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Funktionieren wie ein KraftwerkWindkraftwerke müssen im P-Q-Verhalten den Ansprüchen des Netzes genügen
Bild 1: Typische Netzstruktur eines Onshore-Windkraftwerksnetzes mit mehreren verteil-ten Windparks.
a) stark vereinfachte Anschlussschaltung mit WEA-Netz-transformator und Ausgangsspannung des WEA-Umrichters
Bild 3: Idealisierte P-Q-Diagrammea) WEA mit Um-richterspeisung (cos -Regelung)
Zur Elektroenergieerzeugung werden in Windenergieanlagen vorwiegend Dreh-feldmaschinen verwendet. Von Bedeutung sind hauptsächlich Asynchron- und Syn-chrongeneratoren mit
direkter Netzanbindung sowie mitvollständiger oder teilweiser (läuferseitiger) Stromrichterkopplung.
Während in den zurückliegenden Jahren vorwiegend Generatorsysteme zum Ein-satz kamen, deren Erregungs- oder Blind-leistung vom Netz bezogen wurde und so-mit aufgrund der Wirkleistungseinspeisung nur netzstützend wirken konnten, hat sich kontinuierlich der Übergang zu netzbil-denden Windenergieanlagen (WEA) voll-zogen, die Möglichkeiten zur Spannungs- und Blindleistungsregelung besitzen.
Die Anschlussleistungen großer On-shore-Windparks im Bereich einiger
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100 MW mit Einzelleistungen der Erzeu-gereinheiten (EZE) bis 6 MW, die sich gegenwärtig in der Testphase befinden, er-fordern ein Betriebs- und Fehlerverhalten im Elektroenergiesystem wie konventio-nelle Kraftwerke.
Einzelne oder mehrere an einem Ver-knüpfungspunkt (VP) zum Hoch- oder Höchstspannungsnetz angeschlossenen-große Windparks (Windkraftwerke) wer-den in Zukunft einen entscheidenden Bei-trag zur Elektroenergieversorgung leisten. Auf der Grundlage von Netzanschlussre-geln [1, 2, 3] müssen sie einen Beitrag zur Netzstabilität leisten und im Störungsfall (z. B. Netzkurzschluss) netzstützend wir-ken. Ein „Durchfahren“ von Netzfehlern (engl.: fault ride through) ist unumgäng-lich, da die Trennung der WEA bei einem Fehler im Netz zu einem in vielen Fällen
Bild 2: Leistungs-und Spannungsverhält-nisse am Anschlusspunkt AP der WEA.
d) Blindleistungs-bezug (induktiv)
c) Blindleistungs-einspeisung (induktiv)
b) Wirkleistungs-einspeisung
nicht akzeptablen Wegfall von Erzeuger-leistung führen würde.
Neue Regelungsstrategien in Verbin-dung mit Maßnahmen zur Blindleistungs-bereitstellung gestatten es, unabhängig vom Generatorkonzept der WEA zur Netzanbindung (vollumrichtergespeister Synchrongenerator oder doppelt gespeis-ter Drehstrom-Asynchrongenerator) den Forderungen des Netzbetriebes bei allen Betriebszuständen gerecht zu werden.
Technische Anforderungen an die Windenergieanlagen Das stationäre und dynamische elektrische Betriebsverhalten moderner WEA, die in Windkraftwerken mit einer Gesamtleis-tung von 100 MW und darüber betrieben werden und unmittelbar mit dem Hoch-
b) Synchron-generator
WIND WISSENSCHAFT UND TECHNIK
28 erneuerbare energien | November 2008
ere11_s24_31 28 07.11.2008 12:56:16 Uhr
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oder Höchstspannungsnetz gekoppelt sind, beeinflusst das Systemverhalten der Elek-trizitätsversorgungsnetze maßgeblich mit.
