F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 1

1. Wuppertaler Energie-Forum

Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks Dr. Friedrich Koch, RWE Innogy AG, Essen M. Sc. Issam Athamna, Bergische Universität Wuppertal Wuppertal, den 20. Januar 2012

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RWE Innogy Wind Offshore Projekt Pipeline

Hauptsächlichen Unterschiede zwischen Off- und Onshore

Planungsvarianten für Offshore-Windparks & Erste Ergebnisse

Verbesserungsbedarf der Zuverlässigkeitsprogramme

Windenergieanlagemodell

Wettereinflüsse

Leistungsregelung der Windenergieanlage

Weiteres Vorgehen und Ausblick

Inhalt

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Offshore-Windkraftwerke in Betrieb

Offshore-Windkraftwerke in Errichtung

Thornton Bank 1

Rhyl Flats

North Hoyle

Offshore-Windkraftwerke in Entwicklung

Gwynt y Môr

Galloper

Triton Knoll

Greater Gabbard

Tromp Binnen

Projektname Land Status Kapazität RWE-Anteil

Rhyl Flats GB Betrieb 90 MW 90 MW

North Hoyle GB Betrieb 60 MW 60 MW

Thornton Bank 1 B Betrieb 30 MW 8 MW

Greater Gabbard GB Errichtung 504 MW 252 MW

Gwynt y Môr GB Errichtung 576 MW 346 MW

Nordsee Ost D Errichtung 295 MW 295 MW

Thornton Bank 2,3 B Errichtung 295 MW 79 MW

Innogy Nordsee 1 D Entwicklung 996 MW 996 MW

Tromp Binnen NL Entwicklung 295 MW 295 MW

Galloper GB Entwicklung 500 MW 250 MW

Triton Knoll GB Entwicklung 1.200 MW 1.200 MW

Atlantic Array GB Entwicklung 1.500 MW 1.500 MW

Dogger Bank GB Entwicklung 9.000 MW 2.250 MW

Gesamt 15.341 MW 7.621 MW

Nordsee Ost

Atlantic Array

Dogger Bank

Thornton Bank 2,3

RWE Innogy Projekt-Pipeline in Wind Energy Offshore > 7.600 MW

Innogy Nordsee 1

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Parkleistung bis zu einigen 100 MW

Errichtung auf festem Untergrund

Relativ unproblematischer Zugang – Erreichbarkeit durch Kfz

Parkleistung bis zu einigen 1000 MW

Wassertiefe und Meeresboden variieren

Zugang wesentlich aufwendiger aufgrund großer Distanzen

Hauptsächlichen Unterschiede zwischen Wind Offshore und Onshore

Hohe Investitionskosten

Komplexe Installation

Hohe Betriebs-/ Instandhaltungskosten

Hohe Anforderungen an

die Zuverlässigkeit und deren Ermittlung

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Installationsschiff Victoria Mathias

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Beispiel:

Planungsvarianten: Stichleitungen, Offen betriebene und Geschlossene Ringe

155kV-Sammelschiene, HS-Transformatoren, MS-Schaltanlagen auf der

Substation, MS-Parkverkabelung, MS-Schaltanlagen und Transformatoren in

den WEA sind berücksichtigt.

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Beispiel:

Planungsvarianten:

Stichleitungen

Offen betrieben Halbringe

Geschlossene Ringe

A

B

C

D

E

F

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Beispiel: Erste Ergebnisse

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Beispiel: Erste Ergebnisse

Stich offen geschlossen

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Mit ihnen können derzeit keine vollständigen Berechnungen von Offshore-Windparks durchgeführt werden.

Übertragungs- & Verteilungsnetze vs. Erzeugungsnetze

Erweiterung der Zuverlässigkeitsprogramme um die Spezifika der Offshore-Windparks.

Notwendige Weiterentwicklungen:

Zuverlässigkeitsmodell der Offshore-Windenergieanlage

Wettermodell für Offshore-Windparks

Einspeiseregelung des Offshore-Windparks im Fehlerfall

Verbesserungsbedarf der Zuverlässigkeitsprogramme

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Zuverlässigkeitsmodell der Windenergieanlage

Ausfall Betrieb

Teilleistungs-

betrieb

Instandhaltung

(1-D0)

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Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung

Beeinflussung der Einspeiseleistung

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0

5

10

15

20

25

30

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec

An

zah

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er

We

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rfe

ns

ter

Wetterfenster für Wellenhöhen bis 1.5m

6 std Wetterfenster 8 std Wetterfenster 10 std Wetterfenster 12 std Wetterfenster

Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung

Beeinflussung der Zugänglichkeit

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Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung

Nach A. Sannino

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

MTTR/h

Monat

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

MTTR/h

Monat

Sommer/Winter

gesamtes Jahr

Windenergieanlage Kabel

Reparaturdauer in Abhängigkeit von der Jahreszeit

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Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung

Die Nichtverfügbarkeit (Ausfall & Instandhaltung) kann zwischen Sommer und Winter stark variieren.

