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Klein aber oho: Mit Hilfe der passenden Kleinsteuerung laufen Kleinwindanlagen zur Höchstform auf.
Windenergie: On- & Offshore

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Kleinwindanlagen automatisieren

Text: Marc Reitmaier, Phoenix Contact Electronics Fotos, Grafik: Phoenix Contact
In Deutschland blieb der große Durchbruch für Kleinwindanlagen bisher aus. Weltweit jedoch finden sie sich schon in den unterschiedlichsten Umgebungen. Die richtige Steuerung und die passende Software holen mehr aus solchen Windrädern im Miniformat.

Da Kleinwindanlagen an unterschiedlichen Standorten auf der Welt zum Einsatz kommen, sind die klimatischen Anforderungen an die Elektronik hoch. Während in Nordeuropa Umgebungstemperaturen von -20 °C keine Seltenheit sind, zeigt das Thermometer in Südafrika 40 °C und mehr an. Klimatisierte Schaltschränke würden aber bei kleineren Anlagen die Kosten für die elektrischen Komponenten in die Höhe treiben. Vor diesem Hintergrund sollten die verwendeten Geräte einen weiten Einsatztemperaturbereich aufweisen.

Im Gegensatz zu Mini-Anlagen bis 10kW benötigen Kleinwindanlagen (Small Wind Turbines, SWT), die zwischen 10 kW und 100 kW Energie erzeugen, zudem für bestimmte Aufgaben eine Steuer- und Überwachungsintelligenz. Zu diesen Aufgaben gehören aktive Windnachführung, Leistungsüberwachung, Drehzahlregelung sowie eine Elektroinstallation, die sowohl die erforderlichen Leistungs- und Sicherheitseinrichtungen umfasst als auch wirtschaftliche Anforderungen erfüllt. Die Komponenten werden typischerweise in einem Schaltkasten in der Gondel verbaut. Einige Konstruktionen sehen eine Elektroinstallation im Fuß der Anlage vor.

Erweiterbare Kleinsteuerung

Für diese Anforderungen hat Phoenix Contact eine Lösung entwickelt, deren wesentlicher Bestandteil eine Kleinsteuerung ist. Mit diesem Inline-Controller lassen sich Prozessdaten, Betriebszustände und Störmeldungen der Kleinwindanlagen weltweit über sämtliche gängigen Mobilfunknetze an die Leitzentrale oder das Mobiltelefon des Wartungspersonals übertragen. Die flexible Kleinsteuerung kann je nach Bedarf um die Standard- und Funktionsmodule des Inline-Automatisierungsbaukastens erweitert und dank Interbus- und Ethernet-Schnittstelle in Netzwerke eingebunden werden. Sie unterstützt zudem etablierte IT-Standards wie HTTP, FTP, SNMP, SMTP, SQL sowie OPC, ODP und Modbus. Programmiert wird der Controller über die Engineering-Umgebung PC Worx gemäß IEC 61131-3. Außerdem steht ein Tool mit reduziertem Funktionsumfang zur Verfügung, das den Einstieg in die Steuerungsprogrammierung erleichtert. Ein integrierter Webserver erlaubt schließlich die kostengünstige Visualisierung mit dem Tool WebVisit oder HTML 5.0.

An die Kleinsteuerung werden I/O-Module angereiht, die sich an die Anforderungen der jeweiligen Kleinwindanlage anpassen lassen (siehe Abbildung oben). So gibt es ein Modul, das die Windmesseinrichtung einliest, während ein anderes die Generator-, Schaltschrank- und Außentemperaturen erfasst und ein drittes die eingespeiste elektrische Leistung misst. Der Einspeiseumrichter ist über eine serielle Schnittstelle mit der Kleinsteuerung verbunden. Auf diese Weise können sämtliche Leistungsdaten permanent ausgewertet und in ein Webportal geloggt werden. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erlaubt es, auch bei einem Spannungsausfall alle wichtigen Daten zu speichern und die Kleinwindanlage mit der Batterie in einen sicheren Zustand zu bringen. Außer kostengünstigen Blei-Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus für einen erweiterten Temperaturbereich erhältlich.

Kommunikation und Software-Paket

Die Automatisierungslösung ist für Kleinwindanlagen geeignet, weil das GSM-Modul direkt in die Kleinsteuerung integriert ist. Ein Software-Paket, das sämtliche Anforderungen der Automatisierung berücksichtigt, ergänzt die Lösung. Kernbestandteil der Software ist die Wind Power Control Library (WPCL). Sie umfasst die regelungstechnischen Funktionen für den Betrieb einer Windkraftanlage.

In einem Grundlagen-Paket findet der Anwender alle Basisfunktionen, die er zur Betriebsführung einer Kleinwindanlage benötigt. Neben den Hauptfunktionen zur Drehzahlregelung, Drehmomentregelung und Windnachführung ist in der Hauptbibliothek WPCL auch die gesamte Zustandsmaschine der Anlage enthalten.

Schutz vor Überspannungen

Falls in der Umgebung ein Blitz einschlägt, muss der Einspeiseumrichter vor Überspannungen geschützt werden. Diese Aufgabe übernimmt eine steckbare Blitzstrom- und Überspannungsableiter-Kombination gemäß Typ 1+2/Class I+II/B+C-Ableiter. Der Ableiter koordiniert nach dem AEC-Prinzip (Active Energy Control), für dreiphasige Stromversorgungsnetze mit kombiniert verlegtem PE und N in einem Leiter (L1, L2, L3, PEN), erfüllt also zugleich die Funktionen des Schutzleiters (PE) und des Neutralleiters (N). Die Teile der Steuerung, die mit der Peripherie wie dem Anemometer verbunden sind, sichert ein Überspannungsschutz-Stecker ab.

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