Ausgewählte Kapitel der elektrischen Energieversorgung
Abschnitt 5 – Einbindung von WEA in die EVS
Komponenten der elektrischen Energieversorgung Windenergieanlagen im Netz
Fachhochschule Lausitz Senftenberg Wahlpflichtfach
Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann
Komponenten der elektrischen Energieversorgung - WEA Erneuerbare Energien Gesetz
Erneuerbare Energien Gesetz - - EEG EEG
1. Fassung vom 01. Mai 2000
Novellierung zum 01. August 2004
¾ Förderung erneuerbarer Energien wie
Solarstrom, Windkraft, Geothermik, Bioenergie, Wasserkraft Deponie-, Klär- und Grubengas
¾ Entwicklung des Anteils erneuerbarer Energien 2012 Æ 12,5%
2020 Æ 20,0%
¾ Vergütung – langfristig gesichert
¾ Vorrang der Einspeisung
¾ Förderung der technischer Entwicklungen für erneuerbare Energien
Komponenten der elektrischen Energieversorgung - WEA
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Deutschland
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Onshore-WEA
Verteilte Anlagen
„kleinerer“ Leistungen (ca. 20 – 100MW)
Einspeisung in MS-Netz
Offshore-WEA
Komplexe Windparks mit großen Leistungen
(ca. 250 – 1000 MW)
Einspeisung in HS-Netz
~
~ ~
Netzengpässe
• Freileitungen/ Kabel
• Transformatoren
• Übertragungsfähigkeit
• Leistungsangebot/-abnahme 380 kV
220 kV
Netzebenen
110 kV
20 kV 10 kV
0,4 kV
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS Energieumwandlung in einer WEA
G
Windenergie
Mechanische Energie M, n = variabel
Elektrische Energie
P, U, f = variabel
Elektrische Energie U, f = konstant P, Cos ϕ = variabel
WT
Umrichter
~ ~
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Formen von Windgeneratoren
Einbindung von WEA in die EVS
1. Windturbine mit konstanter Geschwin- digkeit mit direkt ans Netz ange-
schlossenem Kurzschlussläufer- Asynchronmotor
2. Doppelt gespeister Asynchronmotor mit variabler Geschwindigkeit, Läufer ist durch Spannungszwischenkreis- umrichter mit Ständer verbunden
3. Getriebelos eingebundener Synchron- generator mit permanenterregtem
Läufer, Netzanschluss über Spannungs- zwischenkreisumrichter
Komponenten der elektrischen Energieversorgung (37)
Einbindung von WEA in die EVS Wirkungsweise der Windgeneratoren auf das Netz
Technologie der Einspeisung aus WEA unterschiedlich zu Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke
Sehr starker Einfluss auf die Systemdynamik, transiente Stabilität stark
abhängig von Windturbinenkonzept und Art der Netzanbindung vor allem im Fehlerfall
Starker Zuwachs leistungselektronischer Komponenten im Netz – Netzrückwirkungen nehmen zu
Veränderte Bedingungen der Blindleistungseinspeiseverhältnisse (konv. KW sind Blindleistungslieferanten!) Æ Spannungsprobleme
Lastsprünge durch stark variierende Windeinspeisung – Gefahr der Überlastung von Netzbetriebsmitteln
Gefährdung der Netzstabilität durch Frequenzanstieg
Möglichkeit der Entstehung von Resonanzen
Komponenten der elektrischen Energieversorgung (38)
Einbindung von WEA in die EVS
Modell zur Simulation von Netzverhältnissen
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Windkraftzubau macht neue Netzanschlussregeln für WEA erforderlich
Aus der Netzführung ergeben sich Anforderungen an die WEA aufgrund potenzieller Gefahren für den sicheren Netzbetrieb
WEA müßten sich ähnlich wie Kraftwerke im Netz verhalten Definition netztechnischer Kriterien für die Grenzen von Windeinspeisung
Thermische Grenzen Spannungsstabilität Frequenzstabilität
Regelenergiebereitstellung
Komponenten der elektrischen Energieversorgung - WEA
Abnahmeleistung maximal (~11 GW)
Abnahmeleistung minimal (~4 GW)
Installierte Wind-Leistung in [MW]
Bereits im Jahr 2003 wird die installierte Wind-Leistung die minimale Abnahmeleistung im ostdeutschen Übertragungsnetz überschreiten!
