GridLoads: Windenergieanlagen können Momentanreserve bereitstellen

16.11.2020 – Im Forschungsprojekt „GridLoads“ untersuchten Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE und der MesH Engineering GmbH, wie sich netzstützende Regelungsverfahren auf Triebstränge und Türme von Windenergieanlagen auswirken. Die Projektpartner haben sich dabei auf die Momentanreserve konzentriert, weil deren Bereitstellung die mechanische Struktur der Anlagen in besonderem Maße belasten kann. Insgesamt konnte das Projekt zeigen, dass die Windenergieanlagen mit den entstehenden Belastungen grundsätzlich zurechtkommen – vorausgesetzt, die Regelungsmodule der Anlagen werden zuvor für die neue Aufgabe gerüstet.

Komplexe Wechselwirkungen zwischen Netz und Anlage

Mit der Bereitstellung von Systemdienstleistungen wie der Momentanreserve kommt es zu beständiger Interaktion zwischen Netzzustand und Anlagenbetrieb. Dabei treten komplexe Wechselwirkungen auf. Um die Auswirkungen der neuartigen Schwingungsphänomene zu ermitteln, haben die Experten komplexe Simulationsverfahren angewandt. Die besondere Herausforderung lag hier darin, zwei verschiedene Welten – die Anlagen- und die Netzseite – zusammen zu bringen. In der Folge verändern sich auch die Anforderungen an die Generatorregelung der Anlagen. Um zum Beispiel bei Bedarf kurzfristig die Frequenz zu stützen, muss die Wirkleistung der Windenergieanlagen mit hohen Gradienten verändert werden.

Fraunhofer IEE Projekt GridLoads
Mit der Bereitstellung von Systemdienstleistungen wie der Momentanreserve kommt es zu beständiger Interaktion zwischen Netz und Anlagenbetrieb. Grafik: Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Die Forscher haben auf mechanischer Seite hochauflösende Mehrkörpermodelle konfiguriert und diese mit transienten Netzwerk-Simulationen auf elektrischer Seite gekoppelt. Auf diese Weise konnten sie die elektromechanischen Schwingungsmoden einer Referenzanlage exakt identifizieren.

Anpassung der Reglermodule notwendig

Damit Windenergieanlagen netzstabilisierende Systemdienstleistungen bereitstellen können, müssen die Anlagenhersteller ihre Regelungsmodule für die Leistungselektronik zuvor an die neuen Aufgaben anpassen. Wie das möglich wird, zeigen die Forscher ebenfalls im »GridLoads«-Projekt.

Starke Belastung in seltenen Ausnahmefällen

Lediglich bei einigen seltenen, speziellen Netzfehlern kann es zu einer übermäßigen mechanischen Belastung von Triebstrang und Turm kommen, zeigt das Forschungsprojekt. Dazu zählen das Auftreten von großen Leistungsdefiziten oder -überschüssen etwa durch den Ausfall eines Kraftwerks oder durch die fehlerbedingte, spontane Bildung eines Inselnetzes, der sogenannte „System Split“. In diesen Fällen müssen Windenergieanlagen schlagartig ausreichend Kompensationsleistung bereitstellen. Hierzu erhöhen sie sehr schnell das Generatormoment, was einen Stoß auf den Triebstrang zur Folge hat – eine potenziell kritische Situation, wenn die Anlage in Volllast betrieben wird.

Gleichwohl gebe es den Forschern zufolge mehrere andere Wege, dieser außergewöhnlichen Belastung zu begegnen. So wäre es zum Beispiel möglich, mit einer Überdimensionierung der elektrischen Komponenten sowie des mechanischen Triebstrangs die Überlastfähigkeit zu erweitern. Ebenso könnte man zusätzliche Komponenten wie Batterien oder auch Superkondensatoren als Kurzzeitspeicher installieren. Sie sind in der Lage, die benötigten hohen Leistungen innerhalb kürzester Zeit bereit zu stellen.

Eine weitere Alternative ist, die Leistungsreserven der Anlagen zu nutzen – schließlich laufen sie nur 10 bis 20 Prozent ihrer Lebensdauer mit voller Nennleistung. Hinzu kommt, dass in Starkwindzeiten viele Anlagen gedrosselt werden. Die wirtschaftlichen Vorteile dieser Optionen seien laut Projektleiter Dr. Boris Fischer vom Fraunhofer IEE noch zu diskutieren.

Das über drei Jahre laufende Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts „GridLoads“ stellen Dr. Boris Fischer und Stefan Hauptmann in einer Expert-Web-Session am 19.11.2020 vor. (ds)

www.iee.fraunhofer.de

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