Hydrostatischer Triebstrang für Windenergieanlagen

Hydrostatischer Triebstrang für Windenergieanlagen

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projektes wird am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen ein hydrostatisches Getriebe für Windenergieanlagen entwickelt, aufgebaut und untersucht.

Konzept des vollhydrostatischen Windkraftgetriebes

Die Entwicklung der Windenergieanlagen hat in den vergangenen Jahren aufgrund der hohen Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen große Fortschritte gemacht. Dennoch werden immer wieder neue Konzepte entwickelt, die grundlegende Veränderungen mit sich bringen. Ein neuer Ansatz liegt in der Leistungsübertragung durch hydrostatische Getriebe.
Ein solches Getriebe nutzt Radialkolbenpumpen, die mit Windrotordrehzahl direkt angetrieben werden, um die aus dem Wind gewonnene mechanische Leistung in einen Hochdruck-Ölvolumenstrom zu wandeln. Dieser wird, je nach Betriebspunkt der Anlage, auf verschiedene Hydraulikmotoren aufgeteilt und in eine konstante Generatordrehzahl überführt. Das verstellbare Schluckvolumen der Motoren ermöglicht eine stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses des hydrostatischen Getriebes und kann genutzt werden, um dem Rotor eine gewünschte Drehzahl aufzuprägen. Der Hauptvorteil des Konzepts besteht darin, dass aufgrund der konstanten Generatordrehzahl kein Frequenzumrichter notwendig ist, um die Anlage mit dem Stromnetz zu verbinden. Des Weiteren kann das System sehr flexibel an verschiedene Windsituationen angepasst werden und besitzt gute Dämpfungseigenschaften.

Konfiguration und Optimierung in Simulationen

In der Konzeptphase wurden, ausgehend von bekannten hydrostatischen Antriebsträngen aus mobilen Arbeitsmaschinen, systematisch Getriebekonzepte für eine WEA generiert und mit dem Simulationsprogramm DSHplus untersucht. In den Komponenten wurden hydraulisch-mechanische und volumetrische Verluste über Kennfelder abgebildet, die aus vorhandenen Daten generiert werden konnten. Das Getriebe wird in der Simulation durch ein Modell einer Windturbine mit Moment beaufschlagt. Hierbei werden die Trägheit des Rotors, sowie die Einflüsse von Windböen und der Turmschatteneffekt mit abgebildet. In der Auswertung der Simulationen konnten die erwarteten guten Dämpfungseigenschaften bestätigt werden. Hohe Momentenstöße führen aufgrund der mechanischen Entkopplung von Rotor und Generator zu kurzen Drehzahländerungen im Bereich von 0,1 U/min an der Turbine, sodass Energie in der großen Massenträgheit zwischengespeichert werden kann. Die gesamte Struktur der Windenergieanlage wird so geschont. Der Fokus der simulativen Untersuchungen liegt auf der Effizienz des Getriebes. Die Berechnungen deuten darauf hin, dass durch eine entsprechende Schaltung von Pumpen und Motoren schon ab 20 % der Nennleistung ein nahezu konstanter Wirkungsgrad von 85 % erzielt werden könnte.
Für die Vermessungen am Prüfstand wurde ein Getriebe der 1-MW-Klasse ausgelegt. Als aussichtsreichste Variante ergaben die Simulationen eine Konfiguration bestehend aus zwei Radialkolbenpumpen mit 52,8 und 13,2 l/U Schluckvolumen sowie vier Verstellmotoren mit 180 – 500 cm³/U Schluckvolumen (Bild 1)

Bild 1: Schaltplan des hydrostatischen WEA Getriebes

Die beiden Radialkolbenpumpen können jeweils über ein Schaltventil kurzgeschlossen werden und befinden sich damit in drucklosem Umlauf. Es lassen sich so drei verschiedene Gesamtschluckvolumen der Pumpen je nach Betriebspunkt der Anlage anwählen. Bei den Hydraulikmotoren handelt es sich um verstellbare Axialkolbenmotoren die durch Schwenken auf den Nullförderwinkel deaktiviert werden können. Des Weiteren können abgeschaltete Motoren über pneumatisch aktuierte Kugelhähne vom Hochdrucksystem abgekoppelt werden um Leckage zu vermeiden.

