„Weniger konventionelle Kraftwerke im Netz bedeuten weniger Trägheit im System – die Versorgungssicherheit ist gefährdet, wenn dem nicht begegnet wird“, sagt Projektleiter Boris Fischer vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE. „Auf dem Papier eignet sich kinetische Energie in den Rotoren von Windenergieanlagen hervorragend, den Verlust an Massenträgheit auszugleichen. Unser Forschungsprojekt zeigt ganz deutlich, dass dies auch in der Praxis möglich ist – Windenergieanlagen können selbst Momentanreserve bereitstellen. Damit haben wir Pionierarbeit für die künftige Sicherung der Netzstabilität geleistet“, stellt Fischer fest.

Komplexe Wechselwirkungen zwischen Netz und Anlage

Windenergieanlagen können Momentanreserve. Doch mit der Bereitstellung von Systemdienstleistungen wie der Momentanreserve ist ein Paradigmenwechsel bei der Betriebsweise der Windenergieanlagen verbunden: Sind Netzzustand und Anlagenbetrieb bislang weitgehend entkoppelt, kommt es hierbei zu beständiger Interaktion. Dabei treten komplexe Wechselwirkungen zwischen Netz und Anlage auf. In der Folge verändern sich auch die Anforderungen an die Generatorregelung der Anlagen. Um zum Beispiel bei Bedarf kurzfristig die Frequenz zu stützen, muss die Wirkleistung der Windenergieanlagen mit hohen Gradienten verändert werden. „Dabei können Schwingungen entstehen, die zu erhöhten mechanischen Belastungen führen“, erläutert Fischer. Der Triebstrang mit Rotorblättern, Wellen, Getriebe und Generator ist davon genauso betroffen wie der Turm.

Fokus auf die Momentanreserve

Zusammen mit dem Partner MesH Engineering GmbH aus Stuttgart hat das Fraunhofer IEE aus Kassel im Forschungsprojekt GridLoads untersucht, wie sich netzstützende Regelungsverfahren auf Triebstränge und Türme von Windenergieanlagen auswirken. Die Wissenschaftler haben sich dabei auf die Momentanreserve konzentriert, weil deren Bereitstellung die mechanische Struktur der Anlagen in besonderem Maße belasten kann.

Um die Auswirkungen der mit dem Abruf von Momentanreserve entstehenden neuartigen Schwingungsphänomene zu ermitteln, haben die Experten komplexe Simulationsverfahren angewandt. Die besondere Herausforderung lag hier darin, zwei verschiedene Welten – die Anlagen- und die Netzseite – zusammen zu bringen. So haben die Forscher auf mechanischer Seite hochauflösende Mehrkörpermodelle konfiguriert und diese mit transienten Netzwerk-Simulationen auf elektrischer Seite gekoppelt. Auf diese Weise konnten sie die elektromechanischen Schwingungsmoden einer Referenzanlage exakt identifizieren.

Anpassung der Reglermodule notwendig

„Unsere Untersuchung zeigt, dass moderate Abrufe netzstabilisierender Leistungen grundsätzlich keine kritische Belastung der mechanischen Komponenten darstellen“, fasst Fischer zusammen. Auch mit Netzpendelungen oder der Umschaltung von Stufentrafos kommen die Anlagen problemlos zurecht. Die dadurch verursachten Schwingungen sind so gering, dass die Komponenten keinen Schaden nehmen.

„Die Minderung der Netzträgheit durch die vermehrte Einspeisung von Windenergieanlagen lässt sich also in den allermeisten Situationen durch die Anlagen selbst ohne Probleme ausgleichen“, betont Fischer. Dies gilt allerdings nur, wenn die Anlagenhersteller ihre Regelungsmodule für die Leistungselektronik zuvor an die neuen Aufgaben angepasst haben. Wie das möglich wird, zeigen die Forscher ebenfalls im GridLoads -Projekt.

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts GridLoads stellen Boris Fischer und Stefan Hauptmann in einer Expert-Web-Session mit dem Titel „Die Windturbine im Verbundnetz der Zukunft“ am 19.11.2020 vor. Die Anmeldung ist hier möglich.

13.11.2020 | Quelle: Fraunhofer IEE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH