Wind in Strom umwandeln oder: Das Doppelte

Die Menschheit gewinnt seit Jahrhunderten Energie aus dem Wind. Die Praxis reicht mindestens bis ins Persien des 8. Jahrhunderts zurück, wo die ersten historischen Aufzeichnungen über Windmühlen entstanden, reicht aber wahrscheinlich noch weiter zurück. Verglichen mit der langen Geschichte der direkten Nutzung von Windenergie zum Beispiel zum Mahlen von Getreide, zum Pumpen von Wasser, zum Sägen von Holz oder zur Herstellung von Stoffen ist die Stromerzeugung noch relativ neu. Dennoch gibt es einige interessante Möglichkeiten, Wind zur Stromerzeugung zu nutzen. Aufgrund der unvorhersehbaren Natur des Windes von Moment zu Moment ist es nicht so einfach, ihn zum Antrieb eines großen netzgebundenen Generators zu nutzen, wie es scheint. Werfen wir einen Blick auf vier Arten von Windkraftanlagenkonfigurationen und wie sie mit plötzlichen Änderungen der Windgeschwindigkeit umgehen.

Zunächst ist es jedoch wichtig zu beachten, dass Windmuster in der Größenordnung von einem Jahr oder mehr in einem bestimmten Gebiet bekannt sind und für die Planung von Windparks verwendet werden. Darüber hinaus sind Windgeschwindigkeitsvorhersagen auf kürzeren Zeitskalen wie einem Tag oder einer Woche auch genau genug, um eine sehr genaue Schätzung der Stromerzeugungskapazitäten auf diesen Zeitskalen zu erhalten, obwohl es in der Öffentlichkeit ein großes Missverständnis gibt, dass Wind keine zuverlässige Stromquelle ist es bläst nicht immer. Ganz im Gegenteil; Aufgrund der guten Wettervorhersagen in den letzten Jahrzehnten sind äußerst genaue Vorhersagen der durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten Stunden und Tage im Voraus verfügbar, was es Generatoren wie Kraftwerken für fossile Brennstoffe ermöglicht, die Produktion zu drosseln, wenn mehr Windkraft mit genügend Vorwarnung verfügbar wird.

Auch wenn lang- und kurzfristige Windvorhersagen äußerst zuverlässig sind, sind Windböen viel schwieriger zu bewältigen und bleiben eine Herausforderung für jede Windkraftanlage. Man kann zwar leicht annehmen, dass eine Turbine bei einer Böe einfach eine mechanische Bremse betätigt, um die Drehung zu verlangsamen, doch für große Turbinen ist dies im Allgemeinen keine wirtschaftlich sinnvolle Lösung. Das würde bedeuten, dass Techniker ständig zum Austausch der Bremsbeläge geschickt werden müssten, ganz zu schweigen von der mechanischen Belastung der Turbine, die der ständige Bremsvorgang verursachen würde. Zwar gibt es auch Blattverstellungssysteme, auch aerodynamische Bremsen genannt, die die Blätter (oder nur die Blattspitzen) in den Wind oder aus dem Wind drehen können, um so nahe wie möglich an der idealen Konstruktionsdrehzahl der Turbine zu bleiben, diese Blattverstellung Für einige Böen sind die Systeme noch zu langsam.

Allerdings sind mechanische Bremsen erforderlich. Sie werden normalerweise nur bei einem Notstopp verwendet, wenn ein Techniker in physischer Gefahr ist, als letztes Mittel zum Stoppen eines schwerwiegenden Übergeschwindigkeitsereignisses, wenn das Blattverstellsystem ausfällt, oder um den Turbinenrotor während bestimmter Wartungsvorgänge erst danach vorübergehend zu „parken“. Die aerodynamischen Bremsen wurden betätigt. Offline-Turbinen, die beispielsweise auf den Austausch von Generatoren oder Getrieben warten, nutzen die Bremse unter Umständen auch langfristig nicht, da Turbinen, deren Rotorblätter aus dem Wind geneigt sind, auch bei starkem Wind über lange Zeiträume ohne Gefahr „durchdrehen“ können.

Selbst für Wartungsarbeiten, die ein vollständiges Stoppen der Turbinenrotation erfordern, werden sie normalerweise nur so lange verwendet, bis ein Rotorverriegelungsmechanismus installiert ist. Anstatt diese Bremsen zur Steuerung der Drehzahl während des Betriebs zu verwenden, wurden viel intelligentere elektrische Lösungen für das Problem der Windböen gefunden, die die Energieverschwendung reduzieren und den Wartungsaufwand reduzieren, der andernfalls an den Bremssystemen durchgeführt werden müsste , und die manchmal die Energie aus der Böe selbst gewinnen kann. Die erste Lösung ist unglaublich einfach.

