Lösungen zur Automatisierung von Windkraftanlagen: Der Maßstab im Wind

Mit einem zunehmend größeren Leistungsumfang der Windkraftanlagen wird die Energiegewinnung auch offshore, mit weit vor der Küste in offenem Meer gelegenen Anlagen, rentabel. Dies stellt die in den Windkraftanlagen eingesetzten Systeme vor neue Herausforderungen: Die Netzeinspeisung über große Distanzen, extreme klimatische Bedingungen und die eingeschränkte Erreichbarkeit der Plattformen verlangen nach sicheren und robusten Systemen. Eine möglichst nahtlose Einbindung der Turbinen in die Energieverteilnetze, Elektonik, welche über einen weiten Betriebstemperaturbereich verfügt und auch unter den korrosiven Umgebungsbedingungen auf See sicher funktionieren, sowie auf höchste Verfügbarkeit ausgelegte Anlagenkonzepte sind nur drei der Forderungen, die Betreiber von Offshore-Anlagen heute aufstellen. Mehr als 120 Ingenieure und Wissenschaftler in der Systementwicklung und 30 Applikationsingenieure im Bereich Wind sorgen inzwischen bei Bachmann electronic weltweit dafür, dass Anlagenhersteller und Anlagenbetreiber sich diesen neuen Marktanforderungen stellen können. Integration in Energieversorgungsnetze Die Versorgungsplanung in Elektrizitätsnetzen ist aufwändig. Insbesondere Stromnetze, die mit dezentralen Erzeugungsanlagen, wie z.B. Windkraftanlagen, aber auch Photovoltaikanlagen oder Biogasanlagen, aufgebaut sind, haben eine komplexe Struktur. Die Stabilisierung der Netzfrequenz, die Kompensation der Phasenverschiebung und vieler weiterer, lastabhängiger Parameter ist genauso wie die Steuerung des Leistungsangebots der angeschlossenen Kraftwerke nur über das gesamte Verbundnetz hinweg lösbar. Die Einspeisung von \“wetterabhängiger\“ Leistung, wie z.B. von Windkraftwerken, stellt dabei eine Herausforderung dar: Während ein Wasser-, Kohle- oder Atomkraftwerk eine klar prognostizierbare Leistung abgeben kann und somit in der Versorgungsplanung und für den Handel auf den Energiebörsen eine bekannte Größe darstellt, ist die von Windkraft produzierte Leistung nicht beliebig abrufbar. Zudem steuern Betreiber konventioneller Kraftwerke den Prozess über zentrale Leitstellen, was ihnen eine Grenzen überschreitende, internationale Planung der Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie ermöglicht. Standardisierte Kommunikation Für den Betrieb eines stabilen Verbundnetzes ist deshalb eine standardisierte Kommunikation über Landesgrenzen und über alle Hersteller hinweg erforderlich. In der konventionellen Kraftwerkstechnik und in der Bedienung von Umspannwerken und Schaltzentralen werden schon seit langer Zeit Fernwirkprotokolle wie IEC60870-5-101 oder -102 eingesetzt, die die logische Verknüpfung von Geräten unterschiedlicher Hersteller ermöglichen. Diese Protokolle decken jedoch nicht mehr die heutigen Anforderungen ab. Seit 1995 existiert mit dem Standard IEC61850 ein Protokoll, das nicht nur die Datenübertragung über Ethernet beschreibt, sondern das auch die Daten selbst festlegt. Die real anzutreffenden Teile einer Anlage, wie Transformatoren, Schalter etc. werden im Standard modelliert. Dabei legt der Anwender fest, welche Daten und Merkmale dieser Anlagenteile in welcher Form dargestellt werden und wie die entsprechenden Variablen heißen müssen. Diese Datenmodellierung und Namensgebung übernimmt jedes normkonforme Gerät bis hinauf zur \“Substation\“, etwa dem Umspannwerk. So hat jeder Leitstand im Netzwerk auf jedes Gerät einen einheitlichen Zugriff. Da für die Windkraft zusätzliche Bedingungen, Datenobjekte und Zugriffsdienste notwendig waren, wurde auf Basis der IEC61850 die Windkraftnorm IEC61400 erweitert und die Normengruppe IEC61400-25 eingeführt. Der Unterschied zwischen IEC61850 und IEC61400-25 liegt im Wesentlichen darin, welche Daten verfügbar sind und mit welchen Diensten der Anwender diese Daten bearbeiten kann. Zukunftssicherer MMS-Server Beide Normen bieten die Möglichkeit, diese Dienste auf unterschiedliche Transportschichten abzubilden. Mit dem in der Norm IEC9506 beschriebenen MMS-Protokoll (Manufacturing Messaging Specification) bietet der MMS-Server von Bachmann die beste Abdeckung der abstrakten Dienste aus IEC61580 und IEC61400-25. Der MMS-Server von Bachmann electronic wird als Software-Modul auf einer M1-Steuerung gestartet und kommuniziert die Variablen, die in den Anwendungsprogrammen auf der Steuerung verfügbar sind, nach außen. Ob mit dem MMS-Server ein Gerät nach IEC61850 oder nach IEC61400-25 dargestellt wird, liegt alleine in der Hand des Anlagenherstellers. Über eine standardisierte Konfigurationsdatei im XML-Format, die beim Start durch den MMS-Server eingelesen wird, erfolgt ein dynamischer Aufbau des Objektverzeichnisses. In einer weiteren ASCII-Datei wird die Verknüpfung zwischen IEC-Objekten und den Variablen auf der Steuerung hergestellt. Herausforderung