Windkraft

Die Steuerung macht's

Windkraftanlagen müssen stets optimale Energieausbeute bei möglichst geringem Verschleiß erreichen. Der Schlüssel dazu liegt in der Steuerungs-Hard- und -Software. Wir befragten dazu Experten von drei Unternehmen.

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Dr. Vaheh Khachatouri, Bachmann electronic: »Steuerungstechnik in Windkraftanlagen muss einen erweiterten Temperaturbereich bieten, elektrostatischen Entladungen und Magnetfeldern widerstehen sowie schock- und vibrationsfest sein.«

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Dr. Vaheh Khachatouri, Bachmann electronic: »Steuerungstechnik in Windkraftanlagen muss einen erweiterten Temperaturbereich bieten, elektrostatischen Entladungen und Magnetfeldern widerstehen sowie schock- und vibrationsfest sein.«

Was Steuerungssysteme in Windkraftanlagen unter welchen Bedingungen leisten können, wie sie aufgebaut sind und wie sie mit ihrer Umgebung kommunizieren, darüber informieren im folgenden Beitrag Experten aus drei Unternehmen: Dr. Vaheh Khachatouri (Director for Market Development bei Bachmann electronic), Franz Eder (International Sales Manager Schweiz bei B&R Industrie-Elektronik) und Dirk Kordtomeikel (Branchenmanager Windkraftanlagen bei Beckhoff Automation).


Welche Aufgaben erfüllen Steuerungssysteme in Windkraftanlagen?

Dr. Khachatouri (Bachmann): Automatisierungssysteme in Windkraftanlagen erfüllen vielfältige Aufgaben, die sich wie folgt beschreiben lassen:

Betriebsführung: Die Betriebsführung steuert die Energiewandlung und bestimmt abhängig von den Windverhältnissen, dem Zustand der Anlagenkomponenten und den Vorgaben des Betreibers den Betriebsmodus der Windkraftanlage. Sie überwacht die Befolgung von Ablaufplänen und die Einhaltung von Grenzwerten. Zudem übernimmt sie den Übergang zwischen den diversen Betriebsmodi der Windkraftanlage.

Sicherheitsüberwachung und -steuerung: Das System zur Sicherheitsüberwachung und -steuerung greift bei schwerwiegenden Störungen, sicherheitskritischen Zuständen und unzulässigen Belastungen ein und versetzt die Anlage in einen sicheren Betriebszustand.

Regelung: Die Azimutregelung dient zur Nachführung der Gondel gemäß der Windrichtung mittels Azimutlager und Azimutantrieben. Die Blattwinkelregelung dient der Leistungsbegrenzung bzw. Leistungsregelung. Es gibt zwei Arten: bei der Active-Stall-Regelung wird die Anströmkante des Rotorblatts durch dessen Verstellung um seine Längsachse aus dem Wind gedreht, so dass die Strömung abreißt. Dies führt zu einer Leistungsbegrenzung. Bei der Pitch-Regelung wird die Anströmkante des Rotorblatts durch dessen Verstellung um seine Längsachse in den Wind gedreht und dadurch der Auftrieb und folglich die Leistung geregelt. Die Umrichterregelung dient zur Synchronisierung des Generators mit dem Spannungsnetz bei der Netzaufschaltung und zur Regelung der Leistungsaufnahme und Drehzahl des Generators.

Betriebsdatenerfassung: Parameter wie meteorologische Daten (Windrichtung, Windgeschwindigkeit), Drehzahl, Temperatur, Ertragsdaten, Belastungsdaten und Störungsstatistiken werden von der Steuerung erfasst, aufbereitet und aufgezeichnet.

Condition Monitoring (Zustandsüberwachung): Condition-Monitoring-Systeme dienen zur vorausschauenden Wartung, Schadensprävention und Verkürzung der Stillstandzeiten. Sie beobachten laufend den Zustand von Getriebe und Hauptlager mittels Messung und Analyse der Schwingungen und Temperaturwerte. Daraus lässt sich der Zeitpunkt für den Austausch der kritischen Komponenten ableiten. Neben Schwingungen und Temperaturtrends werden auch die Verschmutzung des Schmieröls, der mechanische Belastungszustand der Rotorblätter sowie ihre Vereisung und etwaige Blitzeinschläge detektiert.

Kommunikation und Vernetzung (Windparknetz): Die Steuerungssysteme einer Windkraftanlage sind zur permanenten Statusüberwachung und zur Ferndiagnose mit dem Fernwirkprotokoll für Windkraftanlagen nach IEC 61400-25 und dem OPC-Kommunikations-Server vernetzt.«


Eder (B&R): Die primäre Aufgabe der Steuerungstechnik in einer Windkraftanlage ist die optimale Betriebsführung. Es geht darum, unter den gegebenen Rahmenbedingungen (unter anderem Windverhältnisse, Materialbelastungen, sicherheitstechnische Aspekte) maximalen Energieertrag sicherzustellen. Mit der Weiterentwicklung und Verbreitung der Technik sind aber auch zusätzliche Anforderungen entstanden. Wurden Windkraftanlagen früher eher isoliert als Einzelanlagen und »negative Verbraucher« gesehen, so geht es heutzutage in den meisten Fällen darum, die Anlagen in Windparks bzw. in komplexe Energieversorgungskonzepte zu integrieren. Damit gewinnen Fernwirkankopplungen, offene Kommunikationstechniken, Netz-Services und Ertragsprognosen an Bedeutung.


Kordtomeikel (Beckhoff): Der Antrieb des Azimuts ist nur eine Aufgabe von vielen. Auch für die Blattverstellung, die Umrichteransteuerung, die Hydrauliksysteme für Azimut- und Rotorbremse, die Drehzahlüberwachung und die Diagnose bzw. Überwachung der Systeme muss die Automatisierungstechnik zuständig sein. Schließlich soll eine Windkraftanlage 20 Jahre lang autark laufen.

1. Teil: Die Steuerung macht's
2. Teil: Wie sind Steuerungssysteme in Windkraftanlagen aufgebaut?
3. Teil: Worin unterscheiden sich die Steuerungssysteme für Windkraftanlagen hard- und softwaretechnisch von denen für andere Anwendungen?
4. Teil: Welchen Nutzen bringt es, die Rotorblätter von Windkraftanlagen mittels Steuerungstechnik nach dem Wind auszurichten?
5. Teil: Über welche Bussysteme werden die Daten und Steuerungsbefehle übertragen?

Weiterführende Links:

• Als Komponente für CMS-Systeme in Windkraftanlagen geeignet: Bachmann: Medienkonverter und Gigabit-Ethernet-Switch in einem
• Für HMI-Anwendungen im Bereich Windkraft: Bachmann: Bedien- und Steuergeräte für On- und Offshore-Anlagen
• Ethernetkonforme Kommunikation für intelligente Energienetze: Bachmann: Echtzeit-Protokoll für Windparks