Windkraftanlagen Steuerungstechnik für höchste Standards unter extremen Umweltbedingungen

Mit dem M1-Steuerungssystem liefert Bachmann Electronic den Turbinenherstellern das Herzstück zur Automatisierung und Überwachung ihrer Windkraftanlagen und Windparks. Für die Steuerungstechnik von Windkraftwerken gelten höchste Standards, weil die Anlagen in die verzweigten Netzwerke der Energieversorger eingebunden werden müssen. Das erfordert Lösungen für einen zuverlässigen Dauerbetrieb auch unter extremen Umweltbedingungen.

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Klinkhammer Intralogistics GmbH

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Xometry Europe GmbH

Bachmann electronic GmbH

Der Betrieb moderner und zunehmend leistungsfähiger Windenergieanlagen stellt hohe Anforderungen an die Automatisierungstechnik. Die ersten Windkraftanlagen waren für – aus heutiger Sicht – kleine Leistung ausgelegt. Die Anlagen waren passiv, durch den Strömungsabriss an den Rotorblättern geregelt (Stall-Effekt). Man nahm dabei in Kauf, dass die von verschiedenen äußeren Kriterien abhängige Optimierung der Leistungsabgabe fast ausschließlich über die mechanische Ausgestaltung der Rotorblätter und deren Anstellwinkel gelöst werden konnte. Insgesamt stellte dieses System nur geringe Anforderungen an die elektronischen Regelsysteme.

Der Trend hin zu Windenergieanlagen mit immer höherer Leistung verlangte nach weiterer Optimierung. Moderne, pitch-geregelte Windkraftanlagen, welche die Anforderungen nach einer genaueren und kontrollierten Leistungsabgabe in praktisch allen Wind- und Anlagenkonstellationen erfüllen, erfordern relativ komplexe, aktive Regelungssysteme, welche eine einfache speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) heute nicht mehr abbilden kann.

Laufend härtere zeitliche Anforderungen der Netzbetreiber zum Ausregeln von Frequenz oder Blindleistungshaushalt im gesamten Park fordern von der Steuerung zusätzlich eine bisher unbekannte Kommunikationsleistung. Der Controller wird dabei zum Prozessrechner, der außer der Steuerung umfangreiche Aufgaben im Bereich der Datenverarbeitung und Messtechnik zu erfüllen hat.

Hohe Verfügbarkeit der Windkraftanlage ist entscheidend

Geplante Betriebsdauern von 20 Jahren und mehr für Windtürme und die außergewöhnlichen Umweltbedingungen, welchen die Anlagen im Jahresverlauf unterliegen, erfordern bereits bei der Auswahl der eingesetzten Komponenten entsprechende Sorgfalt. Zum Aufbau der Steuerungskomponenten werden deshalb nur ausgesuchte, industrielle Bauteile für erweiterte Umweltbedingungen und mit einer garantierten Langzeitverfügbarkeit eingesetzt. Bachmann garantiert für das M1-System normalerweise die volle Funktionsfähigkeit in einem Temperaturbereich von 0 bis 60 °C Umgebungstemperatur im lüfterlosen Betrieb. Wo benötigt, ermöglichen spezielle „Coldweather“-Ausführungen einen sicheren Betrieb auch bei größter Kälte.

Ein Windturm ist letztlich ein komplettes kleines Kraftwerk. Deshalb muss die Steuerungstechnik gegen Emissionen der Leistungs-elektronik oder Energieleitungen geschützt werden. Die robusten Metallgehäuse der M1-Steuerung bilden eine gute Abschirmung und sorgen auch mechanisch für Schutz des Innenlebens bei Schock und Vibration.

Zuverlässigkeit als Designgrundlage der Steuerungstechnik

Neben einer strengen Auslegung der elektronischen Schaltungen, die möglichst geringe Bauteilbelastungen garantieren, werden Prototypen und Fertigprodukte der M1-Module außerordentlichen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. In umfangreichen Halt-Prüfungen (Highly Accelerated Life Testing) werden Beanspruchungen aufgebracht, welche im realen Betrieb gar nicht vorkommen. Ziel ist es, forcierte Alterungsprozesse auszulösen und durch Kombinationsbeanspruchungen potenzielle Schwachstellen zu finden und zu eliminieren. Dass dabei komplette M1-Systeme ihre Betriebstauglichkeit von –60 °C bis 90 °C bewiesen haben, zeigt den hohen Sicherheitsabstand zu realen Bedingungen.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Systems wird in einer unternehmenseigenen Messanlage und bei international akkreditierten Prüfzentren laufend auf Konformität zu den geltenden internationalen Standards (CE, UL, Germanischer Lloyd und andere) verifiziert und muss zudem den strengen eigenen Regeln entsprechen.

