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Special | Windkraft 2010 | www.pc-control.net
6 | cover
Vensys: Windkraftanlagenhersteller setzt durchgängig auf Beckhoff-Steue-rungstechnologie
18 | worldwide
Winwind: In der 3-MW-Windkraftanlage wird EtherCAT zum Hauptkommunikations-system
10 | worldwide
Avantis: Windenergieanlagen mit einer Leistung von 2,3 bis 3,5 MW basierend auf PC-Control von Beckhoff
PC-Control für Windkraftanlagen
2 contents PC-Control | Wind-Special 2010
25 | products Fuzzy-Regler revolutioniert die Leistungs-
regelung bei Windkraftanlagen
14 | supplier Moog: Schnelle EtherCAT-
Kommunikation für Pitchsysteme
15 | Atech: Kompakte Pitchsysteme mit
offener Steuerungstechnik
16 | Svendborg Brakes: PC-Control für
SOBO®-Controller
22 | The Switch: The Switch-DriveTM-Vollumrichter
garantiert zuverlässigen Betrieb
24 | Renergy Electric: PC-basierte Steuerungen
und Umrichter für Windkraftanlagen von
1,5 bis 5 MW
16 | Svendborg Brakes: PC-Control
für SOBO®-Controller
Redaktionsleitung: Frank Metzner
Redaktion: Gabriele Kerkhoff Martina Fallmann Telefon: +49 (0) 52 46 / 9 63 - 1 40
Fax: +49 (0) 52 46 / 9 63 - 1 [email protected]
www.pc-control.net
PC-Control – The New Automation Technology Magazine
Herausgeber:Beckhoff Automation GmbHEiserstraße 533415 Verl/GermanyTelefon: +49 (0) 52 46 / 9 63-0Fax: +49 (0) 52 46 / 9 63 -1 98
impressum
Design: www.a3plus.de
Druck: Richter Druck- und Mediencenter, Germany
Auflage: 3.000
Veröffentlichung: September 2010
Bildnachweis:Atech, GermanyAvantis Europe GmbH, GermanyGoldwind, ChinaMoog, GermanyRenergy Electric, ChinaSvendborg Brakes, DenmarkThe Switch, FinlandVensys, GermanyWinwind Oy, Finland
4 | products PC-Control für Windkraftanlagen
6 | cover Vensys, Deutschland | Goldwind, China:
Hochwertige und erprobte Steuerungskom-
ponenten für Windkraftanlagen
10 | worldwide Avantis Europe GmbH, Deutschland:
Innovative Technologie trifft auf
modernes Design
18 | Winwind Oy, Finnland: EtherCAT wird
zum Hauptkommunikationssystem
14 | Moog: Schnelle EtherCAT-
Kommunikation für Pitchsysteme
22 | The Switch: The Switch-DriveTM-
Vollumrichter garantiert zuverläs-
sigen Betrieb
3 editorialPC-Control | Wind-Special 2010
„Wenn der Wind des Wandels weht, bauen die einen Schutzmauern,
die anderen bauen Windmühlen“*
Weltweit hat die Windkraftbranche in diesem Jahr deutliche Zuwächse zu verzeichnen –
eine Entwicklung, die für uns, als Steuerungslieferant der Branche, deutliche Auswirkun-
gen hat. Getreu dem oben zitierten, chinesischen Sprichwort wurde das Wind-Geschäft
auch bei Beckhoff forciert: Bereits das fünfte Jahr in Folge konnte der Geschäftsbereich
Windenergie von Beckhoff seine Umsätze mehr als verdoppeln. Über 6.000 Betriebsfüh-
rungen von Windkraftanlagen und mehr als 6.000 Steuerungen für Pitchsysteme werden
allein in diesem Jahr mit Beckhoff-Technologie geliefert. Ein Erfolg, den wir nicht zuletzt
dem massiven Ausbau der Windenergie in China zu verdanken haben.
Ein Rückblick: Vor rund zehn Jahren wurden die ersten Kunden aus dem Windbereich
auf PC-based Control von Beckhoff und unsere Busklemmen aufmerksam. Die offen
ausgelegte Steuerungsarchitektur, die alle gängigen Feldbussysteme und eine Vielzahl
an Signalformen unterstützt, passte wie angegossen auf die Anforderungen der Branche.
Das war unser Einstieg in die Windenergie.
Die Einführung unserer Embedded-PC-Serie CX
gab der Geschäftsentwicklung weiteren Auftrieb.
Mit dem Ethernet-basierten Feldbus EtherCAT
haben wir einen Standard geschaffen, den,
aufgrund der flexiblen Topologiemöglichkeiten,
immer mehr Kunden auf ihren Anlagen einset-
zen. Heute sind fast alle wichtigen Anbieter von
Pitch- und Umrichtersystemen Mitglied in der
EtherCAT Technolgy Group (ETG), der Nutzeror-
ganisation von EtherCAT. Die Offenheit der Kom-
ponenten erlaubt außerdem die Integration aller
steuerungs-, mess- und sicherheitstechnischen
Aufgaben. Die Integration der Sicherheitskette
mit TwinSAFE, Leistungsmessung, Visualisierung
und Datenspeicherung sowie Fernüberwachung sind weitere Vorzüge der PC-basierten
Beckhoff-Steuerung.
Das alles haben wir mit Standardkomponenten realisiert, die sich seit Jahrzehnten im
Einsatz in anderen Industriezweigen erfolgreich bewährt haben. Darüber hinaus haben
wir das Produktspektrum spezifisch ausgebaut: Beispielsweise der erweiterte Temperatur-
bereich für unsere I/O-Komponenten, die Realisierung der neuen Fernwirkprotokolle IEC
61850 und IEC 61400-25 für die Anlagenkommunikation mit Windparks oder Windkraft-
anlagen oder Condition-Monitoring-Lösungen. Das 2005 installierte „Kompetenzteam
Wind“ in Lübeck bietet – zusammen mit den internationalen Beckhoff-Tochterfirmen
– Kundenunterstützung auf allen Gebieten der Windkraftanlagensteuerung. Das Leis-
tungsspektrum reicht von applikationsspezifischen Softwarebibliotheken bis hin zum
Schaltschrankdesign und zur vollständigen Applikationssoftware, sprich Betriebsführung.
Bei uns findet der Kunde Ansprechpartner die „Wind“ sprechen.
Beckhoff wird auch weiterhin den Weg beschreiten, seine Komponenten und Lösungen
technologisch weiter zu entwickeln. Darüber hinaus wollen wir auch neue Aufgaben
in - oder am Rande - der Automatisierungstechnik erschließen. Dieses Heft soll Sie dazu
anregen, mit Ihren Wünschen und Ideen mit uns in Diskussion zu treten.
*Chinesische Weisheit
Beim weltweiten Wachstum der Windenergiebranche spielt China nicht
nur als Nutzer von Windenergie, sondern auch als Hersteller von Wind-
turbinen eine zunehmend wichtigere Rolle. Das „Reich der Mitte“ könnte
bis 2014 mehr Windenergie als Europa nutzen, glauben die Experten des
Global Wind Energy Council (GWEC). Bereits 2009 verdoppelte China
die Kapazitäten auf 25,8 Gigawatt und löste damit Deutschland als
zweitgrößten Windkraftproduzenten ab. In diesem Jahr wird die in China
neu installierte Windkraftleistung voraussichtlich 19 GW betragen. Eine
Entwicklung, an der unsere Kunden, führende Windkraftanlagenher-
steller Chinas, einen wesentlichen Anteil haben. Und eine Anstrengung,
die sich nicht zuletzt unter dem Aspekt der CO2-Einsparung lohnt. Die
Windenergie ist die Technologie, welcher kaum natürliche Grenzen, wie
der Wasserkraft oder der Biomasse,
gesetzt sind.
Zu einem großen Teil verdankt
Beckhoff seinen Erfolg in der chi-
nesischen Windkraftindustrie der
Präsenz vor Ort. Vor knapp zehn
Jahren gegründet, hat die chine-
sische Beckhoff-Tochter heute ein
Netzwerk an Vertriebsbüros über
ganz China geschaffen, sodass wir
sagen können: Wir sind da, wo un-
sere Kunden sind! Und wir haben
uns auf dem chinesischen Markt ei-
nen Namen als zuverlässiger Partner
für PC-basierte Steuerungstechnik
gemacht. In diesem Jahr werden wir die Umsätze in China im Bereich
Windenergie weiter steigern können.
Neue Namen auf dem globalen Windenergiemarkt machen deutlich, dass
sich die Kräfteverhältnisse ändern: Nachdem zu Beginn des Windenergie-
booms in China Windturbinen mit Hilfe europäischer Entwicklungsbüros
in den Markt gebracht wurden, nehmen jetzt immer mehr chinesische
Windkraftanlagenhersteller den Bau und die Entwicklung ihrer Windtur-
binen selbst in die Hand. Auch die Zulieferindustrie für große Komponen-
ten wird massiv vor Ort aufgebaut: Beispiele hierfür sind Tochterfirmen
großer internationaler Zulieferer, wie unsere Kunden Moog und Conver-
team, die Produktionsstandorte in China unterhalten. Aber auch immer
mehr chinesische Unternehmen wagen den Sprung in diese Industrie, wie
z. B. ReEnergy Tianjin.
Beckhoff China reagiert auf diese Entwicklung und baut, wie bereits in
den vergangenen Jahren, seine Standorte sowohl geographisch als auch
personell kräftig aus, um seinen Kunden vor Ort optimale Unterstützung
geben zu können.
Die Windkraftbranche boomt! China sorgt für frischen Wind in der Branche
Xingkai Ma,
Business Manager Wind Energy
Dirk Kordtomeikel,
Branchenmanager Windkraft
PC-Control | Wind-Special 2010 4 products
PC-Control für Windkraftanlagen
Steuerungstechnik von Beckhoff hat sich weltweit auf Windkraftanlagen
bis zu einer Größe von 5 MW erfolgreich im Einsatz bewährt. Basierend
auf PC- und EtherCAT-Technologie liefert Beckhoff durchgängige Steue-
rungslösungen für alle Anwendungsbereiche in Windkraftanlagen, von
der Pitchregelung und der Betriebsführung für Turm und Gondel, über
die Parkvernetzung, bis hin zur Leitwarte – im Onshore- ebenso wie im
Offshore-Bereich.
In modernen Windkraftanlagen ist das Echtzeit-Ethernet-System
EtherCAT die Basis für eine schnelle Kommunikation in der Windmühle
und zur Parkvernetzung. Durch die Integration unterlagerter Feldbusse
lassen sich Feldbusmaster zur Ansteuerung von Subsystemen ins Feld
verlagern, ohne dass eine weitere CPU erforderlich ist. EtherCAT ermög-
licht die nahtlose Einbindung des Condition Monitorings in das EtherCAT-
Klemmensystem. TwinSAFE, die Safety-Technologie von Beckhoff, bindet
die Sicherheitsfunktionen in die vorhandene Steuerungsanwendung ein
und ersetzt damit die hartverdrahtete Sicherheitskette.
