Turmeigenfrequenzabhängige Betriebsführung von Offshore-Windenergieanlagen

Windenergieanlagen, die z.Zt. im wesentlichen an Land installiert werden, sind auf mehr oder weniger festem Baugrund gegründet. Bei genügender Tragfähigkeit des Bodens sind Flachgründungen aus Beton für die statischen und dynamischen Anforderungen ausreichend. Wenn der Oberflächenbereich zu geringe Tragfähigkeiten aufweist, werden Pfähle in die darunter liegende tragfähigen Schichten eingebracht, um die Lasten der Windenergieanlage in den Erdboden einzuleiten. Ein Auslegungskriterium für die Strukturdimensionierung von Turm und Gründungsteil sind die niedrigsten Turmbiegeeigenfre- quenzen.

Die anregenden Frequenzen des Rotors müssen im Betrieb der Anlage immer einen gewissen Abstand von den og Turmeigenfrequenzen haben, da ansonsten dynamische Überhöhungen der Strukturbelastung mit der Folge eines frühzeitigen Bauteil- ermüdungsversagens auftreten. Die Anregungsfrequenzen sind dabei die Rotordrehzahl und deren Blattvielfaches. Diese dynamischen Überhöhungen aufrund von Resonanzen sind unbedingt zu vermeiden, um die vorgesehene rechnerischen Lebensdauer der lastübertragenden Bauteile einer Windenergieanlage zu erreichen. Daher wird durch die Strukturdimensionierung des Turms und der Gründung von landgestützten Anlagen die erste Turmeigenfrequenz üblicherweise so ausgelegt, daß die Anregefrequenz unter allen Betriebsbedingungen einen genügenden Abstand zu den Anregefrequenzen aufweisen.

Bei der rechnerischen Auslegung der erforderlichen Eigenfrequenzen sind die Eigenschaften des umgebenden Erdbo- dens zu berücksichtigen. Diese Bodeneigenschaften beeinflussen die Steifigkeit der Fundamenteinspannung und damit die Eigenfrequenzen. Bei landgestützten Anlagen verändern sich diese Einspannsteifigkeiten des Fundaments in erster Näherung über die Zeit nicht. Daher bleiben auch die Eigenfrequenzen der Anlage über die Lebensdauer nahezu konstant.

Anders ist diese bei Offshore-Anlagen, die mit einem oder mehreren Pfählen mit dem Meeresboden verankert sind. Aufgrund von Strömungsumlagerungen um die Gründungsstruktur, Tiedenstromung oder starken Wellenbewegung werden die Pfähle mehr oder weniger ausgespült.

Diese als Auskolkung bezeichnete Erscheinung hat zur Folge, daß sich die Einspannsteifigkeit des Pfahls verändert und damit auch die Eigenfrequenz des Turms. Ferner wird auch die Dynamik der Anlage selbst zur Veränderung des den Pfahl umschließenden Meeresbodens führen und somit ebenfalls zur Veränderung der Eigenfrequenz. Hinzu kommt, daß in einem Offshore-Windpark die Bodenverhältnisse an jedem Anlagenstandort anders sind. Da die Gründungsteile aber aus Kostengründen einheitlich ausgebildet sein sollten, wird die Einspannsteifigkeit und damit die Turmeigenfrequenz für jede Anlage verscheiden sein. Diese Veränderungen und Unterschiede sind nicht vorausberechenbar, zufällig und damit für jede Anlage anders und über die Zeit permanent veränderlich. Dieses kann dazu führen, daß die Anlagen bei sich verändernden Eigenfrequenzen überhöhte Betriebsfestigkeitslasten erfahren und frühzeitig versagen.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein derartiges vorzeitiges Versagen der Anlage zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die jeweiligen kritischen Eigenfrequenzen der Anlage / oder Teilen der Anlage bestimmt werden, der Drehzahlbereich des Rot- ors, in dem eine Erregung der Gesamtanlage oder einzelne Anlageteile im Bereich deren kritischen Eigenfrequenzen erfolgt, bestimmt wird und die Windenergieanlage nur unterhalb und oberhalb des kritischen Drehzahlbereichs unter schnellem Durchfahren des kritischen Drehzahlbereichs betrieben wird. Die kritischen Eigenfrequenzen der Anlage werden dabei ständig erfaßt, wobei Veränderungen der Einspannsteifigkeit erkannt werden und der verbotene Resonanzbereich in der Anlagensteuerung entsprechend verschoben wird.

