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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
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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
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1. Einführung
Installierte Leistung weltweit
von Windenergieanlagen
Global Wind Energy Council,
Global Wind Energy Report 2007;
http://www.gwec.net/index.php?id=90
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1. Einführung
Bisherige und zukünftige Entwicklung der
Windenergie in Deutschland
Kumulierte installierte Leistung in Deutschland
Quelle: Zeitschrift Erneuerbare Energien 08.2007
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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)
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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
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1. Einführung
Problematik ungleichmäßiger Leistung
Windstromproduktion im RWE-Teil-Netz in
Megawatt, 22.02. – 01.03.2007
Quelle: http://www.windstrom-kosten.de/
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F2. Funktion drehzahlvari-
abler Windenergieanlagen
Windenergieanlage
Aufbau
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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
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3. Stand der Technik
Triebstrang und Generator
drehzahlsteuerbarer Windenergieanlagen
Doppeltgespeiste
Asynchronmaschine
Fremderregte
Synchronmaschine
Asynchronmaschine mit
Kurzschlussläufer und
Permanenterregte
Synchronmaschine
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3. Stand der Technik
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
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3. Stand der Technik
Frequenzumrichter
Umrichter 2 MVA,
wassergekühlt;
Quelle: Converteam
Schaltbild Frequenzumrichter
ohne Steuerung, Schaltgeräte
und Sicherungen
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3. Stand der Technik
Regelung drehzahlvariabler Windenergieanlagen
ΘR
z
c
d
ΘG
Crowbar
DFIG
Drive Train
Current-
control
power-factor
control
Speed-
control
MPP trackingvwindReference
value
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3. Stand der Technik
Netzanbindung
Betrieb auch bei
Unterspannung
(EON)
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3. Stand der Technik
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)
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3. Stand der Technik
Netzanbindung
Betrieb auch bei Unterspannung
- Anforderungsgrenzen weltweit
Quelle: A.D. Hansen et al.: Mapping of grid faults and grid
codes, Risö National Laboratory, 2007.
)
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3. Stand der Technik
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
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklungen
- Generelle Ziele -
• Zuverlässigkeit
• Wirkungsgrad
• Kosten
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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
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Zukünftige Entwicklung 1
• stark wachsender Absatz, weltweit
• Produktionsstätten nahe den
Absatzmärkten
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Zukünftige Entwicklung 2
• 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
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Zukünftige Entwicklung 3
• verstärkte Schadensfrüherkennung,
fehlertoleranter Betrieb (?)
• Betriebsführung und Visualisierung von
Fern
• weiter verbesserte Netzintegration:
+ Netzstützung,
+ Leistungsflussoptimierung,
+ ggfs. Netzanalyse und Adaption der
Anlagen
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Zukünftige Entwicklung 4
Condition Monitoring,
Fehlerfrüherkennung,
Fernwartung
Caselitz, B.: Advanced Condition Monitoring
für Wind Energy Systems, EWEC 99
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Zukünftige Entwicklung 5
• 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
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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
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
Beispiel: HGÜ für offshore Windparks
Leistungsübertragung bei großen Entfernungen auf
See mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung;
(Zukünftig: Vielstufenumrichter?)
Offshore Park
mit HGÜ
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
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]
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
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
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
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)
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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.
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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
Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
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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 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
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4. Herausforderungen – zukünftige Entwicklung
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]