Regelungstechnik Mehr Sicherheit durch neue Rotorblattverstellung

Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Moog, hat auf der „European Wind Energy Association“ EWEA 2014 in Barcelona ein neues Regelungssystem vorgestellt, dass den Betrieb von Windkraftwerken sicherer machen soll.

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(Bild: BBC)

Die „Self-Sensing“-Pitchregelung von Moog für Windkraftanlagen ermöglicht den Einsatz von Synchronmotoren als Pitchantrieb, da diese selbst bei einem Ausfall des Positionsgebers des Motors die Drehzahlregelung gewährleistet. Das verhindert erhöhte Turbinenbelastungen, die bei herkömmlichen Systemen durch nicht synchronisierte Pitch-Drehzahlen entstehen würden, wie Dr. Tobias Rösmann, Leiter der technischen Entwicklung des Unternehmens erklärte.

Drehzahlregulierung auch bei geringer Spannungsversorgung

Die Funktion der Drehzahlregelung mit Self-Sensing-Algorithmus ist nur einer der Vorteile, die im neuen PAS-Konzept (Pitch Axis Servo) des Unternehmens zum Einsatz kommen. Der neue Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM – Synchronmotor mit vergrabenen Magneten) wurde speziell für die Pitch-Anwendung entwickelt. Der Motor sorgt für maximale Effizienz bei niedrigen Drehzahlen während des nominellen Pitch-Betriebs und Spitzendrehmomente bis zum 3,5-fachen des Pitch-Nenndrehmoments, selbst bei Netzfehlern. Das Antriebskonzept garantiert einen weiten Feldschwächbereich, um die Drehzahl auch während einer Notfahrt mit geringer Spannungsversorgung vollständig regeln zu können.

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Das Pitchsystem einer Windkraftanlage muss zwei entscheidende Funktionen erfüllen: Erstens regelt es als Aktuator die Drehzahl- und die Leistungsregelung der Windkraftanlage, wenn die Windgeschwindigkeit die Nennwerte der Anlage übersteigt. Zudem fungiert es als Aktuator für das Bremssystem der Windkraftanlage.

Um die Windkraftanlage zu stoppen, müssen die Blätter in die Fahnen-Position gefahren werden. Und um Belastungen auf tragende Teile der Turbine gering zu halten, müssen alle drei Rotorblätter synchron aus dem Wind gedreht werden.

Deutliche Nachteile bei vorhandenen Systemen

Viele Antriebskonzepte arbeiten ohne Positionsrückführung für die Notfahrt des Pitch-Aktuators, darunter: Hydraulikantriebe, Pitchsysteme mit Gleichstrom- oder Asynchronmotoren. Dabei ist die Drehzahl jeder einzelnen Achse stark von der vom Blatt ausgehenden Belastung abhängig. Das neue Antriebskonzept von Moog bietet ein bis zu drei Mal höheres Nenndrehmoment ab Stillstand, um eine sichere Notfahrt zu gewährleisten.

In seiner Präsentation auf der EWEA 2014 hat Rösmann die Ergebnisse einer Fallstudie zu einer Windkraftanlage mit 7,5 MW vorgestellt, die von Moog und dem Fraunhofer IWES in Kassel durchgeführt wurde, um den Einfluss der inkohärenten Pitch-Position auf die strukturelle Belastung einer Anlage während einer Notfahrt zu demonstrieren. Die Lösung wurde entwickelt, um bei einem Ausfall eines Positionsgebers einen Blattstillstand zu verhindern und die Fahnenstellung zu garantieren. „Ein feststehendes Blatt ist sozusagen der GAU für die Turbine“. Simulationen zeigen einen zusätzlichen Vorteil: „Die Lösung stellt auch eine synchronisierte Notfahrt-Drehzahl sicher“, so Tobias Rösmann.

Dramatische Folgen bei Blattstillstand

Wenn es nicht mehr möglich ist, die Rotorblätter aus dem Wind zu drehen und die Anlage zu bremsen, kann das bei hohen Windgeschwindigkeiten dramatische Folgen haben. Einen entsprechenden Vorfall aus dem Jahre 2008 zeigt das untenstehende Video, das in Dänemark aufgenommen wurde. (br)

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