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01 Mit entsprechender Vorbereitung nimmt die eigentliche Aufrüstung der Anlage mit einem neuen Steuerungssystem nur wenige Tage in Anspruch, an denen die Turbine nicht am Netz ist

Sinnvolles Retrofit für Windenergieanlagen

02 Intelligent umgesetzt, ist ein Retrofit der Beginn eines neuen Lebenszyklus einer Windenergieanlage

03 Mit einem Retrofit lassen sich mit modernen Technologien und innovativen Steuerungs- und Überwachungssystemen weitere Potenziale zur Ertragssteigerung einer Windenergieanlage erschließen

Verfügbarkeiten von Komponenten, erschwerte Servicemöglichkeiten durch intransparente Turbinendaten und Parameter oder auch neue gesetzliche Rahmenbedingungen erfordern häufig Anpassungen der Turbine. Mit einem intelligenten Retrofit kann dabei nicht nur die Lebensdauer verlängert, sondern auch der Ertrag einer Windenergieanlage verbessert werden.

Anstelle der kapitalintensiven Neuerrichtung von Windenergieanlagen entscheiden sich immer mehr Betreiber dafür, ihren vorhandenen Maschinenbestand zu modernisieren und damit deren Lebensdauer zu verlängern. Dabei werden fehleranfällige Bauteile ersetzt und so die Anlagenzuverlässigkeit erhöht. Gleichzeitig lassen sich mit modernen Technologien und innovativen Steuerungssystemen in Kombination mit Überwachungslösungen, wie Condition Monitoring, weitere Potenziale zur Ertragssteigerung des Kraftwerks erschließen. Ein Retrofit ist auch dem Repowering dort häufig vorzuziehen, wo eine Neuerrichtung weitreichende Genehmigungsverfahren auslösen würde. Allerdings gestaltet sich die individuelle Auf- bzw. Umrüstung einer Windenergieanlage (WEA) durch den Betriebsführer mitunter schwieriger als gedacht: Die gesamte Anlage stellt in einigen Fällen nach außen eine Black Box dar, deren „Geheimnisse“ nur dem Hersteller bekannt sind. So sind beispielsweise abgekündigte Originalkomponenten nicht durch ähnliche ersetzbar, da dies in den allermeisten Fällen einer Neuparametrierung der Steuerung bedarf. Deren Software oder Parametersätze sind jedoch dem Betreiber in der Regel nicht offengelegt. Insgesamt gibt es also Gründe genug, im Rahmen des Retrofits die gesamte Steuerungstechnik der Windenergieanlage durch ein modernes, transparentes System zu ersetzen. Damit hält man später auch alle Möglichkeiten zur Optimierung der Anlage in der Hand.

Voraussetzungen für eine schnelle Umsetzung
Bei der Um- oder Nachrüstung von Windenergieanlagen stehen zwei Fragen im Mittelpunkt: Wie lassen sich die Kosten hierfür minimieren? Und: Wann kann die Windturbine wieder ans Netz? Wichtig ist in jedem Fall das Vorhandensein von ausführlichen Dokumentationen zu den technischen Daten der Anlage, zu Sensoren und Aktoren sowie die Lastberechnungen. Ein erfahrener Partner wird dann eine Ist-Aufnahme der vorhandenen Installation durchführen und die Verkabelung sowie Montagemöglichkeiten in den Schaltschränken der Windenergieanlage im Hinblick auf eine möglichst weitreichende Wiederverwendung prüfen. Weitergehende Fragen, beispielsweise zur Netzanschaltung, werden geklärt und anschließend der Umbau geplant. „Wir rechnen mit einer durchschnittlichen Projektlaufzeit von etwa einem halben Jahr zur Analyse und zur Konzeption des steuerungsseitigen Retrofits einer Turbine“, sagt Gabriel Schwanzer, Director Business Unit Wind bei Bachmann Electronic. „Entsprechend vorbereitet nimmt die eigentliche Aufrüstung der Anlage mit einem neuen Steuerungssystem in Hard- und Software dann nur wenige Tage in Anspruch, an denen die Turbine nicht am Netz ist (Bild 1).“

Expertenwissen gebündelt
Entscheidend sind der Aufbau und die Implementierung der Turbinensoftware. Diese beinhaltet unter anderem die Schnittstellen zu den Turbinenkomponenten, den generellen Ablauf der Turbine und die Regelung der zu erbringenden Leistung. Sie gibt auch Auskunft über den Zustand der Maschinenkomponenten, überwacht und reagiert auf Alarme und Fehlerzustände und sorgt für optimalen Energieertrag. Das Software-Framework Wind Turbine Template (WTT) von Bachmann umfasst die wichtigsten Strukturen und Funktionen der Betriebsführungssteuerung einer Windenergieanlage und sorgt unter Verwendung von Basis-Softwaremodulen für eine rasche konfigurierbare Umsetzung. „In WTT haben wir mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Automatisierung, der Regelungstechnik und Betriebsführung von Windenergieanlagen konzentriert“, erklärt G. Schwanzer. Basierend auf den in der Normenreihe DIN EN 61400-25 definierten Datenstrukturen stellt das Template dem Anwender alle Anlagenkomponenten (Nacelle, Rotor, Converter, Generator usw.) zur Verfügung. Zudem sind Funktionen für Datenaufzeichnungen, Trends, Windrose, Power-Curve, Log-in, Fehler und Alarm-Handling bereits integriert. Die Strukturen sind dabei so offen gestaltet, dass der Anwender jederzeit eigene Funktionen implementieren oder bestehende abändern kann. Sensor- und Aktor-Schnittstellen werden über einen Konfigurator definiert und können damit flexibel auf die jeweiligen Gegebenheiten der Anlage angepasst werden. Damit werden Zeit und Kosten gespart.

