Sicherstellen der Leistung und Sicherheit kleiner Windkraftanlagen mit NI CompactRIO

Acoidan Betancort Montesdeoca, Aresse Engineering S.L.

"Mithilfe der CompactRIO-Plattform und LabVIEW haben wir ein System erstellt, das die Leistungsfähigkeit kleiner Windkraftanlagen gemäß internationaler Bestimmungen sowie nach den Vorgaben des Herstellers analysiert, so dass die Marktanforderungen in Bezug auf Wirkungsgrad, Kapazität, strukturelle Integrität, sicheren Betrieb und Leistung erfüllt werden können."

- Acoidan Betancort Montesdeoca, Aresse Engineering S.L.

Die Aufgabe:

Erstellen einer eigenständigen, einheitlichen Plattform für das Erfassen und Analysieren von Daten, mit der Wirkungsgrad, Betrieb und strukturelle Integrität kleiner Windkraftanlagen zertifiziert werden

Die Lösung:

Aufbau eines Systems basierend auf der Hardware NI CompactRIO, das mehrere verteilte Sensoren umfasst, um Daten unterteilt in vier Hauptgruppen zu erfassen: Referenzbedingungsdaten, Betriebsdaten, Belastungsdaten und elektrische Parameter

Autor(en):

Acoidan Betancort Montesdeoca - Aresse Engineering S.L.
Gorka Gainza González - Aresse Engineering S.L.
Mariano Aristu Aguerri - Aresse Engineering S.L.

 

Die Zahl kleiner Windkraftanlagen steigt, da sich der Bedarf an erschwinglicher umweltfreundlicher Energie für den Eigenverbrauch erhöht und das Umweltbewusstsein der Nutzer zunimmt, die erneuerbare Energiequellen verwenden wollen. Diese Windkraftanlagen müssen hinsichtlich Wirkungsgrad, Betrieb und struktureller Integrität bewertet werden, um ihre Sicherheit und Eignung für ihre Nutzer und deren Gemeinden zu verifizieren.

 

In Zusammenarbeit mit Kliux Energies, Spanien, entwickelten wir eine eigenständige, einheitliche Plattform, mit der die nach internationalen Standards (IEC 61400/2, IEC 61400/11 und IEC 61400/12) geforderten Daten erfasst und analysiert werden können. Diese Daten werden auf der einen Seite zur Zertifizierung des Betriebs kleiner Windkraftanlagen benötigt. Auf der anderen Seite bieten sie Herstellern die Möglichkeit, Rückschlüsse für weitere Optimierungsmaßnahmen zu ziehen.

 

Hardwareaufbau

In Anbetracht der Standardanforderungen und der für die Validierung der Berechnungen erforderlichen Daten entschieden wir uns für die CompactRIO-Plattform. Wir kombinierten mehrere Sensoren, die über die Anlage verteilt sind, um Daten zu erfassen, die von der vertikalen Windkraftanlage Kliux GEO4K stammen. Die Daten werden in vier Hauptgruppen unterteilt: Referenzbedingungsdaten, Betriebsdaten, Belastungsdaten und elektrische Parameter. Alle Daten (bis zu 34 Kanäle) werden von der CompactRIO-Hardware nach Referenzbedingung erfasst, analysiert, gespeichert und zugeordnet. Das System ist in einem kleinen Schaltschrank am Fuß der Windkraftanlage untergebracht. Ein über 3G mit dem Internet verbundener Router erlaubt unmittelbaren Zugriff, um den Anlagenstatus zu prüfen und die gespeicherten Daten herunterzuladen.

 

Das System wird durch die folgenden vier Teilsysteme definiert:

 

Referenzbedingungen: Wir vergleichen die Produktionsdaten mit den Umgebungsbedingungen, um die Energie zu berechnen, die die Anlage nutzen kann. Hierfür erhält der Embedded-Controller NI cRIO-9014 Windgeschwindigkeitsdaten von einem Ultraschall-Anemometer des Typs WindMasterTM von GILL sowie Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsdaten von einem Vaisala-Sensor über RS485.

Betriebsdaten: Wir analysieren das Getriebe und die hochfrequenten Beschleunigungen des Getriebes, den Geräuschpegel und die Innentemperatur des Getriebes, um eine vorbeugende Maschinenzustandsüberwachung auszuführen. Dazu setzen wir ein einzelnes Datenerfassungsmodul der C-Serie (NI 9234) ein, das die Daten von einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser von PCB sowie einem Mikrofon von G.R.A.S. erhält und konditioniert. Ein weiteres Modul der C-Serie (NI 9219) erfasst Temperaturwerte von einem PT100-Sensor.

 

Belastungsdaten: Damit wir feststellen können, ob die aerodynamische Belastung der Windkraftanlage den analytischen Berechnungen entspricht, werden das Drehmoment und die Umdrehungen des Rotors, die Belastung an der Basis des Turms, die Beschleunigungen am Rotor und die Querbeschleunigungen in verschiedenen Höhen des Turms gemessen. Dazu ist nur ein einziges Modul der C-Serie (NI 9205) erforderlich, das die Daten verschiedener Sensoren liest, welche über den Rotor und den Turm verteilt sind. Das Modul NI 9219 konditioniert drei Dehnungsmessstreifen, die die Axialbelastung und das Biegemoment des Turms feststellen.

