1. Einleitung
Die stürmische Entwicklung der Wind-energienutzung hat in der Öffentlich-keit, Politik und Wissenschaft ein enormes Interesse geweckt und eine breite Diskussion ausgelöst. Dabei nimmt die Verträglichkeit der Wind-kraftanlagen mit dem Landschaftsbild sowie dem Elektrizitätsversorgungs-netz einen hohen Stellenwert ein.
Um die politischen Vorgaben zur Um-weltentlastung im neuen Jahrtausend zu erreichen, muß neben Maßnahmen zur Energieeinsparung ein erheblicher Ausbau der Nutzung erneuerbarer En-ergien angestrebt werden. Da Strom aus Wind dabei momentan die günstigsten technischen und wirt-schaftlichen Perspektiven besitzt, ist
dieser Energie eine hohe Priorität bei-zumessen.
Ziel einer zukunftsweisenden Energie-versorgung sollte es daher sein, ein möglichst breites Spektrum angebote-ner und zu erschließender Eangebote-nergiefor- Energiefor-men (Wasser, Wind, Photovoltaik etc.) einzubinden und die vorhandenen Netze für eine derartige Energieein-speisung möglichst gut auszunutzen.
Dafür müssen Anlagen mit guter Netz-verträglichkeit eingesetzt und, falls er-forderlich, auch Maßnahmen zur Netzstützung ergriffen werden.
2. Windkraftanlagentechnik
Die Entwicklung der Windkraftanla-gen moderner Prägung führte – von Anlagen der 10 bis 50 kW-Klasse An-fang der achtziger Jahre ausgehend – ein gutes Jahrzehnt später zu serien-reifen Konvertern der 500 bis 1.500 kW-Leistungsgröße, die überwiegend von mittelständischen Unternehmen pro-duziert werden. Bei der Weiterent-wicklung dieser Windkraftanlagen wurden erfolgreiche Konzepte und In-novationen von kleinen und mittleren Anlagen auf größere Einheiten über-tragen. Die Windturbinen konnten in ihrer Zuverlässigkeit stark verbessert und in ihrer Wirtschaftlichkeit enorm gesteigert werden.
Für die Stromerzeugung aus Wind haben sich aus einer Vielzahl von Sy-stemvarianten die folgenden techni-schen Lösungen mit guten Weiterent-wicklungschancen herauskristallisiert:
• Dreiblattrotor mit Stall- oder Pitchre-gelung und Asynchrongenerator(en) direkt am Netz,
• Dreiblattrotor mit Einzelblatt-Pitchre-gelung, getriebelosem Synchronge-nerator, variabler Drehzahl, Gleich-stromzwischenkreis über Wechsel-richter am Netz,
• Zweiblattrotoren mit Pitchregelung, starrer Nabe und Asynchrongenera-tor(en) direkt am Netz und
• Zweiblattrotoren mit Pitchregelung, Pendelnabe, Synchrongenerator mit vorgeschaltetem Getriebe, variabler Drehzahl, Gleichstromzwischenkreis über Wechselrichter am Netz.
Dagegen konnten sich
• Einblattrotoren mit Pitchregelung, Schlaggelenknabe, variabler
Dreh-Entwicklungstendezen 14.03.2001 9:24 Uhr Seite 126
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stellantriebe möglich. Bei der über-wiegenden Zahl der MW-Anlagen, bei vielen Konvertern größer als ca. 300 kW und vereinzelt auch bei kleinen Einhei-ten wird dieses Prinzip zur Turbinenre-gelung und Leistungsbegrenzung an-gewendet. Das Antriebsmoment des Windrades bzw. seine Leistungsauf-nahme kann damit gezielt den Ver-braucher- bzw. Netzerfordernissen an-gepaßt werden. Somit läßt sich bei genügend großem Windangebot die Anlagenleistung bzw. die Rotordreh-zahl oder die Generatorfrequenz in allen Leistungsbereichen beeinflussen.
Durch diese Eingriffsmöglichkeiten ist eine wesentliche Voraussetzung zum sicheren Betrieb der Anlagen in allen Lastbereichen gegeben (Abbildung 2).