Die Beckhoff-I/O-Systeme werden kontinuierlich durch neue Klemmen
oder Embedded-PCs ergänzt. Die jüngsten Entwicklungen, die Embedded-
PCs der Serien CX5000 und CX8000, sind lüfterlose, kompakte und
energieeffiziente PC-basierte Steuerungen, die hervorragend für Steue-
rungsaufgaben bei Windkraftanlagen geeignet sind.
Mit TwinCAT 3, der neuen Software-Generation von Beckhoff, wird die
Standard-Automatisierungswelt deutlich erweitert. Neben den objektori-
entierten Erweiterungen der IEC 61131-3 stehen mit C und C++ auch die
Sprachen der IT-Welt zur Verfügung. Durch die Integration von Matlab®/
Simulink® und Scada in die Entwicklungsumgebung bietet TwinCAT 3 ein
komfortables Werkzeug zum Entwurf der Reglersoftware. Lauffähig sind
die Module in den unterschiedlichen Sprachen in einer gemeinsamen
Runtime unter harten Echtzeitbedingungen, unter der Nutzung von
Multicore-Technologie und mit 32- oder 64-Bit-Betriebssystemen.
www.beckhoff.de/wind
Im Bereich der regenerativen Energien beliefert Beckhoff u. a. Hersteller und deren Zulieferer von Windkraftan-lagen mit PC- und EtherCAT-basierten Automatisierungslösungen. Die Integration von SPS, Sicherheitstechnik und Condition Monitoring sowie die Einbindung unterlagerter Bussysteme auf einer Steuerungsplattform vereinfachen das Engineering und reduzieren Platzbedarf und Kosten. Durch den Einsatz offener, industrieller Kommunikations-standards, wie IEC 61400-25, Ethernet TCP/IP und OPC erhält der Anlagenhersteller eine hohe Investitionssicherheit.
Offene Steuerungslösungen sorgen für schlankes
Anlagendesign der Windkraftanlagen
PC-Control | Wind-Special 2010 5 products
PC- und EtherCAT-basierte Steuerungsarchitektur
für Betriebführung, Pitch-Control und Parkvernetzung.
ADS SOAP,HTTP,IEC 61400-25,OPC-UA
Betriebsführung(Turmfuß)
Betriebsführung (Gondel)Pitch-Control
Parkvernetzung
Embedded-PC, EtherCAT-Klemmen
EtherCAT
Ethernet TCP/IP (optional)
Ethernet TCP/IP(optional)
PROFIBUS (optional)
PROFIBUS (optional)
CANopen (optional)
CANopen (optional)
EtherCAT-I/O-System
Condition Monitoring Ethernet TCP/IP EtherCAT Box
EtherCAT (LWL)
EtherCAT
Umrichter
TwinSAFE: Direkte Integration von Sicherheits-I/Os
DVI/USB Embedded-PC, EtherCAT-Klemmen
EtherCAT-I/O-System
Ethernet TCP/IP
EtherCAT (LWL)
6 cover
Hochwertige und erprobte Steuerungskomponenten für Vensys-Windkraftanlagen
Chinesischer Windkraftanlagenhersteller Goldwind
setzt auf Vensys-Anlagendesign und PC-based Control von Beckhoff
PC-Control | Wind-Special 2010
PC-Control | Wind-Special 2010 7 cover
hoher Wirkungsgrad erreicht. Die Markteinführung der Vensys-Serien 90
und 100, mit 2,5-MW-Nennleistung, ist für Ende 2010 geplant.
Universelle und robuste Betriebsführung erlaubt den Einsatz
an jedem Ort und unter extremen klimatischen Bedingungen
Die Leitsysteme für alle Vensys-Windkraftanlagen werden am Stand-
ort Diepholz durch Vensys Elektrotechnik, in enger Kooperation mit
Beckhoff, entwickelt und produziert. Hier werden auch die Nullserien
der Schaltschränke und Anlagen gebaut, bevor die Lizenznehmer, bzw.
deren Fertigungspartner, die Serienproduktion übernehmen. Um interna-
tional erfolgreich sein zu können, brauchen Windkraftanlagenhersteller
leistungsfähige und flexible Steuerungssysteme: Schnell wechselnden
Anlagenzuständen, bei unterschiedlichen, teils extremen Klima- und
Umweltverhältnissen stellen komplexe Anforderungen an die Steuerung.
So müssen die Windkraftanlagen den Standortbedingungen im mitteleu-
ropäischen Flachland ebenso genügen, wie unter klimatischen Extrembe-
dingungen, wie sie z. B. in China vorzufinden sind: Wüsten bieten andere
Bedingungen als Küstenstandorte oder Bergregionen. Die Steuerungs-
systeme müssen Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Sand, extremen Windstärken,
Turbulenzen und anderen Unwägbarkeiten standhalten und zuverlässig
reagieren: Die Anlage muss immer richtig im Wind stehen; Daten müssen
gesammelt und ausgewertet werden; Zustands- oder Fehlermeldungen
müssen exakt und aussagefähig sein; die Netzeinspeisung muss korrekt
und netzstützend erfolgen. Das alles setzt ein leistungs- und vor allem
anpassungsfähiges Steuerungssystem voraus.
Die Vensys Energy AG ist Spezialist für getriebelose Windkraftanlagen.
Neben der Produktion im saarländischen Neunkirchen, verfügt das Un-
ter nehmen durch weltweite Lizenznehmer über jährliche Produktions-
kapazitäten von über 2000 Windenergieanlagen. Am Standort Diepholz,
Niedersachsen, produziert das Tochterunternehmen, die Vensys Elektro-
technik GmbH, Frequenzumrichter, Niederspannungsverteilungen und
Pitchsysteme für die Vensys-Windmühlen.
Neben der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen ver-
treibt Vensys ihr Know-how in Form von Lizenzen. Die Lizenznehmer sind
berechtigt, nach den Plänen von Vensys, Windenergieanlagen zu fertigen
und zu vertreiben. So konnten in den vergangenen Jahren die Unterneh-
men Goldwind in China, Eozen in Spanien, Regen Powertech in Indien
und Enerwind/IMPSA Wind in Brasilien als Partner von Vensys gewonnen
werden. Vensys-Windenergieanlagen finden sich damit in allen wichtigen
Wachstumsmärkten der Welt.
Hervorgegangen ist Vensys aus der 1990 gegründeten Forschungsgrup-
pe Windenergie (FGW) der Hochschule für Technik und Wirtschaft in
Saarbrücken. Die ersten 1,5-MW-Windenergieanlagen vom Typ Vensys
70/77 sind seit dem Frühjahr 2007 in Betrieb. Im September 2009 prä-
sentierte Vensys seine neu entwickelte 2,5-MW-Windkraftanlage. Bei der
Konzeption wurde auf bewährte Vensys-Technik gesetzt: Das Kernstück
der getriebelosen Windmühle ist ein direkt vom Rotor angetriebener
Synchrongenerator mit Permanentmagnettechnologie. Der Direktantrieb
ermöglicht den Verzicht auf ein störanfälliges und wartungsintensives
Getriebe. Mit dem charakteristischen Vensys-Generator-Design wird ein
Die getriebelosen Vensys-Windkraftanlagen zeichnen sich durch ihre Einfachheit und Qualität aus und liefern den Beweis, dass wenige, aber hochwertige und erprobte Komponenten genügen, um Windenergieanlagen auf dem neuesten Stand der Technik zu bauen. Mit den Anlagenserien 70, 77 und 82 bietet Vensys moderne Windmühlen im 1,5-MW-Bereich, mit unterschiedlichen Nabenhöhen und Rotordurchmessern. Ende 2010 werden Anlagen mit 2,5-MW-Leistung folgen. Basis für alle Vensys-Windkraftanlagen ist die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Bis heute wurden weltweit über 6.200 Windkraftanlagen nach Vensys-Design mit Beckhoff-Technik ausgeliefert.
Gesteuert werden die getriebelosen Vensys-
Windkraftanlagen von einem Embedded-PC
CX1020. Bis heute wurden weltweit über
6.200 Windkraftanlagen nach Vensys-Design mit
Beckhoff-Steuerungsplattform ausgeliefert.
Am Standort Diepholz baut Vensys Elektro-
technik die „Pilotserien“ der Schaltschränke
bevor die Lizenznehmer, bzw. deren Fertigungs-
partner, die Serienproduktion übernehmen.
PC-Control | Wind-Special 2010
den Embedded-PC angereiht, sodass sich PC-Technologie und modulare
I/O-Ebene zu einer Einheit verbinden.
Direkt in das Busklemmensystem integriert sind auch die Sicherheitsfunk-
tionen. Die TwinSAFE-Klemmen sind auf die verschiedenen I/O-Stationen
verteilt. Eine zentrale TwinSAFE-Logik-Klemme KL6904 fungiert als Ver-
knüpfungseinheit zwischen den sicheren Ein- und Ausgangsklemmen. Die
Logik-Klemme integriert Sicherheitsfunktionsbausteine, die entsprechend
konfiguriert werden. In den Vensys-Windkraftanlagen sind u. a. das
Überdrehzahl-Relais, der Vibrationssensor und die Notaustaster in den
Sicherheitskreis eingebunden.
Robert Müller, Windkraftexperte aus der Beckhoff-Niederlassung in
Lübeck, erläutert die Vorteile der integrierten Sicherheitstechnik: „Durch
die Verschmelzung der Standard- und Safety-I/Os in einem System
wird die Projektierung, Programmierung sowie die Verkabelung und
Diagnose deutlich vereinfacht. Die TwinSAFE-Busklemmen erlauben den
Anschluss aller gängigen Sicherheitssensoren und -aktoren. Die sichere
Kommunikation erfolgt über das TwinSAFE-Protokoll. Dieses ermöglicht,
sicherheitsrelevante Daten über beliebige Medien zu übertragen; in den
Vensys-Anlagen werden die sicheren Signale über PROFIBUS getunnelt.“
Mit dem Einsatz der TwinSAFE-Technologie entfällt auch die gesamte, für
die traditionell hart-verdrahtete Sicherheitskette erforderliche, vieladrige
Kupferverkabelung zwischen Gondel und Turmfuß. Die Sicherheitskette
wird praktisch über den, für die Automatisierung der Anlage vorhande-
nen, Lichtwellenleiter geführt.
Kompakte Pitch-Controller und flexible
IEC-61131-Programmierung
Die Pitch-Controller sind über Schleifringe mit PROFIBUS angekoppelt.
Pro Rotorblatt ist ein Beckhoff Busklemmen-Controller BX3100 mit di-
versen Busklemmen im Einsatz. Die Pitch-Box, bzw. der darin installierte
Controller sammelt und analysiert die Umgebungsdaten eigenständig,
entscheidet selbständig und kommuniziert mit den anderen Pitch-Boxen,
um die eingeleiteten Aktionen zu koordinieren. Zugleich werden die
Daten an den Embedded-PC in der Gondel übertragen. Die Rotorblätter
werden über außenliegende Zahnriemen gepitcht – eine firmenintern
entwickelte Lösung, auf die die Vensys-Entwickler stolz sind.
