PC-basiertes Steuerungskonzept für 5-Megawatt-Offshore Windkraftanlage Kontrolliertes Alpha Tier - KEM

PC-basiertes Steuerungskonzept für 5-Megawatt-Offshore Windkraftanlage

Kontrolliertes Alpha Tier

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Mit Onshore-Windkraftanlagen hat sich die Multibrid GmbH nie aufgehalten: Das Konzept der 5-Megawatt-Offshore-Anlage M5000 war von Anfang an für den Einsatz auf See ausgerichtet. Für die Serienfertigung hat Multibrid das Steuerungskonzept in enger Zusammenarbeit mit dem hier vorgestellten Unternehmen überarbeitet und auf eine einheitliche Plattform gestellt.

Einen Prototyp seiner Windkraftanlage hatte Multibrid bereits 2004 entwickelt, aber bis zur Serienreife sollte es noch weitere drei Jahre dauern. Seit Mitte 2007 wird die Multibrid M5000 mit einem Rotordurchmesser von 116 m und einer Nabenhöhe von 90 m in einer eigenen Produk- tionsstätte in Bremerhaven gefertigt.

Die Situation, die Projektleiter Bernd Zickert vorfand, als er 2005 in das Unternehmen einstieg, war typisch: Steuerung und Automatisierung der Anlage basierten auf keiner einheitlichen Plattform. Die Hardwarekomponenten stammten von vier verschiedenen Herstellern, entsprechend vielfältig waren die Systemkenntnisse, die von den Multibrid-Ingenieuren gefordert wurden, und entsprechend problematisch gestalteten sich die Abstimmung der Komponenten und die Erhebung von Daten.
Für den Prototyp war diese anlageninterne „Artenvielfalt“ sinnvoll, sollte sie doch vor allem die Belastbarkeit des Konzepts demonstrieren und gleichzeitig eine Entscheidungsgrundlage für die Serienproduktion schaffen. Zu diesem Zweck musste getestet werden, was in Frage kam. Den ersten Praxistest hatte die M5000 bereits zwei Jahre zuvor absolviert: Das Konzept funktionierte. Nun aber ging es um den Ernstfall namens Serienproduk- tion und den Offshore-Betrieb.
Verschleißarme Technologie minimiert Anlagenausfälle
Das Konzept von Multibrid ist ambitioniert. Anders als die meisten Windenergieanlagenhersteller setzt Multibrid auf einen Permanentmagnet-Synchrongenerator. Zwar arbeiten die meisten Stromlieferanten mit Synchrongeneratoren, nur die Windindustrie nutzt bevorzugt Asynchrongeneratoren. Mit der Wahl eines multipoligen Synchrongenerators, der als Ring aufgebaut ist, hat Multibrid sich an eine bewährte Technologie angeschlossen – mit dem großen Vorteil, ein deutlich verschleißärmeres Konzept gewählt zu haben. Das bringt insbesondere beim Einsatz auf dem Meer entscheidende Pluspunkte, sind hier doch Service-, Wartungs- und Reparatureingriffe deutlich aufwändiger als an Land, da Schlechtwetterperioden den Zugang erschweren. Damit die Anlagen zuverlässig betrieben werden können, ist alles von Nutzen, was weniger störanfällig ist und seltener ausfällt.
Geringes Gewicht erleichtert Aufbau und Montage
Um den Transport zu vereinfachen und eine sichere und schnelle Montage im Offshore-Bereich zu gewährleisten, wurde beim Bau der M5000 größter Wert auf geringes Gewicht von Gondel und Rotor gelegt. Multibrid hat zwischen Rotor und Generator ein einstufiges Getriebe platziert und reduziert damit die Umdrehungsvarianz des Rotors um den Faktor von nahezu 1:10. Der Generator ist durch einen 4-Quadranten-Vollumrichter mit dem Netz verbunden, was den drehzahlvariablen Betrieb erlaubt. Zugleich lassen sich alle Anforderungen, die von den Netzbetreibern an moderne Windkraftanlagen gestellt werden, erfüllen. Mit diesem Konzept hat Multibrid das Gewicht des Gesamtkomplexes von Rotor, Nabe und Gondel auf etwa 310 t reduzieren können.