Prognose 2002
Bereits im Jahr 2004 ist diese Rückspeisung eingetreten
Quelle: Vattenfall Europe Transmission (Prognosewerte jeweils zum Jahresende) -11-
Komponenten der elektrischen Energieversorgung - WEA
beantragte Offshore-Leistung 3.250 MW
2003 2011 oneshore bis 110kV 4.400 7.000 oneshore 380/220kV 450 2.400
offshore 380kV 0 1.500
gesamt 4.850 10.900
erwartete Entwicklung der Windeinspeisung bis 2011
in [MW]
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS Thermische Grenzen
Problemstellung:
• Erfassung/ Vorausplanung der Erzeugung der WEA – Bedeutung von Wind- prognosen
• Gezieltes Erzeugungsmanagement - Verteilung der überschüssigen Energie in benachbarte Netze (Einspeisungen überschreiten z.T. um Vielfaches die regionale Last)
Ziel:
• Identifizierung von geeigneten Netzverstärkungsmaßnahmen – Planungs-
prozess langfristig, Wirtschaftlichkeit, Dimensionierung der Netzkomponenten
• Lastflussmanagement zur Beseitigung temporärer Engpässe/ Überlastungen
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS Spannungsstabilität
Problemstellungen:
- Ausreichende Bereitstellung von Kurzschlussleistung - Ausreichende Möglichkeiten zur Blindleistungsregelung - Vermeidung von Netzrückwirkungen
Ziel:
- Bestimmung des erforderlichen Anteils konventioneller Kraftwerks- einspeisung
- Definition der Anforderungen an den Netzanschluss von WEA
- Einsatz von entsprechenden technischen Regelkomponenten
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS Frequenzstabilität
Problemstellungen:
- Leistungsüberschuss gefährdet die Netzstabilität durch Frequenzanstieg - mögliche Störungsausweitung bei Großstörungen
- Beispiel: Absinken der Frequenz unter 49,5 Hz Æ Trennung der WEA`s vom Netz
Æ Leistungsmangel – weiteres Absinken der Frequenz
Ziel:
- Möglichkeit der Leistungsregelung (Sollwertvorgabe)
- Begrenzung des Leistungsanstieges (Gradientenvorgabe)
- Einspeisung von Wirkleistung im größeren U-f-Bereich
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS Regelenergiebereitstellung
Problemstellungen:
- WEA = stochastische Erzeugung, beschränkt vorhersehbar
- Bei Schwankungen von bis zu 500 MW in 15 min erfordert das Zeiten und Höhen von Regelleistungsbereitstellung, die derzeit kaum
verfügbar sind
Ziel:
- Aufbau eines komplexes Engpassmanagements zur Gewährleistung der Netzsicherheit, Versorgungsqualität und diskriminierungsfreien Vermarktung des Netzes
- notwendig: Übergang von tageweiser Engpassprognose auf unter- tägige Zyklen
- sichere und zeitnahe Datenbereitstellung
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
0
200 400 600 800 1000 1200 1400
08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00
Lastsprünge 400 MW innerhalb von 15 Minuten
Leistung / MW
Zeit
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Entwicklung Regelenergiebedarf für WEA
Komponenten der elektrischen Energieversorgung - WEA
Vergleich zu konventionellen KW
Spannungs- Blindleistungsverhalten
•Asynchron-Generator bezieht zum Aufbau Drehfeld induktive Blindleistung aus dem Netz
• zum Anlauf Wirkleistung erforderlich bis Erreichen übersynchrone Drehzahl durch Windkraft
• Drehzahl wird durch Netzfrequenz bestimmt, Wirkleistung
schwankt durch Windgeschwindigkeiten im min-Bereich -> Blind- leistung wird weiterhin bezogen
• Kompensation durch Kondensatoren begrenzt, um im Störfall Selbsterregung des Generators zu vermeiden
