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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen zumindest einer Windenergieanlage, auf eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest einer Windenergieanlage, eine entsprechende Windenergieanlage sowie einen Windpark.
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Windenergieanlagen sind im Betrieb verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Windscherung, Schräganströmung und Turbulenzen in der Anströmung führen zu hohen Wechselbelastungen, die Hauptverursacher von Materialermüdung sind. Trotz umfangreicher Belastungsanalysen im Zuge der Anlagen- bzw. Komponentenauslegung kommt es während des Betriebs der Windenergieanlage zu Bauteilschäden, die in der Regel den Stillstand der Anlage zur Folge haben. Neben den Reparaturkosten selbst stellt der stillstandsbedingte Ertragsausfall einen sehr großen Kostenfaktor dar. Der vorzeitige Austausch funktionsfähiger Komponenten ist jedoch ebenfalls unwirtschaftlich.
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Aktuell sind am Markt unterschiedliche Systeme zur Zustandsüberwachung (Condition-Monitoring-Systeme) verfügbar, die den aktuellen Ist-Zustand der Anlage beziehungsweise ihrer Komponenten erfassen. Mit Hilfe von umfangreichem Expertenwissen kann anhand von diesen Informationen auf mögliche Bauteilschäden geschlossen werden. Sowohl die absolute Schadensgröße als auch die Restlebensdauer bis zu einem möglichen Bauteilschaden kann aktuell nicht abgeleitet werden. Weiterhin besteht aktuell keine Rückkopplung zwischen dem Zustandsüberwachungs-System und der Anlagensteuerung. Der größte Nutzen aktueller Zustandsüberwachungs-Lösungen besteht darin, dass wenn keine Unregelmäßigkeiten an den Komponenten erkannt wurden, mit einer hohen Wahrscheinlichkeit kein Schaden vorliegt. Der Schädigungsverlauf ist unbekannt.
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest einer Windenergieanlage, eine entsprechende Windenergieanlage, die dieses Verfahren nutzt sowie ein entsprechender Windpark gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Mit Hilfe von Sensoren können Zustandsgrößen einer Windenergieanlage oder Signale, aus denen sich entsprechende Zustandsgrößen ableiten lassen, erfasst werden. Die Zustandsgröße kann eine aktuelle Belastung der Windenergieanlage oder einer Komponente der Windenergieanlage repräsentieren. Unter Verwendung zumindest einer solchen Zustandsgröße kann für zumindest eine Komponente der Windenergieanlage eine Statusinformation ermittelt werden. Die Statusinformation kann dabei eine Komponentenschädigung repräsentieren.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Überwachen zumindest einer Windenergieanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einlesen einer Zustandsgröße, die zumindest eine Belastung zumindest einer Komponente der Windenergieanlage repräsentiert; und
Ermitteln einer Statusinformation der Windenergieanlage unter Verwendung der Zustandsgröße, wobei die Statusinformation einer Information über eine aktuelle Komponentenschädigung zumindest einer Komponente der Windenergieanlage repräsentiert.
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Die eingelesene Zustandsgröße kann zumindest einen Wert zumindest eines Sensors darstellen. Der Sensor kann einen Betriebszustand und zusätzlich oder alternativ einen Belastungszustand der Windenergieanlagen erfassen. Beispielsweise kann eine Zustandsgröße eine elektrische Leistung, eine Drehzahl oder ein Biegemoment darstellen. Basierend auf solchen Werten kann basierend auf bekannten Erfahrungswerten, die bisher beispielsweise zur Festlegung von Wartungsintervallen eingesetzt werden, auf den Abnutzungsgrad einer Windenergieanlage geschlossen werden. Vorteilhafterweise werden entsprechende Zustandsgrößen üblicherweise ohnehin bereits an Windenergieanlagen erfasst. Die Statusinformation kann einen Abnutzungsgrad der Komponente repräsentieren.
