Selbst kleinste Verbesserungen sorgen bei Windrädern für einen deutlichen Ertragszuwachs.

Selbst kleinste Verbesserungen sorgen bei Windrädern für einen deutlichen Ertragszuwachs.NI

Ziel von Vestas war es, ein System zu entwickeln, mit dem sich das Verhalten der Rotorblätter regeln lässt. Dies hat wiederum positive Effekte auf die Effizienz der Windkraftanlagen. Die Herausforderung bestand in der Entwicklung eines Mess-, Steuer- und Regelsystems, das in den begrenzen Bauraum im Innern der Rotorblätter passt, trotz der dort herrschenden extrem rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeitet und dabei die hohen Anforderungen hinsichtlich Messraten, Regelzyklen und Datenvolumen erfüllt. Die Optimierung der Windkraftanlagen war eine Herausforderung für die Steuerungstechnik, da die schnelle und von den unmittelbaren Umgebungseinflüssen abhängige Rotorblattverstellung etliche Echtzeitmess-, -steuer- und -regelaufgaben erfordert.

Die drei Rotorblätter sollen für die präzise Blattregelung nicht nur die Daten hochauflösend erfassen, sondern auch untereinander mit 100 Hz kommunizieren. Parallel dazu sind die Daten zu einem Server im Turmsockel zu senden, wo sie visualisiert und gespeichert werden.­ ­Zudem muss das System flexibel den wechselnden Spezifikationen angepasst werden können. Es sollte auch erweiterte Algorithmen für die Messdaten in Echtzeit ausführen und auf Grundlage dieser Ergebnisse die Rotorblätter steuern. Erschwerend kam hinzu, dass die Daten aller drei Rotorblätter zur gleichen Zeit verwendet werden.

Das im Innern eines Rotorblatts installierte System, machte Phänomene zweiter und dritter Ordnung transparent und damit beherrschbar.

Das im Innern eines Rotorblatts installierte System, machte Phänomene zweiter und dritter Ordnung transparent und damit beherrschbar.NI

Systemarchitektur hat es in sich

Die Basis der Automatisierungslösung bilden CompactRIO-Systeme von National Instruments und die Designsoftware Labview. Aufgrund der aufwendigen Archi­tektur des Projekts ließ sich Vestas die Architektur vom National Instruments Gold Alliance Partner CIM Industrial Systems entwerfen und liefern. Zum Einsatz kommen mehrere Echtzeit-­Embedded-Controller NI cRIO-9025 in Verbindung mit den Erweiterungschassis NI 9144 Ethercat sowie Industrie-Controllern (NI 3110). Ein Master-Controller übernimmt die gesamte Kommunikation zwischen den verschiedenen Controllern in den Rotorblättern und dem Vestas-Controller als HUB. Die Datenerfassung erfolgt mittels der Scan-Engine-Technologie, die synchrone I/O-Updates mit Raten von bis zu 1 kHz unterstützt. Dadurch ist der Zugang zu den Daten der insgesamt sechs Ethercat-Chassis bei 100 Hz gegeben. Diese Daten werden mit derselben Rate gefiltert, skaliert und über CAN ­sowie NI-XNET an die zwei übrigen Rotor­blätter und den Master-Controller geschickt. Erhält eine Rotorblatt-Steuerung ähnliche Informationen von den anderen Rotorblättern, kann der Controller sein Rotorblatt mit einer Kombination aus Vorwärts- und PID-Regelung steuern und so den Wirkungsgrad erhöhen.

Um die bei anderen Windrädern notwendigen Modifikationen der Spezifikation schnell umsetzen zu können, entschied sich CIM für einen modularen Programmcode, sodass jede Software-Komponente innerhalb des Systems unabhängig laufen kann. Dies reduzierte nicht nur die Testzeit, sondern sorgte zudem für die Flexibilität, falls Module verändert oder entfernt werden mussten. Der Determinismus und die Parallelität des Systems ermöglichen die für die Projektausführung benötigte schnelle Zykluszeit.

Anhand der aufgezeichneten Daten, konnten bislang schwer detektierbare Phänomene der zweiten und dritten Ordnung aufgedeckt werden. Die Messwerte tragen dazu bei, die Effizienz der Windkraftanlagen weiter zu steigern.