Automotive-Know-How für Windenergie

Die technische Komplexität von Windkraftanlagen steigt und macht die Einführung neuer Testmethoden erforderlich. Führende Anbieter wie ENERCON setzen in der Entwicklung auf Testsysteme nach Vorbild der Automobilbranche.

TEXT: Redaktion    BILDER: © ENERCON, MicroNova


Windenergie zählt zu den umweltfreundlichsten Energiequellen. Sowohl der Ausbau als auch die technologische Weiterentwicklung von Windkraftanlagen schreiten schnell voran. Da sich auch in dieser Branche – ähnlich wie im Automobilbereich – die Produktzyklen immer weiter verkürzen, suchen die Hersteller nach Möglichkeiten, die Entwicklung effizienter zu gestalten und somit zu beschleunigen. Um gleichzeitig die zunehmende Komplexität bei der Steuergeräteentwicklung bewältigen zu können, stehen ihnen moderne und zugleich erprobte Hilfsmittel aus der Automobilentwicklung zur Verfügung.

So nutzt der Windenergieanlagenhersteller Enercon bereits seit einigen Jahren ein Hardware-in-the-Loop(HiL)-System von MicroNova und führte damit erste Komponententests im Bereich der Blattwinkelverstellung durch. Da diese Tests sehr zufriedenstellend verliefen, entschied das Unternehmen aus Aurich, ein neues Testkonzept in seinen Entwicklungsprozess zu integrieren und in Zusammenarbeit mit MicroNova eine Testlandschaft mit fünf HiL-Simulatoren aufzubauen. So sollten die elektronischen Regelsysteme möglichst frühzeitig mit allen später beim Betrieb der Windkraftanlage auftretenden Bedingungen konfrontiert und ihre korrekte Funktionsweise überprüft werden.

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HiL-Simulation auf vernetzten Systemen

Zu diesem Zweck entwickelte das Testing-Solutions-Team von MicroNova folgende HiL-Systeme:
Ein HiL-Simulator testet die sicherheitsrelevanten Funktionen der Komponenten im Turmfuß, in der Gondel und für die Rotorblätter. Ein weiteres HiL-System überprüft das Steuergerät, das ein kontrolliertes Starten und Anhalten der Windkraftanlage sowie die übergeordnete Leistungs- und Lastregelung während des Betriebs sicherstellt.

Für die Steuergeräte der Rotorblätter wurden zudem drei NovaCarts CBP-Simulatoren gefertigt. CBP steht für ‚Control Board Pitch‘ und bezeichnet das System zur Blattwinkelverstellung, das hauptsächlich der Leistungsregulierung bei Windenergieanlagen dient. So wird beispielsweise bei vielen Anlagen die Drehgeschwindigkeit des Rotors durch die Ausrichtung der Blätter relativ zur Windrichtung bestimmt. Ein Elektromotor dreht dabei eines der Rotorblätter soweit, dass es die zur Stromerzeugung ideale Stellung zum anströmenden Wind einnimmt. Diese kontinuierliche und schnelle Regelung gewährleistet, dass das Rotorblatt bei veränderten Bedingungen sofort wieder eine optimale Position findet.

Die drei neuen CBP-Systeme bieten im Vergleich zu dem bereits vorhandenen System jeweils die zweieinhalbfache Anzahl an I/Os. Zudem lassen sich nun pro Prüfstand vier statt wie bisher zwei Elektromotoren simulieren und mehrere Steuergeräte können auf bis zu drei Echtteil-Einschübe verteilt werden. Das ermöglicht die künftige Ausweitung der Testaktivitäten auf weitere Steuer- und Regelkomponenten des Windrads – bei Bedarf auch im synchronisierten Verbundbetrieb/


Fünf Prüfstände im Verbund

Für den gemeinsamen Betrieb aller fünf neuen Systeme hat Enercon ein eigenes Testfeld aufgebaut. In diesem Testfeld lassen sich nun mit Hilfe der entsprechenden Simulationsmodelle einzelne Funktionen der Windkraftanlagen bereits früh in der Entwicklung validieren, wie zum Beispiel die Blattwinkelverstellung in Grenzbereichen oder die Generatorfunktionalität.

Zentrale Anforderungen für das reibungslose Zusammenspiel der HiL-Systeme sind die genaue zeitsynchrone Datenerfassung sowie der zuverlässige Datenaustausch der Systeme untereinander in Echtzeit. Um dies zu gewährleisten, wurde zusätzlich zu den fünf bereits in den Prüfständen verbauten Steuerungsrechnern noch ein Sternpunkt-Controller eingesetzt. Dieser fungiert als so genannter Timing-Master und sorgt für den Gleichtakt sowie eine mikrosekundengenaue Systemzeit auf allen Komponenten im HiL-Netz. Zusätzlich koordiniert der Sternpunkt den Datenaustausch zwischen den Prüfständen und berechnet in einem eigenen Simulationsmodell Größen, die für alle angeschlossenen HiL-Systeme relevant sind, wie zum Beispiel die Windgeschwindigkeit.