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Die Statusinformation kann unter Verwendung einer über die bisherige Betriebsdauer der Windenergieanlage eingelesene Zustandsgröße ermittelt werden. Die Zustandsgröße kann beispielsweise über eine Schnittstelle erfasst, also eingelesen, oder direkt, beispielsweise unter Verwendung eines Sensors erfasst werden. Bei der Komponente der Windenergieanlage kann es sich um eine mechanische, elektrische oder elektromechanische Einrichtung der Windenergieanlage handeln. Die Statusinformation kann an eine Vorrichtung oder eine Steuereinrichtung ausgegeben werden, die beispielsweise zur Steuerung dieser Windenergieanlage oder zur Steuerung einer Mehrzahl von Windenergieanlagen eines Windparks vorgesehen ist.
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Im Schritt des Ermittelns kann die Statusinformation eine Information über eine Restlebensdauer für die zumindest eine Komponente repräsentieren. Dabei kann die Information über die Restlebensdauer unter Verwendung der Information über die aktuelle Komponentenschädigung und ergänzend oder alternativ unter Verwendung der Zustandsgröße ermittelt werden. Im Schritt des Ermittelns kann die Statusinformation ferner unter Verwendung von Daten über einen auf die Windenergieanlage einwirkenden Wind bestimmt werden. Durch den über den bisherigen Betriebszeitraum der Windenergieanlage auf diese einwirkenden Wind kann auf die Belastung und somit den Abnutzungsgrad der Windenergieanlage geschlossen werden. Die Restlebensdauer kann unter Verwendung von Erfahrungswerten oder Vergleichswerten bestimmt werden. Die Restbetriebsdauer kann beispielsweise eine Zeitdauer angeben, nach der die Komponente gewartet oder ersetzt werden soll.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Anpassens einer Betriebsstrategie für eine Betriebsführung der Windenergieanlage unter Verwendung der Statusinformation aufweisen. Der Schritt des Anpassens kann nach dem Schritt des Ermittelns ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Leistung einer Windenergieanlage, die bereits Abnutzungserscheinungen zeigt, begrenzt werden, um die Lebensdauer der Windenergieanlage zu erhöhen. So kann im Schritt des Anpassens die Betriebsstrategie unter Verwendung einer Zielvorgabe angepasst werden. Ein solcher Ansatz kann sowohl auf eine einzelne Windenergieanlage oder auch für eine Mehrzahl von Windenergieanlagen eines Windparks angewendet werden. Die Sollbetriebsvorgabe oder Zielvorgabe kann beispielsweise eine reduzierte maximale Leistung der Windenergieanlage definieren. Die Leistung kann beispielsweise eine erzeugte elektrische Leistung darstellen. Wird eine Windenergieanlage mit einer reduzierten maximalen Leistung, also einer geringeren als einer maximal zulässigen Leistung betrieben, so kann die weitere Abnutzung dieser Windenergieanlage reduziert werden.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens einer Instandhaltungsstrategie zum Verteilen der Restlebensdauer auf ein Betriebsintervall unter Verwendung der Statusinformation umfassen. Der Schritt des Bestimmens kann nach dem Schritt des Ermittelns ausgeführt werden. Unter dem Betriebsintervall kann ein Wartungsintervall oder eine Zeitspanne bis zur nächsten Wartung verstanden werden. So kann ein Betriebsintervall oder eine Lebensdauer der Windenergieanlage an Lebensdauern der Anlagen eines Windparks angepasst werden. So können beispielsweise die Wartungszeiträume einzelner Anlagen möglichst eng zusammengelegt werden. Das Verfahren kann einen Schritt des Einschränkens eines Betriebs der Windenergieanlage in Abhängigkeit von der Zustandsgröße umfassen, um eine Betriebsdauer der Windenergieanlage über die Restbetriebsdauer hinaus zu verlängern. Auf diese Weise kann die Betriebsdauer der Windenergieanlage beispielsweise bis zu einem Termin verlängert werden, zu dem sich eine Wartung der Windenergieanlage anbietet. So kann eine Wartung beispielsweise in Wintermonaten vermieden werden. Zudem können die Restbetriebsdauern mehrerer Windenergieanlagen eines Windparks aufeinander abgestimmt werden, um sie gemeinsam warten zu können.
