Regenerative/Alternative Energien
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Elektrotechnik
Windenergieanlagen aus der Sicht der Energieversorgungsunternehmen
ep1/1999, 4 Seiten
Windenergie ist kein dauerhafter Ersatz für in Kraftwerken erzeugte Energie. Ihr Aufkommen ist standortabhängig. Darüber hinaus steht diese Energieform nur stochastisch, also unregelmäßig, und in geringem Umfang bereit. Aus dem Tageslastprofil einer WEA (Bild ) ist erkennbar, daß sie u.U. zu den Zeiten des Spitzenverbrauchs wenig zur Entlastung beiträgt. Natürlich wird ein solches Profil vom Standort der WEA beeinflußt. Es muß also gewährleistet sein, daß klassische Kraftwerke ausreichend und zu jeder Zeit Energie liefern. Um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von WEA sicherzustellen bzw. zu erhöhen, ist · die negative Beeinflussung der EVU-Netze durch WEA zu minimieren und · die Betriebszeit der WEA durch weniger Stillsetzungen oder Ausfälle zu erhöhen. 1 Erzeugung der Windenergie Es werden grundsätzlich zwei Arten der Erzeugung unterschieden (Bild ). Der Asynchron-Generator wird für kleinere Leistungen bis etwa 500 kVA bevorzugt. Der Synchron-Generator eignet sich für größere Leistungen. Die Leistungsgrenze zwischen diesen beiden Arten ist jedoch gleitend. Der Asynchron-Generator bezieht zum Aufbau seines Drehfeldes induktive Blindleistung aus dem Netz. Außerdem benötigt er zum Anlauf Wirkleistung aus diesem Netz, da er nach dem Einschalten motorisch mit den bekannten Anlaufproblemen arbeitet. Erst wenn durch die Windkraft eine übersynchrone Drehzahl erreicht ist, beginnt die Abgabe von Wirkleistung. Die Drehzahl wird durch die Frequenz des Netzes bestimmt. Infolge der schwankenden Windgeschwindigkeit ist die Höhe der Wirkleistung variabel. Dabei sind Leistungsschwankungen im Minutenbereich von 50 % bis 120 % bekannt. Die induktive Blindleistung wird weiterhin aus dem Netz bezogen und ist möglicherweise zu kompensieren. Die dazu eingesetzte Kondensatoren-Anlage darf jedoch im Störfall nicht zur Selbsterregung des Generators führen. Der Synchron-Generator ist über einen Umrichter, der aus einem Gleichrichter, einem Gleichstrom-Zwischenkreis und einem netzgeführten Wechselrichter besteht, mit dem Netz verbunden. Er ist fremd zu erregen und kann daher die Spannung und u. U. die zu erzeugende Blindleistung beeinflussen. Eine Netzanschaltung erfolgt grundsätzlich nach erfolgter Synchronisierung, unter Einhaltung der üblichen Synchronisierbedingungen. Zu beachten sind darüber hinaus die Netzrückwirkungen der WEA insbesondere infolge der Erzeugung von Oberschwingungen. Der Verknüpfungspunkt liegt bei beiden dargestellten Varianten im 20-kV-Netz. 2 Verknüpfungspunkt Der Verknüpfungspunkt ist so zu wählen, daß andere, am betrachteten Netz angeschlossene Abnehmer nicht negativ beeinflußt werden. Stromkunden sollten keinesfalls direkt an das WEA-Netz angeschlossen werden. Niederspannungsnetze sind somit als Verknüpfungspunkt möglichst zu vermeiden. Folgende Forderungen werden deshalb durch VDE-Bestimmungen, VDEW-Empfehlungen und EVU-Anschlußbedingungen an einen Verknüpfungspunkt gestellt: · Windenergieanlagen befinden sich in örtlichen Lagen, wo ausreichend Wind zur Verfügung steht. Sie sind sehr selten Schwerpunkte der Energieabnahme. Die zusätzlichen Übertragungseinrichtungen müssen bei der Wahl der Örtlichkeit des Verknüpfungspunktes beachtet werden. · Der Spannungsänderungsverlauf, festgelegt in VDE 0838 Teil 3 [1], ist nur für Endverbraucher in Netzen bis 1000 V entsprechend Bild einzuhalten. Jedoch muß das analoge Verhalten der über- und vorgeordneten Netze beachtet werden. Folglich kann die maximale Nennleistung der Generatoren gegenüber der Kurzschlußleistung am Verknüpfungspunkt nur sehr klein sein. Der Wert ist abhängig von der Art der Generatoren und der Spannungsebene. · Der Verknüpfungspunkt, d.h. die direkte Anbindung an das EVU-Netz, muß eine Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 1 Alternative Energien