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Structural Health Monitoring of Wind Turbine Systems : Data-based Lifetime Models Development for Integration into Control Systems

Beganovic, Nejra

Technical systems experience different changes due to damage increase and the change of system parameters over service lifetime. These changes are caused by system exposure to different loading profiles, leading to decreased reliability and ultimately to the loss of functionality. Concerning inevitable aging of the system, it is important to examine effects with highest impact to reducing reliability and to predict the remaining or consumed lifetime of the system so that appropriate actions can be performed in accordance with actual State-of-Health (SoH). This thesis concerns the establishment of an efficient approach for determining the SoH and lifetime prognosis of particular components of recuperative and alternative power generation systems. Concretely, Wind Turbine (WT) systems are considered. The adaption of operation conditions in accordance to estimated current State-of-Health as well as extension of the lifetime through adapted control strategy is therefore an important part. The main aim of the thesis is modeling of functionality of technical systems through the establishment of lifetime models, which are prerequisite for the development of suitable control strategy. Such control concept is known as Safety and Reliability Control Engineering (SRCE) concept and is firstly introduced and published in 1996. Aforementioned concept enables affecting system’s reliability and the extension of the lifetime by integrating the knowledge about current SoH into the control strategy. To establish lifetime model, the measurements from Structural Health Monitoring (SHM) systems and their correlation to the degradation is necessary. In accordance with this, special emphasis in this thesis is given to SHM of wind turbine components, especially those SHM methods applicable to rotor blades, bearings and gearboxes, as well as energy storage devices. In this sense, not only an examination of the component itself but also an examination of its constituent materials, are taken in consideration (composite materials, metallic structures). Implementation of adapted control strategy illustrating simultaneously the possibilities for lifetime extension and power regulation are discussed using simulation model of wind turbine. In accordance with prerequisites for adapted control strategy implementation, wind turbine fatigue load is examined and integrated into the model. Controller design in this case is conditioned by the knowledge about examined fatigue load and predicted remaining useful lifetime. Reliability-oriented control strategy proposed in the thesis affects system’s reliability through adapted control actions in accordance with current SoH. Additionally, the development of three new lifetime modeling approaches taking in consideration SHM data from tribological system are presented in this thesis. Beside lifetime model establishment concerning tribological system, an examination of damage mechanisms and lifetime modeling approaches related to Lithium-Ion Batteries (LIBs) using experimental data from LIB test rig is illustrated and discussed. Main contribution of this thesis lies in the development of new lifetime modeling approaches and in proved possibility of adapted reliability-oriented control strategy to avoid premature failures of the system, increased operation and maintenance costs, as well as critical events leading to high economical and human resource losses. Obtained results concerning proposed lifetime models with regards to prediction accuracy are satisfying for all three proposed models. The number of model parameters, model complexity, prediction accuracy, and requirements set on experimental data sets used for model training vary. These four criterion are discussed in terms of model evaluation and determination of model applicability to real systems. By tracking structural loads and effect of induced mechanical stresses on system’s reliability, it is illustrated that structural loads, primarily flap-wise bending moments of rotor blades, are decreased through adapted control strategy providing extension of remaining useful lifetime. The discrepancy between desired and obtained generator power is held as less as possible. According to the results, control objectives related to power generation are slightly sacrificed, but only when the level of structural load is excessive and the system is close to its end of life. Presented results are obtained using simulation model of wind turbine.