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Im Schritt des Anpassens kann die Betriebsstrategie unter Verwendung einer Zielvorgabe wie beispielsweise einem Betrieb mit maximaler Windenergieanlagenleistung und ergänzend oder alternativ einem Betrieb mit einer gezielten reduzierten Windenergieanlagenleistung und ergänzend oder alternativ einem Abschalten der Windenergieanlage und ergänzend oder alternativ einer Lastverringerung zu Beginn einer Lebensdauer und einer späteren Erhöhung bei einer insgesamt konstanten Leistung angepasst werden.
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Ferner kann im Schritt des Bestimmens die Instandhaltungsstrategie unter Verwendung einer Zielstellung bestimmt werden. Dabei kann die Zielstellung beispielsweise einen maximalen Ertrag und ergänzend oder alternativ eine maximale Lebensdauer und ergänzend oder alternativ eine Lastverringerung von Komponenten der Windenergieanlage und ergänzend oder alternativ ein ausfallfreier Betrieb innerhalb eines Wartungsintervalls bei einem maximalen Ertrag und ergänzend oder alternativ einer Vermeidung von einem Folgeschaden bei einem Komponentenausfall und ergänzend oder alternativ einer konstanten Leistungsabgabe der Windenergieanlage über eine Lebensdauer der Windenergieanlage repräsentieren.
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Günstig ist es auch, wenn das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens der Statusinformation an einer Anzeigeschnittstelle zum visuellen Anzeigen der Statusinformation auf einer Anzeigeeinheit aufweist. So kann die Statusinformation einem Benutzer oder einem Monteur visuell bereitgestellt werden. So kann ein Benutzer für zumindest eine Komponente der Windenergieanlage eine Statusinformation visuell wahrnehmen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Überwachen einer Windenergieanlage, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um die Schritte einer Ausführungsform eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen beziehungsweise umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsform der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Es wird eine Windenergieanlage vorgestellt, umfassend einen Turm, eine auf dem Turm angeordnete Gondel, einen an der Gondel angeordneten Rotor, der angetrieben durch auf den Rotor treffenden Wind in Bewegung gesetzt wird, und mit einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung zum Überwachen der Windenergieanlage, wobei die Vorrichtung in die Windenergieanlage integriert ist. Eine Windenergieanlage kann einen Rotor umfassen, der angetrieben durch auf den Rotor treffenden Wind in Bewegung gesetzt werden kann. Die Bewegungsenergie kann unter Verwendung eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Rotor kann um eine Rotorwelle rotieren und dabei einen Generator antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft einen Windpark mit einer ersten Windenergieanlage und mit zumindest einer zweiten Windenergieanlage und mit einer Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, eine Statusinformation von der ersten Windenergieanlage und zumindest eine weitere Statusinformation von zumindest der zweiten Windenergieanlage zu erhalten und eine Information über eine Zielstellung und/oder eine Information über eine Zielvorgabe an die erste Windenergieanlage und/oder eine weitere Information über eine weitere Zielstellung und/oder eine weitere Information über eine weitere Zielvorgabe an die zumindest zweite Windenergieanlage auszugeben. So kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, eine Information über eine Komponentenschädigung und ergänzend oder alternativ eine Information über eine Restlebensdauer und ergänzend oder alternativ eine Information über eine Instandhaltungsstrategie und ergänzend oder alternativ eine Information über eine Betriebsstrategie von der ersten Windenergieanlage und zumindest der zweiten Windenergieanlage zu erhalten und eine Information über eine Zielstellung und ergänzend oder alternativ eine Information über eine Zielvorgabe an die erste Windenergieanlage und ergänzend oder alternativ eine Information über eine weitere Zielstellung und ergänzend oder alternativ eine Information über eine weitere Zielvorgabe an die zumindest zweite Windenergieanlage auszugeben.
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Ein Windpark kann eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Windenergieanlagen umfassen. Aufgrund der Anordnung der Windenergieanlagen können einzelne Windenergieanlagen einer größeren Belastung, beispielsweise größeren Windstärken, ausgesetzt sein, als andere der Windenergieanlagen des Windparks. Eine Windenergieanlage, die einer größeren Belastung ausgesetzt ist, kann nach einer bestimmten Betriebsdauer einen größeren Abnutzungsgrad aufweisen, als eine vergleichbare andere Windenergieanlage, die einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. Der Abnutzungsgrad kann beispielsweise ein Maß für eine Restlebensdauer einer Komponente der Windenergieanlage oder eine Notwendigkeit einer Wartung der Windenergieanlage sein. Weisen zwei Windenergieanlagen zu einem Zeitpunkt unterschiedliche Abnutzungsgrade auf, so können diese im weiteren Verlauf des Betriebs der Windenergieanlagen aneinander angeglichen werden, indem die Windenergieanlage mit dem höheren Abnutzungsgrad im weiteren Betrieb mit einer geringeren mechanischen Belastung als die Windenergieanlage mit dem niedrigeren Abnutzungsgrad betrieben wird.
