Gegenüberstellung der unterschiedlichen

Generatorkonzepten bei der Anwendung in WEA

Netzintergration dezentraler Einspeisesysteme

WS 2010

Referenten:

Mungunkhulugt Norolkhoo 25. November 2010

Lin A. Theik Universität Kassel

Regenerative Energien und Energieeffizienz Kassel

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Inhaltverzeichnis

1. Technische Entwicklung

2. Asynchrongnenerator-Konzepten bei WKA

2.1. Grundlagen des Asynchrongenerators

2.2. Dänisches Konzept

2.3. Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung

2.4. Doppeltgespeister Asynchrongenerator

3. Synchrongenerator-Konzepten bei WKA

3.1 Grundlagen des Synchrongenerators

4. Mechanische & elektrische Energiewandlersysteme

5. Drehzahlvariable Generator mit Frequenzumrichter

6. Direkt vom Rotor angetriebene Drehzahlvariable Gerneratorsysteme ( Getriebelos )

6.1 Synchrongenerator mit elektrische Erregung

6.2 Synchrongenerator mit Permanenterregung ( PMSG )

7. Fazit

8. Quelle

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1. Technische Entwicklung

Bei Windenergieanlagen kommen aufgrund ihrer robusten Ausführungsmöglichkeiten

Drehstromgeneratoren zum Einsatz.

Grundsätzlich kann eine WEA zur Stromerzeugung mit einem Generator beliebiger Bauart

ausgerüstet werden.

Gleichstromgenerator größerer Leistung sind heute nicht mehr üblich. Sie verfügen über einen

wartungsintensiven Kommutator und sind vergleichsweise teuer.

Drehstrommaschinen können als Synchron- oder Asynchronläufer gebaut werden. Der Unterschied

liegt in der Art und Weise, wie im rotierenden Läufer das magnetische Feld erzeugt wird.

Abbildung 1. Technische Entwicklung von WEA in Deutschland

Quelle : ISET

Der Abbildung 1. ist zu entnehmen, inwieweit sich WEA mit jeweiligen Generatortypen am Markt

durchsetzen konnten. Während die Stall geregelten und mit der konstanten oder gestuften Drehzahl

betriebenen WEA in den 80-er und 90-er Jahren den Markt dominierten, setzten sich die

drehzahlvariabel betriebenen WEA seit Ende der 90-er Jahre mehr und mehr durch.

2. Asynchrongnenerator-Konzepten bei WEA

2.1. Grundlagen des Asynchrongenerators3

Der Läufer einer Asynchronmaschine kann als

sogenannter Kurzschlussläufer oder als Schleifringläufer ausgeführt werden. Die Kurzschlussläufer

sind robust und wartungsarm.

Die Schleifringläufer sind im Gegensatz wartungsaufwendig aber sie bieten die Möglichkeit, die

elektrische Charakteristik des Läufers von

außen zu beeinflüssen.

Strom aus dem Drehstromnetz erzeugt im Stator des Asynchrongenerators ein Drehfeld, dessen

Umdrehungsfrequenz, auch Synchrondrehzahl genannt, sich aus der Netzfrequenz und der

Polpaarzahl ergibt.

Die differenz zwischen der Läuferdrehzahl und der Synchrondrehzahl in Prozent der

Synchrondrehzahl wird als Schlupf bezeichnet.

Treibt zum Beispiel eine Turbine den Läufer schneller als die Synchrondrehzahl, an arbeitet die

Asynchronmaschine als Generator und speist Wirkleistung ins Netz. Die ins Netz gespeiste

Wirkleistung steigt mit der Erhöhung der Drehzahl. Aber wird der Generator über das Kippmoment

hinaus belastet, wird das Drehmoment kleiner und die Drehzahl steigt rapide an.

Bild 2. Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie einer ASM

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Übliche Werte für die Verhältnisse von Kippmoment zu Nennmoment sind .

Der Betriebsbereich eines Asynchrongenerators liegt also zwischen 0 und - sk .

Im Gegensatz zum Synchrongenerator benötigt der Asynchrongenerator zum Betrieb stets induktiven

Blindstrom. Dieser kann aus dem Netz und im Inselbetrieb über eine Kondensatorbank bereitgestellt

werden, die in der Regel aber nur für wenige Betriebspunkte ausgelegt werden kann. Bei anderen

Betriebspunkten kann die Blindleistungsdifferenz aus dem Netz bezogen werden. Moderne

Leistungselektronik ermöglicht ebenfalls eine Blindleistungsregelung.