Schlanke Steuerungsarchitektur integriert
Standard- und Safety-I/Os in einem System
Dem Vensys-Anlagendesign, das auf wenigen Komponenten beruht,
entspricht das „schlanke“ Beckhoff-Steuerungskonzept mit nur einem
PC (siehe Topologiegrafik). Leitrechner ist ein Beckhoff Embedded-PC des
Typs CX1020. An ihn sind – via PROFIBUS – zwei Busklemmenstationen
im Turmfuß, zwei Stationen in der Gondel sowie die Pitch-Controller in
der Nabe angebunden. Der zentrale Embedded-PC sammelt und verar-
beitet die Daten aus Betriebsführung und Pitch-Controller, kontrolliert
die Netzeinspeisung und kommuniziert über Ethernet mit der Leitwarte.
Im Vergleich zu konventionellen Lösungen hat das PC-basierte Steue-
rungssystem von Beckhoff den Vorteil, dass nur ein PC für Steuerung und
Datenschnittstellen erforderlich ist. Die Busklemmen werden direkt an
8 cover
Betriebsführung (Gondel)
LWL
Pitch-Control
Betriebsführung (Turmfuß)
Embedded-PC CX1020 mit Busklemmen
PROIFIBUS I/O-Station (Safety integriert)
PROIFIBUS I/O-Station (Safety integriert)
Schleifring
OLM
OLM
Busklemmen Controller BC3100 (Blatt 1)
(Blatt 2)
(Blatt 3)
Steuerungstopologie der
Vensys-Windkraftanlagen
Nennleistung Rotordurchmesser
Vensys 70 1.500 kW 70 m
Vensys 77 1.500 kW 77 m
Vensys 82 1.500 kW 82 m
Vensys 90 2.500 kW 90 m
Vensys 100 2.500 kW 100 m
Hans Beckhoff, Geschäftsführer von Beckhoff,
auf der Vensys-Windmühle
PC-Control | Wind-Special 2010
„Ausschlaggebend für die Auswahl des Beckhoff-Systems waren u. a. die
Flexibilität des umfangreichen Busklemmen-Baukastens, die geringen
Baugrößen von Steuerung und I/O-Systemen, die komfortable Program-
mierung über TwinCAT und letztlich auch die geringen Systemkosten.
Darüber hinaus waren in den vergangenen Jahren kurze Reaktionszeiten
und Lösungen bei auftretenden Problemen sowie der gute Support wei-
tere Kriterien, die die Entscheidung pro Beckhoff untermauern“, erklärt
Frank Becker, Leiter Steuerungstechnik bei Vensys.
Ein weiteres Argument, bei der Entscheidung für Beckhoff als Steuerungs-
lieferanten, war die globale Aufstellung des Unternehmens in über 60
Ländern. In den wichtigen Windkraftregionen, wie z. B. in China, gibt es
Windkraftexperten in den Beckhoff-Niederlassungen vor Ort.
Goldwind vertraut auf deutsche Technologie
Der wichtigste Lizenznehmer der Vensys-Windenergieanlagen ist das
Unternehmen Goldwind Science and Technology Co Ltd., mit Sitz in
Urumqi, im Nordwesten Chinas. Die Goldwind Windenergy GmbH, eine
deutsche Tochter von Goldwind, ist seit April 2008, mit 70 % der Antei-
le, Hauptgesellschafter der Vensys Energy AG. Goldwind hat sich zum
Branchenprimus unter den chinesischen Windenergieanlagenherstellern
entwickelt und ist weiter voll auf Wachstumskurs.
Zu den Hauptgeschäftsfeldern von Goldwind gehören die Entwicklung
sowie die Herstellung und der Verkauf von Windkraftanlagen. Goldwind
bietet aber auch umfassenden technischen Service sowie Beratung
beim Bau und Betrieb von Windkraftanlagen für Windparkbetreiber und
Investoren an. Derzeit sind in China bereits über 6.000 Windmühlen von
Goldwind in Betrieb. U. a. lieferte Goldwind Windkraftanlagen für den
Olympiapark nahe Peking, der speziell für die olympischen Sommerspiele
2008 errichtet wurde. Aber auch auf dem internationalen Windener-
giemarkt ist das Unternehmen erfolgreich: Im Februar 2010 wurden
im UILK-Windpark in Minnesota (USA) die ersten vernetzten 1,5-MW-
Windkraftanlagen in Betrieb genommen.
„Goldwind und Beckhoff verbindet bereits eine jahrelange, erfolgrei-
che Zusammenarbeit“, stellt Dr. Yuwen Bo, stellvertretender Leiter des
9 cover
Windenergie-Technologiezentrums von Goldwind, fest: „Beckhoff hat
tiefgehendes Know-how in der Windkraftindustrie und ist in der Lage,
komplette Systemlösungen zu liefern. PC-Control bietet uns außerdem
ein hohes Maß an Flexibilität beim Programmieren und erleichtert so die
Überarbeitung des Steuerungssystems, entsprechend den applikations-
oder kundenspezifischen Anforderungen.“
Die zunehmenden Anforderungen an die Effizienz und die Energieaus-
beute haben ein starkes Wachstum auf dem Gebiet leistungsstarker
Windkraftanlagen zur Folge: 1,5-MW-Anlagen sind derzeit in China der
Standard. Bei der Produktion der 2,5-MW-Anlagen, die Ende des Jahres
anläuft, wird Goldwind, anstelle von PROFIBUS, EtherCAT als Kommuni-
kationssystem einsetzen.
„Der Steuerungsalgorithmus der Anlagen wird immer komplexer“, stellt
Dr. Yuwen Bo fest: „Um schwierigen geographischen bzw. klimatischen
Bedingungen und wechselnden Anforderungen gerecht zu werden, muss
das Leistungsvermögen der Hauptsteuerung – die quasi das Gehirn der
Windmühle darstellt – ‚mitwachsen’ können.“ Die Embedded-PCs von
Beckhoff sind in der Lage, sehr komplexe Algorithmen zu verarbeiten,
wodurch die gesamte Steuerung der Windkraftanlagen auf einer einheit-
lichen Plattform ablaufen kann.
Vensys Energy AG www.vensys.de
Goldwind Science and Technology Co Ltd. www.goldwind.cn
Goldwind International www.goldwindglobal.com
Dirk Kordtomeikel, Branchenmanager Windkraft
bei Beckhoff, und Nicole Grote, Einkaufsleiterin
Vensys Elektrotechnik, auf der Windmühle.
Der Guanting-Windpark mit Goldwind-Anlagen ist in der
Nähe von Peking, ca. 460 bis 479 m über dem Meeresspiegel,
gelegen und hat eine Ausdehnung von 6 x 14 km. Der hier
installierte Umfang an Windkraftleistung beträgt 155 MW.
Gegenwärtig befindet sich der Guanting-Windpark II
mit einem Leistungsumfang von 50 MW im Bau.
PC-Control | Wind-Special 2010
Die 2004 gegründete Avantis Group ist weltweit aktiv und über Tochter-
gesellschaften in Asien, USA/Kanada, Brasilien und Europa tätig. Neben
der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen ist Avantis
Dienstleister u. a. in den Bereichen Service/Wartung, Planungssupport,
Standortevaluierung und Investor-Relation-Management. 2004 begann
Avantis mit der Entwicklung eines eigenständigen Anlagenkonzeptes;
fünf Jahre später wurde die erste 2,5-MW-Anlage in Beihai, in Südchina,
in Betrieb genommen. Nachdem die Tests mehr als zufriedenstellend ver-
liefen, startete 2010 die Serienfertigung in China. Die jährliche Produkti-
onskapazität am Standort Beihai ist für 300 bis 400 Turbinen ausgelegt.
Wassergekühlte Generatoren und Umrichter sorgen für
verbesserte Leistung und erhöhte Betriebssicherheit
Die Windkraftanlagen von Avantis zeichnen sich durch einen eigens ent-
wickelten, wassergekühlten Permanentmagnetgenerator mit sehr hoher
Effizienz sowie einen wassergekühlten Umrichter aus. Die Konzeption
und das modulare Design ermöglichen die Auslegung der Anlagen für
Die Windenergie ist den Kinderschuhen entwachsen und verändert sich rasend schnell: Neue Konzepte, neue Unternehmen und neue Erfolgsgeschichten tau-chen auf. Die Avantis Group, in Europa vertreten durch die Avantis Europe GmbH, mit Firmensitz in Hamburg, gehört zu den Newcomern auf dem internationalen Windenergiemarkt. Das Unternehmen entwickelt, pro-duziert und verkauft getriebelose Windenergieanlagen mit einer Leistung von 2,3 bis 3,5 MW und überzeugt dabei nicht nur durch modernste Technologie, sondern auch durch Ästhetik. Designer Luigi Colani, entwarf die Gondel der Avantis-Windmühle. Eine PC- und EtherCAT-basierte Steuerungsplattform macht die Windkraftanla-gen zu einem Hightech-Produkt.
Innovative Technologie trifft auf modernes Design
Avantis sorgt mit getriebelosen Windkraftanlagen für
höhere Effizienz und verbesserte Betriebssicherheit
10 worldwide | germany
PC-Control | Wind-Special 2010
unterschiedliche klimatische Verhältnisse und Standortbedingungen.
So ist die AV 928, eine Windmühle mit 2,5-MW-Leistung, einem Rotor-
durchmesser von etwas mehr als 93 Metern und einer Nabenhöhe von
80 Metern, für Windgeschwindigkeiten entsprechend der IEC-IIa-Norm
zugelassen. Die größere „Schwesteranlage“ AV 927, mit einer Leistung
von 3,5 MW, ist nach IEC Ia, das heißt für Sturmstärken in Höhe eines
Typhoons, ausgelegt und im Offshorebereich einsetzbar. Die nächste
Anlagengeneration von Avantis, die AV 1010, mit leicht modifiziertem
Generator und größeren Blättern (49 m), ist eine Turbine der Klasse III,
mit einer Leistung von 2,3 MW. Anlagen der Leistungsklassen von 5 bis
6 MW sind bei Avantis bereits in Planung. Das Antriebsstrangkonzept der
AV-Windkraftanlagenbaureihen erlaubt die Integration von Generatoren
verschiedener Größe, ohne dass zusätzliche mechanische Belastungen
der Komponenten auftreten. Viele Komponenten bleiben innerhalb der
gesamten Baureihe unverändert, was zu geringeren Produktions- und
Lagerhaltungskosten führt.
Durch die Wasserkühlung der Umrichter in der Gondel wird ein Überdruck
erzeugt, der eine hermetische Kapselung der Anlage bewirkt und verhin-
dert, dass Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit eindringen. Dadurch sind die
Windkraftanlagen für den Einsatz in extremen Trockengebieten (Wüste)
ebenso geeignet wie für den Offshorebereich.