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Vorteilhafterweise kann der Lebenszyklusertrag der Windenergieanlage und ihrer Komponenten gesteigert werden. Dabei kann die Kenntnis des Schädigungsverlaufs die Vermeidung von Komponentenausfällen durch rechtzeitiges Abschalten der Anlage ermöglichen. Ferner ist von Vorteil, dass kostenintensive Folgeschäden dadurch vermieden werden können. Durch die Kenntnis der Belastungs- und Schädigungshistorie kann die Betriebsgenehmigung der Windenergieanlage bei Unterschreiten vorgegebener Grenzen über den zertifizierten Zeitraum hinaus verlängert werden. Die Kenntnis der Komponentenschädigung ist die Voraussetzung für eine zustandsorientierte Wartung beziehungsweise den Komponentenaustausch. Vorteilhaft können dadurch Wartungs- und Reparaturkosten gesenkt werden. Weiterhin kann eine Steigerung des Ertrags durch Reduzierung der Stillstandszeiten durch rechtzeitige, planbare Instandhaltungsmaßnahmen erzielt werden. Insbesondere können bei der Entwicklung einer Nachfolgegeneration gezielt Schwachstellen der bisherigen Anlage behoben werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Windparks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 100 mit einem Blockschaltbild einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windenergieanlage umfasst einen Turm 104, auf dem eine Gondel 106 angeordnet ist. An der Gondel 106 ist ein Rotor 108 mit drei Rotorblättern 110 angeordnet. Der Rotor 108 ist ausgebildet, durch auf den Rotor 108 treffenden Wind in eine Rotationsbewegung versetzt zu werden und darüber einen in der Gondel angeordneten und in 1 nicht dargestellten Generator anzutreiben, um eine elektrische Leistung bereitzustellen. An einem der Rotorblätter 110 ist beispielhaft ein Sensor 112 angeordnet, der ausgebildet ist, eine Zustandsgröße 114 zu erfassen beziehungsweise ein Sensorsignal 114 bereitzustellen, welches die Zustandsgröße 114 repräsentiert. Die Zustandsgröße 114 repräsentiert eine Belastung des Rotorblatts 108 der Windenergieanlage 100. Allgemein formuliert repräsentiert die Zustandsgröße 114 eine Belastung einer Komponente der Windenergieanlage 100. Dabei kann in einem Ausführungsbeispiel in jedem der Rotorblätter 110 ein Sensor 112 angeordnet sein. Weiterhin können Sensoren auf einer Rotorwelle, dem Generator, auf Lagern oder anderen Komponenten der Windenergieanlage angeordnet sein, um zumindest eine Zustandsgröße 114 zu erfassen.
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So werden in einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Zustandsgrößen 114 für die Windenergieanlage 100 bereitgestellt und darüber eine Mehrzahl von Komponenten der Windenergieanlage 100 überwacht.
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Die Vorrichtung 102 weist eine Schnittstelle 116 zum Einlesen der Zustandsgröße 114 auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 102 eine Einrichtung 118 zum Ermitteln einer Statusinformation 120 der Windenergieanlage 100. Die Einrichtung 118 zum Ermitteln ist ausgebildet, die Statusinformation 120 unter Verwendung der Zustandsgröße 114 zu ermitteln. Dabei repräsentiert die Statusinformation 120 eine Information über eine aktuelle Komponentenschädigung zumindest einer Komponente der Windenergieanlage 100, wie beispielsweise dem Rotorblatt 108.
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In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert die Statusinformation 120 eine Information über eine Restlebensdauer für die Komponente der Windenergieanlage 100. Die Information über die Restlebensdauer wird dabei unter Verwendung der Zustandsgröße 114 bzw. unter Verwendung der Information über die aktuelle Komponentenschädigung ermittelt.
