Eine netzstabilisierende Regelstrategie für Windenergieanlagen zur Bereitstellung von kraftwerksäquivalenten Systemdienstleistungen

Abstract

Zur Wahrung eines stabilen Netzbetriebs bei einem immer weiter steigenden Anteil an installierten Windenergieanlagen ist ein Paradigmenwechsel in der bisher eingesetzten, ausschließlich auf eine maximale Windleistungsentnahme abzielenden MPPT (Maximum Power Point Tracking) Regelstrategie unabdingbar. Hierbei ist es erforderlich, dass die bei einer gewünschten klimaneutralen Energieproduktion wegfallenden Systemdienstleistungen konventioneller, CO2 emittierender Kraftwerke adäquat ersetzt werden. Aufgrund dessen wird in der vorliegenden Dissertation die netzstabilisierende GPPT (Grid-demanded Power Point Tracking) Betriebsweise für eine häufig installierte Windenergieanlagentopologie mit Vollumrichter und permanentmagneterregtem Synchrongenerator entwickelt und experimentell erfolgreich validiert. Zur praktischen Validierung wird ein 20kW-Prüfstand mit einem zentralen Regelungssystem aufgebaut. Dieser besteht im Wesentlichen aus einer realen Windenergieanlage ohne Turm und Windrotor, weshalb ein Motor den Generator für die Nachbildung des Rotorverhaltens antreibt. Zusätzlich wird ein übergeordnetes Stromnetz emuliert, um damit die stabilisierende Auswirkung der Einspeisung auf die Netzgrößen bei einem hohen Anteil an Windenergie herauszustellen. Am Prüfstand wird nachgewiesen, dass die Windenergieanlage analog zu konventionellen Kraftwerken eine Momentan- und Primärreserve und zusätzlich die Sekundärreserve von aktuellen Regelkraftwerken bereitstellt. Die eingespeiste Leistung wird dabei auch rotorseitig korrekt nachgestellt, was zu veränderten Arbeitspunkten des Windrotors führt. Darüber hinaus bietet das GPPT-Verfahren eine von Netzbetreibern geforderte Spannungsstützung durch eine entsprechende Adaption des eingespeisten Blindstroms sowie das Durchfahren von Unterspannung (LVRT) bei Netzfehlern. Außerdem wird die Schwarzstartfähigkeit im Inselbetrieb untersucht und simulatorisch veranschaulicht.