Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

  Projektschrift  

  Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen  

  Inhaltsverzeichnis  

  Projekttagebuch Teil I  3

  Projekttagebuch Teil II  4

  Einleitung  5

  Das Erneuerbare-Energien Gesetz (EEG)  5

  Problemstellung  6

  Der Asynchrongenerator  7

  Der doppelt eingespeiste Asynchrongenerator  8

  Der Synchrongenerator  8

  Arbeitweise von Wechselrichtern  9

  Netzrückwirkungen  10

  Wie entstehen Spannungsschwankungen  12

  Spannungsschwankungen und Flicker an WEA  13

  Was ist Flicker  14

  Windgeschwindigkeiten  15

  Pitch- und Stallregelung  17

  Turmstau- und Turmschatteneffekt  17

  Schalthandlungen  18

  Periodische Leistungsschwankungen  18

  Leistungsschwankungen bei Einzelanlagen und Windparks  20

  Turbulenzintensität  21

  Fazit  23

  Danksagung  24

  Literaturverzeichnis  25

  Karsten Weber Seite  2

Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

Projekttagebuch/Teil I

Karsten Weber Seite 3

Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

Projekttagebuch/Teil II

Karsten Weber Seite 4

Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

Einleitung

Anlagen zur Einspeisung von Elektroenergie in das öffentliche Netz müssen den jeweiligen Netzverhältnissen angepasst werden. Die Netzeigenschaften ergeben sich aus dem Netzaufbau (Kraftwerke, Übertragungssysteme) und besonders in schwachen Netzen den angeschlossenen Verbrauchern. Die Struktur der Verbraucher unterliegt kurzzeitigen Veränderungen. Ziel ist es, den manuellen Aufwand zur Anpassung der Netzregelung zu minimieren. Dazu sind Konzepte für selbsteinstellende bzw. adaptive Netzregler erforderlich. Anpassung an den Netzeigenschaften bedeutet hier: Sicherung der Stabilität, Optimierung des Blindleistungshaushaltes und Unterdrückung von Oberschwingungen und Unsymmetrie im Netz.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

Das Ziel des Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien ist, im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Betrag Erneuerbaren Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen, um entsprechend den Zielen der Europäischen Union und der Bundesrepublik Deutschland den Anteil Erneuerbaren Energien am gesamten Energieverbrauch bis zum Jahr 2010 mindestens zu verdoppeln.

Das EEG verpflichtet die Netzbetreiber, regenerativ erzeugten Strom aufzunehmen und 20 Jahre lang zu gesetzlich festgelegten Mindestpreisen zu vergüten (Kaufpflicht). Die Höhe der Vergütung richtet sich jeweils nach dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Anlage. Für Strom aus der Windkraft erhält man 9,0 Cent pro kWh für mindestens die ersten 5 Jahre, 6,1 Cent pro kWh nach Erreichen eines Referenzvertrages. Der Referenzvertrag wird aufgrund der in den ersten 5 Jahren eingespeisten Strommenge ermittelt. Dadurch reduziert sich der Vergütungssatz an windreichen Standorten schneller als an anderen Standorten.

Karsten Weber Seite 5

Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

Problemstellung

Windenergieanlagen (WEA) arbeiten aufgrund ihrer erhöhten Wirtschaftlichkeit bei garantierter Einspeisevergütung nach dem EEG hauptsächlich mit netzgekoppelten Gene-ratoren. Aufgrund der Arbeitsweise der eingesetzten Leistungselektronik wird das Netz beeinflusst. Diese Beeinflussungen werden als Netzrückwirkungen bezeichnet. Die Arten der Netzrückwirkungen, ihre Ursachen, Kennwerte, Grenzwerte und mögliche Maßnahmen zu ihrer Verminderung sollen hier näher erläutert werden. Die Bewertung der Netzrückwirkungen ist für die Energieversorgungsunternehmen (EVU) sowie für die Hersteller und Betreiber von WEA von Interesse, da die Netzanschlussleistung auch von der Höhe des Störpegels abhängt.

Windenergieanlagen werden aufgrund der höheren Energieausbeute vorzugsweise mit variabler Drehzahl betrieben. Bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten sind variable Rotordrehzahlen der WEA erforderlich, um dem Wind die maximal mögliche Leistung entnehmen zu können. Der Generator muss drehzahlvariabel arbeiten. Zur Anpassung der Generatordrehzahl an die Windgeschwindigkeit wird ein Wechselrichter als gesteuerter Gleichrichter eingesetzt, mit dem eine generatorseitige Frequenzanpassung realisiert wird. Die Kopplung der WEA mit dem Versorgungsnetz wird ebenfalls mit einem Wechselrichter realisiert. Dieser Netzwechselrichter passt die Form der in der WEA umwandelten und im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie an die Netzverhältnisse an. Die Kombination zweier Wechselrichter wird als Umrichter bezeichnet.

Abb. 1: Aufbau einer WEA mit Asynchrongenerator

Karsten Weber Seite 6

Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

Abb. 1 zeigt das Grundprinzip der WEA Netzkopplung mit einem Umrichter. Werden, wie bei fast allen Umrichtern an WEA, Kondensatoren als Speicherglieder zwischen den Wechselrichtern eingesetzt, handelt es sich um Spannungszwischenkreis-Umrichter. Leistungsstarke WEA werden anlagennah über einen Transformator an das Mittelspannungsnetz angeschlossen. Windparks speisen aufgrund ihrer hohen Leistung meist in das Hochspannungsnetz ein. Der Einspeisepunkt wird je nach Netzauslastung vom EVU vorgegeben.

Der Asynchrongenerator

Die Asynchronmaschine besitzt eine Reihe von Vorteilen wie Wartungsarmut, einfache Netzkopplung und stabiler Betrieb des Käfigläufers sowie die Möglichkeit der Läuferspeisung beim Schleifringläufer. Deshalb ist der Asynchrongenerator das am häufigsten verwendete Konzept, um eine WEA an ein Netz anzubinden. Die Verwendung dieses Konzeptes ist mit dem geringsten technischen Aufwand verbunden, wodurch die Kosten niedrig gehalten werden können und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird. Bei der Anwendung in der Windenergie ist jedoch ein Getriebe unbedingt erforderlich, da langsamlaufende Asynchronmaschinen unterhalb einer bestimmten Drehzahl nicht mehr ausführbar sind. Zur Erregung des Asynchrongenerators ist Blindleistung erforderlich, die bereits im Leerlauf relativ hoch ist und mit der Wirkleistungsabgabe geringfügig ansteigt. Diese Eigenschaft möglicht den Einsatz konstanter Blindleistungskompensationen, z.B. in Form von Kondensatorbatterien.

Bei hochpoligen elektrischen Maschinen mit großem Durchmesser muss zum einen der Luftspalt aus mechanischen Gründen recht groß gewählt werden, zum anderen verringert sich aufgrund der hohen Polzahl die Polteilung, so dass das Verhältnis von Luftspalt zu Polzahl mit abnehmender Drehzahl immer größer wird. Der zur Erregung er-forderliche Magnetisierungsstrom steigt mit dem Verhältnis stark an, was den Leistungs-faktor und Wirkungsgrad verschlechtert und eine niedrige Ausnutzung hochpoliger Asynchronmaschinen zur Folge hat.

Karsten Weber Seite 7