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Weiterhin umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 102 eine Einrichtung 122 zum Anpassen einer Betriebsstrategie für eine Betriebsführung der Windenergieanlage 100. Dabei ist die Einrichtung 122 zum Anpassen der Betriebsstrategie ausgebildet, die Betriebsstrategie unter Verwendung der Statusinformation 120 anzupassen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 122 zum Anpassen ausgebildet, die Betriebsstrategie unter Verwendung einer Zielvorgabe anzupassen. Die Zielvorgabe kann von einer externen Steuereinrichtung 124 bzw. einer übergeordneten Steuereinrichtung 124 bereitgestellt werden. Dabei wird als Zielvorgabe ein Betrieb mit maximaler Windenergieanlagenleistung, ein Betrieb mit einer gezielten reduzierten Windenergieanlagenleistung, ein Abschalten der Windenergieanlage oder eine Lastverringerung zu Beginn der Lebensdauer und eine spätere Erhöhung bei einer insgesamt konstanten Leistung vorgegeben.
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Ferner umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 102 eine Einrichtung 126 zum Bestimmen einer Instandhaltungsstrategie. Die Instandhaltungsstrategie ist geeignet, unter Verwendung der Statusinformation 120 eine Restlebensdauer der Windenergieanlage oder einer Komponente der Windenergieanlage auf ein Betriebsintervall zu verteilen. So kann ein Wartungszeitpunkt einfach verschoben werden. Dabei wird in einem Ausführungsbeispiel die Instandhaltungsstrategie unter Verwendung einer Zielstellung wie beispielsweise ein maximaler Ertrag, eine maximale Lebensdauer, eine Lastverringerung von Komponenten der Windenergieanlage, ein ausfallfreier Betrieb innerhalb eines Wartungsintervalls oder eine Vermeidung von einem Folgeschaden bei einem Komponentenausfall bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel wird als Zielstellung eine konstante Leistungsabgabe der Windenergieanlage über eine vorgegebene Lebensdauer der Windenergieanlage bestimmt.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 102 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine optionale Anzeigeeinheit 128 zum Darstellen der Statusinformation 120 sowie eine Anzeigeschnittstelle 130 zum Bereitstellen der Statusinformation 120 für die optionale Anzeigeeinheit 128.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 102 ferner eine Betriebsführungseinrichtung 132, die ausgebildet ist, den Betrieb der Windenergieanlage 100 zu steuern. So zeigt 1 eine Systemstruktur des Betriebsführungssystems einer einzelnen Windenergieanlage 100. Die Vorrichtung 102 schafft eine schädigungsabhängige Betriebsführung von Windenergieanlagen 100 unter Berücksichtigung n-dimensionaler Zielstellungen.
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Vorteilhaft wird eine Maximierung des Lebenszyklusertrags der Windenergieanlage 100 und ihrer Komponenten erzielt sowie die Stromgestehungskosten gesenkt und die die Zuverlässigkeit der Windenergieanlage 100 gesteigert.
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Die von der Vorrichtung 102 bereitgestellte Zustandsgröße 114 sowie Statusinformation 120 ermöglicht in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Betrieb beziehungsweise die Regelung einer Windenergieanlage 100 unter Berücksichtigung der aktuellen Schädigung beziehungsweise Restlebensdauer ihrer Komponenten. Anhand der aktuellen Schädigung beziehungsweise Restlebensdauer der Komponenten werden je nach Zielstellung unterschiedliche Betriebsstrategien der Windenergieanlage 100 abgeleitet und umgesetzt. Gleichzeitig wird die Restlebensdauer der Anlage und ihrer Komponenten angezeigt und ausgehend von der Restlebensdauer der Windenergieanlage 100 und Ihrer Komponenten eine Instandhaltungsstrategie abgeleitet. Zusätzlich erfolgt eine Rückkopplung zwischen Instandhaltungsstrategie und Betriebsstrategie.
