Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen - Stand und Perspektiven -

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1 LEA Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen - Stand und Perspektiven - Beitrag zum 10. Energietechnischen Forum der Fachhochschule Kiel Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Technische Fakultät Genannte Forschungsprojekte zum Teil Mitglied:

2 Drehzahlregelbare Leistungselektronik- Generatorsysteme für Windenergieanlagen - Inhaltsübersicht - Inhalt: 1. Einführung 2. Funktion drehzahlvariabler Windenergieanlagen 3. Stand der Technik 4. Herausforderungen, zukünftige Entwicklung 5. Zusammenfassung und Ausblick

3 1. Einführung Installierte Leistung weltweit von Windenergieanlagen Global Wind Energy Council, Global Wind Energy Report 2007;

4 1. Einführung Bisherige und zukünftige Entwicklung der Windenergie in Deutschland Kumulierte installierte Leistung in Deutschland Quelle: Zeitschrift Erneuerbare Energien

5 1. Einführung Energiekosten für Windenergie in Deutschland Onshore Anlagen Cent 5,5 6,5 C/100 % Ref.-Ertr. 3 - Förderung 2 9,2 Cent sinkend Offshore Anlagen Cent - Förderung 2 15 Cent sinkend Zum Vergleich: Konventionelle Kraftwerke 4 3,5 7 Cent 1 Quelle: BWE, ISET, Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetze s (EEG) vom Verschiedene Quellen (BINE Karlsruhe, offshore wind, BWE, ISET) 4 Verschiedene Quellen (BINE Karlsruhe, ISET)

6 1. Einführung Wirtschaftliche Relevanz Märkte Leistungselektronik in 2007 Weltmarkt 5,5 Mrd. US $ Für Wind 0,9 Mrd. US $ - 18,7 GW Für Solar 0,1 Mrd. US $ - 2,6 GW Quelle: J. M. Hoelscher, Parker-Hannifin, Vortrag bei der 3. VDE/VDI-Fachtagung Elektrisch-Mechanische Antriebssysteme, Böblingen,

7 1. Einführung Problematik ungleichmäßiger Leistung Windstromproduktion im RWE-Teil-Netz in Megawatt, Quelle:

8 F2. Funktion drehzahlvariabler Windenergieanlagen Windenergieanlage Aufbau

9 P Rotor [W] 2. Funktion drehzahlvariabler Windenergieanlagen Leistung des Rotors MPP m/s Rotorleistung über Rotordrehzahl mit Parameter Windgeschwindigkeit (Beispiel) m/s 6 m/s 5 m/s 8 m/s 9 m/s 10 m/s m/s n [min -1 ]

10 3. Stand der Technik Triebstrang und Generator drehzahlsteuerbarer Windenergieanlagen Doppeltgespeiste Asynchronmaschine Fremderregte Synchronmaschine Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer und Permanenterregte Synchronmaschine

11 3. Stand der Technik Elektrische Daten Maximale Leistung Typische Leistung Generatortyp Speisung Interne Spannung 6 MW 1,5.4,5 MW 4 Varianten, meistens doppeltgespeiste ASM IGBT-Umrichter 690 V (z.t. 3 kv bei größer 4 MW) Anschlussspannung Anlage z.b. 30 kv, auch 690 V Anschlussspannung Park z.b. 30 kv oder 110 kv

12 3. Stand der Technik Frequenzumrichter Schaltbild Frequenzumrichter ohne Steuerung, Schaltgeräte und Sicherungen Umrichter 2 MVA, wassergekühlt; Quelle: Converteam

13 3. Stand der Technik Regelung drehzahlvariabler Windenergieanlagen Θ R z Drive Train d Crowbar c Θ G DFIG Speedcontrol Currentcontrol power-factor control v wind MPP tracking Reference value

14 Betrieb auch bei Unterspannung (EON) 3. Stand der Technik Netzanbindung

15 3. Stand der Technik Netzanbindung Reactive current Betrieb auch bei Unterspannung (EON) dead band -50% -10% 10% 20% Support of the voltage by voltage control (Overexcited operation) Limitation of the voltage by voltage control (Underexcited operation) Voltage drop/rise -100% Spannungsstützung durch Blindleistungs- Einspeisung (EON)

16 3. Stand der Technik Netzanbindung Betrieb auch bei Unterspannung - Anforderungsgrenzen weltweit Quelle: A.D. Hansen et al.: Mapping of grid faults and grid codes, Risö National Laboratory, )

17 3. Stand der Technik Mechanik Turm Rotoren Momentenübertragung Stahlrohr, Beton Höhe bis 100m Kunststoff, verstärkt durch Glasfaser und Kohlefaser; Länge bis über 60m 2-stufiges Getriebe, schnelllaufender Generator 1-stufiges Getriebe, mittelschneller Generator getriebelos, langsamlaufender Generator

18 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklungen - Generelle Ziele - Zuverlässigkeit Wirkungsgrad Kosten

19 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Aktuelle Herausforderungen Systemverhalten und Netz-Einbindung Beherrschung der Netzanschlussbedingungen Netzunterstützung, virtuelles Kraftwerk Verbesserung elektrische Belastung und Leistungsfluss mit FACTS Anschluss an schwache Netze offshore Anlagen mit langen Übertragungswegen, auf See auch Einsatz von HGÜ

