Windkraftanlagen. Siegfried Heier

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1 Siegfried Heier Windkraftanlagen Systemauslegung, Netzintegration und Regelung 5., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 334 Abbildungen und 15 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Windenergieanlagen Anlagenstrukturen Rückblick in die Historie _ Meilensteine der Entwicklung Funktionsstrukturen von Windkraftanlagen 20 2 System zur Windenergiewandlung Antriebsmoment und Leistung am Windrad Ein-und Ausgangsgrößen einer Windturbine Leistungsentnahme aus der Luftströmung Leistungs-bzw. Antriebsmomentbestimmung nach der Blattelementmethode Vereinfachung des Rechenverfahrens Verfahren zur Nachbildung des Turbinenverhaltens Turbinen Naben- und Turbinenanordnung Rotorblattgeometrie.' Eingriffe an der Windturbine zur Leistungsregelung Turbinennachführung Rotorblattverstellung Leistungsbegrenzung durch Stallbetrieb Leistungsanpassung durch Drehzahleinstellung Mechanischer Triebstrang Systemdaten von Windkraftanlagen Turbinen-und Triebstrangdaten Anlagen- und Turmmasse Anlagenkosten Mechanisch-elektrische Energiewandlung durch Generatoren Randbedingungen und Anforderungen zum Generatoreinsatz Energiewandlersysteme Aufbau der Asynchronmaschine Aufbau der Synchronmaschine Betriebsbereiche von Asynchron-und Synchrongeneratoren Stationäre und dynamische Drehmomente Stationäre Drehmomente Dynamische Drehmomente Nachbildung von Generatoren Synchronmaschinen Asynchronmaschinen 157

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3.6 Auslegungsäspekte _ Asynchrongeneratoren Synchrongeneratoren für getriebelose Anlagen Maschinendaten Masse-und Kostenrelationen Kennwerte von Asynchronmaschinen Kennwerte von Synchronmaschinen Elektrische Energieübergabe an Versorgungsnetze Energieaufbereitung und Netzanbindung Umrichtersysteme Leistungshalbleiter für Umrichter Funktionsmerkmale von Stromrichtern Umrichterkonzeption Zwischenkreisumrichter Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Schutzmaßnahmen bei der Energieaufbereitung Netzschutz Sicherungen und Netztrennung Kurzschlussleistung Erhöhung der Kurzschlussleistung Isolierter Betrieb und Kurzunterbrechungen Überspannungen bei Netzfehlern Netzeinwirkungen Allgemeine Verträglichkeit und Störungen Leistungsverhalten von Windkraftanlagen Spannungsverhalten bei Netzeinspeisung Oberschwingungen und Zwischenharmonische Resonanzerscheinungen im Netzsystem bei Normalbetrieb Abhilfemaßnahmen gegen Netzeinwirkungen Filter Filterauslegung Wirkung von Saugkreisfiltern und Kompensationsanlagen Netzspezifische Filterauslegung Nutzung von Ausgleichseffekten Netzregelung und Netzstützung Einspeisung von Windkraftanlagen Netzstützung und Netzregelung mit Windkraftanlagen und anderen regenerativen Systemen Netzanschlussregeln Netzanschluss im Offshore-Bereich Offshore-Windpark-Eigenschaften Stationäres und dynamisches Verhalten von Offshore-Windparks Windpark-und Cluster-Bildung im Meer und Netzanbindung Elektrische Energieübertragung zum Festland 307

4 Inhaltsverzeichnis IX 4.9 Integration der Windenergie in das Verbundnetz und Energiebereitstellung Netzausbau Energiebereitstellung Regel-und Reserveleistung : Interkontinentale Netzverbindung Regelung und Führung von Windkraftanlagen Systemanforderungen und Betriebsarten Inselbetrieb von Windkraftanlagen Anlagen ohne Blattverstelleinrichtung Anlagen mit Blattverstelleinrichtung Anlagen mit Verbrauchersteuerung Anlagenregelung über Bypass Netzbetrieb von Windkraftanlagen Regelungskonzeptionen Regelung im Inselbetrieb Regelung drehzahlvariabel betriebener Anlagen Regelung schlupfvariabel betriebener Asyrichrongeneratoren Regelung netzstarr betriebener Anlagen Reglerauslegung Verstell Vorgänge und Torsionsmomente an den Rotorblättern Normierung und Linearisierung der Größen Regelkreise und die vereinfachte Dimensionierung Verbesserung der Regeleigenschaften Betriebsführung Betriebszustände Störfälle Zustandserfassung der Systemkomponenten Überwachungs- und Sicherheitssysteme Windmesseinrichtung Schwingungsüberwachung Netzüberwachung und Blitzschutz Überwachungsrechner Fehlerfrüherkennung Nutzung der Windenergie Windverhältnisse und Energieerträge Globale Windverhältnisse Lokale Windverhältnisse und Jahreswindenergieangebot Berechnung von Anlagenerträgen Wind-Atlas-Methode Potenziale und Ausbau Windenergienutzung an Land Offshore-Windenergienutzung Repowering 411

5 X Inhaltsverzeichnis 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Anschaffungs-und Unterhaltskosten Energieeinspeisung und monetäre Erträge Stromgestehungskosten Betriebswirtschaftliche Berechnungsmethoden Berücksichtigung externer Kosten Rechtliche Aspekte und Errichtung von Windkraftanlagen Immissiönsschutz Natur- und Landschaftsschutz Baurecht Planung und Genehmigung Vorgehen zur Errichtung von Windkraftanlagen Offshore-Nutzung der Windenergie Ökobilanz 434 Anhang 437 Literaturverzeichnis 439 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen 465 Stichwortverzeichnis 473