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In 1 ist die Vorrichtung 102 als eine mögliche Anordnungsvariante im Fuß des Turms 104 der Windenergieanlage 100 angeordnet. Die Messung und Speicherung mindestens einer Zustandsgröße 114, die eine Aussage über die Belastungen von mindestens einer Komponente der Windenergieanlage 100 zulässt, beispielsweise Biegemomente an den Blättern 110 oder Antriebsmoment des Hauptgetriebes.
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Die Vorrichtung 102 umfasst eine erste Steuereinheit 118 oder Einrichtung 118 zum Ermitteln zur Verarbeitung der Messsignale, die aus den Zustandsgrößen die aktuelle Schädigung und die Restlebensdauer der jeweiligen Komponente ermittelt, sowie eine zweite Steuereinheit 122, als Einrichtung 122 zum Anpassen bezeichnet, die anhand der aktuellen Komponentenschädigung die Betriebsstrategie dahin gehend anpasst, dass vorgegebene Zielstellungen erreicht werden. Die gefundene Betriebsstrategie wird an die Betriebsführung 132 der Windenergieanlage übertragen.
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Die Vorrichtung 102 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit 128 zur Darstellung der Restlebensdauer der Anlage und ihrer Komponenten auf. Eine dritte Steuereinheit 126, als Einrichtung 126 zum Bestimmen bezeichnet, die ausgehend von der Restlebensdauer eine Instandhaltungsstrategie ableitet, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Bestandteil der Vorrichtung 102. Optional können alle Systembestandteile mit externen Stellen 124 Daten und Informationen austauschen.
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Als Zielstellung wird beispielsweise zumindest eine der nachfolgenden Vorgaben vorgegeben: maximaler Ertrag, maximale Lebensdauer, Lastverringerung von Komponenten, ausfallfreier Betrieb bis zur nächsten Wartung mit maximal möglichem Ertrag, Vermeidung von Folgeschäden bei Komponentenausfällen, eine konstante Leistungsabgabe der Windenergieanlage und oder Ihrer Komponenten über die gesamte Lebensdauer.
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Als Betriebsstrategie wird je nach Situation und Ausführungsbeispiel ein Betrieb mit maximaler Anlagenleistung, ein Betrieb mit gezielter Reduzierung der Anlagenleistung, ein Abschalten der Anlage oder eine Lastverringerung zu Beginn der Lebensdauer und spätere Erhöhung mit insgesamt konstanter Leistung gewählt.
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Die Zielstellungen und Instandhaltungsstrategien können entweder fix in den Steuereinheiten hinterlegt sein, durch eine übergeordnete Steuereinrichtung 124 vorgegeben oder durch Dritte ereignisabhängig vorgegeben werden. Die abgeleiteten Betriebs- und Instandhaltungsstrategien können entweder automatisch oder nach vorhergehender Zustimmung Dritter umgesetzt werden. Die Steuerung kann ein Optimierungsproblem lösen, bei dem die Betriebsstrategie der Windenergieanlage dahin gehend variiert wird, dass sowohl die vorgegebenen Zielstellungen erreicht werden als auch die Instandhaltungsstrategie umgesetzt werden können. Die Zielstellungen und Instandhaltungsstrategie können dabei n-dimensionalen Charakter haben.