Neue Regelungsverfahren, die kompo-nentenschonend und
gütekriterieno-rientiert ausgerichtet sind sowie selbsteinstellend auch an veränderte Umwelt- und Systembedingungen an-gepaßt arbeiten, werden zukünftig zur weiteren Erhöhung der Betriebssicher-heit und der Lebensdauer von Wind-kraftanlagen führen.
Falls negative Einwirkungen auf Netze, sogenannte Netzrückwirkungen, durch Windkraftanlagen in leistungs-schwachen oder stark ausgenutzten Netzen hohe Werte annehmen, ist es möglich, diese durch eine Pitchrege-lung herabzusetzen, so daß die ent-sprechenden Grenzwerte eingehalten werden. Derartige Eingriffe sind aller-dings mit einem geringeren Winden-ergienutzungsgrad verbunden und können die Lebensdauer der Stellein-richtung beeinträchtigen. Da sich zahl über Wechselrichter am Netz
sowie
• Vertikalachsenrotoren in H-Form mit getriebelosem Synchrongenerator, variabler Drehzahl über Wechselrich-ter am Netz
nicht mit dem gewünschten Erfolg auf dem Markt durchsetzen.
Bei Anlagen bis 600 kW hat sich bis-her eine deutliche Dominanz von Sy-stemen mit 3-Blattrotor, Leistungsbe-grenzung durch Stalleffekt und Asyn-chrongenerator mit drehzahlstarrer Netzankopplung herauskristallisiert.
Die Preise für die am Markt bereits eingeführten und überaus bewährten 500 bis 600 kW-Anlagen liegen zwi-schen 1.200 und 2.000 DM/kW Nenn-leistung bzw. 550 und 750 DM/m2 Rotorkreisfläche. Energieerträge von 600 bis 800 kWh/m2und Jahr im Bin-nenland und Mittelgebirge sowie 900 bis 1.200 kWh/m2 und Jahr an der Küste werden erreicht.
Bei den in der Einführung befindlich-en Anlagbefindlich-en der Klasse mit 750 bis 1.500 kW Nennleistung bewegen sich die bezogenen Kosten momentan noch höher. Pitchregelung und dreh-zahlvariabler Anlagenbetrieb dominie-ren insbesondere bei Systemen in der 1,5 MW-Klasse (Abbildung 1). Starke Tendenzen zu getriebelosen Trieb-strangkonzepten sind zur Zeit zu be-obachten. Insgesamt ist hier ein deutli-cher Trend zu technisch aufwendige-ren und innovativen Konfigurationen zu erkennen. Preisdifferenzen sind u.a.
durch unterschiedliche Konzepte, Rot-ordurchmesser und Nabenhöhen (z.B.
Küsten- bzw. Binnenlandversion) be-dingt.
2.1 Leistungsbegrenzung und Rege-lung der Turbine
Bei elektrischen Energieversorgungs-anlagen kann üblicherweise die Ener-giezufuhr entsprechend dem Lei-stungsbedarf erhöht oder vermindert werden. Windkraftanlagen erlauben hingegen nur Eingriffe in Richtung ge-ringeren Energieumsatzes.
Eine Beeinflussung der Leistungsauf-nahme aus dem Wind ist durch Verän-derung der Einstellwinkel an den Rotorblättern (Pitchregelung) z.B. mit Hilfe einer Hydraulik und bei größeren Anlagen durch elektromotorische
Ver-Pitch-Regelung
Stall-Regelung Drehzahl
kW-Klasse konstant variabel
Drehzahl
MW-Klasse konstant variabel
Abbildung 1: Verteilung der Regelungs- und Wandlerkonzepte der Windkraftan-lagen in verschiedenen Leistungsklassen
Abbildung 2: Energiefluß, Regelung und Führung von Windkraftanlagen
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Maßnahmen zur Leistungsbegren-zung, die beispielsweise durch eine Fernüberwachung möglich sind, im allgemeinen auf relativ kurze Eingriffs-zeiten beschränken, fallen dadurch hervorgerufene Ertragsminderungen im Hinblick auf die Jahresenergieliefe-rung in der Regel nicht sonderlich ins Gewicht.