Obering. Wolfgang Doemeland ist Berater für Elektroenergieanlagen, Magdeburg. Autor Windenergieanlagen aus der Sicht der Energieversorgungsunternehmen W. Doemeland, Magdeburg Eine sinnvolle Nutzung der regenerativen Windenergie ist notwendig. Doch muß ein gesundes Verhältnis zwischen dem Energieertrag eines Zeitraumes und den Investitions- und Betriebskosten eingehalten werden. Die nachfolgenden Ausführungen sollen dazu beitragen, die Verknüpfung der Windenergieanlagen (WEA) mit den Netzen der Energieversorgungsunternehmen zu verbessern, um die genannten Kosten und die erzeugte Energiemenge zu optimieren. Außerdem werden Betreiber, Errichter und Wartungsmechaniker über Grundlagen, Anschlußbedingungen sowie zu lösende Probleme informiert. Früh Mittag Abend Spitzenzeiten Lastprofil 24.07.1998 2 x WEA 500 kW westlich Magdeburg 480 360 240 120 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 24.00 Nennwirkleistung Tageslastprofil einer 500 kW-Windenergieanlage allpolige galvanische Trennbarkeit erhalten. Diese Stelle ist unbedingt mit einem Leistungsschalter zu versehen. · Eine notwendige und sorgfältig abgestimmte Blindleistungskompensation, z. B. bei Verwendung von Asynchron-Generatoren, berücksichtigt Rückwirkungen in die EVU-Netze, den Einfluß auf Tonfrequenz-Rundsteueranlagen eingeschlossen. Die Forderungen an Elektroenergiequalität und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) müssen eingehalten werden. Oberschwingungen sind somit zu eliminieren. Kritische Flicker, die auch durch einen Turmschatten-Effekt1) erzeugt sein können, dürfen nicht auftreten. · Die Verrechnungszählung erfolgt für Lieferung und Bezug von Wirkleistung. Über die Verrechnung von Blindleistung ist örtlich zu befinden. · Es sind geeignete Schutzsysteme sowohl Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 1 47 Alternative Energien Mittelspannungsnetz z.B. 20 kV Flügel und Mühle verstellbar Synchron-Generator Transformator 20/0,4 kV Schaltgruppe Yd5 f = 50 Hz netzgeführter Wechselrichter Gleichrichter Gleichstromzwischenkreis f 50 Hz 3 ~ 3 ~ Asynchron-Generator Flügel und Mühle verstellbar P + Q Ausgleich durch Spannungsregelung des Transformators Leistungsänderungen Leistungsschwankungen normal flickerkritisch 5,0 3,0 2,0 1,0 0,5 0,3 0,2 0,1 1 10 100 1000 10000 Änderungen je Minute ----- u(t) u1(t) u1'(t) t Auslösung Vektorsprung 3 ~ Energieversorgung Stadtwerke Freileitungsnetz mit AWE Auslösung mit Inselbetrieb Auslösung ohne Inselbetrieb Zulässige Spannungsschwankungen in Niederspannungsnetzen nach VDE 0838 Teil 3 Netzüberwachung mit Vektorsprungrelais [5] Arten der Energieerzeugung in Windenergieanlagen 1) Turmschatteneffekt: Passiert ein Flügel den Turm, gibt es auf der Sinusschwingung der Spannung Flickererscheinungen. Bei Synchronmaschinen mit Gleichstrom-Zwischenkreis sind diese kaum wahrnehmbar. Bei der Asynchronmaschine werden diese Erscheinungen durch das vorgeschriebene Verhältnis der Nennleistung der Asynchronmaschine zur Kurzschlußleistung des jeweiligen Verknüpfungspunktes minimiert. zum Schutz der elektrischen Einrichtungen der Windenergieanlage als auch zum Schutz des EVU-Netzes einzusetzen, die sicher, selektiv und schnell wirken und mögliche Schäden minimieren. Eine eindeutige Fehlererkennung fordert [6]. Genauere Festlegungen zu den Schutzsystemen enthält der nachfolgende Abschnitt. Sollte sich der Anschluß an das Niederspannungsnetz nicht umgehen lassen, sind die vorgeschriebenen Höchstleistungen der Eigenerzeugungsanlagen (< 4,6 kVA) in Verbindung mit [3] einzuhalten. 