Der zunehmende Anteil erneuerbarer Erzeugungsanlagen wirft technische Fragen auf, welche frühzeitig bei der Bewertung von Netzausbauszenarien berücksichtigt werden müssen. Dabei steht insbesondere die Netzverträglichkeit und Stabilität von netzparallel betriebenen erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen im Fokus. Historisch- und entwicklungsbedingt sind notwendige systemdienliche Anforderungen an Erzeugungsanlagen aus den Eigenschaften konventioneller Großkraftwerke abgeleitet worden, welche elektrische Energie über einen Synchrongenerator ins Energieversorgungsnetz einspeisen und bis heute das elektrische Netz prägen. Tritt im elektrischen Netz eine Zustandsänderung (z.B. Laständerung oder Leitungszu-/abschaltung) auf, wird eine augenblicklich auftretende Leistungsänderung augenblicklich aus dem elektrischen Feld der Synchronmaschinen und der kinetischen Energie der rotierenden Massen der Triebstränge konventioneller Kraftwerke bereitgestellt. Bei erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen wie Windenergie- und Photovoltaikanlagen als auch stationären Batteriespeichern ist die Nutzung von leistungselektronischen Betriebsmitteln (Umrichter) zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie in das Versorgungsnetz unverzichtbar. Hierbei wird das Betriebsverhalten im Augenblicksbereich maßgeblich durch die Regelung des Umrichters und somit der implementierten Software bestimmt. Damit führt der Rückbau konventioneller Erzeugungsanlagen wie Atom- oder Kohlekraftwerke und der damit verbundene Verlust an rotierender Masse bei gleichzeitigem Ausbau erneuerbarer Energien im Zuge der Energiewende zu einem Wandel der Systemeigenschaften des elektrischen Energieversorgungsnetzes. Dieser Wandel von einem synchronmaschinendominierten Netz (Systemeigenschaften bestimmt durch die Physik der elektrischen Maschine) hin zu einem umrichterdominierten Netz (Systemeigenschaften bestimmt durch die Regelung der Umrichter) wirft neue Aspekte und Kriterien zur Bewertung der Systemstabilität und -sicherheit der elektrischen Energieversorgung auf und erfordert besonders bei dynamischen Systembetrachtungen und Stabilitätsuntersuchungen eine genaue Betrachtung der in den Umrichtern implementierten Regelung.
Der weitere Ausbau erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen hin zu einer vollständigen Substitution konventioneller Kraftwerke im elektrischen Energieversorgungsnetz ist also nur dann möglich, wenn Technologien entwickelt werden, welche die Bereitstellung von der netzbildenden und netzstabilisierenden Eigenschaften der Synchronmaschine durch umrichterbasierte Erzeugungsanlagen ermöglichen. Windenergieanlagen werden z. B. bereits in Konzepten zum Netzwiederaufbau berücksichtigt, jedoch bleiben sie außer Acht, wenn spannungslose Netze (Schwarzstart) hochgefahren werden müssen. Zum jetzigen Zeitpunkt sind Windenergieanlagen nicht schwarzstartfähig.
Die Sicherstellung eines Schwarzstarts ohne konventionelle Kraftwerke ist also erst möglich, wenn erneuerbare Energieerzeuger dieses Attribut aufweisen. So verfügen zum heutigen Stand Offshore-Windparks über einen Dieselgenerator, welcher bei Netzauftrennung zum Onshore-Netz die Energieversorgung des Windparks gewährleistet. Zum Betrieb dieses Dieselgenerators ist ein Brennstofftank notwendig, welcher bei Beschädigung eine potentielle Gefahr für die Umwelt darstellt. Diese Gefahr ließe sich vermeiden, wenn ein Anteil der im Windpark installierten Anlagen die Schwarzstartfähigkeit aufweist, um somit auf den Einsatz von Dieselgeneratoren zu verzichten.
Des Weiteren ermöglichen schwarzstart- und inselnetzfähige Windenergieanlagen in Kombination mit weiteren erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen und Batteriespeichersystemen den Aufbau und Betrieb kleinerer und räumlich begrenzter Energieversorgungsnetze und können so eine hohe Versorgungssicherheit garantieren, ohne dabei konventionelle Kraftwerke vorhalten zu müssen. Bei der elektrischen Energieversorgung einer Insel mit 100% regenerativen Energien könnte somit auf eine teure Landverbindung oder die Vorhaltung eines Dieselgenerators verzichtet werden. Dies gilt auch für Entwicklungsländer, die von dieser neuen Technologie profitieren können, um Energieversorgungsnetze aus regenerativen Energiequellen aufbauen zu können.