Die Vorteile und Nachteile einer Asynchronmaschine sind im folgenden stichwortartig

zusammengefasst:

Vorteile

• robust

• wartungsarm

• keine Synchronisation erforderlich

• Drehzahlelastisch

• kostengünstig

Nachteile

• Blindleistungsbedarf aus dem Netz

• keine cos φ Regelung

• bei Inselbetrieb Kondensatorbatterie erforderlich

• nicht als Phasenschieber geeignet

2.2. Dänisches Konzept

Ein einfaches Anlagenkonzept stellt das so genannte Dänisches Konzept dar.

Die direkte Netzanbindung des Triebstrangs über einen Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer

dominierte in den 80-er Jahren den Markt für Windenegieanlagen.

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Bild 3. Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung

Diese Anlagenkonzept war für seine Zeit eine technische Revolution und die größten

Windenergieanlagen der Welt wurden lange auf Grundlage dieses Konzeptes realisiert. Durch die

feste Drehzahl des direkt aufs Netz geschalteten Asynchrongenerators gibt es jedoch nur eine

Windgeschwindigkeit, bei der der Rotor den besten Wirkungsgrad erreicht. Außerdem bringen

geringe Drehzahlvariationen verhältnismäßig starke Leistungsschwankungen mit sich und belasten

die mechanischen Teile stärker.

Vorteile

• preiswert

• wartungsarm

N achteile

• Blindleistungsbedarf

• optimaler aerodynamische Betriebspunkt nur für eine Windgeschwindigkeit

• hohe dynamische Belastungen für den mech. Triebstrang

• starke Leistungsschwankungen

Die Verwendung von zwei Generatoren oder eines polumschaltbaren Generators verbessert den

Energieertrag.

Ist hinreichend Wind da, wird die kleine Maschine aufs Netz geschaltet. Nimmt die Windstärke zu,

wird vom kleinen Generator auf den großen Generator umgeschaltet. Dessen Drezahl liegt im

Kennfeld weiter rechts ( siehe Bild 3 ), sodass er dem Leistungsangebot der Turbine nachrückt und

noch einmal das Turbinenoptimum erreicht. Dieser Generator bleibt dann bis 25 m/s in Betrieb, wo

die Sturmabschaltung erfolgt.

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Bild 4. Betriebspunkte eines Asynchrongeneratorsbei direkter Netzkopplung

Vorteile

• Einsatz für unterschiedliche Windgeschwindigkeitsbereiche

• Verbesserung des el. Wirkungsgrades bei Schwachwind

Nachteile

• Aufwändige Regelung

• Aufwändige Getriebe

• Hohe Kosten

2.3. Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung

Um die Nachteile der WEA mit Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer zu reduzieren, ist ein

Konzept entwickelt worden, das mit einem oder mehreren Asynchrongeneratoren arbeitet und eine

leichte Variation der Drehzahl ermöglicht.

Der Drehmomentverlauf von Asynchrongeneratoren wird durch das Verhältnis zwischen Ohmschen-

und Streuanteilen insbesondere in der Läuferwicklung bestimmt. Bei Schleifringläufern lassen sich

diese durch Zusatzwiderstände oder durch Stromrichtereinheiten im Läuferkreis in einem relativ

breiten Spektrum verändern.

Bild 5. Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit des Schlupfs s

bei veränderbaren Läuferwiderständen RL

In Bild 5. ist dargestellt, wie sich die Drehzahl-Drehmomentkennlinie des Asynchrongenerators

verändert, wenn Widerstände in den Läuferkreis geschaltet werden.

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Durch schnelle Änderung des Läuferkreiswiderstandes mit Hilfe von abwechselnden Schaltvorgängen

zwischen kurzgeschlossener Läuferwicklung und vollem Widerstand im Läuferkreis lassen sich

leistungsglättende oder wirkungsgradgünstige Betriebsbereiche einstellen.

