Steuerung von Windanlagen Pitchsysteme richtig umrüsten

Die Zukunft der Energieversorgung wird maßgeblich von der Windenergie und der Entwicklung von neuen Anlagen mit leistungsfähigeren Pitchsystemen bestimmt. Gleichwohl leisten Altanlagen einen erheblichen Beitrag zur Stromversorgung aus erneuerbaren Energien und damit zum Energiemix. Um eine hohe Verfügbarkeit in Zukunft sicherzustellen, sind Retrofits für elektrische Pitchsysteme unverzichtbar. Doch welche Retrofits und Upgrades sind sinnvoll und welche spezifischen Retrofit-Strategien empfehlen sich?

Elektrische Pitchsysteme sind hinsichtlich der Anlagenperformance entscheidend für die Leistungsregelung beziehungsweise -begrenzung, da sie die Rotorblätter je nach Windgeschwindigkeit sowie -richtung bestmöglich in den Wind drehen. So reduzieren sie die Betriebslasten einer Windenergeianlage (WEA). Bei technischen Problemen oder sehr hohen Windgeschwindigkeiten verfahren elektrische Pitchsysteme außerdem die Rotorblätter in die sichere Fahnenposition, um eine Anlage zuverlässig zu stoppen und Schäden zu vermeiden.

Da schon das Verfahren eines Rotorblattes in die Fahnenposition zu einem Anlagenstopp führt, ist dieses Hauptbrems- oder Sicherheitssystem dreifach redundant ausgelegt. Im Wesentlichen besteht ein elektrisches Pitchsystem aus den Pitchantrieben, dem Umrichter, der Pitchsteuerung und den Akkumulatoren beziehungsweise Ultra-Caps als Back-up-System, damit eine WEA auch bei Netzausfall aus dem Wind gefahren werden kann.

Retrofits von Altanlagen

Bei Modernisierungen und Umrüstungen von Altanlagen sind in diesem Beitrag WEA ab einer Nennleistung von 1,5 MW gemeint, die vor 2006 installiert wurden und seit mehr als zehn bis 15 Jahren in Betrieb sind.

Retrofits in WEA bieten sich im Rahmen von regulären Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten an. Wesentliche Schlüsselkomponenten oder spezifische Pitchbestandteile sollten daher für einen Austausch stets verfügbar sein. OEM von elektrischen Pitchsystemen halten zumeist die wichtigsten Ersatzteile, in der Regel in Form von verbesserten Produktversionen, sowie Schalt- und Steuerschränke vor. Damit ein Ersatz oder Retrofit auch bei einem unerwarteten Ausfall schnell bereit steht, muss ein OEM eine hocheffiziente Logistik mit weltweiten Servicestandorten bieten können, um eventuelle Anlagenstillstände im Sinne einer hohen WEA-Verfügbarkeit zu minimieren.

Vorausschauende Strategien ins Kalkül ziehen

Ergänzend zur reaktiven Instandhaltung, etwa wenn ein Anlagenteil Auffälligkeiten aufweist, sollte auch ein präventiver Austausch verschleißanfälliger Pitchkomponenten betrachtet werden, um drohende Folgeschäden und lange Anlagenstillstände zu vermeiden. So kann etwa der unvorhergesehene Ausfall eines Motorschützes zu weiteren Schäden am Pitchantrieb und zu zusätzlichen Kosten führen.

Voraussetzung für eine präventive Retrofit-Strategie sind valide Daten zu den Ausfallraten und somit Ausfallwahrscheinlichkeiten spezifischer Komponenten. Das ermöglicht eine Risikoabwägung. Solche vom OEM in Kooperation mit Herstellern gesammelten Daten bilden die Basis für eingehende Analysen, die in die Entwicklung von Retrofits mit verbesserten Ausfallraten und/oder zusätzlichen Funktionen münden können.

Typische Verschleißteile eines elektrischen Pitchsystems sind Schütze, Relais, Bremsbeläge, die Kohlebürsten der Pitchantriebe sowie die Akkumulatoren der Notstrom-Versorgung. Je nach Investitionsbereitschaft lassen sich alternativ zum Komplettaustausch, abgesehen von den Akkus, zunächst nur die Teile wechseln, die erfahrungsgemäß höhere Ausfallraten aufweisen.

