FGE Forschungsgesellschaft Energie an der RWTH Aachen Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore Windparks Dipl.-Ing. (FH) Sven Höpfner AREVA Energietechnik GmbH Königsbrücker Straße 124 01099 Dresden Dr.-Ing. Thomas Weber AREVA Energietechnik GmbH Lyoner Straße 44-88 60528 Frankfurt / Main
Wind goes Offshore Offshore Windparks Einheitsgröße 5 MW Pilotgröße 400 MW Regularien Netzanschlussregeln Ergänzungen Offshore Infrastrukturfördergesetz Problemstellungen Spezialschiffe / -kräne Herstellung Kabel / Windenergieanlagen Finanzierung 2 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 2
Wind Energie Entwicklung Entwicklung von Wind Turbinen Generatoren 220 240 m 300 m Blade area Die Windkraft wächst linear mit der Spannweite und mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit 3 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 3
Aktuelle Situation in der Nordsee SylWin Angebot HelWin Angebot Anschlusspunkt Jardelund BorWin Projekt DolWin Angebot Anschlusspunkt Brunsbüttel Anschlusspunkt Diele 4 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 4
Anbindungsvarianten Überblick Auswahlkriterien Technische Vor- und Nachteile Erfüllung der Netzanschlusskriterien Investitionskosten Betriebskosten Ausbaumöglichkeiten Herstellungskapazitäten + Lieferzeiten Alternativen Drehstromlösung Gleichstromlösung HGÜ in VSC-Technik Gleichstromlösung klassische HGÜ mit Phasenschieber 5 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 5
AREVA T&D Sandbank 24 (GER) Ort 90 km von Sylt entfernt Anschluss 190 km Offshore Kabel 50 km Onshore Kabel Leistung Pilotphase 80 x 5 MW Update 96 x 5 MW Final 4,5 GW 6 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 6
Anbindung über Drehstromkabel Spannungsebene 150 kv Spannungsebene 220 kv Kompensationseinrichtungen Spule Offshore Spule Anlandungspunkt SVC/STATCOM Onshore Anbindungsvariante Drehstrom Offshore Windpark Übertragungsnetz 400 MW AC 33 kv AC 150 kv AC 220 kv See-/Landkabel AC 380kV Erdkabel 380 kv 380 MW Q»Filter +»StatCom Q»Filter +»StatCom Q 7 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 7
AREVA T&D Sandbank 24 (GER) Untersuchungsresultate AC Problem : Spannungsanstieg bei AC Alternative 6kV 1 9 33kV 17 190kM Offshore cable 50kM Onshore cable Connection Point Group 1: 50MW 2 Group 2: 50MW 10 150kV 18 19 20 170kV 3x1x1200mm2 KQ 37 170kV 3x1x1200mm2 KQ 21 34 35 36 38 39 40 41 150kV 66 380kV 67 3 Group 3: 50MW 4 Group 4: 50MW 11 12 250MVA 18% 10kM L18 L37 Increasing Voltage 250MVA 18% Brunsbuttel Grid 5 13 Group 5: 50MW 6 14 150kV 61 Group 6: 50MW 7 Group 7: 50MW 8 15 16 250MVA 18% 42 43 44 10kM L42 45 58 59 60 62 63 64 65 L61 SVC/STATCOM 250MVA 18% 150kV Group 8 50MW 6kV Offshore Substation Onshore/Grid Substation 8 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 8
Grid Connection Alternative HVDC mit VSC-Technologie Anschluss über Gleichstromkabel Spannungsebene +/- 150 kv Kompensations Zubehör Filter Offshore Filter Onshore Offshore Windpark Anschlussort 400 MW AC 33 kv»~ ~»= = DC +/- 150 kv Off-/Onshore 245 km»= =»~ ~ AC 380kV Kabel max. 2km 380 kv»filter +»StatCom VSC Konverter VSC Konverter»Filter +»50MW»-»StatCom 9 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 9
Anbindungsvariante Klassische HGÜ + Synchronphasenschieber Anbindung über Gleichstromkabel Spannungsebene +/- 500 kv (bipolar) Spannungsebene 500 kv (monopolar) Kompensationseinrichtungen Filter + Phasenschieber Offshore Filter + SVC Onshore 10 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 10
Variantenvergleich der Verluste Untersuchungsergebnisse Machbarkeitsstudie Power Losses (%) of Various Options 60% 50% 40% 30% 20% 10% VSC HVDC Bi-Polar HVDC Mono-Polar HVDC 150kV HVAC 220kV HVAC 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Wind Generation Level (%) Assume: Transformer copper loss: Transformer iron (no-load) loss: LCC HVDC Converter loss: VSC HVDC Converter loss: 0.5% @400MW 0.1% @400MW 0.75% @400MW per converter (CIGRE) 2% @400MW per converter (CIGRE) 1% @0MW per converter (CIGRE) Quelle: Bazargan, M.; Pahlke, Th.; Weber, Th.; Yao, L.: Grid integration of Sandbank 24 offshore Windfarm using LCC HVDC connection. CIGRE 37th Session 2008. Paris (France): September 2008 11 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 11
Anbindung über Drehstromkabel Spannungsebene 150 kv Spannungsebene 220 kv Kompensationseinrichtungen Spule Offshore Spule Anlandungspunkt SVC/STATCOM Onshore Anbindungsvariante Drehstrom Offshore Windpark Übertragungsnetz 400 MW AC 33 kv AC 150 kv AC 220 kv See-/Landkabel AC 380kV Erdkabel 380 kv 380 MW Q»Filter +»StatCom Q»Filter +»StatCom Q 12 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 12
