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10-11 | 2018

Special Automatisierung,

Special Automatisierung, Steuer- & Regeltechnik Der Weg zur modellprädiktiven Echtzeit-Betriebsführung Die Automatisierung von Windenergieanlagen hat sich in den vergangenen 20 Jahren konzeptionell entsprechend des wissenschaftlichen Fortschritts weiterentwickelt. Mit einem Technologiedemonstrator wird deutlich, was unter Einsatz aktueller Steuerungs- und Regelungstechnik heute möglich ist – auf dem Weg zur modellprädiktiven Echtzeit-Betriebsführung. Die von IAV entwickelte Automatisierungslösung erfordert dabei keine neuen Sensoren und Aktoren. Wie bisher dienen als Messgrößen die Drehzahl des Rotors, die Leistung des Generators, der Anstellwinkel der Rotorblätter und die Beschleunigung, die der Turm der Windenergieanlage (WEA) bei den aktuellen Windverhältnissen erfährt. Sie speisen ein Modell der WEA, das mit Hilfe der vorausgesagten Windgeschwindigkeit in Echtzeit den Zustand der Anlage bis zu 20 Sekunden in die Zukunft berechnen kann. Ein Optimierungsalgorithmus bestimmt dann diejenigen Stelleingriffe für die Pitchantriebe der Rotorblätter und den Generator, die für den Betrieb der Anlage bestmöglich sind. „Die heute eingesetzten Regelungslösungen berücksichtigen für die Ermittlung der Stelleingriffe ausschließlich die Vergangenheit bis zur Gegenwart. Unser neuer modellbasierter Ansatz beruht hingegen auf der Vorhersage und Optimierung des künftigen Geschehens“, sagt Dr. Axel Schild, Senior-Fachreferent im Bereich Powertrain & Power Engineering bei IAV. „Dieser innovative Ansatz maximiert den Nutzen von Windenergieanlagen und ist ein radikal innovativer Schritt.“ IAV hat einen modellprädiktiven Ansatz für Windkraftanlagen entwickelt. Bessere Ausbeute oder höhere Anlagen-Lebensdauer Ziel der Anlagenbetreiber ist es dabei, mit ihren Investitionen den maximalen Ertrag zu erzielen. Das kann bedeuten, bei gleicher Belastung der WEA mehr Strom zu produzieren – hier verspricht die neue Anlagenautomatisierung eine um bis zu 1,5 Prozent höhere Ausbeute. Umgekehrt kann eine reduzierte Belastung bei gleichbleibendem Ertrag gewünscht sein – in diesem Fall lassen sich wesentliche mechanische Belastungen der WEA-Komponenten um bis zu zehn Prozent reduzieren, was zu einem deutlichen Anstieg ihrer Lebensdauer führt. Bild: iStockphoto 22 UmweltMagazin Oktober - November 2018

Automatisierung, Steuer- & Regeltechnik Special „Prinzipiell eignet sich unsere neue Automatisierungslösung für alle Wind- Energie-Anlagen“, fasst Schild zusammen. „Als Retrofit-Lösung macht sie bestehende Anlagen wirtschaftlicher. Neue Windräder ließen sich wiederum wesentlich kostengünstiger auslegen und produzieren, weil die verringerte Belastung über ein angepasstes Anlagendesign zu deutlichen Materialeinsparungen führen könnte.“ Inzwischen ist die IAV-Lösung konzeptionell so ausgereift, dass die Felderprobung noch dieses Jahr beginnen soll. Nach Einschätzung der IAV-Experten wird künftig ein Großteil der ca. 20.000 jährlich installierten Neuanlagen mit einer derartigen Automatisierungslösung ausgestattet. Der IAV-Technologiedemonstrator – Integration in eine bestehende WEA-Steuerung. Bild: IAV Erlebbare Automatisierungslösung Auf der WindEnergy 2016 stellte IAV die Idee und ein erstes Konzept vor. Zwei Jahre später erwartete die Messebesucher nun ein weit fortgeschrittener Technologiedemonstrator. Um das abstrakte Thema erlebbar zu machen, wurde auf dem IAV-Messestand in Hamburg eine Prüfplatzumgebung aufgebaut, die die Arbeit der Automatisierungslösung visualisierte: Besucher konnten sich auf eine dreieckige Plattform stellen und durch die Verlagerung ihres Körpergewichtes drei unterschiedliche Grundziele (Stromproduktion, Minimierung der Bauteillast, Aktorlastminimierung) im wahrsten Sinne des Wortes „gewichten“. Die Anteile an der aktuellen Gewichtung waren auf einem Bildschirm zu sehen und dienten als Input für die Regelung. Deren Reaktion wurde ebenfalls auf dem Monitor dargestellt, so dass man die Arbeit der Automatisierungslösung live erleben konnte: Das Dashboard zeigte, wie sich Stromproduktion sowie die Belastung der Bauteile und der Aktoren in Echtzeit veränderten. Ein Film rundete das Messeerlebnis ab – er stellte den Regler als gespaltene Persönlichkeit dar, um das Thema von der emotionalen Seite zu zeigen. Darstellung von Stromproduktion sowie die Belastung der Bauteile und der Aktoren in Echtzeit. „Unser Konzept ist voll aufgegangen. Die durchweg positive Resonanz der fachkundigen Standbesucher und deren begeistertes Feedback hat unsere Erwartungen weit übertroffen“, so Schild. Die in den zahlreichen Fachgesprächen gesammelten Rückmeldungen und Anregungen bilden dabei eine wertvolle Basis, um die bestehende Lösung in der weiteren Entwicklungsphase noch besser auf die sehr differenzierten Bedürfnisse der zukünftigen Kunden auszurichten. „Darum war die WindEnergy auch genau die richtige Messe für uns, um unsere Lösung der Öffentlichkeit hier erstmalig zu präsentieren: Dort sind alle entscheidenden OEMs und Betreiber aus der Windbranche vertreten. Unser Anspruch ist es, jedem Kunden eine individuell zugeschnittene Steuerungslösung anbieten zu können.“ Technologische Weiterentwicklung im Forschungsprojekt Um der Zukunft auch weiterhin einen Schritt voraus zu sein und den Standort Deutschland zu stärken, wird die zugrundeliegende Technologie von der Bundesregierung im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms im Projekt „eco4wind“ mit insgesamt rund drei Millionen Euro gefördert. Hierbei fließen laufend aktuelle Forschungsergebnisse ein. IAV ist Koordinator des akademisch-industriellen Konsortiums. Benet Luck, windenergy@iav.com Bilder: IAV UmweltMagazin Oktober - November 2018 23

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