Bei der kritischen Eigenfrequenz handelt es sich vorzugsweise um die Biegeeigenfrequenz der Gesamtanlage, es kann sich dabei jedoch auch um die Eigenfrequenz beispielsweise insbesondere der Rotorblätter handeln.

Die kritische Biegeeigenfrequenz wird vorzugsweise über Beschleunigungssensoren, Dehnungsmeßstreifen oder Wegsensoren permanent erfaßt.

Die Erfindung wird im folgenden in einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen die

Fig. la, lb und lc

Ansichten einer Offshore-Windenergieanlage bei von a nach c zunehmender Auskolkung

Fig. 2 die Anregungsfrequenz f _a in Abhängigkeit von der Rotordrehfrequenz f _R und die verbotenen Drehzahlbereiche B., , B ₂ und B ₃ in Abhängigkeit von den kritischen Eigenfrequenzen f , f ₂ und f ₃ der Anlagen und

Fig. 3 eine Darstellung der dynamischen Überhöhung H _dyn in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Anregungsfrequenz zur Eigenfrequenz f _R /f der Anlage, und Fig. la zeigt die Auslenkung einer Offshore-Windenergie- anlage, bei der keine Auskolkung der Gründung aufgetreten ist.

Bei Erreichen der Biegeeigenfrequenz f erfolgt nur eine relativ geringe Biegung des Turms. Bei einer beginnenden Auskolkung ( Fig. lb) ist die Auslenkung stärker, die in Eigenfrequenz f ₂ ist kleiner als die Eigenfrequenz in dem Fig. la dargestelltem Fall.

In Fig. lc ist die Auskolkung deutlich stärker, die hier gegebene Eigenfrequenz f ₃ ist kleiner als die in dem in Fig. lb dargestellten Zustand, die Auslenkung entsprechend höher.

Fig. 2 zeigt die verbotenen Drehzahlbereiche einer Anlage in Abhängigkeit von den sich verändernden kritischen Eigenfrequenzen f., und f ₂ .

Um nun zu vermeiden, daß die Anlage in dem Bereich der Resonanzfrequenz betrieben wird, wird die jeweilige kritische Eigenfrequenz der Anlage bestimmt und die Drehzahl des Rotors festgestellt, bei der die Anlage im Bereich ihrer kritischen Eigenfrequenz erregt wird. Dieser Drehzahlbereich wird nun bei dem Betrieb der Windenergieanlage vermieden, indem nur unterhalb oder oderhalb des kritischen Drehzahlbereichs gearbeitet wird und - falls erforderlich - der kritische Drehzahlbereich schnell durchfahren wird.

Fig. 3 zeigt die dynamische Überhöhung H _dyn , die bei dem Erreichen bestimmter Rotorfrequenzen bewirkt wird, als Verhältnis der Erregungsfrequenz f _R zur Eigenfrequenz f. Wenn dieses Verhältnis in die Nähe von 1 ist, wird der "verbotene Bereich" erreicht, der schnell zu durchfahren ist (eine Überhöhung der dynamischen Belastungen um 10 % hat eine Verkürzung der Lebensdauer um 50% zur Folge) .

Die jeweilige Biegeeigenfrequenz kann dabei durch Beschleunigungssensoren, Dehnungsmeßstreifen oder aber Wegsensoren erfaßt werden; von Bedeutung ist, daß diese regelmäßig erfaßt wird, da sie sich über die Zeit, insbesondere auch in Abhängigkeit von der zunehmenden Auskolkung, ändert.

Es versteht sich, daß als kritische Eigenfrequenz nicht nur die der Gesamtanlage in Betracht kommt, sondern auch die wesentlicher Anlagenteile, insbesondere auch der Rotorblätter.