11 worldwide | germany
2004 begann Avantis mit der Entwicklung
eines eigenständigen Anlagenkonzeptes; fünf
Jahre später wurde die erste 2,5-MW-Anlage
in Beihai, in Südchina, in Betrieb genommen.
PC-Control | Wind-Special 2010
CX1020 mit der Automatisierungssoftware TwinCAT, die neben der Steu-
erung der Anlage auch die Überwachung und Ansteuerung der Subsyste-
me, wie Getriebe oder Kühlung, und die Betriebsdatenprotokollierung zur
Wartung und Diagnose integriert. EtherCAT als leistungsstarkes Kommu-
nikationssystem erlaubt die Einbindung untergeordneter Feldbusse, wie
CANopen oder PROFIBUS.
„Die Integration der Steuerungsentwicklung in das Anlagendesign erfolgt
in enger Abstimmung der Entwicklerteams von Avantis und Beckhoff“,
berichtet Klaus Bodenstein und fährt fort: „Durch die Offenlegung des
Quellcodes sind wir in der Lage, das Leitsystem an die sehr unterschied-
lichen, spezifischen Umweltbedingungen optimal anzupassen und auf
die Systemzustände der Anlage im Regelbetrieb flexibel zu reagieren.“
„Wo andere Steuerungshersteller mit Spezialhardware arbeiten, setzen
wir Standardkomponenten ein, was zu erheblich geringeren Kosten führt.
Mit der Verlagerung von Funktionalitäten in die Software geht das Know-
how an den Windkraftanlagenhersteller über. Das stellt einen weiteren,
großen Vorteil für unsere Kunden dar, indem sie selbstentwickelte Funkti-
Höhere Anlagenverfügbarkeit durch
getriebeloses Anlagendesign
Technisch ist Avantis auf dem allerneuesten Stand und mit einem großen
Erfahrungspotenzial ausgestattet. Das Anlagendesign stammt von Ger-
man Drive Systems (GDS), einem Unternehmen der Avantis-Gruppe, und
verzichtet, wie die meisten neuen Anlagenkonzepte, auf ein Getriebe. Das
Direktantriebssystem mit variabler Rotordrehzahl ermöglicht einen sehr
hohen Wirkungsgrad, insbesondere bei Teillast, unter der Windkraftanla-
gen die meiste Zeit betrieben werden.
Der geringe Generatordurchmesser von fünf Metern führt zu relativ klei-
nen Anlagendimensionen und erleichtert den Transport und die Montage.
Die Wasserkühlung des Generators erlaubt eine präzise Temperaturkont-
rolle der Permanentmagneten. Umrichter und Leitsystem sind in der Mitte
der Gondel positioniert; dadurch reduziert sich die Vibrationsbelastung,
was zu einer höheren Verfügbarkeit und zu geringeren Ausfallquoten der
Windmühlen führt.
Im Turmfuß ist lediglich der Kontrollschrank mit der Anlagenkommunika-
tion untergebracht. Optional ist die Platzierung der Leistungsschalter und
des Schaltschranks auch auf der ersten Plattform der Windmühle möglich,
was insbesondere beim Einsatz offshore geboten sein kann.
Embedded-PC als durchgängige Steuerungsplattform
Zur Entwicklung des Steuerungssystems hat Avantis sich für Beckhoff als
Lösungsanbieter entschieden. „Hardware und Software zur Steuerung
der Anlage kommen aus einer Hand und sind optimal aufeinander ab-
gestimmt“, erläutert Klaus Bodenstein, Mitbegründer von Avantis. Das
„Herz“ der Automatisierungsplattform bildet ein Beckhoff Embedded-PC
12 worldwide | germany
In der von Industriedesigner Luigi Colani entwor-
fenen, stromlinienförmigen Gondel vereinen sich
Ästhetik und Funktion in vollendeter Form. Für die
Zukunft ist auch ein neues Blattdesign geplant.
Aufbau der Avantis-AV 928, einer Windmühle mit
2,5-MW-Leistung, einem Rotordurchmesser von etwas mehr
als 93 Metern und einer Nabenhöhe von 80 Metern.
onalitäten problemlos in TwinCAT integrieren können“, so der Kommen-
tar von Dirk Kordtomeikel, Branchenmanager Windenergie, von Beckhoff.
Für die Prototypenanlage hat Beckhoff, im Auftrag von Avantis, sowohl
den Werkstatttest des Leitsystems als auch die komplette Inbetriebnahme
der Anlage im Feld durchgeführt.
Anlagendesign verbindet Ästhetik und Funktion
Einen besonderen Coup hat Avantis mit dem Gondeldesign gelandet,
in dem es „Jahrhundertdesigner“ Luigi Colani für das Design seiner
Windkraftanlagen gewinnen konnte. Industriedesigner Collani, zu dessen
Kunden so namhafte Firmen wie Ferrari gehören, hat der Gondel der
Avantis-Windmühlen eine unverwechselbare, stromlinienförmige Gestalt
gegeben. Auch beim Blattdesign arbeitet Avantis mit Colani zusammen.
Spätestens in zwei Jahren will man mit einem neuen revolutionären
Blattkonzept am Markt auftreten.
Avantis Europe GmbH www.avantis-energy.com
13 worldwide | germany
Die Avantis-Gruppe
Zu der 2004 gegründeten Avantis-Gruppe gehören Tochter-
gesellschaften in China (Hongkong), Europa (Hamburg) und
Brasilien. Ziel der Avantis Energy ist es, in den jeweiligen
Ländern ihre in Deutschland entwickelten, getriebelosen
Windenergieanlagen und deren Key-Komponenten zu pro-
duzieren und zu vermarkten.
Seit 2009 ist Ralf Breuer, ein erfahrener Windkraftexper-
te, für Avantis Energy Ltd. als Geschäftsführer tätig und
forciert von Hamburg aus den Ausbau des europäischen
Marktes. Avantis plant seine Zukunft im großen Stil und
visiert die Märkte in Asien, USA und Europa an. Dabei tritt
das junge Unternehmen mit einem deutschen Anlagen-
design auf, ist international organisiert und arbeitet mit
Fertigungs- und Lizenzpartnern in Asien. Normalerweise
gehen europäische Industrielle den umgekehrten Weg,
aber Avantis-Mitgründer Klaus Bodenstein, der seit mehr
als dreißig Jahren in Asien tätig ist, und seit etwa zehn
Jahren im Windenergiesektor beschäftigt, will von Asien aus
in den US-amerikanischen und europäischen Markt ein-
dringen. Das ermöglicht große Fertigungskapazitäten und
sichert gleichzeitig ein stabiles, hohes Abnahmevolumen
vor Ort. Beste Bedingungen also für den wirtschaftlichen
Erfolg.
Avantis Energy hat einen Partnerschaftsvertrag zur Herstel-
lung von Windenergieanlagen mit dem südchinesischen
Unternehmen Yinhe Avantis Wind Power Co. Ltd. unter-
zeichnet und verfügt in Beihai über Fertigungskapazitäten
von ca. 400 Einheiten jährlich. Eine neue Montagehalle mit
6000 qm steht zur Verfügung ebenso wie eine Halle mit
40.000 qm zur Blattfertigung. Noch bezieht Avantis die
Rotorblätter für seine Windkraftanlagen aus Europa. Ein
eigenes Designkonzept ist aber bereits in Planung.
Montage des Permanentmagnet-
generators an der Gondel
Die Windkraftanlagen von Avantis zeichnen sich
durch einen eigens entwickelten, wassergekühlten
Permanentmagnetgenerator mit sehr hoher Effizi-
enz aus. Das Direktantriebskonzept erlaubt einen
hohen Wirkungsgrad, insbesondere bei Teillast.
14 supplier
Das zeigt sich nicht zuletzt bei der neuesten Entwicklung von Moog, dem
Servoregler PITCHmaster® II +. Ein integrierter Beschleunigungssensor
liefert Messwerte über Rotordrehzahl, Rotorlage und Vibrationen und
sorgt für eine optimale Steuerung. Das elektrische Pitchsystem ist für Ein-
satzbereiche von bis zu 3.000 Metern Aufstellhöhe vorgesehen, was weit
über dem genormten Betriebshöhenbereich üblicher elektrischer Systeme
und damit auch Pitchsysteme liegt. Moog-Pitchsysteme werden zudem
unter extremen klimatischen Bedingungen, zwischen – 30º und + 70º
Celsius getestet, um ihre Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten.
Moog bietet hydraulische und elektrische Pitchsysteme an, je nach
Philosophie und Konzept des Herstellers der Windkraftanlage. Hohe
Schock- und Vibrationsfestigkeit sind ebenso gewährleistet wie die Not-
fallsicherheit, die im Störfall durch die Unabhängigkeit der Pitchboxen
von der Hauptsteuerung der Anlage und durch eine unabhängige Strom-
versorgung, bereitgestellt aus den Pitchakkumulatoren, gewährleistet ist.
Moog installiert in seinen Pitchsystemen die Beckhoff Embedded-PCs
CX9000 oder CX1010. Die Modularität des CX-Systems hat letztendlich
den Ausschlag für Beckhoff gegeben. Die Unterstützung aller am Markt
gängigen Feldbussysteme, sowohl als Master als auch als Slave, und
die feine Granularität der Busklemmen ermöglichen Moog die kunden-
spezifische Anpassung seiner Pitchsysteme. Als besonderes Highlight
ist, laut Bernd Franzak, Leiter Konstruktion der Moog Unna GmbH, die
Leistungsmessklemme (KL3403/EL3403) zu sehen, welche auf kosten-
günstige Weise die Überwachung der Akkumulatoren oder auch der
Doppelschicht-Kondensatoren ermöglicht.
Bei einigen Kunden kommt auch ein Beckhoff Panel-PC CP6008 mit
TwinCAT HMI zum Einsatz, der dem Inbetriebnehmer, bzw. Instandhalter
auf sehr komfortable Weise erlaubt, das Pitchsystem in der Nabe zu
bedienen.
Moog www.moog.com/wind
Die rauen Betriebsbedingungen, unter denen Pitchsysteme zum Einsatz
kommen, prägen deren Technologie. Sie sind für die Windkraftanlage
Steuerung und Notfallsystem zugleich. Die Anforderungen an Pitchsyste-
me wachsen zunehmend. Mit dem Größenwachstum von Windenergie-
anlagen, die mittlerweile in Dimensionen jenseits der 5 MW vorstoßen,
kommen ebenfalls neue technologische Herausforderungen auf die
Pitchsysteme zu.
Elektro-Pitche, d. h. elektrische Blattverstellsysteme, finden sich heutzutage in mehr
als 80 % aller großen Windturbinen. Da das Pitchsystem einen wesentlichen Anteil am
Sicherheitskonzept einer Windturbine hat, muss es unabhängig und ausfallsicher seinen
Dienst tun. Um dies zu gewährleisten, verfügt das System über elektrische Puffer und
ein eigenes Steuerungssystem, um im Ernstfall die Blätter aus dem Wind zu drehen.