Der Einsatz von Schleifringen ist allerdings wartungsaufwändig. Daher werden auch bei

Asynchrongeneratoren bürstenlose Ausführungen angestrebt. Hierbei ist grundsätzlich zwischen

induktiver Übertragung der Schlupfenergie durch Hilfswicklungen und vollständigem Aufbau der

Zusatwiderständen, Leistungselektronik im rotierenden Teil des Generators zu unterscheiden. Nach

diesem Prinzip sind die Vestas-Turbinen V44 bis V66 und auch USA-Export Anlagen V 80/90

ausgeführt.

Vorteile

• Entlastung des Triebstrangs und Minderung der Leistungsschwankungen

• Zuschaltung bei höherer Belastung

Nachteile

• großer Bauaufwand

• Leistungsverlust

2.4 Doppeltgespeister Asynchrongenerator

1996 kam ein neues Konzept auf den Markt, das seitdem stetig wachsende Verkaufszahlen aufweisen

kann.

Dieses Konzept verwendet einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator. Bei Verwendung eines

doppeltgespeisten Asynchrongenerators (DASM) ist der Stator direkt an das Drehstromnetz

angeschlossen. Der Rotor ist mit dem aus zwei gesteuerten IGBT-Brücken mit

Gleichspannungszwischenkreis bestehenden Umrichter verbunden, was einen über- sowie einen

untersynchronen Betrieb ermöglicht.

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Bild 6. Prinzipielle Systemdarstellung einer DASM

Durch die Einspeisung eines Rotorstromes mit einer bestimmten Frequenz ändert sich der Schlupf

und somit auch die Drehzahl des Rotors.

Im Bild 7. ist ein Beispiel dargestellt.

Bild 7. a) Rotorfrequenz-Kennlinie b) Anhebung der Rotorfrequenz-Kennlinie

ohne Einspeisung durch Einspeisung

Über die Vergrößerung der Amplitude des Läuferstroms können die Ständerblindströme verringert

werden, da die Magnetisierungsblindleistung nicht mehr, wie beim Kurzschlussläufer, ausschließlich

vom Ständer her gedeckt werden muss. Damit lässt sich auch der Blindleistungsbedarf des

Generators regeln. Bei einer Stromregelung im Läuferkreis, verhält sich die doppelt gespeiste

Asynchronmaschine wie eine drehzahlvariable Synchronmaschine.

Vorteile

• drehzahlvariabler Betrieb

• getrennte Regelung der Blind - und der Wirkleistung

• nur ein Teil (20-40%) der erzeugten Leistung wird durch den Umrichter umgesetzt: der

Umrichter ist kleiner, billiger und verlustarm

Nachteil

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• Hohe Kosten

• Aufwendige Regelung

3. Synchrongenerator-Konzepten für WEA

3.1 Grundlagen des Synchrongenerators

Ein elektrischer Synchrongenerator besteht aus einem Stator ( Ständer ) und einem Läufer

( Polrad ).

Der Stator wird aus Spulen und Stahlblechen aufgebaut, und stellt den äußeren ortsfesten Tel des

Generators da. In der Läuferwicklung wird die Magnetisierung entweder elektrisch oder permanent

magnetisch erregt, d.h. der Läufer erzeugt seine magnetischen Pole mit Hilfe von Gleichstrom über

Schleifringe oder durch den Einsatz eines Permanentmagneten. Durch die kinetische Energie des

Windes bewegt sich der Rotor und wird so in mechanische Energie umgewandelt. In der

Ständerwicklung wird dabei eine Wechselspannung induziert. Darüber hinaus fließt Strom in der

Ständerwicklung mit der Frequenz f , die das Ankerfeld erzeugt. Die gleichstromdurchflossene

Läuferwicklung erzeugt das mit synchroner Drehzahl umlaufenden Erregerfeld.

Die Drehzahl des Synchrongenerators ist durch die Frequenz des Drehfeldes und die Polpaarzahl des

Läufers fixiert.