Zur Begrenzung der Windturbinenlei-stung wendet die überwiegenden Zahl aller Hersteller für kleine und mittel-große Anlagen bis ca. 600 kW das Prinzip des Strömungsabrisses (sog.
Stallregelung) an. Bei einem Windan-gebot über dem Nennbereich ge-langen die Rotorblätter dabei in den Stallbetrieb. Durch Strömungsabriß an den Rotorblättern wird somit die Lei-stungsaufnahme der Turbine infolge der konstruktionsbedingten Gegeben-heiten begrenzt. Dazu muß allerdings die Turbine durch den Generator in ihrer Drehzahl gehalten werden. Ver-braucherorientierte Eingriffe an der Windturbine können bei diesen Anla-genarten nur durch das elektrische Lastmoment des Generators über den gesamten mechanischen Triebstrang auf die Turbine rückwirkend vorge-nommen werden.
Eingriffe zur Minderung der Anlagen-leistung bzw. der Netzrückwirkungen etc. sind bei stallbetriebenen Anlagen nicht ohne weiteres möglich. Die Ein-griffe der Regelung und Betriebs-führung beschränken sich weitgehend auf die Steuerung der Ein- und Aus-schaltvorgänge. Diese sollten insbe-sondere bei Windparks z.B. durch eine Fernüberwachung zu definierten Zeit-punkten im Rahmen eines Parkmana-gements ermöglicht werden.
2.2 Generatoren und Netzanbindung Zur mechanisch-elektrischen Energie-wandlung kommen bei Windkraftan-lagen – aufgrund der robusten Aus-führungsmöglichkeiten – nur Dreh-feldmaschinen zum Einsatz. Bei diesen Generatoren kann grundsätzlich un-terschieden werden zwischen Asyn-chron- und Synchronmaschinen mit direkter Netzanbindung sowie mit Stromrichterkopplung. Abbildung 3 gibt einen Überblick über die bereits erprobten sowie in naher Zukunft zum Einsatz kommenden Wandlersysteme.
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Abbildung 3: Mechanisch-elektrische Wandlersysteme
Abbildung 4: Konventioneller Triebstrang mit Getriebe und Asynchrongenerator
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Generatoren mit erhöhtem Schlupf führen zu kleineren Leistungsschwan-kungen und niedrigeren Belastungen am Triebstrang und im Netz, dabei be-wirkt eine Verdoppelung des Nenn-schlupfs etwa eine Halbierung der Lei-stungsänderungen. Aufgrund schlupf-proportionaler Verluste sind allerdings größere Maschinenbauformen und ein niedrigerer Wirkungsgrad die Folge.
Schleifringläufermaschinen können im Schlupfbereich drehzahlvariabel be-trieben werden. Die Weiterentwick-lung der dazu notwendigen leistungs-elektronischen Bauelemente und Um-richtertechnik eröffnet zunehmend die Möglichkeit, technisch bessere
Strom-richtersysteme kostengünstig einzu-setzen. Ein gewisser Trend zu derarti-gen Wandlersystemen ist bei einiderarti-gen 1,5 MW-Anlagen zu erkennen.
2.2.2 Anlagen mit Synchrongenerator und Umrichter
Zur Elektrizitätserzeugung werden in konventionellen Wärmekraftwerken nahezu ausschließlich elektrisch erreg-te Synchrongeneratoren eingesetzt.
Mit diesem System lassen sich Wirk-und Blindleistung entsprechend den Netzbedürfnissen einstellen. Da Wind-turbinen in ihrem Leistungsverhalten den Windgeschwindigkeiten bzw.
deren Gradienten unterworfen sind, Unterschiede im Aufbau des
Maschi-nenhauses.
Mehr als 90% der weltweit betriebe-nen Windkraftanlagen sind mit direkt netzgekoppelten Asynchrongenerato-ren ausgerüstet. In Deutschland kom-men hingegen in zunehkom-mendem Maße Synchronmaschinen mit und ohne Ge-triebe, mit Gleichrichter, Gleichstrom-zwischenkreis und netzgeführtem Wechselrichter bzw. neuerdings auch mit Pulswechselrichter zum Einsatz.