In der Folge werden zwei sehr interessante Systeme unterschiedlicher Architektur – und
mit entsprechend unterschiedlichen – vorgestellt.
Zulieferer Pitchsysteme
PC-Control | Wind-Special 2010
Moog ist ein bekannter Name in der Antriebs- und Regelungstechnik. 1951 gegründet, hat das Unternehmen heute mehr als 10.000 Mitarbei-ter in 25 Ländern. Das Kerngeschäft ist die Entwicklung und Herstellung leistungsfähiger Antriebslösungen. Für die Windenergietechnik stellt Moog pro Jahr ca. 2.000 Pitchsysteme her. Beckhoff gehört zu den Hauptlieferanten und liefert dafür die Steuerungsrechner sowie die EtherCAT-Klemmen.
pitch
Schnelle EtherCAT-Kommunikation für Pitchsysteme
Moog
Die Steuerung des Pitchsystems über-
nimmt ein Beckhoff Embedded-PC CX
mit EtherCAT-Klemmen.
15 supplier
leich sind. Die Systeme werden nicht nur als standardisierte Lösungen
angeboten, sondern auch in enger Zusammenarbeit mit den Entwicklern
der Windkraftanlage als kundenspezifische Versionen konzipiert. Das er-
laubt spezifische Kundenlösungen auf modularer Basis. Die so erarbeitete
Lösung wird dann von den Kunden (wie z. B Goldwind, Vensys, Guodian
United Power oder Winwind) selbst mit Hilfe der Atech- und Beckhoff-
Komponenten produziert.
Zur Steuerung und Regelung des Blattwinkels stehen verschiedene
Beckhoff Embedded-CPU zur Verfügung. Allen gemein ist eine PROFIBUS-
Slaveschnittstelle zur Anbindung an die Hauptsteuerung. Der PROFIBUS
wird über einen Schleifring mit der Gondel verbunden. Die neueren
Konzeptionen zeichnen sich durch eine CANopen-Kommunikation zu den
verwendeten Leistungsteilen und Ladegeräten aus, dadurch wird das
ganze System noch kompakter. Das CX9000-System bietet ein besonders
einfach zu bedienendes Webinterface zur Inbetriebnahme.
Atech www.atech-antriebstechnik.de
Pitchsysteme sind großen Belastungen ausgesetzt und müssen als Si-
cherheitssysteme jederzeit funktionsfähig bleiben. Mit ihnen wird nicht
nur die Rotordrehzahl präzise dem Windangebot angepasst, sondern im
Extremfall werden auch die Pitchsysteme als Notfallbremse eingesetzt.
Redundanz, Wartungsarmut und hohe Belastbarkeit sind deshalb zentrale
Anforderungen – gerade unter den extremen Umgebungsbedingungen,
unter denen Windenergieanlagen betrieben werden.
Atech setzt auf elektrische Pitchsysteme, wie es für einen Hersteller, der
aus der Antriebs- und Akkumulatorentechnik kommt, naheliegt. Zudem
pflegt das Unternehmen seit Jahrzehnten eine enge Entwicklungskoope-
ration mit der italienischen ZAPI-Gruppe, die in der Emilia-Romagna
angesiedelt ist.
Das Atech-Konzept basiert auf der Niederspannungstechnik. Alle Systeme
werden für Versorgungsspannungen zwischen 45 und 100 Volt angebo-
ten. Die Systeme selbst sind für Windkraftanlagen der Leistungsklassen
zwischen 1 und 6 MW ausgelegt. Optional werden die Pitchsysteme
mit wartungsfreien, ladezyklenunabhängigen Kondensatoren, die der
Blattverstellung bei Stromausfall die notwendige Leistung zur Verfügung
stellen, angeboten.
Bei der Entwicklung von Atech-Pitschsystemen finden nicht nur die wind-
spezifischen Bedingungen, sondern auch die besonderen Bedingungen
des allgemeinen automotiven Einsatzes spezielle Berücksichtigung:
Extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen, hohe Schock- und
Vibrationsfestigkeit zeichnen Atech-Systeme aus. In der Qualität der Pro-
dukte kommt die langjährige Erfahrung zum Ausdruck.
Atech setzt auf eine kompakte Bauweise. Pro Anlage kommen nur drei
Pitchboxen zum Einsatz, für jedes Blatt eine – die zudem 100 % baug-
Atech Antriebstechnik baut Pitchsysteme für Windener-gieanlagen. Reduktion der Komponentenanzahl und hohe Sicherheit in der Betriebsführung zeichnen das kompromisslose Konzept aus. Beckhoff arbeitet hierfür eng mit Atech zusammen.
PC-Control | Wind-Special 2010
pitch
CX9000-System BX-System BC-System
CX9000-0001 BX3100 BC3150
EL5001 KL5001 KL5001
EL9011 KL9010 KL9010
EL6731-0010 KL1809 KL1104
EL6751 KL2809 KL2408
EL3204 KL3204 KL3404
EL1809 KL9010 KL4001
EL2809 KL9010
Kompakte Pitchsysteme mit offener Steuerungstechnik
Atech
Zur Steuerung und Regelung der
Pitchbox setzt Atech auf verschie-
dene Beckhoff Embedded-CPU.
Sicherheit ist ein großes Thema bei Windenergiesystemen; die präzise Kontrolle der Anlagen-
performance in allen denkbaren Situationen ist einhohes Gut. Bremssysteme haben sich
deshalb in der Windenergie zu komplexen,„intelligenten“ Subsystemen entwickelt, die mit
der Gesamtanlage und deren Hauptsteuerung zusammenwirken. Beckhoff bietet für Brems-
systeme kompakte Steuerungslösungen als Embedded-PC oder Busklemmen Controller.
Zulieferer Bremsen
16 supplier
kontrollierter und präzise gesteuerter, gleichmäßiger Bremsprozess, der
für die gesamte Anlage ebenso schonend ist, wie für das Bremssystem
und seine mechanischen Komponenten. Der SOBO®-Controller kann in
seinem Bremsverhalten auf den individuellen Windkraftanlagentyp exakt
angepasst werden.
Beckhoff liefert für den SOBO®-Controller die erforderliche Hardware,
deren Flexibilität die vielseitige Verwendung des Controllers sichert –
auch außerhalb der Windenergiebranche, wie z. B. bei Kränen und För-
derbändern. Zum Einsatz kommen ein Busklemmen Controller der Serie
BX (BX8000), diverse Busklemmen, samt Inkremental-Encoder-Klemme
zur Erfassung der Geschwindigkeit der Hauptwelle, sowie die flexible Au-
tomatisierungssoftware TwinCAT. Diese vereinfacht die Kommunikation
mit dem übergeordneten Automatisierungssystem, insbesondere, wenn
bei diesem ebenfalls die Automatisierungsplattform von Beckhoff zum
Einsatz kommt, wie es bei vielen Windkraftanlagen der Fall ist.
Svendborg Brakes www.svendborg-brakes.com
Das aus Dänemark stammende Unternehmen, welches heute internatio-
nal agiert und global aufgestellt ist, liefert Azimut-, Rotor-, und Sicher-
heitsbremssysteme sowie Rotorlocksysteme. Die gelieferten Systeme
werden vorrangig zum Abbremsen des Rotors – je nach Konzept auf der
schnellen oder langsamen Welle – und dessen Arretierung eingesetzt.
Die präzise Ausrichtung bzw. Fixierung des Maschinenhauses zur Wind-
richtung und die Stabilisierung des Azimutsystems werden durch die
Azimutbremsen gewährleistet. Die Lasten, die das Bremssystem dabei zu
bewältigen hat, sind enorm. Im Zusammenspiel zwischen der aerodyna-
mischen Bremse durch Blattverstellung und aktiver mechanischer Bremse
sind aber alle Anlagengrößen, bis hin zur Multimegawattklasse, sicher zu
meistern. Hierfür ist, neben geeigneten Belagmaterialien und einem be-
lastungsfähigen mechanischen Konzept, die Steuerung der Bremssysteme
ein entscheidender Faktor.
Dafür wird von Svendborg ein eigener Controller SOBO®-Control (Soft
Braking Option, eventuell mit „fault-ride-through“-Funktion) einge-
setzt, der die Hydraulikeinheit der Bremssysteme steuert. Ziel ist ein
PC-Control für SOBO®-Controller
PC-Control | Wind-Special 2010
Svendborg Brakes ist einer der bekanntesten Hersteller von Bremssyste-men für Windkraftanlagen und geht den Weg dieser Branche zu immer leistungsfähigeren und intelligenteren Systemen mit. Beckhoff liefert die Hardware für Svendborg Brakes SOBO®-Controller.
brakes
Svendborg Brakes
17 supplierPC-Control | Wind-Special 2010
brakes
Die präzise Kontrolle der Anlagenperformance in allen denkbaren Situationen
ist ein großes Thema bei Windenergiesystemen. Daher haben sich Brems-
systeme zu komplexen, „intelligenten“ Subsystemen entwickelt, die mit der
Gesamtanlage und deren Hauptsteuerung zusammenwirken.
Das hydraulische Bremssystem BSAK3000, das durch den von Svendborg
entwickelten Controller SOBO®-Control gesteuert wird, ermöglicht einen
kontrollierten und präzise gesteuerten Bremsprozess. Das System kann eine
Anpresskraft von bis zu 55.000 N erzeugen.
PC-Control | Wind-Special 2010 18 worldwide | finland
Im Verlaufe seines zehnjährigen Bestehens hat sich die finnische Winwind Oy zu einem international anerkannten Windkraftan-lagenhersteller und Anbieter von Windenergielösungen entwickelt. Schlüssel des Erfolgs war die Entwicklung einer innovativen 3-MW-Windkraftanlage mit Permanentmagnettechnologie, die den herkömmlichen, bis dahin marktbeherrschenden, Technologi-en überlegen war. Zur Steuerung seiner 3-MW-Windmühlen nutzt Winwind die PC- und EtherCAT-basierte Automatisierungsplatt-form von Beckhoff, die die Integration von Steuerung, Visualisierung und Datenhaltung auf nur einem PC ermöglicht.
Winwind: EtherCAT wird zum Hauptkommunikationssystem
Wartungsfreundliche 3-MW-Windkraftanlagen auf
Basis innovativer Permanentmagnettechnologie
PC-Control | Wind-Special 2010 19 worldwide | finland
Von der Pilot-Windkraftanlage zur Serienfertigung
Die erste, von Winwind gebaute Windkraftanlage hatte eine Leistung von
1 MW, auch wenn bereits zu diesem Zeitpunkt klar war, dass zukünftig
größere Windkraftanlagen erforderlich sein würden. 2004 begann das
Unternehmen mit der Entwicklung der 3-MW-Version auf Basis einer
Beckhoff-Automatisierungsplattform; seit 2006 produziert Winwind diese
Anlagen in Serie.
