LEA Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme

Drehzahlregelbare

Leistungselektronik-Generatorsysteme

für Windenergieanlagen

- Stand und Perspektiven -

Beitrag zum 10. Energietechnischen Forum der

Fachhochschule Kiel

Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs

Lehrstuhl für Leistungselektronik

und Elektrische Antriebe

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Technische Fakultät

Mitglied:

Genannte Forschungsprojekte zum Teil

LEA

Drehzahlregelbare Leistungselektronik-

Generatorsysteme für Windenergieanlagen

- Inhaltsübersicht -

Inhalt:

1. Einführung

2. Funktion drehzahlvariabler

Windenergieanlagen

3. Stand der Technik

4. Herausforderungen, zukünftige Entwicklung

5. Zusammenfassung und Ausblick

1. Einführung

Installierte Leistung weltweit

von Windenergieanlagen

Global Wind Energy Council,

Global Wind Energy Report 2007;

http://www.gwec.net/index.php?id=90

1. Einführung

Bisherige und zukünftige Entwicklung der

Windenergie in Deutschland

Kumulierte installierte Leistung in Deutschland

Quelle: Zeitschrift Erneuerbare Energien 08.2007

1. Einführung

Energiekosten für Windenergie in Deutschland

Onshore Anlagen1 4…10 € Cent

5,5…6,5 € C/100 % Ref.-Ertr.3

- Förderung2 9,2… € Cent sinkend

Offshore Anlagen3 8…10 € Cent

- Förderung2 15… € Cent sinkend

Zum Vergleich:

Konventionelle Kraftwerke4 3,5…7 € Cent1Quelle: BWE, ISET, 2005 2Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetze s (EEG) vom 06.06.20083Verschiedene Quellen (BINE Karlsruhe, offshore wind, BWE, ISET)4Verschiedene Quellen (BINE Karlsruhe, ISET)

1. Einführung

Wirtschaftliche Relevanz

Märkte Leistungselektronik in 2007

• Weltmarkt 5,5 Mrd. US $

• Für Wind 0,9 Mrd. US $ - 18,7 GW

• Für Solar 0,1 Mrd. US $ - 2,6 GW

Quelle: J. M. Hoelscher, Parker-Hannifin, Vortrag bei der

3. VDE/VDI-Fachtagung Elektrisch-Mechanische Antriebssysteme,

Böblingen, 23. – 24.09.2008

1. Einführung

Problematik ungleichmäßiger Leistung

Windstromproduktion im RWE-Teil-Netz in

Megawatt, 22.02. – 01.03.2007

Quelle: http://www.windstrom-kosten.de/

F2. Funktion drehzahlvari-

abler Windenergieanlagen

Windenergieanlage

Aufbau

2. Funktion drehzahlvariabler Windenergieanlagen

Leistung des Rotors

Rotorleistung

über

Rotordrehzahl

mit Parameter

Wind-

geschwindigkeit

(Beispiel)0 20 40 60 80 100

0

2 105

4 105

6 105

12 m

/s

11 m

/s

10 m/s9 m

/s

8 m/s

7 m/s

6 m/s5 m/s

n [min-1]

PR

oto

r [W

]

MPP


Triebstrang und Generator

drehzahlsteuerbarer Windenergieanlagen

Doppeltgespeiste

Asynchronmaschine

Fremderregte

Synchronmaschine

Asynchronmaschine mit

Kurzschlussläufer und

Permanenterregte

Synchronmaschine


Elektrische Daten

Maximale Leistung 6 MW

Typische Leistung 1,5….4,5 MW

Generatortyp 4 Varianten, meistens

doppeltgespeiste ASM

Speisung IGBT-Umrichter

Interne Spannung 690 V (z.T. 3 kV bei

größer 4 MW)

Anschlussspannung Anlage z.B. 30 kV, auch 690 V

Anschlussspannung Park z.B. 30 kV oder 110 kV


Frequenzumrichter

Umrichter 2 MVA,

wassergekühlt;

Quelle: Converteam

Schaltbild Frequenzumrichter

ohne Steuerung, Schaltgeräte

und Sicherungen


Regelung drehzahlvariabler Windenergieanlagen

ΘR

z

c

d

ΘG

Crowbar

DFIG

Drive Train

Current-

control

power-factor

control

Speed-

control

MPP trackingvwindReference

value


Netzanbindung

Betrieb auch bei

Unterspannung

(EON)


Netzanbindung

Betrieb auch bei

Unterspannung

(EON)

Reactive current

dead band

Voltage drop/rise

Limitation of the voltage

by voltage control

(Underexcited

operation)

Support of the voltage

by voltage control

(Overexcited

operation)

-50% 10%-10% 20%

-100%

Spannungsstützung

durch Blindleistungs-

Einspeisung (EON)


Netzanbindung

Betrieb auch bei Unterspannung

- Anforderungsgrenzen weltweit

Quelle: A.D. Hansen et al.: Mapping of grid faults and grid

codes, Risö National Laboratory, 2007.