Die Läuferdrehzahl n eines Synchrongenerators ist :

n=f/p

mit:

f= Frequenz des Drehfeldes ( Netzfrequenz ) ( Hz )

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p= Polpaarzahl (-)n= Drehzahl (1-s)

Bild 8. Drehmomentverlauf eines Synchrongenerators

( Quelle: Hau, E. : ,,Windkraftanlagen Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit “ )

Die Drehrichtung und die Drehzahl des Läufers synchronisieren sich mit der Drehung des umlaufenden Statorfeldes. Es gibt keinen Schlupf zwischen Läuferdrehzahl und synchroner Drehzahl des umlaufenden Statorfeldes. Die Drehmomenten Charakteristik eines Synchrongenerators ist von dem Verhältnis, Mn/ Mk abhängig. Mk repräsentiert das höchste Drehmoment ( Kippmoment ), das bei f = 90 Grad erreicht ist. Nennbetriebspunkt, Mk soll nach VDE –Norm bei f = 30 Grad liegen. Das Kippmoment ist üblicherweise beim Zweifachen des Nennmoments gelegen.

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Schenkelmaschine und Vollpolpolmaschine

Bild 9. Die Bauweise der Schenkel- und Vollpolmaschine

Vollpolmaschinen werden bei Maschinen mit hohen Drehzahlen z.B. 3000 U/min eingesetzt. Sie

haben kleine Durchmesser, das durch die mechanische Beanspruchung ( Fliehkraft ) getrieben wird.

Meistens verwendet man sie bei Dampfturbine und große Kraftwerken.

Schenkelpolmaschinen brauchen niedrige synchrone Drehzahlen, d.h. höhere Polpaarzahlen müssen

in der Rotorwicklung realisiert werden. Die mechanischen Belastungen lassen dann große

Polraddurchmesser zu. Sie sind beispielsweise für Wasserkraftgeneratoren geeignet.

Für Windenergieanlagen sind Schenkelpolmaschinen am weitesten verbreitet.

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4. Mechanische & elektrische Energiewandlersysteme

Bild 10. SG-Konzepte der Netzkopplung

( Quelle: Heier, S. : „Windkraftanlagen“ Systemasulegung, Netzintegration und Regelung )

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5. Drehzahlvariabler Generator mit Frequenzumrichter

Ein Wechselstromgenerator, der mit variabler Drehzahl berieben wird, erzeugt zwangsläufig

Wechselstrom von veränderlicher Frequenz. Nur über Frequenzumrichter kann diese Frequenz auf

die gewüschte konstante Netzfrequenz umgewandelt. Heutzutage werden IGBTs ( Insulated Gate

Bipolar Transistor ) in Umrichter verwendent, die ein Spannungsgesteurte Leistungshalbleiter ist.

Meistens werden Umrichterschlatungen als getrennte Gleich- und Wechselrichter mit einem

Gleichstromzwischenkreis gebaut, da sich diese am bestens Regeln lassen. Die Firma ABB hat

beispielsweise einen Frequenzumrichter entwickelt( ACS 800-77LC ), dessen wichtigste

Eigenschaften sind: Leistung 1-5 MW / DTC / Easy remote control & diagonstics. Direct Torque

Control ( DTC ) ist eine Technologie, um schnelle und präzise Drehzahl- und Drehmomentregelung

bieten zu können, ohne Impulsgeber-Feedback ( Pulse Encoder Feedback ) von der Welle. Im

Inselbetriebsystem ist jedoch ein selbstgeführter Frequenzumrichter erforderlich.

Vorteile

Ein großer Drehzahlbereich wird mit diesem Konzept möglich, weil der Gleichstromzwischenkreis

eine völlige Entkopplung der Generator- und damit der Rotordrehzahl von der Netzfrequenz bewirkt.

Mit der Konzeption können unangenehme dynamische Eigenschaften bzw. Drehschwingungen

eliminiert werden. Zusätzlich gibt es keinerlei Probleme mit der Netzsynchronisierung oder mit

Laststößen, die beim Einschalten der Netzstörungen und hohen große Transienten normalerweise

vorkommen. Pulse Width Modulation Methode kann hierbei Oberwellen fast vollständig entfernen.

Nachteile

Mit diesem Konzept ist der Synchrongenerator im Vergleich zum Asynchrongenerator teurer und

besitzt einen schlechteren Wirkungsgrad. Im Inselbetriebsystem ist das Konzept aufgrund des

selbstgeführten Frequenzumrichters erheblich aufwändiger und teurer.

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6. Direkt vom Rotor angetriebene Drehzahlvariable Gerneratorsysteme ( Getriebelos )

Um die vorhandene Netzfrequenz erreichen zu können sind großen Windeinergieanlagen mit

langsamen Rotordrehzahlen und Generatoren mit hohen Polpaarzahlen nötig. Als Folge davon

erreichen getriebelose Multimegawatt-Anlagen mit Synchrongeneratoren sehr große Durchmesser.