Leistungs- und Spannungsschwankun-gen sowie auch die mechanischen Be-lastungen am Triebstrang haben bei drehzahlstarren Einheiten besonders große Werte. Drehzahlvariable Syste-me sind von diesen Belastungen nur in erheblich abgeschwächter Form be-troffen, benötigen allerdings einen größeren gerätetechnischen Aufwand.
Bereits relativ kleine Drehzahlstellbe-reiche (z.B. 5%) Drehzahlstellbe-reichen aus, um Lei-stungsänderungen und mechanische Belastungen wesentlich zu mindern.
Durch einen großen Drehzahlvariati-onsbereich (z.B. 50 bis 100%) lassen sich insbesondere bei Teillast die Windturbinen in der Nähe ihres Lei-stungsoptimums betreiben. Auf diese Weise können höhere Energieerträge erzielt werden. Somit kann durch die Wahl des Wandlerkonzeptes auch das Anlagenverhalten bzw. die Rückwir-kungen auf das Netz stark beeinflußt werden.
2.2.1 Anlagen mit Asynchrongenera-toren
Asynchrongeneratoren werden stator-seitig meist direkt mit dem Netz ver-bunden. Ankopplungen über Umricht-ersysteme bilden die Ausnahme. Kurz-schluß- und Käfigläufermaschinen haben eine weitgehend feste Dreh-zahlkopplung mit dem Netz. Variatio-nen sind im wesentlichen nur im Be-reich des Nennschlupfs möglich.
Heute übliche Baugrößen der 50 bis 1.500 kW-Klasse weisen bei Nennbe-trieb im allgemeinen Schlupfwerte um 1% auf, wobei mit zunehmender Ma-schinenleistung kleinere Schlupfwerte und somit bessere Wirkungsgrade er-reicht werden. Dementsprechend ver-mindert sich jedoch der Drehzahlvaria-tionsbereich. Mechanisch eingebrach-te Leistungsschwankungen können somit im Netz Spannungsschwankun-gen hervorrufen. Speziell ausgelegte
Abbildung 5: Getriebelose Windkraftanlage mit Vielpolgenerator Verstellantrieb
Rotorblattlager Haltebremse Achszapfen Rotorblatt
Generatorständer Generatorläufer
Hauptlager Nabe
Service-Bordkran Entwicklungstendezen 14.03.2001 9:24 Uhr Seite 129
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• Veränderungen der Rund-steuersignale sowie
• Verschlechterungen des Leistungsfaktors cos und
• sonstige Störaussendungen
nehmen hingegen eine untergeordnete Rolle ein. Weiterhin treten Veränderun-gen der Netzimpedanz und damit der Kurzschlußleistung auf. Darüber hinaus muß möglichen Netzresonanzen und elektromagnetischen Störungen beson-dere Beachtung gewidmet werden.
3.1 Spannungsvariationen
Die elektrische Leistung einer Wind-kraftanlage unterliegt periodischen und stochastischen Schwankungen, die – je nach Wandlerkonzept – direkt oder nach kurzzeitiger Zwischenspei-cherung geglättet an das Netz weiter-gegeben wird. Diese Leistungsände-rungen verursachen in den Elektrizi-tätsversorgungsnetzen entsprechende Spannungsvariationen, die sich z.B. als Flicker bemerkbar machen können.
Periodische Leistungsschwankungen, die insbesondere durch Höhenwind-gradienten, Turmschatten- bzw. Turm-staueffekte hervorgerufen werden, spielen insbesondere bei drehzahlvaria-blen Anlagen im Hinblick auf Span-nungseinflüsse eine untergeordnete Rolle. Demgegenüber nehmen im allge-meinen die durch kurz- und langfristige Windgeschwindigkeitsänderungen auf-tretenden Leistungs- und Spannungs-schwankungen dominierende Werte an. Auch das Zuschalten der Windkraft-generatoren verursacht entsprechend hohe Schaltströme und damit wieder-um Spannungsschwankungen.
3.2 Oberschwingungen
Unterschiedliche Wandlersysteme wei-sen je nach Netzanbindung im Hin-blick auf Oberschwingungen große Differenzen auf. Direkt mit dem Netz gekoppelte Asynchrongeneratoren führen im allgemeinen auch mit zu-nehmender Anzahl mehrerer Anlagen nicht zu einer Erhöhung der Ober-schwingungsbelastung. Bereits im Netz vorhandene Oberschwingungen und Zwischenharmonische werden meist sogar abgeschwächt.