Betauung Betauung stellt ein ernst zu nehmendes Zuverlässigkeitsrisiko für elektronische Baugruppen dar, weshalb die meisten Hersteller einen Betrieb unter Betauung in ihren Spezifikationen ausschließen. Das besondere Problem bei der Betauung elektronischer Baugruppen stellt die sogenannte Elektromigration dar, denn der auf der Leiterplatte verbleibende Feuchtigkeitsfilm wirkt korrosiv. Wegen der salzhaltigen Luft ist dies insbesondere bei Offshore-Windkraftanlagen kritisch. Aufgrund der zwischen einzelnen Leiterbahnen existierenden elektrischen Kapazität (es genügt eine Potenzialdifferenz von 3V) findet im Wasserfilm eine Wanderung von Metallionen statt. Dadurch entstehen früher oder später elektrisch leitfähige Brücken, welche Kurzschlüsse und Bauteilausfälle verursachen können. Solche Fehler sind schwierig zu diagnostizieren, weil diese häufig nur unter bestimmten Betriebsbedingungen auftreten und demzufolge schwer reproduzierbar sind – ein Faktum, welches insbesondere bei langlebigen Investitionsgütern wie Windkraftanlagen kritisch ist. Verfügbarkeit in anspruchsvollen klimatischen Umgebungen Mit Hilfe der coldclimate-Baugruppen verhindert man durch eine spezielle Bearbeitung der Leiterplatten die Effekte der Elektromigration, sodass ein sicherer Betrieb der Baugruppe auch nach Betauung gewährleistet sein sollte. Dazu wird im Vakuum durch Kondensation aus der Gasphase ein porenfreier und transparenter Polymerfilm auf die Baugruppe aufgetragen. Aufgrund der gasförmigen Abscheidung erreicht dieses Material auch Zonen und Strukturen, welche mit flüssigkeitsbasierten Verfahren nicht beschichtbar sind. Der Schutzfilm dringt dabei selbst unter Bauteile oder zwischen die Steckerkontakte des Moduls. Als weiteres Plus an Sicherheit sind die in den Cold-Climate-Baugruppen eingesetzten Komponenten für einen erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70°C spezifiziert, und alle Steckverbinder sind vergoldet. Condition Monitoring optimiert Produktivität Windkraftanlagen sind Produktionseinrichtungen, deren Verfügbarkeit unmittelbaren Einfluss auf deren Amortisation einerseits und auf die zuverlässig planbare Bereitstellung von Energie im Netz andererseits hat. Immer mehr Windkraftanlagen werden deshalb mit Condition-Monitoring-Systemen (CMS) ausgerüstet, die dem Betreiber kontinuierlich Daten über den Betriebszustand der Turbine zur Verfügung stellen. Mit dieser Information können mechanische und elektrische Defekte schon frühzeitig während des Betriebs erkannt werden. Stillstände für Reparatur und Wartung können dann gezielt geplant und vorbereitet und Folgeschäden einfach vermieden werden. So lassen sich die Kosten für Betrieb und Instandhaltung um bis zu 50% reduzieren. Insbesondere bei Offshore-Anlagen, die nur eingeschränkt und mit großem zeitlichem sowie finanziellem Aufwand erreichbar sind, ist ein solches System unverzichtbar. Condition Monitoring als Gesamtkonzept Die Performance des M1-Automatisierungssystems von Bachmann erlaubt die kosten- und prozessoptimale Implementierung von mess-, regelungs- und steuerungstechnischen Abläufen und Auswertungen bis hin zu einem umfassenden Condition Monitoring auf der Steuerung. Dabei profitiert ein mit dem M1-System aufgebautes CMS von dessen vielfältigen Kommunikations- und Serviceschnittstellen und reduziert zudem die Einarbeitungszeit für Inbetriebsetzungs- und Wartungspersonal. Direkt integrierbar in Bachmanns M1-Automatisierungssystem bietet die Baugruppe AIC212 bis zu neun Vibrationsmesseingänge zur hochauflösenden, signalkorrelierten Erfassung verschiedener Messstellen. Drei Signaleingänge mit ±10V-Einheitssignalpegel und ein Lagegebereingang dienen der konsistenten Erfassung von weiteren relevanten Größen sowie des Winkel- oder Positionsbezuges der Mechanik. Das AIC212-Modul verfügt ebenfalls über einen eigenen internen Arbeitsspeicher, um auch Zeitreihen von Signalverläufen bis 50 Kilosamples pro Sekunde – also weit unterhalb der Steuerungszykluszeit – aufzeichnen zu können. Signale und Variablen des gesamten Steuerungsverbundes Wegen der Integration können darüber hinaus Auswertungen beliebige Signale und Variablen des gesamten Steuerungsverbundes (z.B. aktuelle Leistung, Betriebszustand) direkt mitberücksichtigen, ohne dass eine doppelte Sensorik notwendig wäre. Die Systeme von Bachmann Electronic sind nach den einschlägigen Standards zertifiziert und haben eine nachgewiesene Verfügbarkeit von über 99,96%. Damit produzieren automatisierte Windkraftanlagen in mehr als 40.000 Installationen weltweit saubere Energie – rund um die Uhr. Die Langzeitkompatibilität und die Verfügbarkeit aller Module über die durchschnittliche Lebensdauer einer Windkraftturbine von 20 Jahren sollten darüber hinaus den Anlagenbetreibern die notwendige Sicherheit in ihrer Investition geben. www.bachmann.info