Verfügbarkeit weiter erhöhen
In der Regel werden Betreiber bei einem Retrofit auch weitere, bislang für ihn nicht nutzbare Funktionalitäten in die Anlage integrieren. Dazu zählen unter anderem Condition-Monitoring-Systeme, die als präventive Maßnahme immer mehr zum Einsatz kommen. Mit ihnen lassen sich aufkommende Schäden an Windenergieanlagen frühzeitig erkennen und kostenoptimiert beheben. „Hierfür stellen wir eine direkt in die Steuerung integrierte Systemlösung zur Verfügung, bei der die Aufzeichnung, Analyse und Bewertung des Anlagenzustands parallel zum Steuerungsprogramm ausgeführt wird“, beschreibt G. Schwanzer eines der Highlights des Bachmann-M1-Automatisierungssystems. Alternativ gibt es auch eine Retrofit-Version, welche unabhängig von der jeweiligen Steuerungsumgebung entweder als komplette Stand-alone-Lösung oder als Top-Box-Variante in einem vorhandenen Schaltschrank installiert wird.

Besser im Bild
Auch dem Aufbau einer modernen Visualisierung steht nun nichts mehr im Weg. In Wind Turbine Template stehen dem Anwender eine konfigurierbare Turbinenvisualisierung ebenso zur Verfügung wie die Schnittstellen OPC UA/DA und DIN-EN- 61400-25-Datenstrukturen zu Scada- Systemen. „Jede M1-Steuerung wird so zum zentralen Server für fest installierte oder mobile HMI-Geräte“, so G. Schwanzer. Hier kommt „M1 web- MI pro“, ein Produkt für reine Web- Visualisierungen, ins Spiel: Beliebige Visualisierungsgeräte, angefangen beim Smartphone bis hin zu leistungsstarken Bedienterminals, können angekoppelt werden. Mit Wind Power Scada (WPS) bietet Bachmann zudem ein auf DIN-EN-61400-25-Datenstrukturen basiertes Scada-Produkt, das von einzelnen Turbinen bis hin zu überregionalen Parks eingesetzt werden kann. Insbesondere bei Retrofit- Lösungen ergänzt WPS das System über die Turbine hinaus: Es bietet standardisierte Schnittstellen und moderne, webbasierte Technologie.

Offen für die Zukunft
„Mit einem transparenten System hat der Betriebsführer alle Trümpfe in der Hand und einen weitreichenden Investitionsschutz“, sagt G. Schwanzer. Die Windenergieanlage sei nicht mehr länger eine Black Box, sondern eine produktive Umgebung, die jederzeit eine gezielte Ertragssteuerung zulasse (Bild 3). „Damit schlagen wir ein neues, den meisten Betreibern bislang vorenthaltenes Kapitel ihrer Anlage auf (Bild 2) “, schließt G. Schwanzer. (ih)

Funktionen „Ready to use“
Vollständige Toolbox
・ Konfigurator im Solution Center,
・ fertiges Softwaremodul für die Steuerung,
・ Bibliothek für eigene Implementierungen und
・ Visualisierung für kleinformatige Panels.

Eventsystem
・ Flexible Konfiguration von Ereignissen,
・ flexible Auswahl von Anlagenreaktionen,
・ sprachumschaltbare Beschreibungstexte in der Visualisierung sowie
・ lückenlose und zuverlässige Protokollierung.

Statistische Auswertungen
・ Power Curve,
・ Windrose,
・ Ereignis- und Energiezähler,
・ automatische Abtastung der Messpunkte,
・ normkonforme statistische Behandlung,
・ grafische Darstellung in der Visualisierung „out-of-the-Box“ und
・ Weiterführung der Werte auch nach Software-Update.

Zugriffskontrolle
・ Definition von Benutzerrollen,
・ Vergabe der Benutzerrechte auf Monitor- und Parameterwerte in der Konfiguration,
・ Protokollierung aller Schreibzugriffe,
・ Software-Update,
・ zuverlässiges Steuerungs-Update aus Image sowie
・ Rollback-Mechanismus für Fehlerzustände nach dem Update.

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Autor:
Dipl.-Ing. Frank Spelter ist Leiter der Unternehmenskommunikation bei der Bachmann Electronic GmbH in Feldkirch/Österreich. f.spelter@bachmann.info