Windkraftanlagen (WKAn) sind Quellen erneuerbarer Energie. Sie unterscheiden sich von traditionellen Quellen der Stromerzeugung in der Hinsicht, dass sie ohne Rohstoffe und ohne die Erzeugung von Abfällen auskommen und unter einer Vielzahl von Umweltbedingungen betrieben werden können: Bei 100% Luftfeuchtigkeit und Temperaturen von -40 °C bis +85 °C. Die einzige Voraussetzung ist eine hohe Windstärke. WKAn sind in der Lage, hohe Spannungen und Ströme zu erzeugen. Daher müssen die elektrischen Komponenten Überspannungen standhalten und widerstandsfähig gegen elektromagnetische Störungen durch Generatoren und Netzwerkschalter sein. Damit die WKAn betriebsbereit und -sicher bleiben, müssen die elektrischen Parameter (Strom, Spannung) kontinuierlich überwacht werden, z.B. über einen Cloud-Dienst.
Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes mit Hilfe von Windturbinen in elektrische Energie um. Eine typische WKA hat eine horizontale Achse mit einem dreiflügeligen Rotor. Der Wind dreht die Flügel und treibt über den Rotor eine langsam laufende Welle an, die die Drehung über ein Stufengetriebe auf eine schnell laufende Welle überträgt, die den Generator antreibt. Die Energiemenge, die eine Windkraftanlage erzeugt, hängt direkt von der Windgeschwindigkeit ab.
Herausforderungen und ihr Lösungskonzept
Die Aufgabe besteht in erster Linie darin, die mechanischen Bewegungen der Windturbine, die Ventile ihres hydraulischen Bremssystems, die Überwachung der Wetterdaten und die Temperaturbedingungen der Anlagen zu steuern, was ziemlich trivial ist. Das Steuergerät synchronisiert gleichzeitig die Frequenz und schaltet den Generator mit Hilfe von Leistungsthyristoren stufenlos. Dieser Prozess wird nach einem speziellen Algorithmus von einem im Steuergerät eingebauten Controller gesteuert, dessen Programm in einer unzugänglichen Firmware in einem Festwertspeicher (ROM) gespeichert ist.
Erstellung eines konzeptionellen Steuerungssystems mit Geräten der akYtec GmbH
- Mini-SPS PR200.24.4.2 – 2 Stk. von akYtec GmbH;
- Analoges Eingangsmodul MV110-8А von akYtec GmbH
- Digitales Eingangsmodul MV110-16DN von akYtec GmbH
- ME110-230.3M 3-Phasen-Leistungsmessmodul
- Steuereinheit für Thyristor und Symistor
- Gateway für den Zugriff auf den Cloud-Dienst RS485 <=> GPRS
- Cloud-Dienst, z. B. Microsoft Azure / Amazon Web Services (AWS)
Die erste Mini-SPS PR200 (Master) steuert den Start der WKA und der mechanischen Systeme, gewährleistet den Austausch von diskreten und analogen Sensordaten mit dem Cloud-Dienst und den MV110-Modulen. Die zweite Mini-SPS PR200 (Slave) steuert die Leistungsautomatik und den Anschluss des Generators an das Netz, überwacht die Netzparameter und die Generatorströme mit Hilfe eines Multimeters ME110-230.3. Dieses Modul ist über die RS485-Schnittstelle angeschlossen und misst Strom, Frequenz und Leistungsfaktor.
Ein spezieller Algorithmus zur Steuerung der Schaltvorgänge der Leistungsthyristoren gewährleistet einen sanften Anschluss des Generators an die synchrone Frequenz. Sofern die Mobilfunkabdeckung des Aufstellungsortes gegeben ist, können der Systemanlauf und die Überwachung der Betriebsparameter der WKA über einen Cloud-Dienst mit einem PC oder über eine App auf dem Telefon ferngesteuert werden. Dies ermöglicht die Überwachung der Dynamik dieser Parameter mit einer grafischen Darstellung der Daten. Es ist auch möglich, Zugriffsrechte für die Kontrolle der WKA-Parameter zu erteilen, je nach dem internen Sicherheitssystem der Verwaltungsgesellschaft.
Das konzeptionelle System kann die folgenden WKA-Parameter überwachen und sie auf dem PR200 anzeigen:
- Spannung, Ströme, Leistungsfaktoren und Frequenz am Generatorausgang
- Drehzahl von Turbinen- und Generatorwelle
- Windrichtung und Windgeschwindigkeit der Gondel (Abbildung unten)
- Temperatur der Aggregate, des Turbinenlagers und des Getriebeöls
- Stromerzeugung, Momentanleistung
- Status der binären Sensoren des WKA-Steuerungssystems
- Status der Steuersignale der elektrischen Automatisierung
Aufgrund der hochentwickelten Technologie und der wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile ist die Windenergie weltweit die am schnellsten wachsende und mittelfristig vielversprechendste Branche für erneuerbare Energien. Der Global Wind Energy Council (GWEC) rechnet damit, dass die Windenergie mit ihren klimafreundlichen Technologien bis zum Jahr 2050, 34 % des weltweiten Strombedarfs decken wird. Onshore- und Offshore-Windparks werden bei den weltweiten Bemühungen zur Begrenzung der Auswirkungen des Klimawandels eine immer wichtigere Rolle spielen, weshalb Windkraftanlagen eine große Zukunft im Energiesektor zukommen wird.