Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Windkraftanlage mit permanenterregten Synchrongeneratoren für den Einsatz im Offshore-Bereich
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- Götz Kruse
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1 11 Elektrische Energiesysteme Adil Ezzahraoui Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Windkraftanlage mit permanenterregten Synchrongeneratoren für den Einsatz im Offshore-Bereich
2 Elektrische Energiesysteme Band 11 Herausgegeben vom Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik
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4 Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Windkraftanlage mit permanenterregten Synchrongeneratoren für den Einsatz im Offshore-Bereich Adil Ezzahraoui kassel university press
5 Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Elektrotechnik / Informatik der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Siegfried Heier Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Peter Zacharias Tag der mündlichen Prüfung 19. Dezember 2014 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Zugl.: Kassel, Univ., Diss ISBN (print) ISBN (online) URN: , kassel university press GmbH, Kassel Druck und Verarbeitung: Print Management Logistics Solutions, Kassel Printed in Germany
6 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Elektrische Energieversorgungssysteme des Fachbereichs Elektrotechnik /Informatik an der Universität Kassel. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Siegfried Heier für seine wissenschaftliche Betreuung der Arbeit, seine wertvollen Anregungen und Ratschläge sowie für die stets fruchtbaren fachlichen Diskussionen, durch die er wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Zacharias danke ich für die Übernahme des Koreferats, die hilfreichen Diskussionen und sein Interesse an dieser Arbeit. Weiterhin richtet sich mein herzlicher Dank insbesondere an Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Weidemann für die wertvollen Anregungen und die zahlreichen fachlichen Diskussionen, die zu dieser Arbeit führten, sowie für seine ständige Gesprächsbereitschaft. Ich möchte mich bei Frau Dr.-Ing. Katharina Messoll, Herrn Dipl.-Ing. Christof Gericke, Herrn Dr.-Ing. Jean-Patric da Costa, Herrn Dipl.-Ing. Fabian Thalemann, Herrn Volker Berge und Herrn Bernhard Siano für die stete Bereitschaft, zahlreichen Diskussionen, wertvolle Hinweise und Anregungen sowie ihre uneingeschränkte Unterstützung bei der Durchführung der sehr umfangreichen experimentellen Untersuchungen herzlich bedanken. Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Studenten, die im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten mitwirkten, für ihren tatkräftigen Einsatz und ihre Unterstützung bedanken. Großer Dank gilt weiterhin Frau Anja Clark, Herrn Dipl.-Ing. Werner Döring sowie allen ehemaligen Kollegen am Fachgebiet für ihre immer währende Hilfsbereitschaft und das sehr angenehme Arbeitsklima. Abschließend danke ich meiner Familie, besonders meiner Mutter und meinen Geschwistern, die die mich in jeder Hinsicht immer gefördert und unterstützt haben und vor allem meiner Frau Marlis Fellmann und meiner Tochter Selma, die mich bis zum Abschluss dieser Arbeit immer wieder aufgebaut, motiviert und unterstützt haben. V
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8 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Inhaltsverzeichnis... VII 1 Einleitung Recherche und Einordnung des zu entwickelnden Systems Windenergiesysteme Generatorsysteme für Windkraftanlagen Stand der Technik Getriebelose Windkraftanlagen mit Permanentmagnet-Synchron-generator Mehr-Generator-Konzept Richtlinien und Rahmenbedingungen zum Netzanschluss von Windkraftanlagen und Windparks Energiewirtschaftsgesetz Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) TransmissionCode und DistributionCode BDEW Richtlinie Ökologische und Ökonomische Randbedingungen Triebstrang einer Windkraftanlage mit Multi-Generator-Konzept Windturbine Mechanisches Ersatzmodell des Triebstrangs Ein-Massen-Modell Zwei-Massen-Modell Drei-Massen-Modell Mathematisches Ersatzmodell Systemparameter Massenträgheitsmoment des Rotors Torsionsfedersteifigkeit der Wellen Dämpfung Anregungskräfte und momente Permanentmagnetmaterialien Messtechnische Untersuchung und Simulation des Triebstrangmodells Messungen am Versuchstriebstrang Resonanztest Elektromechanische Messungen Stationärer Betriebszustand Dynamischer Betriebszustand Erstellung des Simulationsmodells Ermittlung der Versuchstriebstrangparameter Simulationsergebnisse Interpretation und Schlussfolgerung VII
9 5 Untersuchung des elektrischen Verhaltens einer Windkraftanlage mit Multi- Generator-Konzept Entwicklung eines Regelungskonzepts für Windkraftanlagen Sliding Mode Regelung Grundlagen der Sliding Mode Regelung Untersuchung des Regelungsverhaltens Regelungsziele Modellbildung eines Permanentmagnet-Synchrongenerators Ersatzschaltung und Gleichungen Gleichungen und Simulationsstruktur Umrichtersysteme für Windkraftanlagen Reglerentwurf Sliding Mode Regelung für WKA-System mit PMSG Ergebnisse Einsatz der Windkraftanlage in einem Offshore-Windpark Windpark alpha ventus Standort und Aufbauplan Elektrisches System Anbindung an das deutsche Verbundnetz Das elektrische Netz eines Offshore-Windparks Blindleistungsrelevante Komponenten Transformator Seekabel Verlustleistung Implementierung der vollständigen dynamischen Netzstützung: Fault-Ride-Through- Anforderungen Simulationsergebnisse und Auswertung Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis... i A Messtechnische Untersuchung der generatorischen Bremswirkung... xii B alpha ventus... xiii C PMSG: Messtechnische Untersuchungen... xv Abbildungsverzeichnis... xvii Tabellenverzeichnis... xx Abkürzungsverzeichnis... xxi Verzeichnis der Formelzeichen... xxii VIII
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