Wie lässt sich die Leistung von Windkraftanlagen steigern?

Wie lässt sich die Leistung von Windkraftanlagen steigern? 

Wenn eine Windkraftanlage einmal an ihrem endgültigen Standort errichtet wurde und nach der Inbetriebnahme läuft, kann die Leistung im Wesentlichen nur noch durch umfangreiche Nachrüstung der Hardware gesteigert werden. Für viele Betreiber stellt dies ein langwieriges, schwieriges und auch teures Unterfangen dar. Mitunter fehlt es an Ressourcen für solche Anstrengungen und an Erfahrung, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Glücklicherweise kann der Einsatz moderner, fortschrittlicher Regelungsstrategien die Leistung einer Windkraftanlage verbessern, ohne dass dabei mechanische Komponenten verändert werden müssten. So ist eine solche Umstellung sowohl hocheffektiv als auch kosteneffizient möglich.

Die Verbesserung der Anlageneffizienz führt oft zu einer Steigerung der Energieabgabe, da mehr Energie in Strom umgewandelt wird. Im Folgenden werden vor allem Möglichkeiten zur Steigerung der jährlichen Energieerzeugung (AEP) durch maßgeschneiderte, moderne Steuerungstechnologien erörtert.

Moderne Regellösung Power Boost
- Der Power-Boost-Algorithmus verbessert den Anfang der Nennleistungskurve durch Erhöhung des Leistungssollwerts beim Übergang von der Vorlaufkurve. Der kurzzeitige Boost erhöht bei jedem Übergang die AEP um einige Zehntelprozent, was unter windreicheren Bedingungen entsprechend mehr zu tragen kommt. Dabei ist zu betonen, dass mit der Verwendung dieser ausgefeilten Regelfunktion keine signifikanten Kompromisse verbunden sind.

Fortschrittliche Regellösung Power Uprate
- Power Uprate wurde entwickelt, um die Leistungsabgabe von Windkraftanlagen durch zwei unterschiedliche Ansätze zu verbessern: Maximiertes Uprate und Ausgewogenes Uprate. Beide Methoden zielen auf die Erhöhung der jährlichen Energieerzeugung ab. Jede für sich geht mit spezifischen Überlegungen und Kompromissen einher. Ein wesentliches Merkmal dieser Option ist die Möglichkeit, diese Funktion manuell oder automatisch zu aktivieren, wenn es beispielsweise unter bestimmten Markt- und/oder Betriebsbedingungen ideal ist, einen mechanischen Verschleiß für mehr Ertrag in Kauf zu nehmen. Dabei ist zu beachten, dass zur Bewältigung der Leistungssteigerung jeweils zusätzliche elektrische Hilfskapazität erforderlich sein kann.  

Fortschrittliche Regellösung Extended Cut-out
- Die Lösung mit Extended Cut-out wurde entwickelt, um den Betriebsbereich von Windturbinen zu verbessern, indem sie auch bei Windgeschwindigkeiten, die über der normalen Cut-out-Schwelle liegen, weiter betrieben werden können. Dies wird durch Absenkung der Leistungskurve über die normale Cut-out-Geschwindigkeit hinaus erreicht. Dies führt dazu, dass die Anlage bei windstarken Bedingungen allmählich heruntergeregelt wird, um die Turbine vor möglichen Schäden zu schützen und gleichzeitig den Betrieb über die vorherige Cut-Out-Windgeschwindigkeit hinaus auszuweiten.

Einer der Hauptvorteile der Leistungsminderung ist, dass sie abrupte Cut-outs eliminiert, was die Netzstabilität erheblich verbessert. Dieser sanftere Übergang reduziert den Verschleiß an den Hauptkomponenten, da es zu weniger Stopps und Starts bei hohen Windgeschwindigkeiten kommt. Folglich führt dies zu einer stabileren und zuverlässigeren Leistungsabgabe.

Darüber hinaus kann die Funktion Extended Cut-out zu erhöhten Gewinnen führen, insbesondere bei Starkwindstandorten, an denen die Windgeschwindigkeiten häufig die normalen Cut-out-Grenzwerte überschreiten. Wenn der Betrieb auch bei höherer Windstärke aufrechterhalten werden kann, wird mehr Windenergie genutzt und so die jährliche Energieproduktion gesteigert.

Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, dass mit diesem Ansatz ein Kompromiss verbunden ist. Ein längerer Betrieb bei höheren Windgeschwindigkeiten führt zu einer zusätzlichen Belastung der Komponenten, was zu einer Verkürzung der Gesamtlebensdauer der Windkraftanlage führen kann.

Selbstkalibrierende Giersteuerung
- Selbstkalibrierende Giersteuerungsalgorithmen sind so konzipiert, dass sie statische Gierfehlausrichtungen ständig erkennen und korrigieren und so die Leistung der Turbine verbessern, indem sie sicherstellen, dass die Gondel angemessen im Wind steht. Diese Algorithmen nutzen maschinelles Lernen und benötigen nach der Installation in der Regel eine kurze Phase für die automatische Kalibrierung. Bei Veränderungen oder Verschlechterungen der Windmessung oder der Kalibrierung von Blattstellung und Gierausrichtung justiert sich das System automatisch selbsttätig neu. Dies ermöglicht eine genaue Ausrichtung des Rotors und verbessert die Leistungsabgabe des Generators. So kann die jährliche Energieerzeugung um 3 bis 5 % gesteigert werden.

Automatische Rotor-Ungleichgewichtskorrektur
- Fortschrittliche Regelsysteme in modernen Windkraftanlagen verfügen über Algorithmen zur Erkennung von Rotorungleichgewichten, um Fehlausrichtungen zu erkennen und zu korrigieren. Werden Ausrichtungsfehler in der Blattsteigung erkannt, passt das System die Sollwerte für die Rotorblattausrichtung autonom an, um eine korrekte Ausrichtung der Blätter zu gewährleisten. Diese Technologie steigert nicht nur die jährliche Energieerzeugung um bis zu 0,7 %, sondern verringert auch die Belastung der Rotoren und damit die Materialermüdung.

Anpassung der Turbinenleistung an die Betriebsanforderungen
- Fortschrittliche Regellösungen wie Power Boost, Power-Uprate und Extended Cut-out können zusammen mit geeigneten Effizienzstrategien die jährliche Energieerzeugung bei minimaler Belastungssteigerung erheblich erhöhen.

Emerson bietet eine Reihe von maßgeschneiderten Lösungen für die Nachrüstung von Windkraftanlagen, mit denen die Leistung der Anlage entsprechend Ihren spezifischen Betriebsanforderungen verbessert werden kann.