Moderne Windkraftanlagen bestehen aus mehreren Modulen mit zugeordneten Aufgaben. Der Rotor entnimmt der Luft über die Flügel Energie, das Getriebe übersetzt Drehgeschwindigkeit und -moment, ein angeschlossener Generator erzeugt die elektrische Energie – soweit das einfache Grundprinzip. Die praktischen Herausforderungen sind vielschichtig. Insbesondere Windstärke und -richtung variieren häufig und schnell. Um die ungleichmäßige Energiezufuhr in eine möglichst gleichmäßige Stromproduktion zu übersetzen, benötigt das Kraftwerk entsprechende Stellschrauben. In die Regelschleife fließt eine Vielzahl von Einflussfaktoren ein. Dazu gehört etwa die Drehgeschwindigkeit des Rotors, die durch die Drehung der Rotorblätter relativ zur Windrichtung zustande kommt. Auch die Außentemperatur wird mit einkalkuliert, um bei einer möglichen Vereisung des Rotorblatts entsprechend reagieren zu können. Außerdem wird die Verdrehung und Verstauchung des Blatts berücksichtigt, sodass eine unverhältnismäßige Materialbelastung vermieden wird. Nicht zuletzt kommen unterschiedliche Last-Situationen an verschiedenen Blättern zum Tragen, die gerade bei großen Anlagen äußerst unterschiedlich ausfallen können. Die Regelung ist somit vergleichsweise komplex. Sie benötigt neben umfangreichen Funktionen auch Informationen von notwendigen Sensoren und Aktoren zum Ökosystem der Anlage – wie beispielsweise die Windkraft und -richtung oder die Temperatur. Die erforderlichen Messsysteme werden teils über einfache elektrische oder elektronische Input/Output-Signale (I/O), teils über intelligente Bussysteme angebunden und schließen so die Regelschleife.
Klassische Prüfmethoden reichen nicht
Für Windkraftanlagen geeignete Steuergeräte bestehen somit aus mehreren Dutzend I/O-Anschlüssen sowie einigen Feld-Bus-Schnittstellen. Um dem Interface-Umfang gerecht werden zu können, wird die Regelung oft bereits modellbasiert von vielen Entwicklern parallel programmiert. Das schafft den Nährboden für unerwartetes Verhalten durch Programmierfehler oder ausgefallene Sensoren und Aktoren. Viele dieser Fehler lassen sich im Betrieb nur schwer aufdecken, und sie treten oft erst nach einiger Zeit auf. Dann können sie zu einem temporären Stillstand oder sogar zum kompletten Ausfall der Anlage führen. Immenser Aufwand ist die Folge: Garantierte Laufzeiten können nicht eingehalten werden, oder es sind teure Reparatur- und Umrüstaktionen notwendig.
Zudem können derartige Erfahrungswerte schwer präventiv genutzt werden. So aufgetretene Fehler lassen sich oft nur mit großem Aufwand nachstellen und analysieren, da die exakten Bedingungen zum Fehlerzeitpunkt imitiert werden müssen. Klassische Methoden wie etwa ein Prüfstand, der die benötigte Windstärke erzeugt, sind entweder nicht vorhanden oder mit hohen Kosten verbunden – man stelle sich einen Windkanal für eine Windkraftanlage vor. Auch auf die exakt gleichen Bedingungen an einer existierenden Testanlage zu warten, kann nicht nur sehr zeitaufwändig sein, sondern stellt die Entwickler vor neue Herausforderungen. Beispielsweise müsste die Fehleranalyse in der Gondel oder im Maschinenhaus in mehreren hundert Metern Höhe bei laufendem Rotor durchgeführt werden. Diese ohnehin schon schwierige Situation verschärft sich um ein Vielfaches, wenn Fehler im Zusammenspiel verschiedener Regelsysteme auftreten.
Abhilfe schafft der Blick auf die Automobilbranche. Sie stand vor zirka 20 Jahren vor ähnlichen Problemen. Zu diesem Zeitpunkt haben elektronische Regelungen die klassischen, mechanischen Systeme im Fahrzeug ersetzt, um unter anderem geringere Verbrauchswerte, ein höheres Tempo oder weniger CO2-Ausstoß zu erzielen. Heute besitzen moderne Fahrzeuge aktueller Baureihen mehr elektronische Regelsysteme als je zuvor. Ein modernes Mittelklasse-Fahrzeug enthält weit mehr als 100 einzelne Steuergeräte. Viele davon agieren gemeinsam und kommunizieren miteinander. Um die dafür notwendige Qualität der Regelsysteme zu erreichen, setzen Automobilhersteller konsequent auf moderne Hilfsmittel. Im Bereich Testing sind das Hardware-in-the-Loop-Simulatorprüfstände (HiL), eine Methode zum Testen und Absichern von eingebetteten Systemen, sowie modellbasiertes und automatisiertes Testen. Beide Methoden lassen sich hervorragend für die Anforderungen von Windenergieanlagenherstellern nutzen.
Im Gegensatz zu den klassischen Prüfständen wird mit einem HiL-Simulator die Regelschleife nicht mehr über die physikalische Kraft geschlossen, sondern über die Vielzahl der vorhandenen elektronischen Schnittstellen. Mit ihnen sind im Normalbetrieb die Sensoren und Aktoren eines Steuergeräts verbunden, welche am HiL-System durch eigene Modelle simuliert werden. Viele leistungsfähige Prozessoren berechnen die Modelle in Echtzeit und übergeben diese Ergebnisse über Hardware-Output-Schnittstellen an das Regelsystem. Das ganze Ökosystem der Anlage wird ebenfalls durch ein mathematisches Modell simuliert. Auch die Aktoren, die das System im Normalbetrieb steuern (zum Beispiel der Motor zur Rotorblatt-Verstellung), ahmt das Hardware-in-the-Loop-System nach. Um anschließend eine vollständige Abbildung des gesamten Regelkreises zu ermöglichen, sendet das Steuergerät Signale an die Aktoren, die über Hardware-Input-Schnittstellen in den Prüfstand eingelesen und an die Simulation übergeben werden.
Reduzierung der Entwicklungskosten
Dabei lässt sich das Verhalten des Modells beliebig verändern, um alle natürlich vorkommenden Bedingungen simulieren und somit das Steuergerät auf Fehlverhalten testen zu können. Da alle physikalischen Größen auf elektronischer Ebene nachgeahmt werden, sind die Tests komplett im Labor durchführbar. So lassen sich die Entwicklungszeiten deutlich verkürzen und die Entwicklungskosten reduzieren. Entscheidet sich ein Windkraftanlagenhersteller zudem für den Einsatz einer Automatisierungssoftware, kann die entstandene Lösung komplette Test-Sequenzen ohne menschliches Zutun durchführen – die Software übernimmt die Veränderungen im Modell, in ihr sind im Testumfang bereits alle bisherigen oder denkbaren Fehlerfälle enthalten. Neue oder weiterentwickelte Steuergeräte müssen sich dieser Herausforderung stellen. Basierend auf den Erfahrungen und Produkten, die in der HiL-Simulation und Testautomatisierung in der Automobilbranche gesammelt und entwickelt wurden, lässt sich ein sehr hoher Anteil an Fehlern bereits vor dem Prüfstand oder Produktivbetrieb finden und vermeiden. So schaffen Testautomatisierungslösungen optimale Voraussetzungen, um Steuergeräte in hoher Qualität zu entwickeln. Sie helfen außerdem, die Ausfallzeiten von Windkraftanlagen zu minimieren. Das Ergebnis sind längere Laufzeiten und höhere Erträge.