3 Die Schutzsysteme Im Allgemeinen entsprechen die anzuwendenden Schutzeinrichtungen den VDEW-Empfehlungen. Bei ihrer Auswahl ist zu trennen nach Anlagen mit Nennspannungen bis 1 kV [2], Anlagen mit Nennspannungen über 1 kV [3] bzw. für Windenergieanlagen [6]. Bei der Auswahl des Schutzes müssen die Besonderheit der Erzeugung sowie Art, Schaltung und Sternpunktbehandlung des betrachteten Netzes berücksichtigt werden. Besondere Probleme gibt es bei vorgeordneten Freileitungsnetzen mit automatischer Wiedereinschaltung (AWE). In diesem Fall können, je nach Schaltung des Netzes, Kurzunterbrechungen bis zu 500 ms auftreten. Folgende Schutzaufgaben sind daher für Windenergieanlagen, für den Verknüpfungspunkt und auch für das vorgeordnete Netz bei Beachtung die Empfehlungen in [2], [3] und [6] zu erfüllen: · Schutz der Generatoren gegen Überlastung und Kurzschluß Der Überlastschutz kann auf eine Temperaturüberwachung des Generators zurückgeführt werden. Er läßt sich auch stromabhängig ausführen mit einer Einstellung von 1,05 In und einer t6In-Zeit nach Angaben des Generatorherstellers. Der Kurzschlußschutz wird stromunabhängig auf 1,2 In bis 1,4 In eingestellt mit einer Kommandozeit, die mit dem Netzschutz abgestimmt sein muß. · Schutz der Anlage gegen Über- und Unterspannung mit Einstellungen ab 70 % für Unterspannung und bis 120 % für Überspannung des jeweiligen Nennwertes Die Kommandozeit beträgt nur 100 ms, da in Netzen mit AWE dieser Schutz auch eine Netztrennung herbeiführen muß. Es wird ein asynchroner Zustand nach einem AWE-Takt erwartet. Die Kommandozeit des Schutzes muß also kürzer sein als die Pausenzeit der AWE. Die genauen Einstellwerte der Spannungen ergeben sich aus der Abstimmung mit dem EVU. · Schutz der Anlage gegen Über- und Unterfrequenz Die Einstellungen legt der Hersteller der WEA fest, die z. B. ab 48 Hz für Unterfrequenz bzw. bis 52 Hz für Überfrequenz betragen können. Verzögerungen sind hierbei nicht erforderlich. Die Anregung führt ebenfalls zur Netztrennung. · Schutz des Netzes gegen Kurzschluß und Doppelerdschluß Die Auswahl des Schutzes am Verknüpfungspunkt und seine Einstellung gehören zur Aufgabe des jeweiligen EVU. Zu empfehlen ist ein digitaler Distanzschutz, der sich sowohl für die Vorwärts- als auch für die Rückwärtsrichtung des Schutzes eignet. Eine vierpolige Ausführung ist zur Nullstromerfassung wichtig. Zur Klärung eines möglichen Streitfalles kann die Aufzeichnung der Störung bei diesem Schutzrelais hilfreich sein. · Erdschlußerfassung Sie ist eine zusätzliche Funktion im Distanzrelais. Eine Erdschlußerfassung wird immer dort notwendig, wo Netze eingespeist werden. Diese Aufgabe muß grundsätzlich in Verbindung mit der jeweiligen Sternpunktbehandlung gelöst werden. Zur Verminderung von Überspannungen eignet sich die niederohmige Sternpunkterdung [4]. · Netztrennung Bei verschiedenen Störfällen im betrachteten Netz ist die Stillsetzung der WEA notwendig. Der in [5] und im Abschn. 4 näher erläuterte Effekt des Vektorsprungs ist als Kriterium der Netztrennung nicht zuverlässig, da bei entfernten Kurzschlüssen gleichfalls ein „Sprung“ erwartet werden muß. Die im Bild gezeigte Netzüberwachung durch das Vektorsprungrelais ist daher nur bedingt einsetzbar. Zudem liegen keine Erfahrungen zu Winkeländerungen bei einigen Störfällen vor. 4 Künftige Aufgaben Windenergieanlagen können, wie einleitend festgestellt wurde, standortabhängig u.U. nicht regelmäßig, sondern nur witterungsabhängig Energie erzeugen. Darüber hinaus vermindern nicht ausreichend gelöste Schutzaufgaben die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Abschließend sind die Aufgaben zusammengestellt, die vertieft zu lösen sind, um den effektiven Betrieb einer WEA zu garantieren. · Netzgestaltung Ideal ist ein galvanisch getrenntes Netz für eine oder mehrere Windenergieanlagen (Windpark) ohne direkten Anschluß von Stromkunden. Die Sternpunktbehandlung NOSPE bietet sich besonders an, da in Windparks meist Kabelnetze betrieben werden. Die von der WEA eingespeisten Netze sind nicht nur 20 kV-Netze, sondern in vielen Fällen auch 110 kV-Freileitungsnetze mit Distanzschutz und automatischer Wiedereinschaltung (AWE). Mit dem Betreiber des Netzes ist eine sinnvolle Einstellung der AWE zu vereinbaren, die einen asynchronen Zustand am Verknüpfungspunkt möglichst vermeidet [4]. · Überwachung von Laständerungen Bei Lastwechseln ändert sich der Polradwinkel des Synchrongenerators. Darunter