Zur Erreichung der Zielstellung, ein Verfahren für Windenergieanlagen zu entwickeln, welches einen netzbildenden Betrieb ermöglicht und damit Lastschwankungen im Netz augenblicklich kompensieren kann, wurde im Rahmen der Projektbearbeitung auf die detaillierte Betrachtung von WEA mit doppelt-gespeister-Asynchronmaschine verzichtet, dafür aber die Erarbeitung des Regelungsverfahrens für WEA mit permanenterregten Synchronmaschinen in einem sehr hohen Detailgrad ausgeführt, um damit die Möglichkeit zur Adaptierung der Technologie in andere Systeme wie z. B. Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher vorzuhalten. Folgende Arbeitschritte und Methoden wurden angewendet:
1) Anforderungsprofil für netzgekoppelte Umrichtersysteme
Stromgeregelte Umrichter mit einem "Stromquellenverhalten" zum Netz stellen den Stand der Technik von netzgekoppelten Umrichtersystemen dar und werden heute als "netzfolgend" bezeichnet. Im Gegensatz dazu werden in Forschung und Entwicklung Umrichtersysteme mit einem "Spannungsquellenverhalten" zum Netz beschrieben und als "netzbildend" bezeichnet. Für diese Systeme gibt es aber seitens der Netzbetreiber bisher keine Vorgabe bzw. Anforderungsprofile. Daher wurde in diesem Projekt zunächst eine Klassifizierung unterschiedlicher Regelungsprinzipien von netzgekoppelten Umrichtern erarbeitet und in Anlehnung an bestehende Arbeiten neue Anforderungen an netzbildende Umrichtersysteme beschrieben.
2) Entwicklung eines netzspannungsbildenden Regelungsverfahrens
Ein neues netzspannungsbildendes Regelungsverfahren wurde entwickelt und in Simulationen hinsichtlich der Funktionsweise
- Führungsverhalten bei Sollgrößenänderungen
- Störverhalten bei Netzzustandsänderungen (z. B. Laständerung, Kurzschluss)
- Stabilität (Kleinsignalstabilität, transiente Stabilität)
analysiert und mit den neuen Anforderungen an netzbildende Umrichtersysteme abgeglichen.
Ein netzbildendes Umrichterverhalten beinhaltet die instantane Bereitstellung von Augenblickleistung bei Zustandsänderungen im Netz, der sog. "Momentanreserve". Diese Leistung muss zur aktuell aus dem Wind zur Verfügung stehenden Leistung augenblicklich hinzugeführt (positiv oder negativ) werden, wozu ein interner Energiespeicher notwendig ist. Hierfür wurden unterschiedliche Speichersysteme betrachtet und für eine Anwendung in Kombination mit einer Windenergieanlage bewertet.
3) Der Triebstrang als Energiespeicher
Bei Windenergieanlage kann aufgrund der hohen Trägheit des Triebstrangs eine nahezu inhärente Leistungsbereitstellung aus den Rotationsmassen erfolgen. Die vorhandene Umrichtertechnik im Zusammenspiel mit einer dynamischen Regelung des Antriebsstrangs ermöglicht den Abruf dieser Energie im relevanten Zeitbereich. Für diese Art der Leistungsbereitstellung wurden die dynamischen Vorgänge des Antriebsstrangs aufgezeigt und anhand einer bestehenden Anlagenauslegung die zusätzliche Belastung und Lebensdauerverbrauch bewertet. Diese Ergebnisse können zukünftig in den Design-Prozess einer Windenergieanlage einfließen.
4) Elektrische Energiespeicher installiert im Umrichtersystem
Für die Nutzung eines Batteriespeichers, der an den Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichtersystems mit netzspannungsbildendem Regelungsverfahren angekoppelt wird, wurde das Regelungskonzept um die Laderegelung der Batterie und ein übergeordnetes Energiemanagmentsystem erweitert.
5) Konzeptentwicklung zur Umsetzung der Inselnetz‐ und Schwarzstartfähigkeit
Für die Schwarzstartfähigkeit einer Windenergieanlage wurde sowohl die elektrische Auslegung in Kombination mit einem Batteriespeichersystem entwickelt als auch die Anlagensteuerung erweitert. In Kombination mit dem netzspannungsbildenden Regelungsverfahren ergibt sich hieraus die Inselnetz‐ und Schwarzstartfähigkeit einer Windenergieanlage.
6) Validierung und Verifizierung
In allen Schritten wurden detaillierte Simulationsmodelle erstellt anhand derer das Systemverhalten untersucht wurde. Die elektrischen Simulationen wurden als EMT-Simulationen in Matlab/Simulink ausgeführt. Für eine weiterführende Analyse und Optimierung im Rahmen von detaillierten Untersuchungen auf einem Hardware-In-the-Loop-Prüfstand wurde das netzbildende Regelungsverfahren schrittweise auf den Hardware-Controller eines vorhandenen Umrichtersystems überführt, konnte aber aufgrund struktureller Veränderungen auf Seiten eines Konsortialpartners nicht zu Ende geführt werden.