Aufgrund unterschiedlicher Lastprofile unterliegen technische Systeme individuellen Änderungen durch die Schadenserhöhung und die Änderungen von Systemparametern über die Einsatzdauer. Diese Änderungen führen zu einer Abnahme der Systemzuverlässigkeit und letztlich zum Funktionsverlust. Da die Alterung eines Systems unvermeidbar ist, sind sowohl die Identifikation von Effekten, die den größten Beitrag zum Funktionsverlust haben als auch die Vorhersage der verbrauchten bzw. verbleibenden Lebensdauer von zentraler Bedeutung zur Einleitung geeigneter Maßnahmen unter Berücksichtigung des momentanen State-of-Health (SoH). Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer effizienten Strategie zur Bestimmung des SoH und der Lebensdauervorhersage ausgewählter Komponenten rekuperativer und alternativer Energieerzeugungssysteme. Konkret werden die Komponenten von Wind-Turbinen (WT) betrachtet. Elementare Bestandteile sind somit insbesondere die Anpassung von Betriebsbedingungen und die Steigerung der Lebensdauer durch adaptive Regelungsstrategien auf Basis des geschätzten SoH. Zentrales Ziel der Arbeit ist die Modellbildung der Funktionalität technischer Systeme also die Erstellung von Lebensdauermodellen, welches die Grundlage zur Entwicklung einer geeigneten Regelungsstrategie bildet. Der Konzept ist als das Safety and Reliability Control Engineering (SRCE) Konzept genannt und wurde erstmals im Jahr 1996 entwickelt und veröffentlicht. Das eingeführte SRCE-Konzept ermöglicht es, die Systemzuverlässigkeit zu beeinflussen und die Lebensdauer unter Ber¨ucksichtigung von Wissen bezüglich des aktuellen SoH zu steigern. Zur Entwicklung eines Lebensdauermodells ist es notwendig, die Zusammenhänge zwischen den Messergebnissen eines Structural Health Monitoring (SHM) Systems und der Zustandsdegradierung zu identifizieren. In diesem Kontext wird ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf SHM von Windturbinen Komponenten gelegt, wobei besondere Aufmerksamkeit auf SHM Methoden gerichtet wird, die zur Überwachung von Rotorblättern, Lagern, Getrieben sowie Energiespeichern geeignet sind. In diesem Sinne werden nicht nur einzelne Komponenten in ihrer Gesamtheit Berücksichtigt, sondern auch die verschiedenen Einsatzmaterialien (Verbundwerkstoffe, metallische Strukturen). Anhand eines Simulationsmodells wird die Implementierung einer adaptiven Regelungsstrategie für eine Windturbine diskutiert, welche die Möglichkeit zur gleichzeitigen Verlängerung der Lebensdauer sowie Leistungsregelung illustriert. Gemäß den Voraussetzungen für eine adaptive Regelungsstrategien wird die Ermüdungslast von Windturbinen untersucht und in das Modell integriert. In diesem Fall wird der Reglerentwurf durch Wissen, welches aus der Untersuchung der Ermüdungslast resultiert, und der Restlebensdauervorhersage bedingt. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene, zuverlässigkeitsorientierte Regelungsstrategie beeinflusst die Zuverlässigkeit des Systems durch an den aktuellen SoH angepasste Regelungsvorgänge. Außerdem werden drei neue, im Kontext dieser Arbeit entwickelte Ansätze zur Lebensdauermodellierung präsentiert. Diese greifen auf SHM Daten aus der Überwachung eines tribologischen Systems zurück. Zusätzlich zur Entwicklung der Lebensdauermodelle für das tribologische System werden Untersuchungen bezüglich verschiedener Schädigungsmechanismen und Ansätze zur Lebensdauermodellierung von Lithium-Ionen Batterien (LIBs) anhand experimenteller Daten eines LIB Prüfstand dargestellt und diskutiert. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung neuer Ansätze zur Lebensdauermodellierung und dem Nachweis, dass eine adaptive, zuverlässigkeitsorientierte Regelungsstrategie die Vermeidung von vorzeitigem Systemversagen, erhöhten Betriebs- sowie Wartungskosten als auch kritischer Situationen, die zu großen ökonomischen sowie menschlichen Verlusten führen, ermöglicht. Mit den drei vorgeschlagenen Lebensdauermodellen konnten die vorgegebene oder zufriedenstellende Vorhersagegenauigkeiten erzielt werden. Dabei sind jedoch die Anzahl der Modellparameter, die Modellkomplexität, die Genauigkeit des Models und die Anforderungen an die experimentellen Datensätze unterschiedlich. Diese vier Kriterien werden vor dem Hintergrund der Modellevaluierung und Anwendbarkeit auf reale Systeme diskutiert. Durch die Messung struktureller Lasten und des Effektes mechanischer Belastung auf die Systemzuverlässigkeit kann gezeigt werden, dass eine adaptive Regelungsstrategie die Reduktion struktureller Lasten, insbesondere der auf die Rotorblätter wirkenden flap-wise Biegemomente, ermöglicht und somit eine Möglichkeit zur Steigerung der Restnutzungsdauer darstellt. Dabei ist die Diskrepanz zwischen gewünschter und tatsächlicher Generatorleistung minimal. Die Ergebnisse zeigen, dass im Fall exzessiver struktureller Lasten am Ende der Lebensdauer die Regelungsziele im Kontext der Energieerzeugung geringfügig geopfert werden. Die dargestellten Ergebnisse wurden mit einem Simulationsmodell einer Windturbine erzielt.

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Beganovic, Nejra: Structural Health Monitoring of Wind Turbine Systems. Data-based Lifetime Models Development for Integration into Control Systems. 2017.

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