• Synchron-Generator ist über Umrichter (GR + GS-ZK + WR netz- geführt) ans Netz angeschlossen
• Fremderregung ÆSpannung und u.U. Blindleistungserzeugung teilweise beeinflussbar
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Regelung einer WEA mit doppeltgespeister Asynchronmaschine
• Umsetzung der Wind- in elektrische Leistung durch Asynchron- oder Synchronmaschinen, z.T über Getriebe mit Rotorblättern verbunden
• Asynchronmaschinen: nicht frequenzsynchron mit Netz Æ direkte Netzanbindung
• Synchronmaschinen: schwankende Drehzahl in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit Æ nur über Frequenzumrichter (volle Leistung) ans Netz
• doppeltgespeiste ASM drehzahlvariabel: (DFIM = Double Fed Induction Machines) Æ Schleifring- läufer mit netzseitig 3-phasiger Netzanbindung
über Frequenzumrichter
• gezielte Änderung von f auf Rotorseite ermög- licht Varianz der der Drehzahl in gewissem Be- reich Æ nur Teil der Maschinenleistung
• Möglichkeit der Wirk- und Blindleistungsregelung sowie verbundener Größen (f, U) elektronisch über Umrichter
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Spannungsregelungskonzepte in KW
a) Mit stufenbarem Maschinentransformator b) Ohne stufbaren Maschinentransformator
• Q-Bedarf zur U-Haltung durch Generatoren gedeckt
• Q-U-Wechselwirkung räumlich eng begrenzt
• U-Bereich und Erregung der Generatoren sowie Stellbereich der Maschinen- oder Eigenbedarfstransformatoren so aus- zulegen, dass Generator
bei höchstzulässiger Netzbetriebsspannung mit max.
Q-Abgabe und
bei Netznennspannung mit max. Q-Aufnahme
an den Grenzen seines Leistungsdiagrammes arbeitet Regelkonzepte
a) Konstant gehaltene Generatorspannung(+/- 5%), die über gestellten Maschinentrafo (+/- 12%) an Netzspan- nung angepasst wird
b) Bei Maschinentrafos ohne Stufung erfolgt Regelung der Eigenbedarfsspannung über Stelltrafos (+/-10%) Generatorspannung folgt bei erweitertem Regelbe- reich (+/-6,5%) der Netzspannung oder der Q-Vorgabe
Einbindung von WEA in die EVS
Vergleich zu konventionellen KW
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Regelungstechniken von WEA
1. Art der antriebsseitigen Leistungsregelung und verwendeter elektrischer Maschine (siehe Folie 36 und 38a) - Wirkleistungsregelung nur temporär (zu Lasten der kinetischen Energie der rotierenden Massen)
2. Aerodynamische Regelung der Antriebsleistung – bleibende Wirkleistungs- verstellung
2.1 Pitchregelung
- Rotor-Blattwinkelverstellung
Æ Max. Leistungsumsetzung im Teillastbereich
Æ Begrenzung der Leistung auf Nennwert bei großen Windstärken 2.2 Stallregelung
- Rotorblätter mit festem Anstellwinkel
Æ Rotorblattprofile so, dass sich abhängig von der Windgeschwindigkeit kontrollierte Turbulenzen ausbilden
Æ bei großen Windgeschwindigkeiten führt das zum Strömungsabriss (=stall) und damit zur Minderung der an die Rotorblätter übertragenen Leistung
Æ keine gezielte mechanische Regelung möglich
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Kurzschlussleistung
• Generatortechniken der WEA leisten nur sehr geringen Anteil zur KS-Leistung in Störungs- fällen
• eindeutige Identifizierung von Fehlern im Netz und Sicherung eines stabilen Netzbetriebes er- fordern höheren Beitrag der WEA
ÆWEA müssen in ihrem Verhalten so konstruiert werden, dass der erforderliche Anteil an KS- Leistung für das Netz erbracht werden kann!