In seinen 3-MW-Windkraftanlagen setzt Winwind die Multibrid-basierte
Technologie ein. Hierbei ist der Stator des Permanentmagnetgenerators
Bei der Entwicklung seiner Windkraftanlagen bündelt Winwind lang-
jähriges Windenergie-Know-how mit weitreichender Kompetenz in der
Komponentenfertigung. Das ehrgeizige Ziel, effiziente, zuverlässige und
wartungsfreundliche Windkraftanlagen mit einer langen Betriebsdauer
und einer hohen Rendite über den gesamten Lebenszyklus zu entwickeln,
hat Winwind in seiner zehnjährigen Unternehmensgeschichte erreicht: In
zahlreichen Windparks in Europa und in Indien sind die 1- und 3-MW-
Windkraftanlagen im Einsatz. Ihre Mindestbetriebsdauer ist auf 20 Jahre
ausgelegt.
Die Windkraftanlagen von Winwind sind
für den Betrieb unter den widrigsten
Witterungsbedingungen, vom arktischen
Frost bis zur tro pischen Wüste, konzipiert.
Seit seiner Gründung im Jahr 2000 hat sich Winwind Oy, mit Firmensitz in Espoo, in Finn-
land, von einem kleinen Unternehmen zu einem international agierenden Windkraftan-
lagenhersteller und Anbieter kompletter Windenergielösungen entwickelt.
Im Jahr 2006 übernahm die indische Siva-Gruppe die Mehrheit an Winwind; 2008 stieg
Masdar, ein Investor im Bereich erneuerbarer Energien und grüner Technologie in das
Windkraftunternehmen ein, sodass Entwicklung, Wachstum und Internationalisierung
weiter vorangetrieben werden konnten.
2009 nahm Winwind zwei hochmoderne Fertigungswerke in Betrieb: WWD-1 in Vengal, in
Indien, ist auf die Rotorblattfertigung spezialisiert. Das Montagewerk WWD-3, in Hamina,
Finnland, ist für eine Jahresproduktion von 500 MW ausgelegt. Derzeit beschäftigt der
finnische Windkraftanlagenhersteller 800 Mitarbeiter, wovon 495 außerhalb Finnlands, in
Indien und in Büros in Estland, Portugal und Schweden tätig sind.
Winwind Oy
PC-Control | Wind-Special 2010 20 worldwide | finland
Böen an. Vollumrichter und eine hochwertige Blattverstellsteuerung
garantieren einen netzfreundlichen Strom, sehr moderne Möglichkeiten
der dynamischen Netzstützung im Fehlerfall und eine umfassende Blind-
leistungsregelung.
Weltweit 270 MW installierter Windleistung
Windmühlen von Winwind stehen inzwischen in Windparks in Tschechien,
Estland, Finnland, Frankreich, Indien, Portugal und Schweden. Zu einem
der größten finnischen Kunden zählt die PVO-Innopower Oy, die in Ajos,
Kemi, einen Windpark mit einer Gesamtleistung von fast 50 MW betreibt.
Die 1-MW- und 3-MW-Windmühlen sind an Land und auf künstlich ge-
schaffenen Inseln errichtet. Trotz widrigster Witterung, etwa bei 25° unter
Null, liefern die Windmühlen zuverlässig Strom. Eine von Winwind entwi-
ckelte Lösung verhindert zuverlässig die Vereisung der Windmühle und
garantiert so den durchgängigen Betrieb unter arktischen Bedingungen.
Innovatives Anlagenkonzept trifft auf PC-Control
Die Steuerung der 3-MW-Windkraftanlagen übernimmt ein Beckhoff
CX1020 mit Windows-XP-Embedded-Betriebssystem und der Automati-
sierungssoftware TwinCAT PLC. Auf der Steuerungsplattform integriert
ist eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle, die dem An-
wender einen Überblick über den Zustand der Anlage gibt. Kimmo Kaap-
pola, Manager Automatisierung und Elektronik von Winwind, benennt
die Gründe, warum sich das Unternehmen bei der Auswahl der Steuerung
für den Beckhoff Embedded-PC entschieden hat: „Die Tatsache, dass ein
und dieselbe Steuerungsplattform nicht nur die Überwachungssteuerung
und die dynamische Regelung der Windkraftanlage übernimmt, sondern
auch als HMI und zur Datenaufzeichnung verwendet werden kann, war
für uns das ausschlaggebende Argument. Und dank der vielseitigen und
direkt im Getriebe eingebaut und bildet mit diesem eine Einheit. Das
Getriebegehäuse ist Teil der tragenden Konstruktion. Der Rotor ist auf der
Abtriebswelle des Planetengetriebes montiert, wodurch weniger bewegli-
che Teile notwendig sind als im Antriebsstrang einer Windkraftanlage mit
herkömmlichem Getriebe. Diese Technologie verbindet die Zuverlässigkeit
eines Direktantriebes mit der Kompaktheit eines traditionellen Hochge-
schwindigkeitsgetriebes. Die geringe Drehzahl, zusammen mit optimaler
mechanischer Lastregelung, gewährleistet geringe Wartungskosten, hohe
Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit, was bei den häufig in entlege-
nen Regionen angesiedelten Windparks eine wichtige Rolle spielt. Die
Anlage läuft bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten oder kurzen
Auch in Estland ist Winwind inzwischen Marktführer
in Sachen Windkraft: Alles in allem wurden in vier
Windparks Windkraftanlagen mit einer Gesamtkapa-
zität von mehr als 100 MW installiert. Der erste Wind-
park war der Viru-Nigula Tuulepark, der aus acht
3-MW-Windkraftanlagen besteht, die schlüsselfertig
geliefert wurden, d. h. Winwind lieferte nicht nur die
Windkraftanlagen, sondern erledigte auch alle bau-
lichen und elektrischen Arbeiten. Der Aulepa-Wind-
park ist mit seinen dreizehn 3-MW-Windkraftanlagen
der größte Windpark in den baltischen Staaten. Nach
Beendigung der zweiten Ausbaustufe wird er über
eine Gesamtkapazität von 48 MW verfügen und
jährlich 123 GWh Strom erzeugen. Damit kann der
jährliche Strombedarf von 43.000 Haushalten abge-
deckt und die jährliche CO2-Emission um 120.000 t
verringert werden.
Zu einem der größten Kunden
von Winwind in Finnland zählt
die PVO-Innopower Oy, die
in Ajos, Kemi, einen Windpark
mit einer Gesamtleistung von
fast 50 MW betreibt.
PC-Control | Wind-Special 2010 21 worldwide | finland
Die Vollumrichter von ABB für Windkraftanlagen bieten dem
Anlagenhersteller eine leistungsstarke, zuverlässige Lösung,
die dem Anspruch einer hohen Lebensdauer und einfachen
Wartung gerecht wird. Aufgrund ihrer Modularität eignen
sich die ABB-Umrichter für die Gondel- oder Turminstallation
und sind für den Betrieb mit allen derzeit gängigen Gene-
ratoren geeignet. Das Umrichtersystem liefert nicht nur die
gewünschte Stromfrequenz und -spannung, sondern unter-
stützt schwache Netze durch die Einspeisung bzw. Aufnahme
von Blindleistungen. So kann die Windkraftanlage an ihrem
optimalen Betriebspunkt betrieben und die Energie mit hoher
Effizienz ins Stromnetz gespeist werden.
Winwind setzt in seinen 1-MW-Windturbinen auf Nieder-
spannungsumrichter und in seinen 3-MW-Anlagen auf Mittel-
spannungsumrichter von ABB. In einer 1-MW-Prototypanlage
hat Winwind jetzt erfolgreich die Anbindung des Umrichters
über EtherCAT getestet und damit die altgediente Canopen-
Feldbuslösung ersetzt. Die Vorteile der EtherCAT-Anbindung
für den Anlagenhersteller liegen auf der Hand: Er benötigt
kein Subbussystem mehr sodass die entsprechende Masteran-
bindung entfällt; das System ist schneller und die Steuerungs-
architektur schlanker.
Die optionale Kühlung der Umrichter durch Luft oder Flüs-
sigkeit erlaubt die optimale Anpassung der Windkraftanlage
an die je unterschiedlichen Standortbedingungen und klima-
tischen Verhältnisse. Die flüssigkeitsgekühlten Umrichter, mit
vollkommen geschlossenen Schaltschränken, sind für den
Be trieb unter sehr rauen Umgebungsbedingungen, wie z. B.
im Offshorebereich oder in der Wüste, konzipiert. Die Flüs-
sigkeitskühlung hat aber noch weitere Vorteile: Angesichts
der steigenden Leistung der Generatoren in Windkraftanlagen
ermöglicht sie, dass mehr Leistung innerhalb des gleichen
Schrankvolumens erzeugt werden kann: Sie beseitigt die Wär-
meverluste des Umrichters und verhindert damit ein Aufheizen
der umgebenden Anlagenausstattung und -elektronik.
In der Regel sind Windkraftanlagen mit einer eingebauten
Überwachungseinheit ausgestattet. Zusätzliche Daten zur Aus-
wertung von Fehlerzuständen oder zur Analyse der Turbinenleis-
tung kann der Umrichter liefern. ABB bietet eine Fernüberwa-
chung, die dem Windparkbetreiber einen direkten Zugriff auf
den Umrichter ermöglicht, sodass er auf Daten, wie Gleich- und
Wechselstromspannung, Leistung, Blindleistung, Temperatur
und Geschwindigkeit zugreifen kann.
ABB-Umrichtersysteme mit EtherCAT-Anbindung
leistungsstarken TwinCAT-ADS-Kommunikation ist es möglich, dieselbe
HMI-Schnittstelle innerhalb der Windparks zu verwenden, um die Verbin-
dung aller Windkraftanlagen mit der Parksteuerung herzustellen. Zudem
vereinfacht die Verwendung der ADS-Kommunikation die Datenaufzeich-
nung der verschiedenen Windkraftanlagen innerhalb des Windparks
beträchtlich.“
EtherCAT als Rückgrat der Steuerung
Winwind verwendet EtherCAT als Hauptkommunikationssystem für seine
Windkraftanlagen. Das schnelle Bussystem bietet, neben seiner hohen
Performance, ein großes Maß an Flexibilität. Mit dem EtherCAT-Koppler
EK1501, sowie der Abzweigklemme EK1521 für das Beckhoff EtherCAT-
Klemmensystem, sind flexible Topologien auch mit Glasfaserphysik
möglich, sodass sich die Kommunikation zwischen Turmfuß und Gondel
kostengünstig realisieren lässt.
„Darüber hinaus war die Möglichkeit der Integration anderer Bussyste-
me, wie CANopen, über Gateway-Klemmen in das EtherCAT-I/O-System,
ausschlaggebend bei der Entscheidung für die Beckhoff-Steuerungsplatt-
form“, stellt Kimmo Kaappola fest. „EtherCAT lässt sich außerdem – im
Vergleich zu den traditionellen Bussystemen – sehr gut zu Diagnose-
zwecke nutzen. Weil im Bereich der Windkraftanlagen immer mehr
Hersteller EtherCAT-Schnittstellen anbieten, sind wir möglicherweise auf
dem Weg hin zu einer einzigen Buslösung. Das macht die Windkraftan-
lagensteuerung einfacher und robuster.“ Eine der jüngsten Entwicklun-
gen bei Winwind besteht in der Integration von ABB-Umrichtern in den
EtherCAT-Feldbus.