Die Windkraftanlage vom Typ 1, die manchmal auch als Turbine mit fester Drehzahl bezeichnet wird, kümmert sich eigentlich nicht viel um den Umgang mit kurzen, vorübergehenden Änderungen der Windgeschwindigkeit. Durch die Nutzung der inhärenten Eigenschaften eines Induktionsgenerators lässt sich dieses Problem mühelos lösen. In dieser Konfiguration ist der Ausgang des Generators direkt mit dem Netz verbunden und die Trägheit des Netzes hält ihn größtenteils auf der richtigen Drehzahl. Wenn eine Böe eintrifft, „rutscht“ der Generator einfach ein wenig über seine synchrone Drehzahl hinaus und kehrt dann in den Normalzustand zurück, nachdem er die Böe absorbiert hat. Wenn die Böe zu groß ist, können Turbinen dieser Kategorie auch eine elektrische „Bremse“ verwenden, die die überschüssige Energie in eine Widerstandsbank oder ein gleichwertiges Gerät leitet und so die Turbine leicht verlangsamt.

Die Vorteile von Induktionsmaschinen liegen in dieser Hinsicht vor allem in der Einfachheit und den Kosten; Im Allgemeinen verwenden nur noch kleine (oder alte) Windkraftanlagen einfache Induktionsgeneratoren wie diesen, da sie im Vergleich zu anderen Generatortypen höhere elektrische Verluste aufweisen. Dabei sind nicht nur elektrische Verluste zu berücksichtigen. Die aerodynamischen Verluste beim Betrieb mit einer festen Drehzahl können erheblich sein, wenn eine niedrigere oder höhere Rotordrehzahl andernfalls effizienter wäre. Zu den weiteren nennenswerten Nachteilen gehört, dass sie nicht in der Lage sind, Blindleistung in das Netz einzuspeisen, und dass sie extrem empfindlich auf Spannungs- und Frequenzschwankungen im Netz reagieren, was bedeutet, dass sie bei elektrischen Transienten leichter ausfallen.

Ein Beispiel für eine Typ-1-Windkraftanlage zur Massenenergieerzeugung war die in den 1980er Jahren hergestellte Zond Z-40. Kleinere, aber moderne Turbinen für die Stromerzeugung zu Hause oder für die dezentrale Erzeugung fallen häufig ebenfalls in diese Kategorie.

Die Windkraftanlage vom Typ 2, auch Turbine mit variabler Drehzahl genannt, versucht, einige dieser Probleme zu lösen. In die Turbine ist ein sogenannter Konverter integriert, der das Magnetfeld im Rotor des Generators präzise steuert. Dies bedeutet, dass die Turbine den Schlupf im Generator ändern kann und, wie der Name schon sagt, es der Turbine ermöglichen kann, mit einer aerodynamisch effizienteren Drehzahl zu arbeiten, selbst wenn sich die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ändert. Dadurch werden nicht nur die elektrischen und aerodynamischen Wirkungsgrade verbessert, sondern durch die Variation des Rotormagnetfelds kann die Turbine auch Blindleistung aus dem Netz bereitstellen oder aufnehmen.

Es gibt jedoch einige Nachteile, vor allem im Hinblick auf Komplexität und Kosten. Zur Steuerung des Magnetfeldes im Rotor ist ein Schleifring erforderlich, der im Vergleich zu Typ-1-Turbinen ein wartungsintensives Gerät sein kann. Der Konverter selbst ist ebenfalls ein zusätzlicher Wartungsgegenstand, und es gibt einige andere zusätzliche Komponenten, die ebenfalls zusätzliche Kosten verursachen, wie z. B. Thyristoren, die dazu beitragen, dass der Generator reibungslos an das Netz angeschlossen wird. Die Vorteile einer Rotorsteuerung überwiegen jedoch bei weitem die kleinen Nachteile, und die Turbine vom Typ 2 ersetzte die Turbine vom Typ 1 weitgehend für die Energieerzeugung in großem Maßstab in neuen Windparks in den späten 1990er- und frühen 2000er-Jahren.

Um das Interessanteste zum Schluss aufzuheben, lassen Sie uns etwas überspringen und das Turbinenlayout vom Typ 4 besprechen. Turbinen des Typs 4 umfassen ein breites Spektrum scheinbar unabhängiger Maschinen, aber eines haben sie alle gemeinsam: Die elektrische Ausgabe des Generators ist „vollständig invertiert“, was bedeutet, dass 100 % der erzeugten Energie durch ein Leistungselektroniksystem geleitet werden, das sie in umwandelt Netzspannung und -frequenz. Eventuell auftretende Windböen, die nicht vom Pitchsystem der Turbine absorbiert werden, werden einfach von der Leistungselektronik abgefangen. Diese Konverter ähneln den Konvertern, die in Maschinen vom Typ 2 verwendet werden, mit der Ausnahme, dass die Leistungselektroniksysteme massiv sein müssen, um die volle Nennleistung des Generators jeder Turbine zu bewältigen.