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Geeignete Sensoren 112 messen die Belastung der Rotorblätter 110, beispielsweise durch Messung der Blattwurzelbiegemomente. Aus diesen Belastungen werden in der ersten Steuereinheit 118 die Schädigung und die Restlebensdauer der Rotorblätter 110 bestimmt. Dazu kann ein Rainflow-Counting nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, bei dem die Anzahl und Amplitude von Lastwechseln gezählt wird. In der zweiten Steuereinheit 122 wird anhand der aktuellen Zielsetzungen (beispielsweise maximaler Ertrag und Vermeidung von Folgeschäden bei Komponentenausfällen) und der aktuellen Schädigung/Restlebensdauer der Komponente eine Betriebsstrategie abgeleitet und an die Betriebsführung 132 der Anlage 100 übertragen. Liegt die Komponentenschädigung beispielsweise im zulässigen Bereich, kann die Windenergieanlage 100 beispielsweise mit maximaler Anlagenleistung betrieben werden. Liegt die Komponentenschädigung außerhalb des zulässigen Bereichs, kann beispielsweise die Anlagenleistung gezielt reduziert werden. So ist es sinnvoll, die Anlagenleistung im Bereich der Nennwindgeschwindigkeit deutlich abzusenken, da in diesem Bereich die höchsten Lasten auftreten. Gleichzeitig können in der dritten Steuereinheit 126 Instandhaltungsstrategien abgeleitet werden, um beispielsweise beschädigte Rotorblätter 110 auszutauschen. Es kann aber auch nützlich sein, die Anlagenleistung zu reduzieren, bevor eine Komponentenschädigung außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. So kann bei Offshore-Anlagen die Instandhaltungsstrategie vorgeben, dass Wartungen nur im Sommerhalbjahr ausgeführt werden können. Droht nun die Schädigung der Rotorblätter 110 bereits in einem Winterhalbjahr über den zulässigen Bereich anzustreichen, könnte die Anlagenleistung reduziert werden, um so den Zeitpunkt der Überschreitung in das Sommerhalbjahr zu schieben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Windparks 235 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in 2 dargestellte Windpark 235 umfasst zumindest zwei Windenergieanlagen 100. Bei den Windenergieanlagen 100 kann es sich um Ausführungsbeispiele der in 1 gezeigten Windenergieanlage 100 handeln. Jede der Windenergieanlagen 100 weist zumindest einen Sensor 112 auf, der zumindest eine Zustandsgröße 114 bereitstellt. Die Zustandsgrößen 114 der beiden Windenergieanlagen 100 werden an eine gemeinsame Vorrichtung 102 zum Überwachen der Windenergieanlagen 100 bereitgestellt und von dieser eingelesen.
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Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, die von den Windenergieanlagen 100 bereitgestellten Zustandsgrößen 114 an einer Schnittstelle 116 zum Einlesen zu empfangen und einzulesen. Die Vorrichtung 102 umfasst eine Einrichtung 118 zum Ermitteln, eine Einrichtung 122 zum Anpassen sowie eine Einrichtung 126 zum Bestimmen weiterhin weist die Vorrichtung 102 eine Anzeigeeinheit 128 auf. Die von der Vorrichtung 102 bereitgestellte Betriebsstrategie wird an die in den Windenergieanlagen 100 jeweils angeordnete Betriebsführungseinrichtung 132 bereitgestellt.
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Alle Bestandteile des Gesamtsystems können auch dezentral angeordnet werden. Beispielsweise können die Steuereinheiten 118, 122, 126 und die Anzeige 128 zentral in einem Windpark 235, bei einem Betreiber oder Anlagenhersteller angesiedelt sein. Zudem besteht die Möglichkeit, dass mehrere Windenergieanlagen 100 mit einem zentralen System 102 verbunden sind.
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Die Windenergieanlagen 100 sind über die Vorrichtung 100 und/oder die Betriebsführungseinrichtung 132 mit einer übergeordneten Steuereinrichtung 124 verbunden.
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Durch einen Datenabgleich zwischen Anlagen 100 verschiedenen Alters kann für eine jüngere Anlage 100 eine Prognose über den weiteren Schadensverlauf abgegeben werden, indem ein Vergleich zum Schadensverlauf an der älteren Anlage 100 durchgeführt wird. Dieses Zusatzwissen kann dann wiederum genutzt werden, um die Betriebsstrategie anzupassen, da bekannt ist, wie der Schadensverlauf fortschreiten wird. So kann eine übermäßige Leistungsreduktion bei unkritischen Schadensbildern verhindert werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 3 entspricht der Darstellung in 1, mit dem Unterschied das anstelle der externen Steuereinrichtung 124 eine zusätzliche Steuereinheit 340 vorgesehen ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die zusätzliche Steuereinheit 340 ausgebildet, die eingelesenen Zustandsgrößen sowie die daraus ermittelten Statusinformationen in einer zusätzlichen Speichereinheit 342 zu speichern und über diese eine Schwachstellenanalyse auszuführen.
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So sind als ein Aspekt der vorgestellten Erfindung zusätzlich verschiedene Erweiterungen denkbar. Beispielsweise kann die zusätzliche Steuereinheit 340 avancierte Datenauswertungen durchführen. Ausgehend von den ermittelten Komponentenschädigungen können beispielsweise automatische Schwachstellenanalysen für die Windenergieanlage 100 durchgeführt werden.