Verhalten der WEA bei Netzstörungen
In diesem Bereich keine automatische Trennung vom Netz zulässig
Lieferung von KS-Strom ins Netz
Einbindung von WEA in die EVS
Vergleich zu konventionellen KW
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Maßnahmen für die Versorgung im Störungsfall = Fünf-Stufen-Plan
P-Abgabe von WEA über Frequenz == Forderung Netz
- bisher Trennen der WEA bei f < 49,5 Hz
• bei Großstörungen mit Absinken der Frequenz unter 49,5 Hz dürfen WEA nicht automatisch vom Netz
Æ Weiterer Erzeugungsmangel Æ weiteres Absinken der Frequenz Æ weitere Ungleichgewichte
Æ Gefahr Stabilitätsverlust
Einbindung von WEA in die EVS Vergleich zu konventionellen KW
Frequenzverhalten
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Mindestanforderung an die schnelle Leistungsänderung für Primärregelung (fossile und nukleare KW-Blöcke)
Einbindung von WEA in die EVS Vergleich zu konventionellen KW
Normalbetrieb konventionelle KW
•Haltung Gleichgewicht Erzeugung -> Verbraucherleistung
• unverzögerte und genaue Nachführung der Erzeugung
• Leistungsgleichgewicht herrscht bei Sollfrequenz
• Synchrongeneratoren rotieren mit konstanter Drehzahl, durch Netz frequenzstarr gekuppelt
• Störung Gleichgewicht bewirkt Drehzahl- und damit Frequenzänderung
• Primärregelung = Drehzahlregelung (in Sekunden frequenz- proportionale Änderung der Leistungsabgabe)
• Sekundärregelung = Übergabeleistungs-Frequenz-Regelung (verursachergerechte Aktivierung der Minutenreserve mit entsprechender Anpassung an den Leistungsmangel – oder -überschuss)
• Rückführung der Frequenz auf Sollwert
Wirkleistungsverhalten von WEA
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
• die aus WEA gewonnene elektr.
Energie muss über Energieverteilungs- anlagen aller Spannungsebenen in die Netze verteilt werden
• erforderlich: schnellverfügbare und kostenoptimierte Gesamtlösungen
• Kriterien für Standardlösungen:
• Einspeiseleistung
• Kabelstrecken innerhalb Windpark
• NS-, MS-, HS- Netz
• Standardisierte Komponenten:
• HS-, MS-, NS-Anlagen
• Transformatoren
• Gebäude, Fundamente, Stahlkonstruktionen
• Schutz-, Steuerungs- und Kommunikationstechnik, genormte Schnittstellen
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA in die EVS
Komponenten der elektrischen Energieversorgung
Einbindung von WEA und anderer EEA in die EVS
Leistungssprünge im niedrigen Leistungsbereich, über MS- und NS-Netze auch Direktanschluss von Kunden
Ersatzeinspeisungen zur Versorgung sind vorzusehen
Qualitätsprobleme (Flicker, Spannungsschwankungen, Blindleistungsregelung) treten entsprechend auf
Entsprechende Gestaltung von Schutzeinrichtungen für Netz und WEA (problematisch z.B. Netze mit AWE, WEA im Kurzschlussfall – KS-Strom in Höhe und Dauer nicht sicher ausreichend für Schutzanregung)
Kombination verschiedener regenerativer Energien und Speichermöglichkeiten im lastnahen Bereich können in gewissem Grad Probleme minimieren (noch in
Untersuchung!)
Kostenbelastung für Endkunden (KWKG und EEG-Umlage) aus EEA und aus Notwendigkeit der Netzanpassung (Erhöhung der Kapitalkosten!)