Im Gegensatz dazu steigt der Ober-schwingungsgehalt mit der Anzahl
und der Leistung der an das Netz an-geschlossenen Windkraftanlagen mit Umrichterspeisung. Dabei haben 6-pulsige netzgeführte Wechselrichter erheblich stärkere Netzrückwirkungen als 12-pulsige Wechselrichter, bei denen die 5. und 7. Oberschwingung nicht auftritt. Selbstgeführte Puls-Um-richter mit einer hohen, im kHz-Be-reich liegenden Taktfrequenz, weisen demgegenüber noch erheblich niedri-gere Oberschwingungspegel auf. Sie bieten zudem die Möglichkeit, auf das Netz stützend einzuwirken.
3.3 Elektromagnetische Verträglich-keit
Auch über magnetische und elektri-sche Felder sowie durch elektroma-gnetische Wellen können Störungen in Elektrizitätsversorgungsnetze einge-koppelt werden. Diese nicht leitungs-geführten Störgrößen müssen im Hin-blick auf die Elektromagnetische Ver-träglichkeit (EMV) beachtet werden.
Insbesondere bei Windkraftanlagen mit Pulsumrichtern hoher Schaltfre-quenz (10 kHz-Bereich) ist mit Störab-strahlungen zu rechnen, wenn nicht entsprechende Filter eingesetzt wer-den.
4. Windparks
Für Windparks, die nur aus Anlagen mit Asynchrongeneratoren bestehen, bieten statische oder rotierende Pha-senschieber die Möglichkeit, durch dy-namische Blindleistungs- bzw. Span-nungsregelung vorhandene Netzkapa-zitäten optimal auszunutzen.
Durch den gemeinsamen Betrieb von direkt netzgekoppelten Asynchronneratoren und drehzahlvariabel ge-führten Anlagen mit Umrichter-Netz-kopplung und Pulsumrichtern können sich bei Windparks technische und wirtschaftliche Vorteile ergeben. Anla-gen mit Puls-Umrichter sind bei ent-sprechender Auslegung in der Lage, die Spannungsregelung gleich großer Asynchrongeneratoren mit zu über-nehmen bzw. die benötigte Blindlei-stung bereitzustellen.
Für den netzverträglichen Betrieb von Windparks ist es außerdem notwen-dig, sowohl an einzelnen Anlagen wie auch am Netzverknüpfungspunkt ein-zuhaltende Parameter durch ein intelli-werden Synchrongeneratoren
auf-grund ihrer starren Drehzahlkopplung an die Netzfrequenz nicht direkt am Netz betrieben. Ihre Netzanbindung über Frequenzumrichter ermöglicht eine Entkopplung der Turbinendreh-zahl von der Netzfrequenz und somit einen drehzahlvariablen Betrieb. Bis vor kurzem wurden Synchrongenera-toren nur in Verbindung mit Überset-zungsgetrieben verwendet. Bei den seit kurzer Zeit auf dem Markt einge-führten Vielpolgeneratoren kann je-doch auf ein Getriebe verzichtet wer-den. Bisher wurden dabei sowohl hochtourige als auch langsamlaufende Synchrongeneratoren mit elektrischer Erregereinheit ausgeführt. Die Fort-schritte in der Werkstofftechnik im all-gemeinen und eine damit zusammen-hängende Kostendegression für hoch-wertige Magnetwerkstoffe lassen je-doch in naher Zukunft auch einen wirtschaftlichen Einsatz von perma-nenterregten Synchrongeneratoren er-warten.
3. Netzverträglichkeit und Netzrück-wirkungen
Die Einbindung von Windkraftanlagen in elektrische Energieversorgungsnet-ze kann zu unerwünschten Rückwir-kungen in diesen Netzen führen und die Versorgung angeschlossener Ver-braucheranlagen stören. Um eine störungsfreie öffentliche Energiever-sorgung sicherzustellen, sind die Ener-gieversorgungsunternehmen ver-pflichtet, von den Verbrauchern und den einspeisenden Erzeugern die Ein-haltung von festgelegten Grenzwerten für Netzrückwirkungen bzw. -einwir-kungen zu verlangen. Somit wird die Aufnahmefähigkeit für Windenergie, die sogenannte Netzkapazität, we-sentlich von der Netzverträglichkeit einspeisender Windkraftanlagen be-einflußt.