Windkraftwerke ersetzen zeitwei-lig teilweise konventionelle Kraftwerke (Kraftwerkseinsatz nach „Merit Order“). Es ist unumgänglich, dass Windkraftwerke im Betriebs- und Fehlerfall zur Gewähr-leistung der Frequenz- und Spannungshal-tung im Netz, der Netzstabilität und zum Funktionieren des Netzschutzes beitragen. In den Richtlinien der Netzbetreiber [1 … 5] werden deshalb folgende wesentliche Anforderungen an die Erzeugereinheiten bezüglich ihres Netzverhaltens gestellt:
Beteiligung an der Primär- und Sekundärregelung sowie an der Minutenreserve,variable Blindleistungsbereitstellung auf der Basis der Regelgrößen Blindleistung Q, Verschiebungsfaktor cos und Netzspannung UN,Schwarzstartfähigkeit,keine Netztrennung der EZE bei Spannungseinbrüchen/unterbre-chungen (z. B. als Folge von AWE) innerhalb vorgegebener Spannungs-Zeit-Grenzen undim Kurzschlussfall ist die Lieferung eines Kurzschlussstrombeitrages
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erforderlich und die EZE müssen die Fähigkeit zur Erhöhung der dynamischen Netzstabilität sowie zur Spannungsstützung/haltung besitzen.
Das in diesem Sinne von den Netzbetrei-bern geforderte „Kraftwerksverhalten“ der Windparks ist als Systemdienstleis-tung zu verstehen und wird von ihnen auch entsprechend vergütet.
Blindleistungshaushalt im Windkraftwerksnetz Die grundsätzliche Gestaltung des Blind-leistungshaushaltes eines Onshore-Wind-kraftwerksnetzes soll anhand einer ty-pischen Netzstruktur näher erläutert werden. Im Netzverbund werden mehrere örtlich verteilte Windparks unterschied-licher Leistung über ein 110-kV-Kabel-netz miteinander verbunden, die über einen Haupttransformator in das Übertra-gungsnetz einspeisen. Einzelne Windener-gieanlagen (WEA) speisen in Mittelspan-nungskabelnetze (meist 30 kV), die über Hochspannungs-Mittelspannungsstation (HS-MS-Transformatoren) mit dem 110-kV-Kabelnetz gekoppelt werden.
Bei der Bilanz des Blindleistungshaus-haltes des Windkraftwerksnetzes ist von folgenden Überlegungen auszugehen:
Die spannungsabhängige Ladeleis-tung Q'C der 110-kV-VPE-Kabel (Querschnitt 1.200 mm-, Betriebska-pazität 0,26 μF/km) beträgt etwa 1 MVAr/km.Der stromabhängige induktive Blindleistungsbedarf der Kabel und Transformatoren ergibt sich zu QL = 3 . I2 . L und beträgt beispiels-weise für einen 380/110-kV-Haupt-transformator mit Sr = 200 MVA und uk = 14 % etwa 28 MVAr bei Bemes-sungsstrom.Im 110-kV-Kabelnetz sind La-destromdrosseln (Bild 1) erforderlich, von denen mindestens eine stell- bzw. schaltbar ausgeführt ist und die zur Blindleistungskompensation sowie Spannungshaltung im 110-kV-Netz dienen.Darüber hinaus ist selbstverständlich die variable Blindleistungsbereitstel-lung (induktiver Bezug oder induktive Einspeisung) der WEA entsprechend ihres Leistungsdia-gramms in die Bilanz aufzunehmen. Umrichtergekoppelte EZE ermögli-
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chen aufgrund ihres elektrischen Betriebsverhaltens eine variable Blindleistungsbereitstellung. Der netzseitige Wechselrichter des Umrichters stellt an den unterspan-nungsseitigen Klemmen des WEA-Transformators eine nach Betrag und Phase veränderliche Spannung UWR
ein. Die betragsmäßige Änderung dieser Spannung gegenüber der Anschlussspannung UAP führt zur Ein-speisung oder zum Bezug induktiver Blindleistung und deren Stellbereich wird durch die Bemessung des Umrichters bestimmt (Bild 2).
Die in Bild 3 dargestellten idealisier-ten P-Q-Diagramme geben Auskunft über mögliche Regelungsstrategien. Die Kennlinie WEA mit Umrichterspeisung (Bild 3a) ermöglicht eine cos -Rege-lung innerhalb definierter Grenzen. Das Blindleistungs-Spannungsverhal-ten ist auf dieser Basis nicht bzw. nur in Abhängigkeit von der Wirkleistungs-einspeisung realisierbar. Die Kennlinien des Synchrongenerators (Bild 3b) und umrichtergespeiste WEA ermöglichen ohne Einschränkungen eine cos - als auch eine Q-U-Regelung.