Validierung am Prüfstand

Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurde ein 1-MW-Prüfstand aufgebaut, der folgende Möglichkeiten bietet:

Wirkungsgradmessung in statischen Betriebspunkten
Aufprägen dynamischer Lasten an der Rotorwelle
Kopplung mit Echtzeitsimulationen (Hardware-in-the-Loop)
Vermessung von Einzelkomponenten

Bild 2: Integration des WEA Getriebes in den Prüfstand durch eine hydraulische Energierückführung

Für die ersten Untersuchungen wurde die in Bild 2 gezeigte erste Ausbaustufe des Getriebes aufgebaut. Bild 3 zeigt diesen Aufbau am Prüfstand. Von der Rotorwelle wird die mehrhubige Radialkolbenpumpe CBP840 der Firma Hägglunds (1) angetrieben. Die hydraulische Leistung wird über Schlauchleitungen in einem Ventilblock (2) zusammengeführt und kann über die Kugelhähne je nach Betriebspunkt auf drei Hydromotoren (3) & (4) aufgeteilt werden. Der Generator der Windkraftanlage wurde am Prüfstand durch zwei Elektromotoren ersetzt, die die Verlustleistung des Prüfstands einspeisen und zwei Axialkolbenpumpen mit je 750 cm³/U (5) antreiben. Die langsam drehende Rotorwelle wird von einer weiteren Radialkolbeneinheit (6) angetrieben und stellt somit die Windturbine dar. Sowohl an der langsamen Rotorwelle als auch an beiden schnellen Motorwellen werden das Drehmoment und die Drehzahl erfasst und damit der Gesamtwirkungsgrad ermittelt.

Bild 3: WEA Getriebe auf dem Prüfstand in der Halle des IFAS

Fazit:
Mögliche Antriebstrang-Konzepte von Windenergieanlagen sind nicht auf mechanische Getriebe oder direkt angetriebene langsamlaufende Generatoren beschränkt. Hydrostatische Getriebe bieten Vorteile hinsichtlich der stufenlosen Leistungsübertragung und zeichnen sich durch gute, strukturschonende Dämpfungseigenschaften aus. Auf den Frequenzumrichter herkömmlicher Konzepte kann beim hydrostatischen Getriebe wegen der konstanten Generatordrehzahl gänzlich verzichtet werden. Der modulare Aufbau ermöglicht eine flexible Anpassung der Anlage an den jeweiligen Standort und ermöglicht des Weiteren den Vorstoß in größere Leistungsklassen.

In der folgenden Videosequenz zeigen wir Ihnen eine kurze Übersicht des Versuchsaufbaus.