Das Ausmaß des Projekts sowie die Branche Windenergie machten dabei den Reiz dieser Aufgabe aus. Das bestätigt David Hirschhäuser, Teamleiter HiL-Projekte, bei MicroNova: „Für uns war es das erste Projekt dieser Größenordnung außerhalb des Automotive-Sektors. Es ging darum, ein umfassendes Konzept für ein möglichst flexibles, effizientes und langlebiges System zu entwickeln. Ich denke wir haben in den letzten beiden Jahren sehr gut zusammengearbeitet, haben auch viel voneinander gelernt und können mit dem Ergebnis hochzufrieden sein.“.


Etablierung eines professionellen Testprozesses

Der Entwicklung und Auslieferung der HiL-Systeme vorangegangen war eine ausführliche Analyse der Testanforderungen beim Turbinenhersteller. Hier konnten die Experten der Abteilung Consulting & Services von MicroNova auf ihre umfangreiche Erfahrung aus dem Automotive-Testing-Bereich zurückgreifen. In enger Zusammenarbeit mit den Projektverantwortlichen beim Auftraggeber entstand so ein vollständiges Testkonzept inklusive Simulationsmodellen sowie Testautomatisierung und -design. Projektbegleitend unterstützte MicroNova auch beim Aufbau einer entsprechenden Abteilung für Verifikation & Validierung bei Enercon.

Neben der Konzeptionierung und Einführung der HiL-Systeme übernimmt MicroNova zudem den Support und die Wartung der Testlandschaft. Eine weitere Aufgabe ist es, die Testautomatisierung zu etablieren. Hierfür kommt EXAM zum Einsatz, eine Software zur grafischen Entwicklung von Testfällen im Bereich der Testautomatisierung. Da MicroNova seit über zehn Jahren EXAM gemeinsam mit zwei großen Automobilherstellern entwickelt, kann Enercon auch hier von Know-how aus erster Hand profitieren.


Verkürzte Entwicklungszeiten und zuverlässige Partner

Die Verantwortlichen beim Auricher Windenergieunternehmen sind mit dem Ergebnis der zweijährigen Zusammenarbeit sehr zufrieden: „Durch unsere moderne und vernetzte HiL-Testlandschaft lassen sich mittlerweile Anpassungen an der Software viel schneller umsetzen und wir bekommen die Testergebnisse praktisch über Nacht. Mit händischen Tests und manueller Auswertung der Messergebnisse konnte das früher schon mal bis zu einer Woche dauern,“ erklärt PhDr. Monika Dávideková, Teamleiterin Software-Validierung bei Enercon. „Zusätzlich werden Testfälle nun zusammen mit ihren Ergebnissen präziser abgelegt und können in sekundären Tools wie XRay oder Jira einfach referenziert werden. Wir konnten hier viel von der Automotive-Branche lernen und unsere Entwicklungsarbeit signifikant beschleunigen.“


Fazit

Die großen Vorteile der automatisierten und reproduzierbaren Tests haben überzeugt: Bei Enercon steht bereits eine Erweiterung der Testeinrichtungen im Raum. Der Fokus wird dabei noch stärker auf der Modularisierung und Wiederverwendbarkeit der Testlandschaft auch für andere Projekte liegen, um die zahlreichen Steuergeräte und ihre Software noch schneller und flexibler testen zu können.


ENERCON GmbH

ENERCON gehört seit über 30 Jahren zu den Technologieführern in der Windenergiebranche. Als erster Hersteller setzte das Unternehmen auf ein getriebeloses Antriebskonzept, das kennzeichnend für alle ENERCON Windenergieanlagen ist. Auch in Bereichen wie der Rotorblattkonstruktion, Regelungstechnik oder Netzanbindung setzt ENERCON bis heute technologische Maßstäbe. ENERCON Windenergieanlagen verfügen über ein Netzeinspeisesystem, das nach den neuesten Anschlussbedingungen zertifiziert ist. Somit können sie problemlos in alle Versorgungs- und Verteilungsnetzstrukturen integriert werden. ENERCON sieht es als große Herausforderung an, die Versorgung mit regenerativen Lösungen weltweit voranzutreiben, und engagiert sich maßgeblich in Zukunftstechnologien wie Energiespeicherung, E-Mobilität und Smart Grids. International zeigt ENERCON auf den wesentlichen Märkten mit einem dezentralen Service- und Vertriebsnetz Präsenz.

Windenergie in Deutschland

Seit mehr als dreißig Jahren wird mit Windkraft elektrische Energie im großen Stil erzeugt. Nicht zuletzt durch die steigenden Öl-/Gaspreise und das wachsende Umweltbewusstsein haben sich Windkraftanlagen und andere erneuerbare Energien fest etabliert. Laut Angaben des Bundesverbandes WindEnergie produzierten allein die in Deutschland installierten Windkraftanlagen im Jahr 2018 knapp 112 Mrd. Kilowattstunden (kWh) Strom – das entspricht einem Anteil von 20,4 Prozent an der deutschen Stromproduktion.

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