Ein FallbeispielDie Zielstellung der Überlegung besteht darin, am Verknüpfungspunkt (VP) eines Windkraftwerkes das reale Netto-Leis-tungsdiagramm zu ermitteln, um die Einhaltung der Netzausschlussregeln der Übertragungsnetzbetreiber [1, 2] entspre-chend Bild 3 nachweisen zu können und um ggf. ergänzende Maßnahmen zu ihrer Einhaltung zu erarbeiten. Die EZE des Windkraftwerks müssen in der Lage sein, in Abhängigkeit von der Betriebsspan-nung Ub des 380-kV-Netzes Werte der Blindleistung oder des cos innerhalb der Hüllkurve (Bild 4) auf Anforderung der Netzbetriebsführung zur Verfügung stellen zu können.
Zur Ermittlung des Netto-Leis-tungsdiagramms eines Windkraftwerkes entsprechend Bild 1, sind stationäre Leistungsflussberechnungen für das Windkraftwerksnetz erforderlich, die die Erfordernisse der oben genannten Blind-leistungsbilanz einbeziehen. Für die vor-liegenden Untersuchungen wurde das Berechnungsprogramm Elektra [6], das im Hause der Kema-IEV GmbH, Dresden entwickelt wurde, verwendet. Im Rahmen der Berechnungen sind folgende wichtige Nebenbedingungen zu beachten:
Die automatische Spannungsregelung im Windkraftwerksnetz erfolgt unter Berücksichtigung der Stellbereiche der Stufenstellwerke.Die Auslastung der elektrischen Betriebsmittel (Transformatoren, Kabel, Drosseln …) ist durch ihre Bemessungswerte begrenzt.Die Spannungshaltung im Netz entspricht den üblichen netztech-nischen Erfordernissen.
Der Ablaufplan (Bild 5) beschreibt bei-spielhaft die Ermittlung des Nettoleistungs-diagramms für ein Windkraftwerksnetz mit stellbarer Ladestromkompensation unter Nutzung der in [6] genannten oder einer vergleichbaren Berechnungssoft-ware. Die Netzberechnungen entspre-chend Ablaufplan Bild 5 sind wiederholt für verschiedene Betriebsspannungen im vorgegebenen Spannungsband des 380-kV-Netzes vorzunehmen. Für jede einzelne Berechnung werden die genannten Ne-benbedingungen kontrolliert. Weiterhin werden die Stellbarkeit (Schaltbarkeit) der Ladestromdrosseln und das P-Q-Verhalten (Leistungsdiagramm) der WEA berück-sichtigt. Im Ergebnis der Berechnungsvari-anten entsteht das in Bild 6 beispielhaft für Ub = 410 kV dargestellte Netto-Leis-tungsdiagramm des Windkraftwerkes. Bezugswert für die p.u.-Darstellung in Bild 6 ist die Bemessungsleistung Sr des Haupttransformators im 380-110-kV-Um-spannwerk. Für das P-Q-Verhalten wurde
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das idealisierte Leistungsdiagramm nach Bild 3a zugrund gelegt. Die beiden La-destromdrosseln wurden stellbar ausge-führt.
Die grau in Bild 6 dargestellten Kenn-linien (cos = 0,925 induktiver Bezug und cos = 0,95 induktive Einspeisung) begrenzen den Leistungsbereich für die im konkreten Untersuchungsfall angenom-mene Forderung für das P-Q-Verhalten des Windkraftwerkes. Es wird deutlich, dass die Stellmöglichkeiten des Windkraftwerkes bis zu einer Wirkleistungseinspeisung von etwa 0,75 p.u. ausreichend bemessen sind, um variabel Blindleistung innerhalb vor-gegebener cos -Grenzen zu ermöglichen. In Einspeisezuständen mit P > 0,75 p.u. benötigen die induktiven Längselemente der Betriebsmittel des Netzes derart viel Blindleistung, dass bei ausgeschalteten La-destromdrosseln nicht mehr ausreichend Blindleistung am 380-kV-Verknüpfungs-punkt zur Einhaltung der Forderung – cos = 0,95 induktive Einspeisung – zur Verfügung gestellt werden kann.
