Im Zentrum des Forschungsprojekt von IEE (ehemals IWES Kassel) und der Mesh Engeneering GmbH aus Stuttgart steht die die Entwicklung eines Analyse-Modells, das die durch eine netzstützende Generatorregelung verursachten mechanischen Lasten transparent macht. Mit dem Modell lassen sich die Wechselwirkungen zwischen elektrischem Netz, Regelung, Anlagenstruktur und Aerodynamik simulieren sowie Instabilitäten prognostizieren – wichtige Informationen für die Gestaltung der netzstützenden Maßnahmen wie für die Auslegung der Triebstränge. Gleichzeitig untersuchen die Forscher auch, inwieweit sich das Schwingungsverhalten der Anlagen durch eine angepasste Generatorregelung beeinflussen lässt.
Bei Netzstörungen ist eine schnelle Reaktion gefordert
„Bislang sorgen vor allem die Schwungmassen konventioneller Kraftwerke dafür, dass die Frequenz im deutschen Stromnetz gehalten wird“, sagt Dr. Boris Fischer vom Fraunhofer IEE, Leiter des "Grid Loads"-Projekts. Mit der Ablösung fossiler durch erneuerbare Energien bedarf es dafür jedoch neuer Instrumente. Die Schwungmassen der Rotoren von Windenergieanlagen könnten diese Aufgabe übernehmen: „Ihre Kapazitäten wären ausreichend für die Stabilisierung der Frequenz. Sie müssten dazu elektrisch mit dem Netz gekoppelt werden“, erklärt Fischer.
Gerade bei Netzstörungen wie Kurzschlüssen oder Teilnetzabspaltungen ist dabei eine sehr schnelle Reaktion gefordert. So schätzen Übertragungsnetzbetreiber laut IEE, dass die Wirkleistung von Windenergieanlagen im Falle einer Bildung von Teilnetzen im europäischen Verbundnetz mit Gradienten von bis zu fünfzig Prozent pro 200 Millisekunden reduziert werden müsste. Eine solche Dynamik kann den Triebstrang wie auch die Tragestruktur der Anlagen in Schwingung versetzen. Das führt zu einer starken mechanischen Belastung der Komponenten.
„In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir, wie die netzbildenden Maßnahmen so gestaltet werden können, dass die Anlagen so wenig wie möglich belastet werden“, erläutert Fischer. „Für ‚Grid Loads’ ist multiphysikalische Kompetenz nötig, da hier elektrische Phänomene genauso eine Rolle spielen wie mechanische Fragestellungen. Zudem beschäftigen wir uns im Projekt mit Regelungssystemen, die die elektrische und die mechanische Seite zusammenbringen. Mit all dem befassen sich die Experten unseres Instituts schon seit vielen Jahren.“
Werkzeuge für die Prognose von Instabilitäten und Schallemissionen
Üblicherweise werden Schwingungsphänomene am Triebstrang einer Windenergieanlage mit entsprechend aufgelösten Mehrkörpermodellen analysiert. Sie beschreiben, wie sich die aerodynamischen Kräfte auf die Anlagen auswirken. Der Einfluss des Generatorsystems bleibt dabei allerdings in der Regel unberücksichtigt.
Die Fraunhofer-Forscher verbinden diese Mehrkörpermodelle jetzt mit Modellen zur Beschreibung der Generatordynamik und des elektrischen Netzes. So schaffen sie ein Analysemodell, mit dem sich die Einflüsse einer frequenzstützenden Generatorregelung auf die mechanische Struktur der Windenergieanlage untersuchen lassen. Zudem wird es damit möglich sein, auch die Mechanismen zu analysieren, die netzbedingt zu erhöhten Schallemissionen durch das Generatorsystem führen.
Generatorregelung zur aktiven Verringerung mechanischer Lasten
Besonderes Augenmerk legen die Wissenschaftler in diesem Projekt auf die Instabilitäten, die durch die Wechselwirkung von elastischen und aerodynamischen Kräften, den Trägheitskräften sowie den von der Generatorregelung herrührenden Kräften verursacht werden. „Wir werden im Rahmen von ‚Grid Loads’ auch Werkzeuge entwickeln, mit denen sich solche Instabilitäten verlässlich vorhersagen lassen“, sagt Fischer. Die Windindustrie kann damit den jeweiligen Abstand zur Stabilitätsgrenze ermitteln und die Regelungssysteme entsprechend auslegen.
Darüber hinaus werden die Fraunhofer-Forscher analysieren, in wie weit sich das Schwingungsverhalten über die Regelung des Generatorsystems aktiv beeinflussen lässt. Ziel ist der Entwurf einer Regelung, die Triebstranglasten minimiert und Instabilitäten vermeidet.
Weitere Informationen gibt es auf der Projektseite.
