Wie können Software-Features zur Sicherheit von Windenergieanlagen beitragen?
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- 16.12.2024
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Ein wesentlicher Bestandteil des Sicherheitssystems von Windenergieanlagen ist das Pitch-System, das sich jeweils an den drei Rotorblättern befindet. Die Regelung des Pitch-Systems stellt die Rotorblätter passend zur vorherrschenden Windstärke ein und gewährleistet so den optimalen Betriebspunkt der Anlage.
Neben der Aufgabe, den größtmöglichen Ertrag der Anlage zu ermöglichen, besteht die wesentlich wichtigere Aufgabe des Pitch-Systems darin, die Sicherheit zu garantieren. Das Pitch-System übernimmt die Bremsfunktion der Windenergieanlage und ermöglicht das Ausführen einer Sicherheitsfahrt, wenn diese durch Umwelteinflüsse oder Fehlermeldungen notwendig ist. Im Falle einer Sicherheitsfahrt garantiert das System, dass die Anlage schonend in die Endlagenposition gefahren wird.
In welchen Situationen wird eine Sicherheitsfahrt ausgelöst?
Es gibt unterschiedliche Situationen, man spricht auch von Lastfällen, die das Auslösen einer Sicherheitsfahrt erfordern. Eine nicht-kritische Fehlermeldung kann beispielsweise der Ausfall eines Temperatursensors sein. Die Sicherheitsfahrt garantiert dabei den Schutz der gesamten Anlage, um eine Fehlerdiagnose durchführen zu können. Wenn eine Sicherheitsfahrt ausgelöst wird, müssen die Rotorblätter aus dem Wind gedreht und in Sekundenschnelle in die sichere 90-Grad-Stellung, auch Fahnenstellung genannt, gebracht werden. Durch das Drehen der Rotorblätter aus dem Wind wird die Windenergieanlage abgebremst und erreicht somit einen sicheren Zustand.
Beispiele für kritische Lastfälle können z.B. starke, kurzzeitige Änderungen der Windgeschwindigkeit oder Lastabwürfe durch Ausfall oder Einbruch des Stromnetzes sein. Wenn der Wind weht und sich die Anlage im vollen Betrieb befindet, ist der Ausfall des Stromnetzes für Windenergieanlagen besonders schwierig. Der Generator könnte in einem solchen Fall keine Energie mehr in das Stromnetz abgeben. Infolgedessen würde durch den Wegfall der Bremswirkung der Rotor schnell in kritische Überdrehzahl geraten. Um dies zu verhindern, muss sehr rasch und funktional sicher reagiert werden.
In beiden Fällen garantiert die Sicherheitsfahrt dem Anlagenbetreiber die Unversehrtheit der Anlage. Zeitgleich wirken jedoch sehr starke Kräfte auf die Materialien der Rotorblätter und des Turmes ein. Diese Kräfte bewirken eine erhöhte Beanspruchung, die auch zu vermehrtem Verschleiß führen kann. Dadurch wird die Lebensdauer der gesamten Anlage maßgeblich beeinflusst. Die Systeme, die bisher auf dem Markt sind, unterscheiden nicht nach Ursachen für die Sicherheitsfahrt. Sie greifen somit zum Schutz der Anlage, aber auch zum Schutz der Umwelt und somit für uns alle, vielfach mit der größtmöglichen Stellgröße in das System ein. Die Windenergieanlagen sind also dahingehend ausgelegt, dass sie immer auf ein „worst-case“-Szenario reagieren, selbst wenn es sich um einen nicht-kritischen Fehler handelt, den es zu überprüfen gilt.
Durch intelligente Software-Features kann die Sicherheitsfahrt optimiert werden, indem das Pitch-System zwischen unterschiedlichen Lastfällen unterscheidet und angemessen reagiert. Durch ein weniger extremes Anfahren der Sicherheitsfahrt kann die Materialbelastung reduziert werden.
Die Pitch-Regelung ist absoluter Standard, wenn es um eine kosteneffiziente und robuste Blattverstellung von Windenergieanlagen geht.
