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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

[email protected]

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.


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


„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.


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


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.


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.


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


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


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


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.


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


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


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


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.


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


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

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20

15

10

5

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Pitch angle [degree]

Fuzzy Controller PID Controllert [s]

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5

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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

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kW

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www.beckhoff.de/wind www.pc-control.net

Special | Windkraft 2010

special | windkraft 2010 - pc control...title special | windkraft 2010 author keywords beckhoff,...

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