Dabei fallen die Netzrückwirkungen durch
• Spannungsänderungen,
• Spannungsschwankungen und Flicker sowie
• Oberschwingungen besonders ins Gewicht.
Andere Einflüsse wie
• Spannungsunsymmetrien,
• Zwischenharmonische,
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5. Ausblick
Damit sich die Windenergienutzung im nächsten Jahrzehnt auf breiter Ebene durchsetzen kann, müssen mo-mentan gegebene Hemmnisse abge-baut werden. Bei der Planung und Ge-nehmigung von Windenergieprojek-ten ist der unbestritWindenergieprojek-ten positive Um-welteffekt dieser Technik dementspre-chend stark herauszustellen. Die noch vorhandenen Forschungs- und Ent-wicklungspotentiale dieser jungen Technik sind groß, müssen kontinuier-lich abgearbeitet und in die laufende Produktion eingebracht werden.
Die Nutzung der gegebenen Energie-potentiale sowie angestrebte Umwelt-entlastungen sind mit den Anlagen der neu entwickelten MW-Klasse am ehesten erreichbar. Mittelfristig sollte an guten Standorten bei einer techni-schen Verfügbarkeit von über 98%
eine wirtschaftliche Stromerzeugung von z.B. knapp 10 Pf/kWh bei 15-jähriger Betriebszeit möglich sein.
Anzustrebende Ausbauziele der Wind-energienutzung erfordern aufgrund der häufig ungeeigneten regionalen Netzkonfigurationen in windreichen Gebieten einen Netzausbau. Dabei lassen sich insbesondere in den neuen Bundesländern veraltete Kraftwerks-anlagen ersetzen und zukunftsorien-tierte Erzeuger- und Verbrauchersyste-me aufbauen. Um hohe Windstro-manteile in Versorgungsnetze integrie-ren zu können, müssen Auswirkungen auf vorhandene und geplante Kraft-werke sowie auf mögliche Einspeisun-gen schon im Vorfeld der Ausbaupha-se bedacht werden. Abschließend bleibt anzumerken, daß die Nutzung der Windenergie neben den positiven Umwelteffekten auch günstige Ein-flüsse auf den Arbeitsmarkt ausübt, dessen Stärkung zweifellos noch an Bedeutung gewinnen wird.
Literatur
[1] S. Heier
„Windkraftanlagen im Netzbetrieb“, 2.
überarbeitete und erweiterte Auflage, B.G. Teubner, Stuttgart (1996)
[2] S. Heier, W. Kleinkauf
„Trend zu größeren Einheiten. Technik und Perspektiven der Windenergienut-zung.“, Energie, Jahrg. 45, Nr. 5 (Mai 1995), S. 20-27, ISSN 0013-7359 [3] S. Heier, M., W. Kleinkauf, G. Füller
„Anforderungen an eine großtechnische Nutzung der Windenergie in Deutsch-land.“, Husumer Windenergietage (1993) 25–29
[4] S. Heier; M. Hoppe-Kilpper; W. Klein-kauf
„Windenergienutzung in Deutschland – Stand und Perspektiven“, Globus, Heft 3 (1994) 1014
[5] G. Dangrieß; S. Heier; V. König;
J. Kuntzsch; J. Müller
„Konzeptionen zur Auslastung der Netzkapazität.“, Deutsche Windenergie-konferenz ´94, Wilhemshaven (1994) 163–170
[6] S. Heier; G. Arnold; V. König
„Anforderungen an Windkraftanlagen zu Netzverträglichkeit.“, Deutscher Kon-greß Erneuerbare Energie ´95, Messe-und Verlags-GmbH, Hannover (1995) 193–204
Windpark Utgast II bei Esens/Ostfries-land mit einundvierzig Tacke TW 600 Anlagen (je 600 kWe)
gentes Parkmanagement zu überwa-chen. Es sollte dabei möglich sein, über Eingriffe in die Regelung einzel-ner Windkraftanlagen sowohl die Netzspannung und die Abgabelei-stung zu regeln als auch die Einschalt-zeitpunkte einzelner Anlagen zu be-einflussen. Mit dem Einsatz von Kurz-zeitspeichern (z.B. Batterien) könnten zusätzliche Leistungsschwankungen im Sekunden- und Minutenbereich, die in Windgeschwindigkeitsänderun-gen ihre Ursache haben, weitestge-hend ausgeglichen werden. Damit las-sen sich hohe Qualitätsanforderungen an die Netzgrößen (insbesondere die Spannung) mit einer guten Ausnut-zung der vorhandenen Netze verbin-den. Darüber hinaus ist es für eine netzverträgliche und bedarfsorientier-te Netzeinspeisung hoher Windkraft-leistungen sinnvoll, neuartige, auf die dezentrale Versorgungsstruktur zuge-schnittene Leittechniken, Betriebs-führungs- und Fehlerfrüherkennungs-systeme zu entwickeln und in Wind-kraftanlagen zu integrieren.
