NetzWind – Netzbildende Windenergieanlagen für zukünftige Energieversorgungsnetze mit dem Attribut zur Schwarzstart‐ und Inselnetzfähigkeit

  • Mit dem Forschungsprojekt „NetzWind - Netzbildende Windenergieanlagen für zukünftige Energieversorgungsnetze mit dem Attribut zur Schwarzstart- und Inselnetzfähigkeit“, verfolgten die Hochschule Düsseldorf HHSD), die W2E Wind to Energy GmbH (W2E) und ConverterTec Deutschland GmbH (CT) in Zusammenarbeit das Ziel, ein Verfahren für Windenergieanlagen (WEA) zu entwickeln, welches einen netzbildenden Betrieb ermöglicht und damit Lastschwankungen im Netz augenblicklich kompensieren kann. Im Rahmen der Projektbearbeitung wurde auf die detaillierte Betrachtung von WEA mit doppelt-gespeister-Asynchronmaschine (DFIG) verzichtet, dafür aber die Erarbeitung des Regelungsverfahrens für WEA mit permanenterregten Synchronmaschinen (PMSG) in einem sehr hohen Detailgrad ausgeführt, um damit die Möglichkeit zur Adaptierung der Technologie in andere Systeme wie z.B. Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher vorzuhalten. Zur Funktionserfüllung der entwickelten netzdienlichen Regelung sind EnergiespeicherMit dem Forschungsprojekt „NetzWind - Netzbildende Windenergieanlagen für zukünftige Energieversorgungsnetze mit dem Attribut zur Schwarzstart- und Inselnetzfähigkeit“, verfolgten die Hochschule Düsseldorf HHSD), die W2E Wind to Energy GmbH (W2E) und ConverterTec Deutschland GmbH (CT) in Zusammenarbeit das Ziel, ein Verfahren für Windenergieanlagen (WEA) zu entwickeln, welches einen netzbildenden Betrieb ermöglicht und damit Lastschwankungen im Netz augenblicklich kompensieren kann. Im Rahmen der Projektbearbeitung wurde auf die detaillierte Betrachtung von WEA mit doppelt-gespeister-Asynchronmaschine (DFIG) verzichtet, dafür aber die Erarbeitung des Regelungsverfahrens für WEA mit permanenterregten Synchronmaschinen (PMSG) in einem sehr hohen Detailgrad ausgeführt, um damit die Möglichkeit zur Adaptierung der Technologie in andere Systeme wie z.B. Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher vorzuhalten. Zur Funktionserfüllung der entwickelten netzdienlichen Regelung sind Energiespeicher zur Deckung der augenblicklichen und kurzzeitigen Leistungsbereitstellung (Momentanreserve) einzusetzen. Aus der Bewertung unterschiedlicher Optionen wurde die Nutzung der in der WEA konstruktionsbedingt enthaltenen Rotationsmassen als mechanischer Energiespeicher betrachtet. Umfangreiche simulations-basierte Untersuchungen unter Verwendung verschiedener Regelungsansätze der Turbine zeigen an relevanten Stellen die Wirkung des dynamischen Leistungsabrufs auf die strukturmechanischen Komponenten. Im Ergebnis ist eine höhere Belastung gegeben, eine Leistungsbereitstellung jedoch möglich. Weiterführende Rechnungen zu Auswirkungen der zusätzlichen Belastung auf die Lebens-dauer einzelner Komponenten kann mit den ermittelten Lastzeitreihen auf Bauteilebene erfolgen. Als weitere Option für einen Energiespeicher wurde die Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers auf Basis der Natrium-Ionen Technologie als vorteilhaft erachtet. Diese Technologie ist Stand der Forschung und weist eine Ähnlichkeit mit Lithium-Ionen-Batterien auf. Über die Analyse der Leistungsbereitstellung unter Verwendung der Lithium-Ionen-Batterie wurde das Ziel verfolgt, das erarbeitete Regelungskonzept auch für die Natrium-Ionen-Batterie zu verwenden. Dafür wurde in der Modellentwicklung das bestehende Umrichtersystem um einen Gleichspannungssteller und die Batterie erweitert und das Lade- und Entladeverhalten des Batteriespeichers in Kombination mit der Bereitstellung von Momentanreserve analysiert und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen ein stabiles Verhalten der Regelung und belegen die Möglichkeit zur Nutzung von Batteriespeichern. Zur Erfüllung des Schwarzstarts wurde das Anlagenverhalten analysiert und der Eigenverbrauch der WEA ermittelt. Somit konnte die Kapazität des dafür einzusetzenden Energiespeichers festgelegt werden. Weiterhin konnte ein Verfahren entwickelt werden, welches nicht nur den Start berücksichtigt, sondern auch eine erweiterte Frequenzregelung für Über- als auch Unterfrequenzen. Die Überführung des netzbildenden Regelungsverfahrens auf den vorhandenen Hardware-Controller des Umrichters erfolgte schrittweise, konnte jedoch seitens CT nicht vollständig abgeschlossen werden. Die Regelungsalgorithmen aus dem Simulationsmodell der Hochschule Düsseldorf wurden heraus-gelöst, in eine eigenständige Dynamic Link Library (DLL) geschrieben und darauffolgend die für den Controller erforderlichen Datentypen der Signale angepasst. Die Regelung zeigt hierbei prinzipiell ein stabiles Verhalten, jedoch führten die erforderlichen Anpassungen der Datentypen zu Rundungsfehlern. Hier sind weiterführende Optimierungen erforderlich, um eine vollständige Portierung zu ermöglichen. Im Laufe der Projektbearbeitungszeit ist es dem Konsortium gelungen, die erlangten Kenntnisse in diversen Gremien und Arbeitskreise einzubringen und zu diskutieren sowie in internationalen Veröffentlichungen zu präsentieren. Dieses innovative Projekt mit Az. 35340/01 wurde durch die DBU - Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert. Der Abschlussbericht ist zu beziehen unter www.dbu.deshow moreshow less

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Metadaten
Author:Ronald Mahmens, José Manuel Cajigal Núñez, Julian StruweORCiD, Holger Wrede
open access:Diamant - ohne Publikationskosten mit Lizenzhinweis
Fachbereich/Einrichtung:Hochschule Düsseldorf / Fachbereich - Elektro- & Informationstechnik
Document Type:Workingpaper / Report
Year of Completion:2023
Language of Publication:German
Publisher:Zenodo
Page Number:54
URN:urn:nbn:de:hbz:due62-opus-49632
DOI:https://doi.org/10.5281/zenodo.7936219
GND Keyword:Windenergie; Inselnetz; Elektrizitätsversorgungsnetz
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Release Date:2025/01/27
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