Projektschrift

Die Güte der Elektrizität von Windenergieanlagen

von

Karsten Weber

Technikerschule der Stadt Braunschweig
19.06.2003

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

Projekttagebuch/Teil I

[in Downloaddatei enthalten]

Projekttagebuch/Teil II

[in Downloaddatei enthalten]

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.

Problemstellung

Windenergieanlagen (WEA) arbeiten aufgrund ihrer erhöhten Wirtschaftlichkeit bei garantierter Einspeisevergütung nach dem EEG hauptsächlich mit netzgekoppelten Generatoren. 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
[in Downloaddatei enthalten]

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.

[....]