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Überblick
Aktuelle Entwicklungen in der Wind-kraftanlagentechnik zielen unter ande-rem auf den zuverlässigen automati-schen Betrieb und eine hohe Lebensdau-er dLebensdau-er Anlagen. NeuLebensdau-ere Arbeiten des ISET zum Entwurf verbesserter Rege-lungsverfahren und zum Einsatz von Fehlerfrüherkennungssystemen tragen zu dieser Entwicklung bei.
Der Beitrag stellt Ergebnisse der aktuel-len Forschungs- und Entwicklungsarbei-ten auf den GebieEntwicklungsarbei-ten der Regelung und der Fehlerfrüherkennung in Windkraft-anlagen vor. Er beschreibt weiterhin das Konzept eines integrierten Meß- Regel-und Überwachungssystems, dessen Ein-satz in einem Prototyp der neuen Großwindkraftanlage TW 1.5 geplant ist.
Important aims of the development in today’s wind energy technology are re-liable automatic operation and an in-crease of wind turbine lifetime. Recent work of ISET concerning the design of innovative control schemes and the in-stallation of fault detection systems con-tribute to this development.
This paper presents results of current re-search and development activities in the fields of control and fault detection in wind energy converters. In addition, the concept of an integrated measurement, control and supervision system is descri-bed, which will be implemented in a prototype of the new megawatt size wind turbine TW 1.5.
Dipl.-Ing. Peter Caselitz ist Leiter, Dipl.-Ing.
Jochen Giebhardt, Dipl.-Ing. Thomas Krüger, Dr.-Ing. Manfred Mevenkamp, Dipl.-Ing.
Josef Petschenka und Dipl.-Ing Mario Reich-ardt sind wissenschaftliche Mitarbeiter in der Abteilung Regelungstechnik am Institut für Elektrische Energieversorgungstechnik e.V.
(ISET), Kassel.
von Peter Caselitz, Jochen Giebhardt, Thomas Krüger,
Manfred Mevenkamp, Josef Petschenka und Mario Reichardt
1. Einleitung
In den vergangenen Jahren hat die Nutzung der Windenergie einen deut-lichen Aufschwung genommen. Dabei nahm die Größe der in Serie gefertig-ten Anlagen beständig zu (Abbil-dung 1). Zur Zeit sind auf dem eu-ropäischen Markt Windkraftanlagen (WKA) mit einer elektrischen Nennlei-stung von 500 bis 1.500 kW und einem Rotordurchmesser zwischen 40 und 65 m am stärksten präsent. Sie werden von den Betreibern aufgrund Ihrer höheren Wirtschaftlichkeit bevor-zugt.
Obwohl Windkraftanlagen bereits heute einen hohen technischen Stand erreicht haben, gibt es vor allem bei großen Anlagen noch ein hohes Ent-wicklungspotential. Vielversprechende Ansätze für die weitere Entwicklung sind unter anderem
• die Optimierung der Konstruktion zur Erzielung niedriger Turmkopfge-wichte,
• der Einsatz direkt angetriebener
• der Einsatz direkt angetriebener