Im Sommer:

geringere Wellenhöhe höhere Zugänglichkeit

Im Winter:

größere Wellenhöhe niedrigere Zugänglichkeit

Unterschiedliche Wartungskonzepte (Schiff, Hubschrauber)

Die Berechnungen der Zuverlässigkeitskenngrößen erfolgen getrennt für Sommer- und Wintermonate.

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Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall

Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln (HS-Trafo, MS-Kabel, …) kann zu Betriebsmittelüberlastungen führen.

Einspeisungsregelung zur Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen

Es entsteht zusätzlich reduzierte Einspeiseleistung

Für die Regelung ist entscheidend: Die ausgefallene Komponente und deren Lokation

Die Anzahl der zu regelnden Windenergieanlagen

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Ausfall eines Kabelabschnitts

WKA2

WKA1

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

Umspannwerk

100% 100% 100% 85% 85% 85%

100% 100% 100% 100% 100% 85%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 6 bis 9 21MVA/4= 5,25 MVA

4 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Ausfall eines Kabelabschnitts

WKA2

WKA1

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

Umspannwerk

100% 100% 100% 56% 56% 56%

100% 100% 100% 56% 56% 56%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 4 bis 9 21MVA/6 = 3,5 MVA

6 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Ausfall eines Kabelabschnitts

Umspannwerk

100% 100% 100% 37% 37% 37%

37% 37% 37% 37% 37% 37%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 1 bis 9 21MVA/9 = 2,33 MVA

WKA2

WKA1

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

9 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Ausfall einer Sammelschiene

WKA2

WKA1

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

Umspannwerk

100% 100% 100% 68% 68% 68%

100% 100% 100% 0% 68% 68%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 5 bis 9 21MVA/5= 4,2 MVA

5 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Ausfall einer Sammelschiene

WKA2

WKA1

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

Umspannwerk

100% 100% 100% 48% 48% 48%

100% 0% 48% 48% 48% 48%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 3 bis 9 21MVA/7 = 3 MVA

7 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Ausfall einer Sammelschiene

WKA1

Umspannwerk

100% 100% 100% 42% 42% 42%

0% 42% 42% 42% 42% 42%

800mm²

800mm²

630mm² 630mm²

630mm² 630mm² 240mm² 240mm²

240mm² 240mm² 240mm²

240mm²

240mm²

Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 2 bis 9 21MVA/8 = 2,625 MVA

WKA2

WKA3

WKA5

WKA4

WKA6

WKA11

WKA 12

WKA10

WKA8

WKA9

WKA7

8 von 12 WEA müssen geregelt werden!

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Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall

Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln (HS-Trafo, MS-Kabel, …) kann zu Betriebsmittelüberlastungen führen.

Einspeisungsregelung zur Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen

Zwei unterschiedliche Methoden zur Einspeiseregelung werden entwickelt: Manuell; Vorgabe fester Regelstufen bzw. Leistungszuteilung an WEA

Automatisch; Iterativer Prozess zur Leistungseinspeisemaximierung

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Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall

Manuelle Einspeiseregelung (Vorgabe fester Regelstufen)

ist windparkspezifisch zu ermitteln

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

10 1010 2010 3000 4000 5000 6000 7000 8000

85%

68%

60%

56%

48%

42%

37%

PWEA in p.u.

Dauer in h

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Erweiterung des Zuverlässigkeitsprogramms mit: Modell der Offshore-Windenergieanlage

Zuverlässigkeitskenngrößen für Einspeisungen mittels WEA

Wettermodell

Regelungsverhalten von Offshore-Windparks

Projektspezifische Simulationen zur Planung und Dimensionierung von Offshore-Windparks

Monetäre Bewertung von Planungsvarianten (entgangene Einspeisevergütung)

etc.

Weiteres Vorgehen und Ausblick

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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!