Dynamische Belastungen in Windenergieanlagen bei Netzunsymmetrien und Netzfehlern

Ziel des Forschungsvorhabens ist es die in den mechanischen Komponenten des Antriebsstranges einer Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator durch Netzstörungen verursachten dynamischen Belastungen zu identifizieren und regelungstechnisch zu beeinflussen.

Ansprechpartner: Dipl. Ing. Christian Mehler

Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen werden bereits seit vielen Jahren als drehzahlvariable Generatoren in Windenergieanlagen eingesetzt und sind zurzeit der mit Abstand bevorzugte Generatortyp. Sie müssen zur Drehzahl-Drehmoment-Anpassung immer durch ein Getriebe mit dem Windrad gekoppelt werden. Bei ungestörten symmetrischen Netzspannungen lässt sich das Umrichter-Generatorsystem mit einer feldorientierten Regelung sowohl bezüglich der Wirk- und Blindleistung als auch bezüglich Drehzahl und Drehmoment mit hoher Dynamik betreiben. Bei den meisten der bisher durchgeführten Arbeiten zur Generatorregelung wird vorausgesetzt, dass das genutzte Drehstromnetz völlig symmetrisch und starr ist. In elektrischen Netzen kann es jedoch immer zu Netzunsymmetrien oder sogar zu gravierenden Störungen kommen, die nicht nur zu schlagartigen Änderungen im gesamten elektrischen System, bestehend aus Generator, Umrichter, Kuppelleitung und Netz, sondern über die elektromagnetische Drehmomentbildung des Generators auch zu extremen Beanspruchungen in den elektrischen und mechanischen Komponenten des Antriebsstrangs führen.

Aufgrund des immer größer werdenden Anteils der Windenergie an der Energieversorgung besteht mittlerweile die Forderung, dass Windenergieanlagen bei einem Netzfehler für bis zu 3 s am Netz bleiben und dabei noch einen Beitrag zur Stabilisierung des Netzes leisten sollen. Seitdem sind bereits einige Anstrengungen unternommen worden, um das Verhalten der Windenergieanlagen an die Anforderungen des Netzes anzupassen. Im Vordergrund dieser Arbeiten stand die Erfüllung der Netzanschlussbedingungen bei Kurzschlüssen. Bei all diesen Lösungsansätzen steht nur das Verhalten zum Netz im Vordergrund, Rückwirkungen der elektrischen Ausgleichsvorgänge auf die Mechanik sind nicht untersucht worden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es durch kombinierte Mehrkörper- und Matlab-Simulationen die in den mechanischen Komponenten des Antriebsstranges durch Netzstörungen und stationären Netzunsymmetrien verursachten dynamischen Belastungen qualitativ und quantitativ zu identifizieren. Darauf aufbauend soll eine Regelung für doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren entwickelt werden, mit der sich diese Belastungen auf ein zulässiges Maß begrenzen lassen, so dass belastungsbedingte Schäden in Getrieben und Lagern in Zukunft wesentlich reduziert werden können. Im Fall von Netzstörungen sind gleichzeitig die Netzanschlussbedingungen zu erfüllen. Eine Schlüsselrolle kommt dabei dem Umrichter-Generatorsystem zu, da dort die elektrisch-mechanische Energiewandlung stattfindet und über die Leistungselektronik und Umrichterregelung die Stelle im Antriebsstrang besteht, bei der der Energiefluss auch hochdynamisch beeinflusst werden kann.

Angestrebt wird, den Umrichter mit Regelung auch während einer Netzstörung ständig im Eingriff zu halten, damit der Generator regelbar bleibt und die mechanischen Belastungen über die Drehmomentbildung des Generators beeinflusst werden können und dadurch eine Begrenzung der dynamischen mechanischen Belastungen im Antriebsstrang und gleichzeitig eine gezielte Beeinflussung der Ströme und Spannungen in der Kuppelleitung ermöglicht wird.