Schütze und Relais mit längeren Lebenszeiten

Schütze und Relais haben zudem noch Verbesserungspotenzial. Bei diesen Komponenten sind ab dem zehnten bis zwölften Betriebsjahr normale Verschleißerscheinungen zu erwarten, sodass Steuer- und Leistungssignale teilweise nicht mehr fehlerfrei geschaltet werden. So kommt es zu temporären Störungen der WEA mit Stillständen. Die Ursachen sind in der Praxis nur schwer lokalisierbar und verursachen dazu unnötige Stillstandskosten. Daher bieten OEM für derartige Komponenten Austauschsätze mit verbesserten Schaltelementen an, wodurch sich die Lebenszeit von Schützen und Relais steigern lässt. Findet der Austausch zwischen dem zehnten und zwölften Betriebsjahr statt, sind hier Ausfälle selbst über das 20. Betriebsjahr der WEA hinaus voraussichtlich nicht mehr zu erwarten.

Die Systemkosten für den laufenden Betrieb senken können auch Neuentwicklungen bei Akkumulatoren für elektrische Pitchsysteme. Sie stoppen als Notstrom-Versorgung bei einem Netzausfall die Anlagen sicher und verfahren die Rotorblätter in die Fahnenposition. Da sich mit zunehmender Betriebsdauer der WEA die Akkuleistung verringert, ist ein regelmäßiger Wechsel – zirka alle fünf Jahre – sämtlicher Akku-Packs erforderlich. Die Akkus sind in einer Halterung mit Anschlüssen für das Pitchsystem fest verbaut und so mussten bisher die vollständigen Akku-Packs getauscht werden.

Ein neuartiges Konzept ermöglicht es nun, dass nur die einzelnen Akkuzellen gewechselt werden müssen. Die Halterung oder das Gehäuse, auch Akku-Trog genannt, lässt sich wiederverwenden. Das Retrofit berücksichtigt die in Anlagen vorhandenen, unterschiedlichen Aufnahmen für das Back-up- oder Notstrom-System. Das ermöglicht eine flexible Integration der Gehäuse in verschiedene Pitchsysteme unterschiedlicher Hersteller.

Verbesserte Pitch-Intelligenz

Kein klassisches Verschleiß- oder Austauschteil ist der zentrale Pitchcontroller, ein Mehrachspositionsregler, der auch in Industrieanwendungen zu finden ist. Derartige Einsatzfelder sind nicht mit den Umgebungsbedingungen der Windenergie vergleichbar, sodass Pitchcontroller der ersten Generation beim Überspannungsschutz und bei der Isolierung der Leiterkarten auffällig wurden. Eine Umrüstung dieser Komponenten ist daher zu empfehlen. Vor allem, weil es im Bereich des Überspannungsschutzes und der Leiterkartenisolierung in den vergangenen Jahren entscheidende Verbesserungen gab. Hierzu gehören Ein- und Ausgangstreiber mit verbesserten Optokopplern und Leiterkarten mit einer speziellen Beschichtung, die Störungen durch Betauung oder Verschmutzung durch Staub minimiert.

Bei der Auswahl der Isolierlacke berücksichtigten Hersteller auch die besondere mechanische Beanspruchung der Leiterkarten, da der Pitchcontroller in der Rotornabe kontinuierlich rotiert. Industrielacke für den stationären Einsatz können wegen zu hoher Steifigkeit zu mechanischen Schäden an den Karten führen. Mehrjährige Feldtests an anspruchsvollen Standorten wie etwa in Indien belegen, dass sich Investitionen in ein solches Upgrade lohnen. Durch die vorher genannten Maßnahmen konnten Fehlerbilder eliminiert und die aufgrund der besonderen Umweltbedingungen höheren Ausfallraten der Windenergieanlage reduziert werden.

Weitere Informationen zu SSB Wind Systems finden Sie im Business-Profil auf Seite 40.