Inbetriebnahme: 06.2006 AREVA T&D Referenzen Barrow (UK), 90 MW Plattform: Umspannwerk 33 kv / 132 kv Länge 23m Breite 15m Höhe 10m Gewicht 440 Tonnen Leistung: 30 x 3 MW = 90 MW AC Anschluss nach Heysham S/s (UK) Kabellänge: 28 km (24 km Seekabel) Wassertiefe: ca. 20 m Tidenhub 10 m Hohe Wellen 13 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 13
AREVA T&D Referenzen Barrow (UK), 90 MW Modularisiertes Equipment 33kV Board inklusive Schutz 33/132kV 120MVA Transformator mit OLTC 132kV GIS Relay and control panel suite room Raum für LVAC und DC Anlage (inkl. UPS für die Schifffahrtsbeleuchtung 225kVA Notstromdieselgenerator Notunterkunfts- und Werkstattmodul 5MVAr Shunt Capacitor bank modules HVAC Systeme INERGEN/Wasser Feuerlöschsystem. 14 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 14
AREVA T&D Referenzen Robin Rigg (UK), 180 MW Inbetriebnahmedatum: 07.2009 Plattform: 33 kv / 132 kv Leistung: 60 x 3 MW = 180 MW AC Anschluss nach Seaton S/s (UK network) Kabellänge: 12 km (9 km Seekabel) Wassertiefe: ca. 30 m 15 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 15
Übersicht AREVA T&D Referenzen Robin Rigg (UK), 180 MW Länge 50 m Breite 30 m Höhe 12 m Gewicht 680 tonnes 16 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 16
DOTI - Alpha Ventus 60 MW Projekte in der Realisierung Quelle: IMS Ingenieurgesellschaft mbh 17 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 17
Projekte in der Realisierung DOTI - Alpha Ventus 60 MW GIS - Einbau in einen Container Offshore Batterieanlage Ansicht vor Ort (ohne Transformator) 18 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 18
Projekte in der Realisierung 19 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 19
Projekte in der Realisierung Cote d Albatre (Frankreich) 21 Windenergieanlagen mit je 5 MW Gesamtleistung von 105 MW über 28 km Drehstromkabel Anschluss an das 90 kv Verteilungsnetz der RTE Quelle: ENERTRAG AG 20 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 20
Anbindungsvariante Klassische HGÜ + Synchronphasenschieber Anbindung über Gleichstromkabel Spannungsebene +/- 500 kv (bipolar) Spannungsebene 500 kv (monopolar) Kompensationseinrichtungen Filter + Phasenschieber Offshore Filter + SVC Onshore 21 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 21
600MW HGÜ (Kabel mit integriertem Rückleiter) HGÜ-POL1 onshore 800 MW HGÜ (zwei getrennte Kabel HS und MS) HGÜ-POL1 onshore Mögliche Ausbaustufe 600MW +500 kv (HS-Kabel) 0 kv (integrierter Rückleiter) 800MW +500 kv (HS-Kabel) 0 kv (MS Kabel) HGÜ-POL1 offshore HGÜ-POL1 offshore ca. 1600 MW (drei getrennte Kabel 2 x HS und 1 x MS) 22 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 22
Das elektrische Konzept (offshore) 23 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 23
Ausgewählte Betriebszustände 1/3 Schwarzstart: 1 Dieselgeneratoren werden eingeschaltet 2 Anfahren der Synchronphasenschieber 3 Einschalten der benötigten Filterbank 4 Impulsfreigabe für HGÜ-Ventile 5 Onshore-Station: Gleichrichter Offshore-Station: Wechselrichter => keine Leistungsübertragung 6 Steigerung der Leistungsübertragung 7 Reduktion der Leistung der Dieselgeneratoren 8 Onshore-Station: Gleichrichter Offshore-Station: Wechselrichter => Umkehr der Leistungsflussrichtung 24 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 24
Niedriglast: Ausgewählte Betriebszustände 2/3 spezielle Regelcharakteristik für den Anschluss von Offshore-Windparks mit netzgeführter HGÜ [8] Legende: A R D R Gleichrichtercharakteristik W I - Z I Wechselrichtercharakteristik OP Betriebspunkt Absenkung der Spannung bei Verringerung der Übertragungsleistung 25 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 25
Ausgewählte Betriebszustände 3/3 Durchfahren von Fehlersituationen Dreipoliger Kurzschluss 155kV 380kV (Offshore) (Onshore) 26 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 26
Grobstruktur einer Plattform Quelle: Technip France 27 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 27
Multibrid M5000 Quelle: Multibrid GmbH Multibrid M5000 Nennleistung: 5.000 kw Rotordurchmesser: 116 m Nennwindgeschwindigkeit: 12 m/s Abschaltwindgeschwindigkeit: 25 m/s Generator: synchron, permanenterregt Umrichter: 4-Quadranten-Umrichter Leistungsfaktor netzseitig: 0,9 ind. - 0,9 kap. 28 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 28
Ausblick Offshore Herausforderungen Entfernungen zur Küste >45 km Standort mit salzhaltiger Luft, Wellenschlag, Starkwind, hoher UV-Belastung wetterabhängige Montage- und Servicezeitfenster extrem kurze und termintreue Projektlaufzeiten erhöhter Korrosionsschutz aller Anlagenkomponenten integrierte Montage- und Servicekonzepte mit Windturbinenherstellern, Windpark- und Netzbetreibern 29 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 29
Multi-Terminal HVDC Solution Building a more powerful Europe Quelle: Airtricity 30 Höpfner / Weber Spezielle Anforderungen beim Anschluss von Offshore-Windparks FGE - Kolloquium 30