Die Belastung der mechanischen Komponenten der Windenergieanlage wurde mit der Software OpenFAST berechnet, die eine Simulink-Schnittstelle vorhält und eine Kopplung der elektrischen und mechanischen Simulationen ermöglicht. Hierbei wurden gemessene Windprofile berücksichtigt.
In selbstkritischer Betrachtung ergeben sich folgende Projektergebnisse:
1) Eine Definition zukünftiger Netzanforderung zeichnet sich ab und wurde im Projekt berücksichtigt. Konkrete Vorlagen seitens der Netzbetreiber sind aber (international) noch in Diskussion und werden sicherlich noch einige Zeit auf sich warten lassen.
2) Windenergieanlagen können zukünftig weiterführende Systemdienstleistungen wie Momentanreserve, (schnelle) Primärregelung sowie Inselnetzbildung und Schwarzstart erbringen. Hierbei wurde im Projektverlauf auf die detaillierte Betrachtung von Windenergieanlagen mit doppelt-gespeister Asynchronmaschine (DFIG-WEA) verzichtet, dafür aber die Erarbeitung des Regelungsverfahrens für Windenergieanlagen mit permanenterregten Synchronmaschinen und einem Vollumrichtersystem in einem sehr hohen Detailgrad ausgeführt, um damit die Möglichkeit zur Adaptierung der Technologie in andere Systeme wie z. B. Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher vorzuhalten. Bei DFIG-WEA ist der Stator des Asynchrongenerators direkt mit dem Netz gekoppelt und damit bereits ein zur Synchronmaschine ähnliches dynamisches Verhalten gegeben. Die Ergebnisse der Entwicklung und detaillierten Analyse eines netzspannungsbildenden Regelungsverfahrens für ein Vollumrichtersystem können aber ebenso für das bei einer DFIG-WEA zur über- oder untersynchronen Drehzahlregelung zum Einsatz kommende rotorseitige Umrichtersystem übernommen werden.
3) Eine neues netzspannungsbildenes Regelungsverfahren des netzseitigen Umrichters wurde entwickelt und verifiziert, welches instantane Augenblicksleistung (Momentanreserve) bei Netzzustandsänderungen vorhält und einen Inselnetzbetrieb gewährleistet und somit zukünftigen Netzanforderungen entspricht.
4) Der Triebstrang einer Windenergieanlage kann innerhalb der Auslegungsgrenzen als (Kurzzeit-) Energiespeicher genutzt werden. Die mechanischen Belastungen können ggf. durch eine aktive Drehmomentbegrenzung reduziert werden und/oder bei der Auslegung des Triebstrangs berücksichtigt werden.
5) Zusätzliche Energiespeicher (Batterie, SuperCaps) können in das bestehende Umrichtersystem eingebunden werden und somit Momentanreserve ohne zusätzliche Belastung des Triebstrangs bereitgestellt werden. Eine mit einem Batteriespeicher erweiterte Windenergieanlage kann bei geeigneter Auslegung und erweiterter Anlagensteuerung eine Schwarzstartfähigkeit aufweisen und ein spannungsloses Netz aufbauen.
6) Die geplante Validierung und Verifizierung des Gesamtsystems auf einem HIL-Prüfstand konnte leider nicht abgeschlossen werden.
Die Entwicklung des neuen netzspannungsbildenden Regelungsverfahrens ist in die Dissertation von Patrik Winter (Projektmitarbeiter der HSD) [1] eingeflossen. Zudem erfolgte im August 2020 eine Patentanmeldung dieses Verfahrens [2]. Auf dem "International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems" wurde in 2021 über die Ergebnisse der Untersuchungen der mechanischen Belastung des Triebstrangs einer Windenergieanlage mit netzbildender Regelung berichtet [3].