Trotz der hohen Nennleistung baut Multibrid auch sehr kompakt: Die Höhe der zwei Etagen umfassenden Gondel beträgt lediglich 7 m, die Länge 10 m. Damit ist die Anlage deutlich kleiner und leichter als vergleichbar leistungsstarke Anlagen. Das hat mehrere Vorteile: Die Auslegung des Stahlrohrturms, der auf einem Tripod-Fundament aufsitzt, lässt sich anders dimensionieren. Außerdem kann die Gondel an Land vormontiert und als Ganzes auf See installiert werden.
Vereinfachung: Einheitliche Steuerungsplattform
Die Überarbeitung von Steuerung und Automatisierung, die vom Team Bernd Zickerts unternommen wurde, führte zu einer Vereinfachung des Systems. Die Zahl der Controller wurde von fünf auf zwei reduziert. Neben dem Hauptrechner im Turm ist ein Nabenrechner als Redundanz vorgesehen, um Datenverluste beim Transfer über die Schleifringkupplung zu unterbinden.
Die gesamte Hardware wurde auf Beckhoff-Komponenten umgestellt und damit eine durchgängige Steuerungsplattform eingerichtet, sodass die Handhabung sowie alle Schnittstellen und Datenflüsse einfacher werden und aufeinander abgestimmt sind. Immerhin werden etwa 500 digitale und analoge Signale verarbeitet. Um Ausfällen vor Ort begegnen zu können, sind Sensorik, Aktorik und Hilfssysteme gleichfalls redundant ausgelegt. Das betrifft insbesondere Luftaufbereitung, Ölversorgung und Hydraulik, die Batterieladegeräte der Nabe und die Kühlung, die auf diese Weise doppelt gesichert sind.
Mit der PC-basierten Steuerungstechnik, ist die Offenheit des Systems garantiert – ein Plus, an dem Multibrid-Ingenieur Zickert besonders viel liegt, da hiermit die Weiterentwicklung von Steuerung und Automatisierung gewährleistet ist: „Immerhin bewegen wir uns in einer Branche, die im Fluss ist und sich ständig verändert.“ Fremdgeräte können unkompliziert über die vorhandenen Schnittstellen integriert werden. Die Offenheit des Systems ermöglicht es auch, I/O-Klemmen mit neuen Funktionalitäten jederzeit zu integrieren.
Da Beckhoff mit seiner Steuerungssoftware Twincat auf den MS-Windows-Standard aufsetzt, ist auch die Bedienerführung deutlich erleichtert und konventionellen Oberflächen sehr ähnlich. Das wirkt sich auch auf die Visualisierung der Datenströme und Informationen aus, die dem Nutzer über ein Scada-System zur Verfügung gestellt werden. Die Steuerung lässt den gesicherten Zugriff vor Ort und in der Leitzentrale zu; es können auch mehrere Anwender gleichzeitig auf die Steuerung zugreifen. Außerdem lassen sich Parameter verändern und den spezifischen Anforderungen der Nutzer anpassen. Dadurch verbessert sich auch die Fehleranalysefähigkeit des Systems. Die Überwachung der Anlage geschieht per Glasfaserkabel in Echtzeit über Internet-Protokoll.
Umfassende Simulation sichert Qualität
Besonders wertvoll ist für Multibrid die Qualität der Simulation, die das Multibrid-Team in enger Zusammenarbeit mit dem ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Universität Kassel) entwickelt hat. Sie ermöglicht die Simulation der Anlagenzustände und des Datenaustauschs über Twincat in Echtzeit. Beckhoff lieferte hierzu die notwendige Hardware und arbeitete bei der Entwicklung des Scada-Systems mit.
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