Industrie 4.0: Een windmolenpark grijpt de kans van digitale innovaties

Digitale innovaties hebben een windparkexploitant in staat gesteld een dubbel doel te bereiken:

• Voortdurende optimalisatie van de prestatieparameters om meer elektriciteit te produceren.
• Vermindering van de onderhoudskosten door het voorspellen van storingen, het bepalen van de resterende levensduur van onderdelen, het optimaliseren van interventieschema's en het beheersen van toekomstige uitgaven.

De gebruikte technologieën:

In de eerste plaats is de gegevensverwerving een essentieel punt. In de eerste plaats moet de frequentie van de monsterneming worden vastgesteld op grond van de nagestreefde doelstellingen en de technische beperkingen, ten einde de relevantie van de gegevens te waarborgen. Ten tweede kan lokale voorbewerking nodig zijn wanneer het verzenden van ruwe gegevens niet gerechtvaardigd is. Dit is meer in het bijzonder het geval voor trillingsmetingen en stroomharmonische analyse.

Ten tweede is het in het algemeen noodzakelijk de gegevens op te schonen, de ontbrekende gegevens aan te vullen en ze te synchroniseren wanneer de meetfrequenties verschillen: meestal 1 seconde voor SCADA-gegevens, ongeveer tien minuten voor trillingsmetingen aan de zijde van de trage transmissieas en tot 6 uur voor weergegevens. Het doel is de relevantie van verdere verwerking te waarborgen.  

Ten derde, om deze verwerking optimaal te maken, worden verschillende modellen toegepast. Deze worden opgebouwd en gevalideerd met behulp van verschillende modelbenaderingen door gebruik te maken van historische gegevens in combinatie met deskundigheid op het gebied van onderhoud en processen:

• Een eerste benadering is gebaseerd op een combinatie van alarmen, operationele gegevens en de frequentie waarmee gebeurtenissen zich voordoen, zoals gemeten door de SCADA.
• Een tweede benadering maakt gebruik van analytische instrumenten zoals beslisbomen, neurale netwerken, ISHM-modellen, enz.
• Een derde benadering is gebaseerd op natuurkundige wetten, met inbegrip van meteorologische modellen die worden gebruikt om reeksen van windsnelheid en -richting rond de turbine op te bouwen (in historische en voorspellingsmodus) en modellen van vermogenskrommen (capaciteit van de turbine om energie uit de wind te halen) en koppelmodellen (efficiëntie van de omzetting van mechanische energie in elektrische energie).

Een vierde benadering, hybride genoemd, is gebaseerd op een combinatie van de drie vorige. Hiertoe behoren modellen die zijn afgeleid van de vermogenskromme en de koppelkromme, alsmede voorspellende onderhoudsmodellen.
Ten vierde moeten, om de door de modellen verschafte bruikbare informatie weer te geven, weergave-instrumenten zoals dashboards, trendcurven en grafieken voor kruisanalyse van gegevens worden opgezet, en ook een conversatie-assistent die de vragen van de gebruiker over de toestand van zijn machines beantwoordt.

Figuur 1: Prognose van de resterende levensduur

Vroegtijdige opsporing van storingen en prognose

De vervanging van grote onderdelen is kostbaar in termen van interventies en productieverliezen. Vroegtijdige opsporing van storingen in combinatie met een prognose van de resterende levensduur vermindert echter de kosten van ingrepen en maakt het mogelijk deze tijdig te plannen. Zo werd bijvoorbeeld een defect aan het hoofdlager ontdekt 1,5 jaar voordat het schade veroorzaakte aan de randapparatuur. Deze detectie werd bereikt met behulp van een hybride trillingsmodel, aangevuld met SCADA-metingen. De planning van de interventie werd geoptimaliseerd dankzij de adaptieve prognose van de restlevensduur, berekend door een hybride degradatievoorspellingsmodel dat is opgebouwd op basis van historische gegevens en op advies van onderhoudsdeskundigen.

Vaststellen van de oorzaken van prestatievermindering

Bij windturbines hebben prestatieverminderingen meerdere oorzaken, zoals een verkeerde uitlijning van de gondel ten opzichte van de wind, bladerosie, verlies van generatorefficiëntie, enz. Om de oorzaak van de degradatie te achterhalen zijn meestal specifieke meetcampagnes en/of kostbare inspecties nodig. Met hybride modellen kunnen bepaalde degradaties worden geïsoleerd en zelfs geëvalueerd in termen van productieverlies en noodzakelijke correctie. Dit was het geval voor een windturbine met een scheefstand in de gondel. Het isoleren van de oorzaak en het evalueren van de vereiste correctie werd bereikt door het combineren van hybride vermogens- en koppelcurve-modellen. Na correctie werd de gemiddelde verbetering van de output op ongeveer 15% geschat.