Einzelprüfung der Steuerungskomponenten in der Serienproduktion

Trotz hoher Qualitäts- und Prüfstandards während der Produktion wird jede einzelne Steuerungskomponente vor dem Versand einem Funktions- und Belastungstest unterzogen. Während eines Zeitraums von mindestens 48 h muss dabei jede Baugruppe im Klimaschrank genau definierte Temperatur- und Lastprofile absolvieren. In realen Konfigurationen wird der gesamte spezifizierte Temperaturbereich mehrmals durchlaufen und sowohl Dauerbelastungsverhalten wie alternierender Betrieb getestet. Die so erreichte Qualität gibt dem Kunden die Sicherheit, sich auf das Herz seiner Anlage verlassen zu können.

M1-Steuerungsplattform offen und flexibel programmierbar

Aufgabe der Steuerungstechnik in einem Windkraftwerk ist es auch, verschiedenste Subsysteme (Bild 1) optimal und kosteneffizient einzubinden. Die Offenheit der M1-Steuerungsplattform bietet dem Anwender vielfältige und flexible Programmiermöglichkeiten, zum Beispiel als SPS in IEC61131, als Industriecontroller in C/C++ oder im Stil moderner Webtechnologie in Java. Sogar Simulationsprogramme aus Matlab/Simulink können direkt auf der Steuerung ausgeführt werden. Dies spart Entwicklungszeit und liefert einen Vorsprung im „Time to market“.

Ein innovatives Vernetzungskonzept ermöglicht die echtzeitfähige Kommunikation von Steuerungen untereinander sowie herstellerunabhängig zu Fremdsystemen und damit die Integration einzelner Windkraftanlagen in ganze Windparks. Zur Kommunikation mit einem übergeordneten Windpark-Leitrechner sowie zur Ferndiagnose und -wartung setzt Bachmann auf eine konsequente Internetfähigkeit des Gesamtsystems.

Mit einem Standard-Webbrowser können Bedienung, Darstellung und Auswertung der Anlagendaten von jedem Punkt des Systems erfolgen. Für die Visualisierung einer Anlagensteuerung in einer Windparkvernetzung werden keine spezifischen SCADA-Systeme mehr benötigt. Die im System bereits implementierte Sicherheitstechnik SSL (Secure Socket Layer) erlaubt bei einer entsprechenden Autorisierung den weltweiten, verschlüsselten Zugriff.

Neben der Nutzung von Ethernet und Standard-Feldbussystemen zur Vernetzung bietet das Unternehmen mit dem Fast-Bus auch einen eigenen Systembus, der auf der Basis von Lichtwellenleitern (fibre optics) nicht nur die Dezentralisierung der Komponenten in Echtzeit garantiert, sondern insbesondere die Störungsanfälligkeit der Datenübertragung zwischen Gondel und Turmfuß eliminiert. Mit Profinet IO steht zudem der neue Standard in puncto Echtzeit-Ethernet einsatzbereit zur Verfügung. Der Anwender kann zwischen der Kabeltechnologie und Lichtwellenübertragung wählen.

Softwarewerkzeuge für die Windenergiebranche

Auf die Bedürfnisse von Herstellern und Betreibern von Windkraftanlagen zugeschnittene Entwicklungswerkzeuge helfen einerseits, die Zeiten zur Entwicklung und Inbetriebnahme der Steuerungssoftware und der Visualisierung nachdrücklich zu verkürzen. Darüber hinaus versetzen bereits implementierte Werkzeuge die Anlagenhersteller in die Lage, ihr eigenes Know-how vollständig einzubringen. Sie können selbst und unabhängig von Dritten Funktionalitäten oder Optimierungen der Steuerung programmieren und sich so mit ihrer Windkraftanlage von den Wettbewerbern abheben.

Standardfunktionen, welche bei der Automatisierung einer Windkraftanlage in praktisch allen Anlagenkonstellationen benötigt werden, stehen vollständig programmiert in einer Toolbox für Anwender zur Verfügung. Dazu gehören die Ermittlung der Produktionsdaten, zahlreiche Mittelwertbildungen, die Leistungskurve der Turbine, Yawing (Windnachführung) und viele andere Funktionen.

Durch das im Quellcode gelieferte Branchenpaket M-Wab (Wind Application Box) werden bereits gut drei Viertel der Implementierung abgedeckt und damit Zeit und Kosten gespart. Und anstatt die Funktionen zu kapseln, hat der Turbinenhersteller den vollen, offenen Zugriff und kann eigene Konzepte und Ideen verwirklichen.

Gabriel Schwanzer ist Director Sales & Automation bei Bachmann Electronic, Feldkirch/Österreich, Tel. (00 43-55 22) 34 97-0, g.schwanzer@bachmann.info

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