versteht man den Winkel zwischen Polrad- und Netzspannung im Zeigerbild oder Zeitdiagramm der Maschine. Diesen als Vektorsprung [5] bezeichneten Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 1 Alternative Energien Anzeige vave = mittlere Windgeschwindigkeit vref = Bezugsgeschwindigkeit Pr = Nennwirkleistung vin vr vout 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 10 20 30 40 50 P/Pr v = Windgeschwindigkeit in ms vin = Einschaltgeschwindigkeit vout = Abschaltgeschwindugkeit vr = Nennwindgeschwindigkeit Einfluß der Windgeschwindigkeit auf die Wirkleistungsabgabe Effekt der Winkeländerung zeigt Bild . Überschreitet die Last- und damit die Winkeländerung einen zulässigen Wert, kommt es zu Störungen des Synchrongenerators (Instabilität) und der gesamten WEA. Deshalb ist zu untersuchen, wie und ob das Kriterium Polradwinkel wegen der in Abschn. 3 geschilderten Situation definitiv und zuverlässig als Störfallerfassung auch bei Windkraftanlagen einzusetzen ist. · Überwachung von Leistungsschwankungen Die Windgeschwindigkeit beeinflußt die erzeugte Leistung. Den quantitativen Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit und der Wirkleistungsabgabe zeigt Bild . Daraus leitet sich die in Abschn. 1 erwähnte Schwankung ab. Z.B. kann man bei einem 500 kW-Synchron-Generator ohne Leistungsbegrenzung innerhalb einer Minute folgende Wirkleistungsschwankungen beobachten: · Minimale Windgeschwindigkeit 4,6 m/s · Maximale Windgeschwindigkeit 14,4 m/s · Wirkleistungsdifferenz 386 kW. Solche Änderungen der Wirkleistung über der Zeit, ihre Geschwindigkeit wird auch als Gradient bezeichnet, können ein Kriterium für eine Trennung der Windkraftanlage vom Netz sein. Analoge Festlegungen dieser Art sind in [1] angedeutet. Das dazu einzusetzende Relais kann bei schneller Änderung der Wirkleistung einen Stellbefehl an den Stufenschalter des einspeisenden Transformators geben. · Kurzschlußenergie Nur ausreichend hohe Werte regen die beteiligten Schutzsysteme im betrachteten Netz sicher an. Das EVU-Netz erfüllt diese Forderung. Das Verhalten einer WEA im Kurzschlußfall ist unter diesem Gesichtspunkt genau zu analysieren. Synchron-Generatoren tragen nämlich überhaupt nicht zur Erzeugung von Kurzschlußenergie bei. Asynchron-Generatoren erzeugen zwar Kurzschlußströme, doch lösen Höhe und Dauer nicht zuverlässig den Schutz aus. 5 Zusammenfassung Die Wirksamkeit der WEA ist sehr standortabhängig. Ihr sicherer Betrieb erfordert die sorgfältige Realisierung der Bedingungen zum Anschluß an das einzuspeisende Netz (z.B. 20 kV oder 110 kV). Für die dauerhafte Betriebszuverlässigkeit von WEA sind noch eine Reihe zusätzlicher technischer Aufgaben zu lösen. Die weit schwierigeren kommerziellen Probleme, etwa die Subventionen bei Errichtung und Verkauf der umweltfreundlichen Windenergie, waren nicht Gegenstand dieses Beitrags. Literatur [1] VDE 0838 Teil 3; Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Grenzwerte für Spannungsschwankungen und Flicker in Niederspannungsnetzen; März 1996. [2] Richtlinie für den Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen mit dem Niederspannungsnetz des Energieversorgungsunternehmens (EVU), Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. - VWEW, 3. Auflage 1991 (Nachdruck 1996). [3] Technische Richtlinie „Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen mit dem Mittelspannungsnetz der Energieversorgung (EVU)“. Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke-VDEW e.V. Frankfurt/M, 1. Ausgabe 1994. [4] Doemeland, W.: Handbuch „Schutztechnik“, 6. Auflage, Verlag Technik Berlin 1997, vde-Verlag Berlin und Offenbach. [5] Doemeland, W.: Entkoppeln von Eigenerzeugungsanlagen; Elektropraktiker, Berlin 50 (1996) 9, S.754-755. [6] VDE V 0127: Windenergieanlagen; Teil 1: Sicherheitsanforderungen, Juli 1998. Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 1 49
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- W. Doemeland
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