Im konkreten Untersuchungsfall wird eine zusätzliche induktive Blindleistungs-einspeisung von ca. 0,05 p.u. benötigt, um den geforderten cos -Bereich in allen Einspeisezuständen abzudecken.Das Leistungsdiagramm ist somit ein brauchbares Hilfsmittel für den Nachweis der Blindlastbereitstellung entsprechend der Netznutzungsregeln der Netzbetrei-ber [1 … 3].
Die vorgestellten Untersuchungen zum stationären P-Q-Verhalten von Wind-kraftwerken haben sichtbar gemacht, dass es möglich ist, leistungsstarke erneuerbare Energiequellen systemgerecht in Hoch- und Höchstspannungsnetze zu integrie-ren. Die sorgfältige Analyse der Blindleis-tungsverhältnisse im Normalbetrieb des Windkraftwerkes in Verbindung mit effek-tiven Methoden der Leistungsflussberech-nung gestatten eine sichere Einschätzung der Leistungsverhältnisse in allen nor-malen Betriebszuständen des Windkraft-werkes.
Bild 4: Grundanforderung an die netzseitige Blindlastbereitstellung von Erzeu-gereinheiten für das Netz. [1]
Bild 5: Ablaufplan zur Ermittlung des Netto-Leistungsdiagramms eines Windkraftwerkes.
WIND WISSENSCHAFT UND TECHNIK
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ere11_s24_31 30 07.11.2008 12:56:20 Uhr
Literatur[1] Netzanschluss- und Netzzugangsregeln der Vat-tenfall Europe Transmission GmbH, Technisch-or-ganisatorische Mindestanforderungen, Berlin, 2008 .[2] Netzanschlussregeln Hoch- und Höchstspan-nung der e.on Netz GmbH, Bayreuth, 2006.[3] VDN-Leitfaden „EEG-Erzeugungsanlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz, Leitfaden für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungs-anlagen auf Basis erneuerbarer Energien an das Hoch- und Höchstspannungsnetz in Ergänzung zu den Netzcodes, Verband der Netzbetreiber – VDN-e.V. beim VDEW, 2004.[4] Richtlinie für den Anschluss und Parallelbetrieb
von Eigenerzeugungs-anlagen am Mittelspan-nungsnetz, VWEW-Verlag, Frankfurt, 1998.[5] Richtlinie für den Anschluss und Paral-lelbetrieb von Eigener-zeugungsanlagen am Niederspannungsnetz, VWEW-Verlag, Frankfurt, 2001.[6] ELEKTRA: Programm zur Leistungsfluss-, Kurz-schluss- und Stabilitäts-berechnung elektrischer Netze und Anlagen, Kema-IEV GmbH, 2008
Formelzeichen und AbkürzungenP WirkleistungPr BemessungswirkleistungQ BlindleistungQC Ladeleistung (kapazitiv)QL Längsblindleistung (induktiv)QDR Blindleistung einer DrosselS ScheinleistungSr BemessungsscheinleistungI StromU SpannungUN NetzspannungUb BetriebsspannungUAP Spannung am AnschlusspunktUWR Spannung am Wechselrichter∆ U SpannungsabstiegXTR Reaktanz des Transformators
cos Verschiebungsfaktoru Phasenwinkel zwischen 2 SpannungszeigernEZE ErzeugereinheitAP AnschlusspunktVP Verknüpfungspunkt
Dr.-Ing. Steffen Prinz Steffen Prinz ist Projektgruppen-leiter Netzplanung, Netzberechnung der KEMA IEV – Ingenieur-unternehmen für Energieversorgung GmbH in Dresden.
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Bild 6: Netto-Leistungsdiagramm des Windkraft-werkes (Betriebsspannung des Netzes Ub = 410 kV).
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erneuerbare energien | November 2008 31
ere11_s24_31 31 07.11.2008 12:56:23 Uhr
