie kostengünstig sind und Bauteilschäden an schnelldrehenden Komponenten wie Wälzlagern zufriedenstellend detektieren können. Allerdings sind sie mit Defiziten in der Erkennung von Schäden an langsam drehenden Bauteilen behaftet. Darüber hinaus ist der Automatisierungsgrad heutiger CMS gering, weil die automatische Generierung von Schadensmeldungen oft nicht zuverlässig funktioniert und eine zusätzliche Signalanalyse von Experten erforderlich ist. Ferner sind Körperschallsignale nur bedingt zur Restlebensdauerprognose geeignet da sie keine ausreichende Korrelation zu den dafür erforderlichen dynamischen Belastungsgrößen aufweisen.

Beobachterbasiertes Condition Monitoring System

Das Forschungsvorhaben beschäftigte sich mit der Entwicklung eines neuartigen, integrierbaren Zustandserfassungs- und Prognosesystem für Hauptgetriebe von WEA. Um eine ausreichende Zuverlässigkeit in der Vorhersage von Bauteilbeschädigungen und Bauteilversagen zu erreichen wurde die beobachterbasierte Methodik verwendet. Bei der beobachterbasierten Zustandsüberwachung (siehe nachfolgende Abbildung) wurde dabei auf Daten von parallel zur Messung ablaufenden Simulationen zurückgegriffen, die ein fehlerfreies WEA System abbilden. Abweichungen des gemessenen, realen Anlagenverhaltens von simulierten wurden zur Fehlererkennung und Zustandsprognose genutzt. Dadurch wurde es möglich die Aussagegenauigkeit und den Aussageumfang von CMS an WEA Hauptgetrieben zu steigern und ein automatisiertes und verlässliches Schadensmeldungssystem umzusetzen.

Mithilfe der modellbasierten Lebensdauerüberwachung ergeben sich mit dem im Rahmen des Projekts entwickelten System folgende Vorteile gegenüber den bereits am Markt etablierten signalgestützten Systemen:

• Höhere Diagnosesicherheit durch zusätzliche modellbasierte Zustandsinformationen
• Größeres Automatisierungspotential in der Fehlerbewertung
• Möglichkeiten zur Nutzung von Zustandsinformationen in der Regelungsstrategie der Anlage
• Bessere Planbarkeit von Wartungsereignissen durch Restlebensdauerberechnung
• Kostengünstige und leichtere zukünftige Konstruktionen durch realistische Lastannahmen