Fraunhofer IEE

GridLoads: Methoden und Werkzeuge für die netzstützende Regelung von Windrad-Generatoren

28.5.2018

Im Forschungsprojekt »GridLoads« untersuchen das Fraunhofer IEE (ehemals Fraunhofer IWES Kassel) und die MesH Engineering GmbH Wechselwirkungen zwischen frequenzstützender Generatorregelung und mechanischer Belastung des Triebstrangs. Ziel ist die Entwicklung eines Analysemodells, mit dem sich wichtige Informationen für die Gestaltung der netzstützenden Maßnahmen sowie für die Auslegung der Triebstränge gewinnen lassen. Das Projekt wird vom BMWi gefördert und läuft noch bis Anfang 2020.

Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien müssen künftig auch Windenergieanlagen Verantwortung für die Stabilisierung der Stromnetze übernehmen. Die Generatoren der Anlagen können dazu beitragen, Frequenzabweichungen auszugleichen. Das führt jedoch zu einer mechanischen Belastung von Triebstrang und Turm der Anlagen. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in Kassel entwickelt zusammen mit der MesH Engineering GmbH in Stuttgart im Projekt »GridLoads« jetzt ein Analysemodell, das die durch eine netzstützende Generatorregelung verursachten mechanischen Lasten transparent macht. Mit dem Modell lassen sich die Wechselwirkungen zwischen elektrischem Netz, Regelung, Anlagenstruktur und Aerodynamik simulieren sowie Instabilitäten prognostizieren – wichtige Informationen für die Gestaltung der netzstützenden Maßnahmen wie für die Auslegung der Triebstränge. In diesem Zusammenhang untersuchen die Forscher auch, in wie weit sich das Schwingungsverhalten der Anlagen durch eine angepasste Generatorregelung beeinflussen lässt.

Netzstützende Maßnahmen die Windenergieanlagen wenig belasten

»Bislang sorgen vor allem die Schwungmassen konventioneller Kraftwerke dafür, dass die Frequenz im deutschen Stromnetz gehalten wird«, sagt Dr. Boris Fischer vom Fraunhofer IEE, Leiter des GridLoads-Projekts. Mit der Ablösung fossiler durch erneuerbare Energien bedarf es dafür jedoch neuer Instrumente. Die Schwungmassen der Rotoren von Windenergieanlagen könnten diese Aufgabe übernehmen: »Ihre Kapazitäten wären ausreichend für die Stabilisierung der Frequenz. Sie müssten dazu elektrisch mit dem Netz gekoppelt werden«, erklärt Fischer.

Gerade bei Netzstörungen wie Kurzschlüssen oder Teilnetzabspaltungen ist dabei eine sehr schnelle Reaktion gefordert. So schätzen Übertragungsnetzbetreiber, dass die Wirkleistung von Windenergieanlagen im Falle einer Bildung von Teilnetzen im europäischen Verbundnetz mit Gradienten von bis zu fünfzig Prozent pro 200 Millisekunden reduziert werden müsste. Eine solche Dynamik kann den Triebstrang wie auch die Tragestruktur der Anlagen in Schwingung versetzen. Das führt zu einer starken mechanischen Belastung der Komponenten.

»In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir, wie die netzbildenden Maßnahmen so gestaltet werden können, dass die Anlagen so wenig wie möglich belastet werden«, erläutert Fischer. Das Fraunhofer IEE bietet dafür beste Voraussetzungen: »Für ‚GridLoads’ ist multiphysikalische Kompetenz nötig, da hier elektrische Phänomene genauso eine Rolle spielen wie mechanische Fragestellungen. Zudem beschäftigen wir uns im Projekt mit Regelungssystemen, die die elektrische und die mechanische Seite zusammenbringen. Mit all dem befassen sich die Experten unseres Instituts schon seit vielen Jahren«, sagt Fischer.

Werkzeuge für die Prognose von Instabilitäten

Üblicherweise werden Schwingungsphänomene am Triebstrang einer Windenergieanlage mit entsprechend aufgelösten Mehrkörpermodellen analysiert. Sie beschreiben, wie sich die aerodynamischen Kräfte auf die Anlagen auswirken. Der Einfluss des Generatorsystems bleibt dabei allerdings in der Regel unberücksichtigt.

Die Fraunhofer-Forscher verbinden diese Mehrkörpermodelle jetzt mit Modellen zur Beschreibung der Generatordynamik und des elektrischen Netzes. So schaffen sie ein Analysemodell, mit dem sich die Einflüsse einer frequenzstützenden Generatorregelung auf die mechanische Struktur der Windenergienlage untersuchen lassen. Zudem wird es damit möglich sein, auch die Mechanismen zu analysieren, die netzbedingt zu erhöhten Schallemissionen durch das Generatorsystem führen.

Generatorregelung zur aktiven Verringerung mechanischer Lasten

Besonderes Augenmerk legen die Wissenschaftler in diesem Projekt auf die Instabilitäten, die durch die Wechselwirkung von elastischen und aerodynamischen Kräften, den Trägheitskräften sowie den von der Generatorregelung herrührenden Kräften verursacht werden. »Wir werden im Rahmen von ‚GridLoads’ auch Werkzeuge entwickeln, mit denen sich solche Instabilitäten verlässlich vorhersagen lassen«, sagt Fischer. Die Windindustrie kann damit den jeweiligen Abstand zur Stabilitätsgrenze ermitteln und die Regelungssysteme entsprechend auslegen.

Darüber hinaus werden die Fraunhofer-Forscher analysieren, in wie weit sich das Schwingungsverhalten über die Regelung des Generatorsystems aktiv beeinflussen lässt. Ziel ist der Entwurf einer Regelung, die Triebstranglasten minimiert und Instabilitäten vermeidet.

Voraussetzung dafür – wie auch für die Entwicklung des Analyseverfahrens – ist die Möglichkeit zur Parametrierung der erforderlichen Modelle. Die Wissenschaftler werden daher Methoden zur experimentellen Modalanalyse untersuchen, mit denen die Schwingungsparameter direkt aus Messdaten der Windenergieanlagen und des Netzes berechnet werden können.

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