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 116m und einer Nabenhöhe von 90m in einer eigenen Produktionsstätte 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: die Serienproduktion und den Offshore-Betrieb. Durch präzise Simulation der komplexen Umwelteinflüsse, die auf eine Windenergieanlage einwirken, wurde der Prototyp getestet – unter Einschluss aller möglichen Störfälle und Störfallkomplexe, mit denen gerechnet werden muss (Hardware in the loop). \“Wir haben in der Simulation alle Schnittstellen der Anlage eins zu eins abgebildet\“, erläutert Bernd Zickert. \“Dabei konnten auch Weiterentwicklungen umgesetzt werden, die die Performance der Anlage verbesserten.\“ Im Vordergrund stand die Praktikabilität des Systems für Produktion, Montage und Service im Betrieb. Insgesamt sechs der ersten Anlagen wurden im Offshore-Windpark \’Alpha Ventus\‘ installiert. Alpha Ventus ist der erste deutsche Offshore-Windpark auf hoher See und ein gemeinsames Pionierprojekt der Unternehmen E.ON Climate & Renewables, EWE und Vattenfall Europe New Energy. Verschleißarme Technologie reduziert 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, aber 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 Vorteil, ein verschleißarmes Konzept gewählt zu haben. Das ist insbesondere beim Einsatz auf dem Meer sinnvoll, sind hier doch Service-, Wartungs- und Reparatureingriffe aufwendiger 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 5MW-Offshore-Anlage auf geringes Gewicht von Gondel und Rotor geachtet. 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 Vier-Quadranten-Vollumrichter mit dem Netz verbunden. Das ermöglicht den drehzahlvariablen Betrieb. Zugleich lassen sich alle Anforderungen, die von den Netzbetreibern an moderne Windkraftanlagen gestellt werden, erfüllen. Mit diesem Konzept konnte Multibrid das Gewicht des Gesamtkomplexes von Rotor, Nabe und Gondel auf etwa 310t reduzieren. Trotz der hohen Nennleistung baut Multibrid kompakt: Die Höhe der zwei Etagen umfassenden Gondel beträgt lediglich 7m, die Länge 10m. Damit ist die Anlage 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. Zentral für den Offshore-Betrieb ist die hermetische Kapselung der Gondel: Ein Luftaufbereitungssystem saugt die Umgebungsluft an, scheidet Salz- und Wasserpartikel ab und erzeugt einen Überdruck in der Gondel, der die aggressive Seeatmosphäre fernhält und die empfindlichen Steuerungselemente vor Korrosion schützt. Einheitliche Steuerungsplattform vereinfacht das Anlagenhandling 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. Damit hat das Team eine durchgängige Steuerungsplattform eingerichtet, die Handhabung sowie alle Schnittstellen und Datenflüsse vereinfacht und aufeinander abgestimmt. Immerhin werden etwa 500 digitale und analoge Signale verarbeitet. Vor allem im Service macht sich das bemerkbar, da sich die Servicetechniker nur noch in eine Bedienerführung einarbeiten müssen. Schulungs- und Inbetriebnahmeaufwand reduzieren sich dadurch. Systemoffenheit setzt Weiterentwicklung keine Grenzen 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 wird die Offenheit des Systems umgesetzt. Dadurch ist die Weiterentwicklung von Steuerung und Automatisierung gewährleistet. \“Immerhin bewegen wir uns in einer Branche, die im Fluss ist und sich ständig verändert\“, sagt Multibrid-Ingenieur Zickert. Fremdgeräte können unkompliziert über die vorhandenen Schnittstellen integriert werden. Die Offenheit des Systems ermöglicht es auch, E/A-Klemmen mit neuen Funktionalitäten jederzeit zu integrieren. Da Beckhoff mit seiner Steuerungssoftware TwinCat auf den MS-Windows-Standard aufsetzt, wird die Bedienerführung erleichtert und konventionellen Oberflächen 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. Außerdem können mehrere Anwender gleichzeitig auf die Steuerung