Trotz der enormen Kosten und Komplexität großer Leistungselektroniksysteme eröffnet dies eine Vielzahl anderer Designoptionen. Beispielsweise kann grundsätzlich jeder Generator bei jeder Drehzahl eingesetzt und betrieben werden. Für Wechselstromgeneratoren bedeutet dies, dass die Turbine nicht mehr wie eine Turbine vom Typ 2 das Magnetfeld des Rotors steuern muss; Sogar Permanentmagnetgeneratoren können in diesen Aufbauten verwendet werden. Wechselstromgeneratoren erfordern jedoch häufig zwei Wandlerstufen: eine, um den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, und eine andere, um den Gleichstrom aufzunehmen und ihn in Netzspannung und -frequenz umzuwandeln. Es ist jedoch auch möglich, den ersten Umwandlungsschritt zu überspringen, indem man direkt Gleichstromgeneratoren verwendet, ähnlich wie es die einzigartigen Clipper Liberty-Turbinen mit ihrem Vier-Generator-System taten.

Apropos Clipper: Bei einer Maschine vom Typ 4 kann auch auf das Getriebe verzichtet werden. Einige der größten Windkraftanlagen der Welt, wie die Turbinen mit Direktantrieb von Siemens Gamesa, sind Beispiele für Turbinen ohne Getriebe, die im Allgemeinen (aber nicht immer) in vollständig umgekehrten Konfigurationen vom Typ 4 zu finden sind.

Da bei Turbinen des Typs 4 die gesamte Energie durch einen Wechselrichter geleitet wird, macht es im Wesentlichen keinen Unterschied, wie viel oder welche Art elektrischer Energie erzeugt wird. Der einzige Nachteil der Maschine vom Typ 4 sind im Wesentlichen die enormen Kosten der Leistungselektronik, was uns zur vielleicht elegantesten Lösung dieses Problems bringt.

Indem wir alle Vorteile der Typ-2-Maschine mit einigen Vorteilen einer Typ-4-Maschine kombinieren, kommen wir schließlich zum doppelt gespeisten Induktionsgenerator, auch bekannt als DFIG (ausgesprochen „dee-fig“). Dieser Name kommt daher, dass im Gegensatz zum Typ 2 sowohl der Stator als auch der Rotor in der Lage sind, Energie ins Netz einzuspeisen. Während des Startvorgangs oder in Zeiten niedriger Windgeschwindigkeit, die als „subsynchrone Geschwindigkeit“ bezeichnet wird, bezieht der Rotorkonverter Strom aus dem Netz, um das Magnetfeld am Rotor anzutreiben. Oberhalb der natürlichen Synchrondrehzahl des Generators, der so genannten „Supersynchrondrehzahl“, kehrt sich der Prozess jedoch um und der Rotor kann stattdessen Energie erzeugen und diese über den Konverter an das Netz zurücksenden. Zu jedem Zeitpunkt des Turbinenbetriebs wird das Magnetfeld des Rotors jedoch sorgfältig gesteuert, um den Generator auf der idealen Drehzahl zu halten.

Dies ermöglicht nicht nur die Kontrolle über den Leistungsfaktor des Generators (was bedeutet, dass DFIG-Turbinen Blindleistung bereitstellen oder verbrauchen und das Netz wie eine Typ-2-Turbine unterstützen können) und ermöglicht auch eine wesentlich robustere Überbrückung von Niederspannungsereignissen im Netz. Dies bedeutet auch, dass ein wesentlich kleinerer Umrichter benötigt wird, da nur die Leistung des Rotors durch die Leistungselektronik geschickt werden muss. Im Gegensatz zu einer Maschine vom Typ 4, bei der 100 % der Energie durch einen massiven Wechselrichter geleitet wird, ist der Stator einer DFIG direkt mit dem Netz verbunden und nur der Rotor verwendet einen Konverter, was bedeutet, dass rund zwei Drittel der Energie der Turbine direkt ins Netz gelangen. Die Kosteneinsparungen sind erheblich und die einzigen großen Nachteile sind die leicht erhöhte Komplexität der Steuerungssysteme und der mit einem Schleifring verbundene Wartungsaufwand.

Das DFIG bietet eine elegante Lösung für viele Probleme bei der Konstruktion von Windkraftanlagen, obwohl der Umgang mit Windböen wie bei anderen Turbinentypen nur ein Teil der Gründe dafür ist, warum eine bestimmte Konfiguration verwendet werden könnte. Diese Technologie wird auch außerhalb der Windindustrie nicht oft eingesetzt, da eine präzise Steuerung eines Generators im Allgemeinen nicht erforderlich ist, wenn die Eingangsgeschwindigkeiten konstanter sind, als es der Wind zulässt. Allerdings werden DFIGs in Pumpspeicheranlagen eingesetzt, bei denen der Fluss durch die Wasserkraftgeneratoren nicht konstant ist, und sie können auch wie ein Synchronkondensator verwendet werden, um lokale oder isolierte Stromnetze mit Spannung und Frequenz zu unterstützen.