Winwind Oy www.winwind.com
Beckhoff Finnland www.beckhoff.fi
PC-Control | Wind-Special 2010
Der ständig wachsende Anteil der Windkraft an der Stromerzeugung stellt immer größere
Anforderungen an die Netze. Während in früheren Zeiten die Energieversorger bei Netz-
problemen die Windturbinen vom Netz nahmen, müssen diese heute das Netz stützen.
Die entscheidende Rolle spielen dabei die Umrichter. Mit Hilfe von schneller und flexibler
Beckhoff-Technologie werden die Hersteller von Umrichtersystemen dieser Aufgabe gerecht.
22 supplier
das Unternehmen seinen Kunden jedoch jede gewünschte Kommunika-
tionsschnittstelle anbieten: PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, RS485 usw.
Es wird projektspezifisch einfach der geeignete Kommunikationsmaster
aus dem modularen EtherCAT-Klemmen-Baukastensystem gewählt und
implementiert. Bei Verwendung der Beckhoff-Embedded-PCs CX9000
oder CX1010 kann auch Modbus TCP direkt, ohne Einsatz eines separa-
ten Kommunikationsmasters, als Gateway zu übergeordneten Systemen
genutzt werden. Dadurch vereinfacht sich die Kommunikation zwischen
Umrichtereinheit und Turbinensteuerung erheblich, bei gleichzeitiger
Reduzierung der für die Kommunikation erforderlichen Komponenten.
Wenn die Turbinensteuerung, wie in vielen Fällen, ebenfalls von Beckhoff
stammt, ist die Anbindung der Betriebsführung auch über EtherCAT oder
Realtime-Ethernet möglich.
Integrierte Datenaufzeichnung
Neben der Funktion als Kommunikationsschnittstelle dienen die Em-
bedded-PCs auch zur Protokollierung aller erforderlichen Prozessdaten.
Über analoge EtherCAT-Klemmen kann das System auch noch die Tem-
peratur überwachen und protokollieren. Über die USB-Schnittstelle des
Embedded-PCs steht eine nahezu unbegrenzte Speicherkapazität für die
Datenaufzeichnung bereit.
The Switch www.theswitch.com
Beckhoff Automation Oy www.beckhoff.fi
„The Switch“ entstand im Dezember 2006 durch die Fusion der drei
Unternehmen, Rotatek Finland, Verteco und Youtility; 25 Jahre gewach-
senes Experten-Know-how floss auf diese Weise zusammen. Neben
dem Firmensitz in Vantaa und den Produktionsstandorten Lappeenranta
und Vaasa in Finnland, fertigt The Switch auch in Hudson, USA, und in
Lu’an and Deyang, China. 2009 brachte das Unternehmen Lösungen für
2,5-MW-Schnellläufer, für 1,25-MW-Turbinen mit mittleren Drehzahlen
und für eine 1,5-MW-Direktantriebslösung auf den Markt. Die Produk-
tionskapazität für Generatoren und Umrichter beträgt derzeit 5,5 GW.
The Switch bietet eine große Auswahl an Standard- und kundenspezi-
fischen getriebelosen Antriebssystemen, bestehend aus einem Perma-
nentmagnetgenerator (PMG) und einem Vollumrichter (FPC, Full Power
Converter). Sie stellen eine Direktantriebslösung dar, die den Rotor der
Windkraftanlage direkt mit dem Generator verbindet und ein Getriebe
überflüssig macht. Die Folge ist eine verbesserte Zuverlässigkeit und
Verfügbarkeit sowie eine vereinfachte Wartung über den gesamten
Lebenszyklus der Windkraftanlage hinweg. Die Technik garantiert auch
die Einhaltung zukünftiger Netzverträglichkeitsanforderungen durch
Bereitstellung netzunterstützender Funktionen.
EtherCAT schafft Kommunikationsfreiheit
Bei der Belieferung seiner Kunden mit Generator-Umrichter-Einheiten sah
sich The Switch mit unterschiedlichen Kundenbedürfnissen hinsichtlich
der Datenübertragung zwischen The Switch Drive™ und der Anlagensteue-
rung konfrontiert. Durch den Einsatz des EtherCAT-Klemmensystems kann
Die vom finnischen Windkraftanlagenzulieferer The Switch entwickelte volloptimierte Generator-Umrichter-Einheit The Switch-Drive™ bietet, neben erhöhter Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, einen hohen Wir-kungsgrad im Teillastbereich und führt damit zu höherer Energieausbeu-te. Die Steuerung des Umrichters übernimmt ein Beckhoff Embedded-PC.
umrichter
The Switch-DriveTM-Vollumrichter garantiert zuverlässigen Betrieb
The Switch
Zulieferer Umrichtersysteme
Die Permanentmagnetgeneratoren von The Switch decken alle
Windenergieanwendungen ab. Jeder PMG ist mit speziellen For-
men und Anordnungen der Magnete konstruiert, um spezifischen
Windbedingungen, in Hinblick auf problemlosen Betrieb und
maximalen Wirkungsgrad, zu entsprechen. Die direktgetriebenen,
niedertourigen PMGs arbeiten ohne Getriebe, was einen uner-
reichten Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges zur Folge hat.
PC-Control | Wind-Special 2010 23 supplier
umrichter
Die für höchste Leistungsansprüche
in der Windenergieerzeugung konzi-
pierten, robusten Vollumrichtersys-
teme von The Switch sind nahezu
unempfindlich gegenüber Störungen
bzw. Änderungen im Netz und er-
möglichen durch eine flexible Ausle-
gung der Steuerung die Anpassung
an wechselnde Betriebsbedingungen.
umrichter
24 supplier PC-Control | Wind-Special 2010
PC-basierte Steuerungen und Umrichter für Windkraftanlagen von 1,5 bis 5 MW
Enge Zusammenarbeit führt zu Synergieeffekten
Die Zusammenarbeit mit Beckhoff begann bereits im Jahr 2007. Dr. Lijun
Hou, Geschäftsführer von REE formuliert die Gründe: „Aufgrund ihres
guten Preis-Leistungsverhältnisses, ihrer vielseitigen Funktionalitäten
sowie ihrer Skalierbarkeit und Modularität eignet sich die PC-basierte
Steuerungstechnik von Beckhoff optimal, um die Anforderungen unserer
Kunden zu erfüllen.“ Derzeit setzt REE in den Hauptsteuerungen die
Embedded-PCs der Serien CX1020 und CX9001, digitale und analoge
Standard-Busklemmen, Temperaturmessklemmen und Sonderklemmen,
z.B. zur Leistungs- und Spannungsmessung oder zur Messung aller an-
deren relevanten Daten des Versorgungsnetzes, sowie Kommunikations-
klemmen ein. In den Umrichtern sind ebenfalls die Beckhofff Embedded-
PCs im Einsatz. Als Bediendisplay nutzt REE ein Beckhoff Control Panel
mit Touchscreen.
Die Entwickler von Renergy schätzen insbesondere die Programmier-
funktionalität der eingesetzten Embedded-PC-Systeme. „Der Umrichter
muss als untergeordneter Rechner eine Menge Daten auf den Zentral-
rechner hochladen, was mit den Embedded-PCs kein Problem darstellt.
Ein weiterer Vorteil ist die breite Feldbusunterstützung des Beckhoff-
Busklemmensystems, z.B. für CANopen, EtherCAT und PROFIBUS, die die
Kompatibilität zu unterschiedlichen Peripherien gewährleistet. Darüber
hinaus hat Beckhoff durch jahrelange Erfahrung in der Windenergiebran-
che umfangreiches Know-how gesammelt und ist damit nicht nur ein
kompetenter Partner in Bezug auf allgemeine Steuerungsfragen, sondern
bietet auch technische Unterstützung bei spezifischen Problemen im
Bereich der Windenergie an“, stellt Lingling Zhou, Entwicklungsleiter bei
Renergy Electric, fest. „Das ist für uns einer der Hauptgründe, warum
wir uns für Beckhoff entschieden haben. Aber auch der Service, der
technische Support und die enge Zusammenarbeit mit Beckhoff bei der
Erarbeitung applikationsspezifischer Lösungen, stellen für uns einen
großen Vorteil dar.“
Renergy Electric Tianjin Ltd www.relectric.cn/en
Beckhoff China www.beckhoff.com.cn
Renergy Electric Tianjin Ltd (REE)., mit Sitz in Tianjin, in China, hat sich
mit Komplettlösungen zur Steuerung von Windkraftanlagen einen Namen
gemacht. „Steuerungslösungen und -komponenten von REE werden
inzwischen erfolgreich in Designs der Windkraftanlagen von Aerodyn,
Shenyang University of Technology, DeWind und GH Garrad Hassan
eingesetzt. Mehr als 700 Steuerungssysteme, 500 Pitchregelungen und
100 Umrichter von REE sind inzwischen im Einsatz“, erklärt Dr. Lijun
Hou, Geschäftsführer von Renergy Electric. „Obwohl unser Unternehmen
noch recht jung ist, haben wir eine sprunghafte Entwicklung durchlebt
und hoffen, unsere Position auf dem Windenergiemarkt innerhalb der
nächsten drei bis fünf Jahre auch international ausbauen zu können.“
Alles unter Kontrolle mit innovativen Lösungen
Die enge Zusammenarbeit mit Steuerungszulieferern aus Amerika und
Europa, wie z.B. Beckhoff aus Deutschland und MLS aus den USA, ist
ausschlaggebend für den Erfolg der Highend-Produkte von REE. „Kom-
petenz und Markterfahrung in der Hochspannungsumrichter-Branche, die
in die Gründung von Renergy Electric eingeflossen sind, bilden die zweite
Säule unserer Erfolgsgeschichte“, so das Statement des Geschäftsführers.
„Wir haben bereits vor der Firmengründung im Jahre 2008 mit der For-
schungs- und Entwicklungstätigkeit begonnen.“, erklärt Dr. Lijun Hou.
„Die Hauptsteuerungen gingen im Mai 2008 in Serie, die Umrichter zogen
im Januar 2009 nach.“ Inzwischen gehören auch die Pitchregelung und
ein SCADA-Fernüberwachungssystem für Windparks zum Produktportfo-
lio von REE. Der Leistungsbereich der Steuerungen reicht von 1,5-MW- bis
zu 5-MW-Windkraftanlagen.
In den letzten Jahren hat China auf dem Gebiet der Windenergie ein starkes Wachstum zu verzeichnen, das immer mehr Investoren anzieht. Damit einhergehend findet ein harter Wettbewerb statt. Renergy Electric Tianjin Ltd (REE), ein Newcomer auf dem chinesischen Markt als Anbieter von Steuerungssystemen, Umrichtern und Pitchsystemen für Windkraftanlagen, hat es geschafft, sich durch den Einsatz PC-basierter Steuerungstechnik von Beckhoff erfolgreich zu positionieren.
