Technologie

Windkraft stellt Regelleistung

24.11.2020 - Forschungsprojekt „GridLoads“ zeigt, wie Windräder mechanischen Belastungen standhalten.

Mit dem Abschalten konventioneller Kraftwerke geht die Massen­trägheit der Synchron­generatoren verloren, die das Stromnetz stabilisieren. Hier könnten Windenergie­anlagen einspringen. Doch halten sie den dadurch entstehenden mechanischen Belastungen stand? Das erfolgreich abgeschlossene Forschungs­projekt „GridLoads“ vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystem­technik IEE und des Unternehmens Mesh Engi­neering zeigt jetzt deutlich: Die Anlagen kommen damit grund­sätzlich gut zurecht – vorausgesetzt, die Regelungsmodule der Anlagen werden zuvor für die neue Aufgabe gerüstet. Um die auftretenden elektro­mechanischen Schwingungs­moden zu analysieren, haben die Forscher komplexe Simulationen durchgeführt.

„Weniger konven­tionelle Kraftwerke im Netz bedeuten weniger Trägheit im System – die Versorgungs­sicherheit ist gefährdet, wenn dem nicht begegnet wird“, sagt Projekt­leiter Boris Fischer. „Auf dem Papier eignet sich kinetische Energie in den Rotoren von Windenergie­anlagen hervorragend, den Verlust an Massen­trägheit auszugleichen. Unser Forschungsprojekt zeigt ganz deutlich, dass dies auch in der Praxis möglich ist – selbst Momentan­reserve können die Anlagen bereit­stellen. Damit haben wir Pionierarbeit für die künftige Sicherung der Netz­stabilität geleistet“, sagt Fischer.

Mit der Bereitstellung von Systemdienst­leistungen wie der Momentan­reserve ist ein Paradigmen­wechsel bei der Betriebsweise der Windenergie­anlagen verbunden: Sind Netzzustand und Anlagen­betrieb bislang weitgehend entkoppelt, kommt es hierbei zu beständiger Interaktion. Dabei treten komplexe Wechsel­wirkungen zwischen Netz und Anlage auf. In der Folge verändern sich auch die Anforderungen an die Generator­regelung der Anlagen. Um zum Beispiel bei Bedarf kurzfristig die Frequenz zu stützen, muss die Wirkleistung der Windenergie­anlagen mit hohen Gradienten verändert werden. „Dabei können Schwingungen entstehen, die zu erhöhten mechanischen Belastungen führen“, erläutert Fischer. Der Triebstrang mit Rotor­blättern, Wellen, Getriebe und Generator ist davon genauso betroffen wie der Turm.

Zusammen mit dem Partner Mesh Engi­neering aus Stuttgart hat das Fraunhofer IEE aus Kassel im Forschungs­projekt „GridLoads“ untersucht, wie sich netzstützende Regelungs­verfahren auf Triebstränge und Türme von Windenergie­anlagen auswirken. Die Wissenschaftler haben sich dabei auf die Momentanreserve konzentriert, weil deren Bereitstellung die mechanische Struktur der Anlagen in besonderem Maße belasten kann. Um die Auswirkungen der mit dem Abruf von Momentan­reserve entstehenden neuartigen Schwingungs­phänomene zu ermitteln, haben die Experten komplexe Simulations­verfahren angewandt. Die besondere Herausforderung lag hier darin, zwei verschiedene Welten – die Anlagen- und die Netzseite – zusammen zu bringen. So haben die Forscher auf mechanischer Seite hochauflösende Mehrkörper­modelle konfiguriert und diese mit transienten Netzwerk-Simu­lationen auf elektrischer Seite gekoppelt. Auf diese Weise konnten sie die elektro­mechanischen Schwingungs­moden einer Referenz­anlage exakt identifizieren.

„Unsere Untersuchung zeigt, dass moderate Abrufe netz­stabilisierender Leistungen grundsätzlich keine kritische Belastung der mechanischen Komponenten darstellen“, fasst Fischer zusammen. Auch mit Netz­pendelungen oder der Umschaltung von Stufen­trafos kommen die Anlagen problemlos zurecht. Die dadurch verursachten Schwingungen sind so gering, dass die Komponenten keinen Schaden nehmen. „Die Minderung der Netz­trägheit durch die vermehrte Einspeisung von Windenergie­anlagen lässt sich also in den aller­meisten Situationen durch die Anlagen selbst ohne Probleme ausgleichen“, betont Fischer. Dies gilt allerdings nur, wenn die Anlagen­hersteller ihre Regelungs­module für die Leistungs­elektronik zuvor an die neuen Aufgaben angepasst haben. Wie das möglich wird, zeigen die Forscher ebenfalls im Gridloads-Projekt.

„Unsere Regler bieten einen optimalen Kompromiss zwischen den mechanischen Anfor­derungen auf der Anlagen- und den elektrischen Anforderungen auf der Netzseite“, sagt Fischer. Die Forscher konnten hier von ihrer umfassenden Erfahrung auf dem Feld der Generator- und Umrichter­regelung profitieren. Lediglich bei einigen seltenen, speziellen Netzfehlern kann es zu einer übermäßigen mechanischen Belastung von Triebstrang und Turm kommen, zeigt das Forschungs­projekt. Dazu zählen das Auftreten von großen Leistungs­defiziten oder -überschüssen etwa durch den Ausfall eines Kraftwerks oder durch die fehler­bedingte, spontane Bildung eines Inselnetzes. In diesen Fällen müssen Windenergie­anlagen schlagartig ausreichend Kompensations­leistung bereit­stellen. Das tun sie, indem sie sehr schnell das Generatormoment erhöhen, was einen Stoß auf den Triebstrang zur Folge hat – eine potenziell kritische Situation, wenn die Anlage in Volllast betrieben wird. „Solchen Extrem­situationen kann man auch mit der intelli­gentesten Regelung nicht beikommen“, sagt Fischer.

Doch es gibt mehrere andere Wege, dieser außer­gewöhnlichen Belastung zu begegnen. So wäre es zum Beispiel möglich, mit einer Über­dimensionierung der elektrischen Komponenten sowie des mechanischen Trieb­strangs die Überlast­fähigkeit zu erweitern. Ebenso könnte man zusätzliche Komponenten wie Batterien oder auch Super­kondensatoren als Kurzzeitspeicher installieren. Sie sind in der Lage, die benötigten hohen Leistungen innerhalb kürzester Zeit bereit zu stellen. Eine andere Alternative ist, die Leistungs­reserven der Anlagen zu nutzen – schließlich laufen sie nur zehn bis zwanzig Prozent ihrer Lebensdauer mit voller Nennleistung. Hinzu kommt, dass in Stark­windzeiten viele Anlagen gedrosselt werden. „Welche Vor- und Nachteile diese Optionen in wirtschaft­licher Hinsicht haben, ist noch zu diskutieren“, sagt Fischer. 

Fh.-IEE / JOL

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