Integration von Windkraftanlagen in Energieversorgungsnetze - Stand der Technik und Perspektiven für die dezentrale Stromerzeugung

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1 Forschungs-Report Integration von Windkraftanlagen in Energieversorgungsnetze - Stand der Technik und Perspektiven für die dezentrale Stromerzeugung Dr.-Ing. Detlef Schulz VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach ULB Darmstadt

2 Inhalt 1 Einleitung Zielstellung Aktuelle Situation Politische Rahmenbedingungen Entwicklung der Windkraftnutzung in Deutschland Entwicklungsstand der Windkraft in Europa Offshore-Windparks Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel Energiewandlung und Netzkopplung Grundlagen der Energiewandlung Klassifizierung Konstruktive Ausführung und Größenentwicklung Leistungsbegrenzung und Drehzahlregelung Generatoren und Netzkopplung Drehzahlanpassung zwischen Rotor und Generator Generatorgrundtypen Netzkopplung von Generatoren Windkraftanlagen-Typen zur Netzkopplung Ersatzschaltbilder für die Netzkopplung Generatoren Netzkopplung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel Netzintegration und -Verträglichkeit Merkmale der Stromerzeugung mit Windkraftanlagen Charakteristik der Energielieferung Wirk- und Blindleistungsbilanz Vor- und Nachteile der dezentralen Versorgungsstruktur Realisierung der Netzintegration Windparkstruktur und Spannungsebenen Leistungselektronische Koppeleinrichtungen Netzseitiges Verhalten und Spannungsqualität Überblick Richtlinien nach VDEW und FGW 56

3 3.3.3 Spannungsqualität nach EN Richtlinien der Übertragungsnetzbetreiber Spannungsausfälle und -Unterbrechungen Spannungsanhebung Spannungsschwankungen und Flicker Harmonische Überlagerung und Ausbreitung von Harmonischen Transienten Schlussfolgerungen für den WKA-Betrieb Grundlegende Anforderungen Netzverträglichkeit Leistungsmanagement Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel Zukünftiger Netzbetrieb von Windkraftanlagen Erweiterte Anforderungen Zuverlässigkeit Anlagenverfügbarkeit Systemfaktoren für erhöhte Verfügbarkeit Zustandsüberwachung mit Frequenzspektren Energiemanagement Blindleistungsmanagement im Windpark Wirk- und Blindleistungsstellung mit WKA Großräumiges Energiemanagement Kommunikation Optimierungspotenziale für Windkraftanlagen Gesamtsystem Generator Netzintegration Zukünftige Windparkkonzepte Auswahl der Anlagentypen Netzstrukturen für Windparks Energieübertragung mit Dreh- und Gleichstromsystemen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel Auswirkungen von WKA auf die Netzregelung Netzregelung Systemdienstleistungen im Netzbetrieb 127

4 5.1.2 Frequenz- und Spannungsregelung Verbundnetz Konventionelle Kraftwerks- und Netzregelung Dezentrale Netzregelung mit WKA Modellbildung Modellierungsansatz und Zeitbereiche Modell der Windkraftanlage Modellierung von Windparks Netzmodell Kraftwerksmodell Integration von WKA in das Netzmodell Stabilitätsbedingungen Simulation der Primär- und Sekundärregelung im Inselnetz Energiespeicherung Speicherbedarf Technologien für Energiespeicher in der Energieversorgung Netzregelung mit WKA Netzregelung durch Blattwinkelverstellung Netzregelung mit Energiespeicher Simulationsergebnisse Parameterwahl Netzbetrieb mit WKA ohne Regelung mit/ohne Energiespeicher Netzbetrieb mit WKA und Primärregelung der Kraftwerke WKA-Netzbetrieb mit Primär- und Sekundärregelung der KW Berücksichtigung des Rückbaus der Kraftwerkskapazität Veränderung der Netzstatik Einsatz von Energiespeichern für die Primärregelung Einfluss der Anordnung des Energiespeichers Ergebnisdiskussion Randbedingungen und Beschränkungen Praxistauglichkeit der Simulationen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel i Ausbau der dezentralen Stromversorgung Nichttechnische Einflussfaktoren Überblick Gesellschaftliche Faktoren Wirtschaftliche Randbedingungen Aufbau der Energieversorgung 184

5 6.2.1 Einfluss der Liberalisierung Struktur des Energieversorgungsnetzes Aktuelle Kraftwerksstruktur und Betriebsprobleme Aufbau einer zukünftigen Energieversorgung Struktur einer dezentralen Versorgung Technische Anforderungen Poblematiken in der Übergangsphase Zusammenfassung und Schlussfolgerungen zum Kapitel Literatur zum Kapitel Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Anhang Normen und Richtlinien für Windkraftanlagen IEC-Richtlinien VDEW-Richtlinien FGW-Richtlinien Überblick DIN VDE 0838 und DIN VDE Geplante Offshore-Projekte in Deutschland Berechnung der Verzerrungsleistungen Primär- und Sekundärregelung Primärregelung im Inselnetz Sekundärregelung im Inselnetz Primär- und Sekundärregelung im Verbundbetrieb Herleitung des Zustandsraummodells Literatur zum Anhang Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzungen Formelzeichen Indizes Wissenschaftlicher Tätigkeitsnachweis Stichwortverzeichnis

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