Renergy Electric setzt in den Hauptsteu-
erungen die Embedded-PCs der Serien
CX1020 und CX9001, digitale und analo-
ge Standard-Busklemmen, Temperatur-
messklemmen und Sonderklemmen,
z. B. zur Leistungs- und Spannungsmes-
sung oder zur Messung aller anderen
relevanten Daten des Versorgungsnetzes,
sowie Kommunikationsklemmen ein.
Die Xiangyang Wind Farm, in der
Provinz Jilin, produziert mit 100
1,5-MW-Windmühlen 150 MW Strom.
Renergy Electric
25 productsPC-Control | Wind-Special 2010
Die Vor-Auslegung der Reglerparameter erfolgt im Rahmen der Lastenbe-
rechnung für die Windkraftanlage. Ein rechnerisches Anlagenmodel wird
hierbei in Simulationsläufen genormten Windprofilen ausgesetzt. Bei der
Auslegung des Reglers sind jedoch konkurrierende Optimierungskriterien
zu berücksichtigen. Der Optimierungsprozess kann sich daher aufwendig
und langwierig gestalten, da sich das Optimum erst durch mehrere Itera-
tionsschleifen herausarbeiten lässt. Bei diesem Optimum handelt es sich
auch lediglich um einen bestmöglichen Kompromiss.
Zusätzlich zu dieser Vor-Auslegung wird bei der Inbetriebnahme der
Anlage im Feld in der Regel eine Nachoptimierung der in der Simulation
ermittelten Parameter erforderlich. Diese kann sich als langwierig erwei-
sen, da die hierzu erforderlichen Windgeschwindigkeiten nicht auf Abruf
verfügbar sind und zudem – standortabhängig – nur zeitlich begrenzt
auftreten.
Kleine Revolution gefällig?
Im Gegensatz zu den heute für Windkraftanlagen vorwiegend einge-
setzten PID-Reglern sind Fuzzy-Regler in ihrer Grundeigenschaft bereits
nichtlineare Zustandsregler, denen eine große Robustheit nachgesagt
wird. Durch den Einsatz eines Fuzzy-Reglers für Windkraftanlagen können
mehrere Vorteile gewonnen werden:
| Verringerung des Aufwandes bei Lastenrechnung
| Minimierung des Aufwandes für die Vor-Auslegung des Reglers
| Wegfall bzw. absolute Minimierung des Nach-Optimierungsaufwan-
des im Feld
| ein Regler für verschiedene Anlagenderivate (z. B. für unterschiedliche
Rotordurchmesser oder Turmhöhen)
| Erhöhung des Energieertrages im Übergangsbereich von Teillast zu
Nennlast
| Im „Best-Case“ kann ein einmal ausgelegter Basis-Regler, ohne
weitere Anpassungen, auf beliebige Anlagen übertragen werden.
Der hierbei wirksame Regelkreis ist, vorrangig bedingt durch das aerody-
namische Verhalten der Rotorblätter, extrem nichtlinear. Daher wird bei
heutigen Windenergieanlagen der eigentliche (traditionelle) PID-Regler
durch Filter und weitere Zusatzfunktionen ergänzt.
State-of-the-Art-Auslegung der Reglerparameter
Für die Auslegung der mechanischen Konstruktion einer Windkraftanlage
sind die auf die Anlage einwirkenden (Wind-)Lasten entscheidend. Diese
bilden ein Kollektiv aus Extremlasten und Betriebsfestigkeitslasten. Ers-
tere können durch eine geschickte Betriebsführung, letztere durch eine
sorgfältige Parametrierung des Drehzahlreglers reduziert werden.
Moderne Windenergieanlagen (WEA) regeln die aus dem Wind entnommene Leistung durch die Änderung des Blattwinkels. Der Wind erzeugt an den Rotorblättern eine Auftriebskraft und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Ab einer Windgeschwindigkeit von ca.12 m/s würde die dadurch vom Rotor aufgenommene Leistung jedoch größer als die Nennleistung der WEA und muss folglich begrenzt werden. Hierzu wird, durch Verstellen der Rotorblätter, der Anströmungswinkel des Windes verändert und so die aufge-nommene Rotorleistung verringert. Robert Müller vom Beckhoff-Windteam gibt einen Überblick und Ausblick über die Technologie.
Fuzzy-Regler revolutioniert die Leistungs regelung bei Windkraftanlagen
Blattwinkel-verstellung
Beschleunigung
Dreh
zahl
3 5 5 6 6 7 7
3 3 5 5 6 6 7
3 3 4 5 5 6 6
2 3 3 4 5 5 6
2 2 3 3 4 5 5
1 2 2 3 3 5 5
1
7
6
5
4
3
2
1 1 2 2 3 3 5
1 2 3 4 5 6 7
Regeln des Blattwinkel-Reglers
26 products PC-Control | Wind-Special 2010
25
20
15
10
5
050 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Pitch angle [degree]
Fuzzy Controller PID Controllert [s]
25
20
15
10
5
050 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Diese Vorteile werden allerdings nur dann praxisrelevant, wenn sie nicht
mit einer Erhöhung der Anlagenlasten erkauft werden. Können anders-
herum (quasi als Nebeneffekt) die Lasten mit einem Fuzzy-Regler sogar
verringert werden, käme dies einer kleinen Revolution für die Regelung
von Windkraftanlagen gleich.
TwinCAT integriert Fuzzy-Lösung
Unter dem Entwicklungswerkzeug TwinCAT wurde von Beckhoff ein
Fuzzy-Regler programmiert und in das Betriebsführungsprogramm einer
realen Anlage implementiert. Hierbei handelt es sich um eine 2,5 MW,
direktgetriebene Anlage, für die Beckhoff die Betriebsführung und Rege-
lung programmiert hat (siehe auch Avantis-Artikel auf Seite 10). Die Pro-
grammierung erfolgte gemäß der IEC 61131-3 in „Structured Text“. Der
Fuzzy-Regler ist unterteilt in den Fuzzy-Algorithmus selbst – bestehend
aus dem Fuzzifizierer, der Entscheidungslogik und dem Defuzzifizierer –
und der Regelbasis, definiert und parametriert über Strukturen. Zur Para-
metrierung der Eingangsgrößen werden jeweils drei Bänder für die Rotor-
drehzahl und die Rotorbeschleunigung angegeben. Die Ausgangsgrößen
werden über drei Bänder für die Blattverstellgeschwindigkeit eingestellt.
Der zugehörige Programmcode wurde in einer Bibliothek gekapselt.
Vor dem Einsatz des Fuzzy-Reglers auf der realen Anlage wurden Funk-
tionalität und Auswirkung auf die Lasten detailliert untersucht. Diese
+ Third Band
+ Second Band
+First Band
0
- First Band
- Second Band
- Third Band
n [U/min]
t [s]First Band
Second Band
Third Band
- Firs
t Ban
d
+ F
irst B
and0
- Sec
ond
Band
+Se
cond
Ban
d
- Max
imum
+ M
axim
um
- Thi
rd B
and
+ T
hird
Ban
d
4 5 61 2 3 7
1
0
low high
n [U/min]
Drehzahlbänder
Fuzzy-Mengen der Drehzahlabweichung
Sollwertvorgabe für den Blattwinkel im Vergleich Fuzzy vk PID-Controller
27 productsPC-Control | Wind-Special 2010
verhalten sich Fuzzy- und konventioneller Regler praktisch gleichwertig.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde keine Optimierung des Fuzzy-
Reglers vorgenommen. Diese wird sicherlich zu einer weiteren Ergeb-
nisverbesserung führen. Aber auch bei versuchsweise durchgeführten,
provozierend deutlichen Änderungen der Reglerparameter stellte der
Fuzzy-Regler seine Robustheit unter Beweis.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass dieser Reglertyp selbst bei
einer Grobauslegung seiner Parameter die oben genannten Erwartungen
erfüllt und sich ohne jede Einschränkung als der für Windkraftanlagen
optimale erweist.
Ausblick
Als zukünftige Erweiterungen des Fuzzy-Reglers kommen in Betracht:
Hinzufügen zusätzlicher Eingänge zur weiteren Verbesserung des Verhal-
tens. Durch die Auswertung der Windgeschwindigkeit kann zum Beispiel
eine Tendenz ermittelt und vorausschauend reagiert werden. Zusätzliche
Ausgänge können den Regler mit mehr Funktionen ausstatten und ihm
erlauben, weitgehender in den Prozess einzugreifen. Zum Beispiel kann
das Gegenmoment des Generators gezielt genutzt werden, um Einfluss
auf die Drehzahl zu nehmen. Des Weiteren ist die Kombination mit einem
neuronalen Netz, auch Neuro-Fuzzy-System genannt, denkbar, über das
die Parameter automatisch optimiert werden.
Untersuchung wurde von der WINDnovation Engineering Solutions GmbH
mit dem Softwarewerkzeug BLADED von GL Garrad-Hassan durchge-
führt. WINDnovation hatte bereits – mit dem gleichem Werkzeug – die
vollständige Lastenrechnung und die Vor-Auslegung des konventionellen
PID-Reglers für die 2,5-MW-Anlage durchgeführt. Die Ergebnisse für
beide Reglertypen sind somit uneingeschränkt vergleichbar.
Optimierte Lastenauslegung, verbesserter Energieertrag
Die Untersuchung zeigt, dass der Fuzzy-Regler in weiten Teilen mindes-
tens vergleichbare, teilweise die besseren Resultate liefert – allerdings
teilweise einhergehend mit einer deutlich höheren Verstellaktivität des
Pitchsystems. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit weichen Rotor-
drehzahl und Generatorleistung (die eigentlichen, d. h. im Vordergrund
stehenden Regelgrößen) deutlich geringer von ihren vorgegebenen Soll-
werten ab – was im Ergebnis zu einem höheren Energieertrag der Anlage
führt (bei hier vergleichbarer Verstellaktivität).
Auch bezüglich der Lasten bringt der Einsatz des Fuzzy-Reglers, über
alle Lastfälle und Anlagenkomponenten betrachtet, signifikante Verbes-
serungen. Er führt z. T. zu einer deutlichen Senkung der Betriebsfestig-
keitslasten – mit Ausnahme für den Turm. Bezogen auf die Extremlasten
Leistungskurve im Vergleich: Regelung PID-
Controller (oben) und Fuzzy-Controller (unten)
Robert Müller, Windkraft-Experte aus
dem Beckhoff-Team in Lübeck
3600.0
3200.0
2800.0
2400.0
2000.0
1600.0
1200.0
800.0
400.0
0.0
kW
m/s0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
3600.0
3200.0
2800.0
2400.0
2000.0
1600.0
1200.0
800.0
400.0
0.0
kW
m/s0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
www.beckhoff.de/wind www.pc-control.net
Special | Windkraft 2010