[1] Winter, P., 2022. Netzspannungsbildende und -folgende Umrichtersysteme am elektrischen Energieversorgungsnetz: Regelungsentwurf, Analyse und Stabilitätsbetrachtung. https://doi.org/10.17185/duepublico/75784
[2] H. Wrede, P. Winter, “Netzspannungsbildner – Verfahren zur Bildung einer Energieversorgungsspannung und Synchronisierung mit netzparallelen Spannungsgeneratoren“, 2020
[3] J. M. Cajigal Núñez, J. Struwe, H. Wrede, P. Winter, R. Mahmens, S. Engelhardt, “Investigation of a Wind Turbine with Grid Forming Control“, 20th Wind Integration Workshop; International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Netzworks for Offshore Wind Power Plants, 2021
Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse und Auswertungen belegen, dass Windenergieanlagen zukünftig weiterführende Systemdienstleistungen, die bisher durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt wurden, erbringen können. Hierfür sind Anpassungen in der Anlagenauslegung und -regelung sowie eine gewisse Erweiterung der Komponenten, hin zu integrierten elektrischen Energiespeichern, umzusetzen. Zukünftig ist damit ein netzkonformes Anlagenverhalten auch bei zu erwartenden Änderungen in den Anschlussbedingungen und den geforderten Prüf- und Zertifizierungsverfahren für elektrische Energieerzeugungsanlagen gewährleistet.
Mit der Umstellung von einem netzspannungsfolgenden hin zu einem netzspannungsbildenden Regelungsverfahren des vorhandenen Umrichtersystems ist der Grundstein zur Erfüllung spezieller Systemdienstleistungen wie die Bereitstellung von Momentanreserve und die Inselnetz- und Schwarzstartfähigkeit gegeben. Das entworfene Regelungsverfahren wirkt dabei in allen Betriebszuständen netzbildend. Simulationen belegen ein stabiles Verhalten im Normalbetrieb (Kleinsignalstabilität) als auch bei Netzstörungen (Großsignalstabilität). Umfangreiche Untersuchungen zeigen eine gesicherte Bereitstellung von Momentanreserve bei unterschiedlichen Winkelsprüngen der Netzspannung über das gesamte Leistungsspektrum des Umrichters hinweg.
Zur Bewertung des Einflusses der augenblicklichen Bereitstellung von Momentanreserve auf die mechanischen Komponenten der Windkraftanlage wurden die dabei in einem idealen Gleichspannungszwischenkreis ermittelten Leistungsverläufe in Modellrechnungen auf den Triebstrang der Windenergieanlage aufgeprägt. Dabei wurde in den Lastenberechnungen zum einen die Regelung der Turbine bei optimaler Drehzahl verwendet, zum anderen Berechnungen mit Konstantdrehzahl durchgeführt. Als Vergleich diente jeweils eine Rechnung ohne eine zusätzliche Belastung durch die Bereitstellung der Momentanreserve. Es konnten realistische Auswirkungen auf die einzelnen Komponenten durch die zusätzliche Belastung aufgezeigt werden. Vor allem weisen die Einwirkung der zusätzlichen Belastung am nächsten gelegenen Triebstrangkomponenten eine höhere Schädigung in der Lebensdauerbetrachtung der Lastkollektive auf. Eine weiterführende Bewertung der mechanischen Struktur der einzelnen Bauteile kann unter Verwendung der ermittelten Lastzeitreihen durchgeführt werden.
Bei der Verwendung eines elektrischen Energiespeichers wird der Triebstrang der Windenergieanlage durch die augenblickliche Bereitstellung von Momentanreserve nicht belastet. Die dabei im Gleichspannungszwischenkreis des Umrichtersystems auftretenden Laständerungen können durch dynamische Lade- und Entladeprozesse einer Batterie ausgeglichen werden. Da eine Schwarz-startfähigkeit einer Windenergieanlage sowieso eine Energiequelle ausreichender Größe erfordert, ist dieser Ansatz vielversprechend, da das strukturmechanische Design bestehender Anlagen beibehalten werden kann.
Um den Schwarzstart zu ermöglichen als auch die Versorgung der Windenergieanlage bei Windmangel sicherzustellen, ist die Eigenbedarfsversorgung elektrotechnisch anzupassen. Durch das entwickelte Verfahren ist eine Einbindung des Speichers auf der AC-Seite in der Niederspannungshauptverteilung notwendig, zusätzlich ist eine DC-Anbindung vorgesehen. Das entwickelte Steuerungskonzept mit einer erweiterten Frequenzregelung zeigt das Verfahrensschema beim Schwarzstart der Anlage sowie Abfangen auf Eigenbedarf. Zukünftig wäre ein Netzwiederaufbau mit Windenergieanlagen möglich.
Durch die Integration von Batteriespeichersystemen in den Turm von Windkraftanlagen kann ein zusätzlicher Flächenverschleiß durch den Bau von zentralen Energiespeichern vermieden werden. Auch werden durch dieses Vorgehen die Gesamtkosten der Energiebereitstellung gesenkt, da die Infrastruktur wie die Verkabelung zum Netzanschlusspunkt, die Schaltanlage, der Transformator sowie der Umrichter in Windenergieanalgen bereits vorhanden sind. Dies ermöglicht eine weitreichende Schonung von Ressourcen und damit eine nachhaltige Umsetzung der Energiewende.