Dieser Film kann leider nicht abgespielt werden

Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Johannes Schmitz Tel. 0241/802-7529 Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Nils Vatheuer Tel. 0241/802-7530
Hydrostatischer Triebstrang für Windenergieanlagen Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projektes wird am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen ein hydrostatisches Getriebe für Windenergieanlagen entwickelt, aufgebaut und untersucht. Konzept des vollhydrostatischen Windkraftgetriebes Die Entwicklung der Windenergieanlagen hat in den vergangenen Jahren aufgrund der hohen Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen große Fortschritte gemacht. Dennoch werden immer wieder neue Konzepte entwickelt, die grundlegende Veränderungen mit sich bringen. Ein neuer Ansatz liegt in der Leistungsübertragung durch hydrostatische Getriebe. Ein solches Getriebe nutzt Radialkolbenpumpen, die mit Windrotordrehzahl direkt angetrieben werden, um die aus dem Wind gewonnene mechanische Leistung in einen Hochdruck-Ölvolumenstrom zu wandeln. Dieser wird, je nach Betriebspunkt der Anlage, auf verschiedene Hydraulikmotoren aufgeteilt und in eine konstante Generatordrehzahl überführt. Das verstellbare Schluckvolumen der Motoren ermöglicht eine stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses des hydrostatischen Getriebes und kann genutzt werden, um dem Rotor eine gewünschte Drehzahl aufzuprägen. Der Hauptvorteil des Konzepts besteht darin, dass aufgrund der konstanten Generatordrehzahl kein Frequenzumrichter notwendig ist, um die Anlage mit dem Stromnetz zu verbinden. Des Weiteren kann das System sehr flexibel an verschiedene Windsituationen angepasst werden und besitzt gute Dämpfungseigenschaften. Konfiguration und Optimierung in Simulationen In der Konzeptphase wurden, ausgehend von bekannten hydrostatischen Antriebsträngen aus mobilen Arbeitsmaschinen, systematisch Getriebekonzepte für eine WEA generiert und mit dem Simulationsprogramm DSHplus untersucht. In den Komponenten wurden hydraulisch-mechanische und volumetrische Verluste über Kennfelder abgebildet, die aus vorhandenen Daten generiert werden konnten. Das Getriebe wird in der Simulation durch ein Modell einer Windturbine mit Moment beaufschlagt. Hierbei werden die Trägheit des Rotors, sowie die Einflüsse von Windböen und der Turmschatteneffekt mit abgebildet. In der Auswertung der Simulationen konnten die erwarteten guten Dämpfungseigenschaften bestätigt werden. Hohe Momentenstöße führen aufgrund der mechanischen Entkopplung von Rotor und Generator zu kurzen Drehzahländerungen im Bereich von 0,1 U/min an der Turbine, sodass Energie in der großen Massenträgheit zwischengespeichert werden kann. Die gesamte Struktur der Windenergieanlage wird so geschont. Der Fokus der simulativen Untersuchungen liegt auf der Effizienz des Getriebes. Die Berechnungen deuten darauf hin, dass durch eine entsprechende Schaltung von Pumpen und Motoren schon ab 20 % der Nennleistung ein nahezu konstanter Wirkungsgrad von 85 % erzielt werden könnte. Für die Vermessungen am Prüfstand wurde ein Getriebe der 1-MW-Klasse ausgelegt. Als aussichtsreichste Variante ergaben die Simulationen eine Konfiguration bestehend aus zwei Radialkolbenpumpen mit 52,8 und 13,2 l/U Schluckvolumen sowie vier Verstellmotoren mit 180 – 500 cm³/U Schluckvolumen (Bild 1) Bild 1: Schaltplan des hydrostatischen WEA Getriebes Die beiden Radialkolbenpumpen können jeweils über ein Schaltventil kurzgeschlossen werden und befinden sich damit in drucklosem Umlauf. Es lassen sich so drei verschiedene Gesamtschluckvolumen der Pumpen je nach Betriebspunkt der Anlage anwählen. Bei den Hydraulikmotoren handelt es sich um verstellbare Axialkolbenmotoren die durch Schwenken auf den Nullförderwinkel deaktiviert werden können. Des Weiteren können abgeschaltete Motoren über pneumatisch aktuierte Kugelhähne vom Hochdrucksystem abgekoppelt werden um Leckage zu vermeiden. Validierung am Prüfstand Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurde ein 1-MW-Prüfstand aufgebaut, der folgende Möglichkeiten bietet: Wirkungsgradmessung in statischen Betriebspunkten Aufprägen dynamischer Lasten an der Rotorwelle Kopplung mit Echtzeitsimulationen (Hardware-in-the-Loop) Vermessung von Einzelkomponenten Bild 2: Integration des WEA Getriebes in den Prüfstand durch eine hydraulische Energierückführung Für die ersten Untersuchungen wurde die in Bild 2 gezeigte erste Ausbaustufe des Getriebes aufgebaut. Bild 3 zeigt diesen Aufbau am Prüfstand. Von der Rotorwelle wird die mehrhubige Radialkolbenpumpe CBP840 der Firma Hägglunds (1) angetrieben. Die hydraulische Leistung wird über Schlauchleitungen in einem Ventilblock (2) zusammengeführt und kann über die Kugelhähne je nach Betriebspunkt auf drei Hydromotoren (3) & (4) aufgeteilt werden. Der Generator der Windkraftanlage wurde am Prüfstand durch zwei Elektromotoren ersetzt, die die Verlustleistung des Prüfstands einspeisen und zwei Axialkolbenpumpen mit je 750 cm³/U (5) antreiben. Die langsam drehende Rotorwelle wird von einer weiteren Radialkolbeneinheit (6) angetrieben und stellt somit die Windturbine dar. Sowohl an der langsamen Rotorwelle als auch an beiden schnellen Motorwellen werden das Drehmoment und die Drehzahl erfasst und damit der Gesamtwirkungsgrad ermittelt. Bild 3: WEA Getriebe auf dem Prüfstand in der Halle des IFAS Fazit: Mögliche Antriebstrang-Konzepte von Windenergieanlagen sind nicht auf mechanische Getriebe oder direkt angetriebene langsamlaufende Generatoren beschränkt. Hydrostatische Getriebe bieten Vorteile hinsichtlich der stufenlosen Leistungsübertragung und zeichnen sich durch gute, strukturschonende Dämpfungseigenschaften aus. Auf den Frequenzumrichter herkömmlicher Konzepte kann beim hydrostatischen Getriebe wegen der konstanten Generatordrehzahl gänzlich verzichtet werden. Der modulare Aufbau ermöglicht eine flexible Anpassung der Anlage an den jeweiligen Standort und ermöglicht des Weiteren den Vorstoß in größere Leistungsklassen. In der folgenden Videosequenz zeigen wir Ihnen eine kurze Übersicht des Versuchsaufbaus. Dieser Film kann leider nicht abgespielt werden