)


Mechanik

Turm Stahlrohr, Beton

Höhe bis 100m

Rotoren Kunststoff, verstärkt durch

Glasfaser und Kohlefaser;

Länge bis über 60m

Momenten- 2-stufiges Getriebe,

übertragung schnelllaufender Generator

1-stufiges Getriebe,

mittelschneller Generator

getriebelos,

langsamlaufender Generator

4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklungen

- Generelle Ziele -

• Zuverlässigkeit

• Wirkungsgrad

• Kosten

4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung

Aktuelle Herausforderungen

Systemverhalten und Netz-Einbindung

• Beherrschung der Netzanschluss-

bedingungen

• Netzunterstützung, virtuelles Kraftwerk

• Verbesserung elektrische Belastung und

Leistungsfluss mit FACTS

• Anschluss an schwache Netze

• offshore Anlagen mit langen Übertragungs-

wegen, auf See auch Einsatz von HGÜ


Zukünftige Entwicklung 1

• stark wachsender Absatz, weltweit

• Produktionsstätten nahe den

Absatzmärkten



• Kostenreduktion, verbessertes Verhalten

der Leistungshalbleiter; ebenso für

Stromrichter

• Kostenreduktion Generator?

• weniger Varianten der Generatorsysteme?

• neuartige Regelverfahren (DSR, sliding

mode?; reduz. Belastung Antriebsstrang?)

• neuartige Schaltungstopologien

z.B. mehrpasige Schaltungen für

Fehlertoleranz



• verstärkte Schadensfrüherkennung,

fehlertoleranter Betrieb (?)

• Betriebsführung und Visualisierung von

Fern

• weiter verbesserte Netzintegration:

+ Netzstützung,

+ Leistungsflussoptimierung,

+ ggfs. Netzanalyse und Adaption der

Anlagen



Condition Monitoring,

Fehlerfrüherkennung,

Fernwartung

Caselitz, B.: Advanced Condition Monitoring

für Wind Energy Systems, EWEC 99



• kontinuierlich verstellbare Drehmomentwandler (z.B.

hydrodynamisch) anstelle von Leistungselektronik ?

Quelle: Voith Turbo –

Windtechnologie

http://www.voithturbo.de/

images/f_vt_de_d8_

lmg_frei_08.jpg

LEA

Windenergieprojekte CAU Kiel

z.T. innerhalb Cewind

• Leistungselektronik-Generator-

Systeme von Windenergieanlagen

• Elektrisches Condition Monitoring

• Schnelltaktende Stromrichter für die

Netzimpedanzanalyse (mit FH Kiel)

• Wechselwirkungen zwischen

einem Windpark und einer HGÜ

• Schutzkonzepte gegen Überspannung

• Fehlertolerante Regelung und CM der

Doppelt-GespeistenAsynchronmasch.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische AntriebeProf. Dr.-Ing. F. W. Fuchs


Beispiel: HGÜ für offshore Windparks

Leistungsübertragung bei großen Entfernungen auf

See mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung;

(Zukünftig: Vielstufenumrichter?)

Offshore Park

mit HGÜ


Beispiel: Belastungsverbesserung

Schaltbild

Simulation 20 % Überspg.

Belastungsverbesserung mit FACTS: Mit Dynamic Voltage

Restorer bei Unter- oder Überspannung

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Voltage at PCC (20 % swell)

t in [s]

u in

[p

u]

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Injected voltage

t in [s]

u in

[p

u]

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Voltage at WT

t in [s]

u in

[p

u]


Beispiel: Netzimpedanzanalyse

zur verbesserten Projektierung und Regler-Adaption

Netzimpedanzanalysator

(FH Kiel, Hinrichs)

mit Messstromrichter

(CAU Kiel, Fuchs)

~

Str

om

ober

wel

len

Gen

erat

or

Mes

sfil

ter

~

ZNetz

OGI ,,

Filter ,,I

Last , I

Last , 50 HzI

Netz ,,I*

Netz ,,I

Netz-Impedanzanalysator Netz

Netz , U

Anschlußpunkt

Rvor

S1

UN

Gemessener Impedanzgang am Nieder-

spannungsnetz (0,4 kV); Ort: Labor für

Energietechnik der Fachhochschule Kiel


Beispiel fehlertoleranter Betrieb

Fehlertoleranter Betrieb durch Beobachter-

bank für Fehler in Strom- und

Drehzahlsensoren

M

Rotor

PositionPWM

Umrichter

Klemmen-größen

Klemmen-größen beobachtete

Ersatzsignale

FDI

Regelung

Rotor WinkelSchätzer

RotorstromBeobachter

Statorstrom Beobachter

Statorspannung Beobachter

DrehzahlBeob. 1

Gruppe 1

Gruppe 2

Schalter

DrehzahlBeob. 2

Beispiel:

Fehlererkennung,

-isolierung und

Rekonfiguration für

Drehzahlsensor DGAsM

(1900 min-1; 20 ms/Div;

Drehzahl, Ständerstrom,

Rotorstrom, Fehlersignal)

5. Zusammenfassung und Ausblick

Die Energiegewinnung mit Windenergieanlagen

hat einen hohen technischen Stand und ist

wirtschaftlich interessant.

Leistungselektronik-Generatorsysteme sind eine

wesentlicher Bestandteil moderner WEA.

Anlagenqualität, Betrieb, Netzeinbindung und

Zuverlässigkeit entsprechen den heutigen

Anforderungen.

Es sind aber auch noch verschiedene

Herausforderungen zu meistern, um die Anlagen

für die Zukunft mit noch besseren Eigenschaften

auszustatten.

Drehzahlregelbare





Fachhochschule Kiel





Mitglied:


Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Drehzahlregelbare





Fachhochschule Kiel





Mitglied:


LEA Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit.


Beispiel: Belastungsverbesserung

Schaltbild

Simulation 20 % Überspg.

Belastungsverbesserung mit FACTS: Mit Dynamic Voltage

Restorer bei Unter- oder Überspannung

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Voltage at PCC (20 % swell)

t in [s]

u in

[p

u]

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Injected voltage

t in [s]

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[p

u]

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Voltage at WT

t in [s]

u in

[p

u]

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