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Die Vorrichtung 102 schafft in einem Ausführungsbeispiel eine Steuerung, die aus geeigneten Belastungssignalen eine Komponentenschädigung ermittelt und anhand dieser Werte, vorgegebenen Zielstellungen und abgeleiteten Instandhaltungsstrategien oder Betriebsstrategien für die Anlagenregelung ableitet.
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In einer Variante ist die Vorrichtung 102 in eine Zustandsüberwachungs-Lösung oder in eine Last-Überwachungslösung (Load-Monitoring-Lösung) für Windenergieanlagen integrierbar oder mit einer solchen kombinierbar.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 450 zum Überwachen zumindest einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windenergieanlage kann es sich um eine Variante einer in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels einer Windenergieanlage 100 handeln. Das Verfahren 450 umfasst zumindest einen Schritt 452 des Einlesens einer Zustandsgröße sowie einen Schritt 454 des Ermittelns einer Statusinformation der Windenergieanlage unter Verwendung der Zustandsgröße. Die Zustandsgröße repräsentiert zumindest eine Belastung zumindest einer Komponente der Windenergieanlage. Die Statusinformation repräsentiert dabei eine Information über eine aktuelle Komponentenschädigung der Komponente der Windenergieanlage.
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Das in 4 dargestellte Ablaufdiagramm des Verfahrens 450 zeigt einen optionalen Schritt 456 des Anpassens einer Betriebsstrategie für eine Betriebsführung der Windenergieanlage unter Verwendung der Statusinformation. Weiterhin weist das Verfahren 450 einen optionalen Schritt 458 des Bestimmens einer Instandhaltungsstrategie zum Verteilen der Restlebensdauer der Windenergieanlage auf ein Betriebsintervall auf, wobei die Instandhaltungsstrategie unter Verwendung der Statusinformation bestimmt wird. Das Betriebsintervall wird dabei in einem Ausführungsbeispiel entsprechend einem Wartungsintervall gewählt oder alternativ entsprechend eines Zeitraums des aktuellen Zeitpunkts bis zu einem geplanten Wartungszeitpunkt.
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In entsprechenden Ausführungsbeispielen wird im optionalen Schritt 456 des Anpassens die Betriebsstrategie unter Verwendung einer Zielvorgabe angepasst. Weiterhin wird in entsprechenden Ausführungsbeispielen im optionalen Schritt 458 des Bestimmens die Instandhaltungsstrategie unter Verwendung einer Zielstellung bestimmt.
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Optional umfasst das Verfahren 450 weiterhin einen Schritt 460 des Bereitstellens der Statusinformation an einer Anzeigeschnittstelle zum visuellen Anzeigen der Statusinformation auf einer Anzeigeeinheit. Dies wird optional in einem Ausführungsbeispiel um ein Bereitstellen der Betriebsstrategie und ergänzend oder alternativ der Instandhaltungsstrategie erweitert.
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Optional wird der Schritt 460 des Bereitstellens ergänzt um einen in 4 nicht dargestellten weiteren Schritt des Einlesens, in dem die Zielvorgabe und ergänzend oder alternativ die Zielstellung an einer oder von einer Schnittstelle eingelesen wird.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Windenergieanlage
- 102
- Vorrichtung
- 104
- Turm
- 106
- Gondel
- 108
- Rotor
- 110
- Rotorblatt
- 112
- Sensor
- 114
- Zustandsgröße
- 116
- Schnittstelle zum Einlesen
- 118
- Einrichtung zum Ermitteln
- 120
- Statusinformation
- 122
- Einrichtung zum Anpassen
- 124
- externe Steuereinrichtung
- 126
- Einrichtung zum Bestimmen
- 128
- Anzeigeeinheit
- 130
- Anzeigeschnittstelle
- 132
- Betriebsführungseinrichtung
- 235
- Windpark
- 340
- zusätzliche Steuereinheit
- 342
- zusätzliche Speichereinheit
- 450
- Verfahren
- 452
- Schritt des Einlesens
- 454
- Schritt des Ermittelns
- 456
- Schritt des Anpassens
- 458
- Schritt des Bestimmens
- 460
- Schritt des Bereitstellens