Welche Software-Features spielen dabei eine Rolle?
Um die durch die Sicherheitsfahrt entstehende Materialabnutzung zu reduzieren, ermöglicht KEBA mit dem Softwarerelease für den PitchOne noch während der Sicherheitsfahrt eine Anpassung der Profile. Der PitchOne kann mit den neuen Software-Features funktional sicher auf verschiedene Lastfälle reagieren und mit bis zu vier, vorab definierten Profilen, die Sicherheitsfahrt auslösen.
Was ist damit gemeint? Das Feature „multiprofilierte Notfahrt“ ermöglicht eine Sicherheitsfahrt für die Rotorblätter mit unterschiedlichen, dynamischen Profilen: Unterschiedliche Lastfälle erfordern also unterschiedliche Profile. So wählt die Anlagensteuerung beispielsweise bei einem schwerwiegenden Fehler, wie einem Netzausfall bei Wind, ein anderes Profil für die einzelnen Rotorblätter, als bei einer Sicherheitsfahrt, die aus einem nicht-kritischen Fehler resultiert. Dynamisch nennen wir diese Profile, weil sie während der Sicherheitsfahrt in Geschwindigkeit und Beschleunigung angepasst werden können. (Eine detaillierte Beschreibung der Profilumschaltung finden Sie auch im Fachartikel der „r-energy“: Pitch-System: Lastaufnahme von Windenergieanlagen optimieren)
Die Entscheidung, welche Profile gewählt werden, liegt bei der Anlagensteuerung, die für den vorliegenden Fehlerfall situationsspezifisch entscheidet.
Was beschleunigt den Alterungsprozess der Windenergieanlagen außerdem?
Nach der Sicherheitsfahrt befindet sich eine Windenergieanlage normalerweise in der oben beschriebenen Fahnenstellung. So sind alle drei Rotorblätter komplett in den Wind gedreht und erzeugen keinen Auftrieb mehr.
Bei größeren Windenergieanlagen (ab 4-5 MW) kann es allerdings zu neuen Schwierigkeiten in der Fahnenstellung kommen. So ist es möglich, dass es Umweltbedingungen gibt, die zu einem Aufschwingverhalten eines Rotorblattes führen können. Es gibt nämlich bestimmte windabhängige Situationen, die das Schwingen eines Blattes auslösen, was wiederum dazu führt, dass die anderen Blätter ebenfalls in Bewegung geraten. Dies ist besonders kritisch, da sich die Anlagensteuerung nach Beendigung der Sicherheitsfahrt in einem „Ruhebetrieb“ befindet und keine aktive Überwachung der Blätter stattfindet.
Für dieses Verhalten sieht die Software im PitchOne ein Abweichen aus der Fahnenstellung vor, indem ein Rotorblatt verstellt wird. Wir sprechen hier von dem Final Position Mode, der das Anfahren der sicheren Endlagenposition nach der Sicherheitsfahrt vorsieht und damit die Sicherheit der Windenergieanlagen vor der Abschaltung gewährleistet. Somit werden unnötig auftretende Ermüdungslasten vermieden.
Fazit: Mehr Sicherheit durch intelligente Software
Die Software-Features des PitchOne-Systems spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Materialbelastung durch die Optimierung der Sicherheitsfahrten von Windenergieanlagen. Durch die Einführung dynamischer, multiprofilierter Notfahrten kann das Pitch-System auf verschiedene Lastfälle situationsspezifisch reagieren, was die Materialermüdung und den Verschleiß verringert. Zudem sorgt der Final Position Mode dafür, dass die Rotorblätter nach einer Sicherheitsfahrt in eine sichere Endlagenposition gebracht werden, um ungewollte Bewegungen der Rotorblätter zu vermeiden. Durch die ständige Weiterentwicklung der Software unserer PitchOne Produkt-Familie sorgen wir für einen funktional sicheren Betrieb mit höchster TÜV-Zertifizierung (Level PLe KAT. 3 auf Systemebene).