20 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Zukünftige Entwicklung 1 stark wachsender Absatz, weltweit Produktionsstätten nahe den Absatzmärkten

21 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Zukünftige Entwicklung 2 Kostenreduktion, verbessertes Verhalten der Leistungshalbleiter; ebenso für Stromrichter Kostenreduktion Generator? weniger Varianten der Generatorsysteme? neuartige Regelverfahren (DSR, sliding mode?; reduz. Belastung Antriebsstrang?) neuartige Schaltungstopologien z.b. mehrpasige Schaltungen für Fehlertoleranz

22 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Zukünftige Entwicklung 3 verstärkte Schadensfrüherkennung, fehlertoleranter Betrieb (?) Betriebsführung und Visualisierung von Fern weiter verbesserte Netzintegration: + Netzstützung, + Leistungsflussoptimierung, + ggfs. Netzanalyse und Adaption der Anlagen

23 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Zukünftige Entwicklung 4 Condition Monitoring, Fehlerfrüherkennung, Fernwartung Caselitz, B.: Advanced Condition Monitoring für Wind Energy Systems, EWEC 99

24 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Zukünftige Entwicklung 5 kontinuierlich verstellbare Drehmomentwandler (z.b. hydrodynamisch) anstelle von Leistungselektronik? Quelle: Voith Turbo Windtechnologie images/f_vt_de_d8_ lmg_frei_08.jpg

25 Windenergieprojekte CAU Kiel z.t. innerhalb Cewind LEA Leistungselektronik-Generator- Systeme von Windenergieanlagen Elektrisches Condition Monitoring Schnelltaktende Stromrichter für die Netzimpedanzanalyse (mit FH Kiel) Wechselwirkungen zwischen einem Windpark und einer HGÜ Schutzkonzepte gegen Überspannung Fehlertolerante Regelung und CM der Doppelt-GespeistenAsynchronmasch. Prof. Dr.-Ing. F. W. Fuchs Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

26 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Beispiel: HGÜ für offshore Windparks Offshore Park mit HGÜ Leistungsübertragung bei großen Entfernungen auf See mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung; (Zukünftig: Vielstufenumrichter?)

27 u in [pu] u in [pu] u in [pu] 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Beispiel: Belastungsverbesserung 1.5 Voltage at PCC (20 % swell) t in [s] Injected voltage t in [s] Voltage at WT Schaltbild t in [s] Simulation 20 % Überspg. Belastungsverbesserung mit FACTS: Mit Dynamic Voltage Restorer bei Unter- oder Überspannung

28 Stromoberwellen Generator Messfilter 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Beispiel: Netzimpedanzanalyse zur verbesserten Projektierung und Regler-Adaption Netz-Impedanzanalysator Netz I,, OG Anschlußpunkt I, Last I S *,, Netz 1 I,, Netz I,, Filter R vor I 50 Hz, Last Z Netz ~ U N ~ U, Netz Gemessener Impedanzgang am Niederspannungsnetz (0,4 kv); Ort: Labor für Energietechnik der Fachhochschule Kiel Netzimpedanzanalysator (FH Kiel, Hinrichs) mit Messstromrichter (CAU Kiel, Fuchs)

29 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Beispiel fehlertoleranter Betrieb Umrichter M Gruppe 2 Rotor Winkel Schätzer Statorstrom Beobachter Rotorstrom Beobachter Statorspannung Beobachter Drehzahl Beob. 1 FDI Beispiel: Fehlererkennung, -isolierung und Rekonfiguration für Drehzahlsensor DGAsM (1900 min -1 ; 20 ms/div; Drehzahl, Ständerstrom, Rotorstrom, Fehlersignal) PWM Regelung Rotor Position Klemmengrößen Klemmengrößen Gruppe 1 Schalter Drehzahl Beob. 2 beobachtete Ersatzsignale Fehlertoleranter Betrieb durch Beobachterbank für Fehler in Strom- und Drehzahlsensoren

30 5. Zusammenfassung und Ausblick Die Energiegewinnung mit Windenergieanlagen hat einen hohen technischen Stand und ist wirtschaftlich interessant. Leistungselektronik-Generatorsysteme sind eine wesentlicher Bestandteil moderner WEA. Anlagenqualität, Betrieb, Netzeinbindung und Zuverlässigkeit entsprechen den heutigen Anforderungen. Es sind aber auch noch verschiedene Herausforderungen zu meistern, um die Anlagen für die Zukunft mit noch besseren Eigenschaften auszustatten.

31 Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen - Stand und Perspektiven - Beitrag zum 10. Energietechnischen Forum der Fachhochschule Kiel Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Technische Fakultät Genannte Forschungsprojekte zum Teil Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Mitglied:

32 LEA Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen - Stand und Perspektiven - Beitrag zum 10. Energietechnischen Forum der Fachhochschule Kiel Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Technische Fakultät Genannte Forschungsprojekte zum Teil Mitglied:

33 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

34 u in [pu] u in [pu] u in [pu] 4. Herausforderungen zukünftige Entwicklung Beispiel: Belastungsverbesserung 1.5 Voltage at PCC (20 % swell) t in [s] Injected voltage t in [s] Voltage at WT Schaltbild t in [s] Simulation 20 % Überspg. Belastungsverbesserung mit FACTS: Mit Dynamic Voltage Restorer bei Unter- oder Überspannung