6.1 Synchrongenerator mit elektrischer Erregung

Das Konzept ist, dass durch den Einsatz von Gleichstromrichter die Gleichstrom verwendet wird, um

den Läufer magnetisch zu erregen. Sogenannte Ringgeneratoren mit diesem Konzept werden vom

deutschen Hersteller Enercon eingesetzt.

Vorteile

Ein großer Vorteil ist , dass man die Ausgangspannung des Generators durch den Erregungsstrom regulieren kann. Der Wartungsaufwand ist bei Anlagen mit diesem Konzept gering. Außerdem haben Anlagen mit diesem Konzept wegen langsamen drehenden Rotors lange Lebensdauern.

Nachteile

Die Generatorkühlung ist nicht einfach. Geschlossene Kühlsysteme, wie sie im Offshore-Einsatz

erforderlich werden, sind konstruktiv schwierig zu realisieren. Schwerwiegender als die Fertigungs-

und Montageprobleme sind das immer noch höheres Gewicht und die Drehmomentenbelastung

durch den langsam laufenden Generator. Beides hat unvermeidlich negative Konsequenzen für die

gesamten Windenergieanlage. Es ist noch offen, ob die getriebelose Bauweise langfristig im Hinblick

auf die Herstellkosten mit der Standardbauweise konkurrieren kann.

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6.2 Synchrongenerator mit Permanenterregung ( PMSG )

Die Idee ist, dass die Erregung mit Permanentenmagneten, die auf dem Läufer montiert sind, realisiert wird.

Vorteile

Der wesentliche Vorteil ist der Wegfall der Erregerleistung, sodass ein höherer Wirkungsgrad

erreicht werden kann. Darüber hinaus wird durch die Verringerung der Masse die Bauweise

kompakter, was Ersparnisse bezogen auf die Materialkosten herbeiführt.

Nachteile

Synchrongeneratoren mit Permanentmagneterregung verfügen über einen sehr schlechten cosφ. Darum muss dieser durch aufwendige Maßnahmen beim Umrichter oder durch angemessene Kompensation wieder korrigiert werden. Bei hohen Kosten der Materialien für die Magnete, Neodym-Eisen oder Samarium-Kobalt-Legierung stellt dies einen wesentlichen Nachteil da. Zusätzlich zu den Kosten werden die Magneten sehr aufwendig montiert. An der Baustelle müssen die Läufer und Stator sehr vorsichtig und präzise installiert werden. Ansonsten die Läufer und Stator nicht mehr voneinander getrennt werden.

7. Fazit

Der Unterschied zwischen Asynchrongenerator und Synchrongenerator ist die Art und Weise

wie das magnetischen Felde im rotierenden Läufer erzeugt werden.

Schnelle Änderungen der Windgeschwindigkeit können durch den Asynchrongenerator

aufgefangen werden, indem sich dessen Drehzahl bzw. Schlupf s ändert. Das bedeutet

nämlich, daß das Getriebe einem geringeren Verschleiß ausgesetzt ist (geringes maximales

Drehmoment). Dies ist einer der wichtigsten Gründe dafür, warum man bei

Windenergieanlagen, die direkt an das Netz angebunden sind, eher einen Asynchron- als

einen Synchrongenerator verwendete.

Eine technische Entscheidung, ob Asynchrongeneratoren als Synchrongeneratoren für den

Einsatz in WEA besser geeignet sind ist noch nicht gefallen.

Beide Konzepten ( ASG und SG ) haben verschiedene Vorteile und Nachteile bezogen die

Materialien, Bauweisen, Kosten, Montage, Netzintegration, etc.

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8. Quellen

• Heier, S. : „Windkraftanlagen“ Systemasulegung, Netzintegration und Regelung Vieweg + Teubner 5. Auflage 2005

• Hau, E. : ,,Windkraftanlagen Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit “ Springer 3. Auflage 2002

• Volker Quaschning „Regenerative Energiesysteme“

• http://www.2004ewec.info/files/24_0900_olegunneskov_01.pdf

• http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_3_4.html

• http://www.wind-energy-market.com/de/windenergieanlagen/

• http://www.hm.edu/

• www.wikipedia.com

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