 

Elektrische Parameter: Zur Bestimmung der Leistung der Anlage wird die Menge an erzeugter elektrischer Energie mit einem Modul des Typs NI 9205 berechnet, um dreiphasige Spannungs- und Stromdaten von Sensoren der Firma Phoenix Contact und CR Magnetics am Generator und am Wechselrichter zu digitalisieren.

 

Verwendete Software

Auf der CompactRIO-Plattform wurde ein Erfassungs- und Analysesystem implementiert. Um das System zu überwachen und einzurichten, erstellten wir eine Anwendung mit der Systemdesignsoftware NI LabVIEW. Diese Anwendung kommuniziert dezentral über einen 3G-Router mit der CompactRIO-Plattform. Damit können wir Echtzeitvariablen des Systems überwachen und Hardware für diverse Kalibrierkoeffizienten, Stufen, Einheiten, Windgeschwindigkeitsparameter und weitere Funktionen wie Browsen im Internet, Datensicherung und Queue Handling einrichten.

 

Mit der CompactRIO-Plattform wird die statistische Online-Analyse aller Prozesse ausgeführt. Diese statistischen Daten werden in einer TDMS-Datei (Technical Data Management Streaming) gespeichert. Wir zeichnen Daten für lange Zeiträume (Monate) auf, daher speichern wir sie im nichtflüchtigen Flash-Speicher der CompactRIO-Hardware. Außerdem stellen wir Softwarewerkzeuge bereit, mit denen unsere Kunden alle statistischen Parameter online überwachen, auf den Flash-Speicher zum Herunterladen der Daten zugreifen, die Software aktualisieren, Daten grafisch darstellen und verschiedene Erfassungs- und Logging-Parameter festlegen können.

 

Die Daten, die dezentral von der CompactRIO-Plattform eingehen, sollen sich auch offline analysieren lassen, um das Verhalten und die Leistung der Windkraftanlage zu evaluieren. Zuerst müssen Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenzen geprüft werden, um die Weibull-Parameter zu berechnen, die die Windressourcen am Einsatzort beschreiben. Anschließend werden mechanische Parameter berechnet, um so das System weiter zu aktualisieren. Dazu zählen die Optimierung der Rotorumdrehungen pro Minute und der Windgeschwindigkeit oder des mechanischen Leistungsgewinns/-verlusts sowie Getriebe- und Generatoreffizienz. Zum Schluss versuchen wir, die elektrischen Parameter über Offline-Analysen zu optimieren. Wir analysieren die Beziehung zwischen der am Generator erzeugten Spannung und der Windgeschwindigkeit, um die optimale Last am Wechselrichter zu erhalten. Diese Schritte zur Nachbearbeitung erfüllen die in folgenden länderspezifischen Standards definierten Anforderungen:

 

IEC-61400-12: Messung des Leistungsverhaltens einer Windenergieanlage

  • Leistungskennlinie
  • Jahresenergiebetrag

IEC-61400-11: Schallmessverfahren

  • Schallleistung
  • Tonalität

IEC-61400-2: Sicherheit kleiner Windenergieanlagen

  • Tests zur Verifizierung von Designdaten: Nenndrehmoment und -leistung, Rotationsgeschwindigkeit und Wirkungsgrad
  • Teil 13.3: Tests der mechanischen Belastung, Biegemoment und Drehmoment aufgrund der Windgeschwindigkeit
  • Teil 13.4: Langzeittests, zuverlässige Betriebsanalyse und dynamischer Betrieb (Dazu gehören die Identifizierung der Einschwingung aufgrund der aufgezeichneten Beschleunigungen und die Korrelation zu den erzwungenen Schwingungen, die von einer relevanteren Harmonischen der Rotation erzeugt wurden, wie das Campbell-Diagramm in Abbildung 4 zeigt, das vom Drehmomentsensor stammt.)

 

Zusammenfassung

Mithilfe der CompactRIO-Plattform und LabVIEW haben wir eine Anwendung erstellt, die die Leistung kleiner Windkraftanlagen gemäß internationaler Bestimmungen sowie nach den Vorgaben des Herstellers analysiert, so dass die Marktanforderungen in Bezug auf Wirkungsgrad, Kapazität, strukturelle Integrität, sicheren Betrieb und Leistung erfüllt werden können. Dieses modulare, flexible System erlaubt eine Definition von Fall zu Fall, wie sie von einer Vielzahl kleiner Windkraftanlagen benötigt wird.

 

Informationen zum Autor:

Acoidan Betancort Montesdeoca
Aresse Engineering S.L.
Polígono Industrial Berriainz, Calle C, Nave 103
Berriozar – Navarra - Spain
Spain
general@aresse.com

Abb. 1: Anordnung der Messpunkte
Abb. 2: Schematische Darstellung des Datenerfassungssystems
Abb. 3: Ergebnisse des Vergleichs von Leistung mit Rotorgeschwindigkeit
Abb. 4: Campbell-Diagramm zum Drehmoment