zugreifen. Der Anwender kann die Parameter verändern und seinen Anforderungen anpassen. Dadurch verbessert sich die Fehleranalysefähigkeit des Systems. Die Überwachung der Anlage geschieht per Glasfaserkabel in Echtzeit über Internet-Protokoll. Zudem ist ein Oracle-Datenbanksystem angebunden. Beispielsweise bei Störungen der Anlagenkommunikation kann es Daten bis zu 50 Tage offline vorhalten, bevor sie an die Leitstelle weitergegeben werden. Die Speicherkapazität ist abhängig von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Flashkarte. Gespeichert werden alle Daten, die für das Windparkmanagement relevant sind, u.a. Betriebsdaten (10m-Mittelwert, Trace, Zähler), Fehler-Log-Analyse, Leistungskurve, Produktion, Blindleistung, Eigenverbrauch und Betriebsmodus. Komplexe Simulation sichert Qualität der Anlage Das Multibrid-Team hat in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Universität Kassel (ISET) eine Software entwickelt, die die Simulation der Anlagenzustände und des Datenaustauschs über TwinCat in Echtzeit ermöglicht. Beckhoff lieferte hierzu die notwendige Hardware und arbeitete bei der Entwicklung des Scada-Systems mit. Am Teststand können theoretische Annahmen und Konzepte einer ersten Plausibilitätsprüfung unterzogen sowie Mitarbeiter und Betreiber geschult werden. Außerdem hat Multibrid den Teststand zu einem leistungsfähigen Qualitätssicherungsinstrument ausgebaut: Alle Steuerungskomponenten der Anlage werden abgebildet. Das System ist in der Lage, alle Aktoren und Sensoren sowie die Kommunikation mit der Steuerung der Anlage zu simulieren. Damit lässt sich die Funktionalität von Steuerung und Betriebsführung vollständig im Vorfeld der Installation testen. Statt unter erschwerten Bedingungen auf See Komponenten installieren zu müssen, deren Funktionsfähigkeit nur bedingt gesichert ist, kann bereits vor Auslieferung die Qualität der Komponenten und Teilsysteme sichergestellt werden. Deshalb ist es auch nicht mehr notwendig, die Installation von Updates und Retrofitmaßnahmen als Betaversionen im Feld zu testen. Sie können nach den weitreichenden Funktionstests direkt installiert werden. (Kasten 1) Steuerungsarchitektur M5000 Steuerung – Hauptrechner: Embedded PC CX1020 mit Windows XP – Nabenrechner: Embedded PC CX9000 mit Windows CE – Automatisierungssoftware: TwinCat PLC HMI – Einbau-Control-Panel CP6832 E/A-System – Bussystem: Ethercat (Profibus unterlagert über Ethercat-Klemmen) – E/A-Systeme: Busklemmen/Ethercat-Klemmen – E/A-Klemmen: – diverse Digital/Analog-E/As – Leistungsmessklemme – Relaisklemme – SSI-Winkelmessklemme – Inkremenal-Encoder-Interface – serielle Schnittstelle (Kasten Ende) (Kasten 2)Beckhoff-Technologie für Windkraftanlagen – Skalierbares Baukastensystem bestehend aus Industrie-PCs, Embedded PCs, Controllern, Displays, E/A- und Feldbussystemen – High-Speed-Kommunikation mit Ethercat (Industrial Ethernet) – Flexible E/A-Systeme: Sonderklemmen sind standardmäßig verfügbar (Drei-Phasen-Leistungsmessklemme, Oszilloskopklemme, PWM usw.) – Einfache Anbindung an alle relevanten, industriellen Bussysteme in freier Kombination: Ethercat, Ethernet, Devicenet, CANopen, Profibus, Modbus, Interbus, RS232, RS485 usw. – Integrierte Safety-Klemmen (TwinSafe) – Ein Softwaretool für alle Automatisierungshardwareplattformen: TwinCat – Offene industrielle Standards: IEC61131-3, Ethernet TCP/IP, PLCopen, OPC – Hartes Echtzeitverhalten (Jitter < 10µs) - Windspezifisches Kunden-Know-how wird in Anwendungssoftware gekapselt Technische Daten der M5000 - Nennleistung: 5MW - Rotordurchmesser: 116m - Rotordrehzahl: 4,5 bis 14,8min-1 - Blattspitzengeschwindigkeit: 90m/s - Nabenhöhe Offshore: 90m (Prototyp 102m) - Kopfmasse/Rotorfläche: < 30kg/m2 (Kasten Ende) www.beckhoff.de www.alpha-ventus.de
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
