PCS: Grid Codes und Netzverträglichkeit in der Windkraft

Windenergieanlagen tragen mittlerweile bedeutende Leistungen zur Stromversorgung in Deutschland und auch weltweit bei. Erneuerbare Energien sind dabei zumeist dezentral in kleineren Einheiten als traditionelle Kraftwerke aufgebaut. Der forcierte Ausbau der Erneuerbaren Energien erfordert nun flexiblere Netze und netzstützende Funktionen der Kraftwerke. In Deutschland wurde dazu für Windenergieanlagen eine Bonusvergütung für bestehende Anlagen aufgelegt, welche monetäre Anreize für diese Netzstützung gibt – die sogenannte Systemdienstleistungsverordnung für Windenergieanlagen (SDL WindV). Neue Windenergieanlagen müssen diesen Nutzen in Zukunft erfüllen. Somit müssen neue technische Lösungen geschaffen werden, die einerseits in älteren Windenergieanlagen nachgerüstet werden können, um weiterhin Vergütungen zu erhalten oder überhaupt Strom einspeisen zu dürfen. Andererseits müssen auch die elektrotechnischen Konzepte für Neuanlagen die Einhaltung der Grid Codes vorsehen, sonst bekommen diese erst überhaupt keine Aufstellgenehmigung.

Grid Codes bzw. Netzeinspeiserichtlinien – warum und mit welchem Ziel?

Mittlerweile gibt es außer in Deutschland auch in vielen weiteren Ländern strengere Netzanschlussbedingungen oder es werden derzeit solche Regularien erarbeitet. Diese sogenannten Grid Codes stellen Regeln dar, für den Netzanschluss von Windenergieanlagen. Dabei wird keine spezifische Technologie vorgeschrieben, denn nach je Land, Region oder Netzbetreiber gibt es unterschiedliche Anforderungen und damit auch technische Lösungen für die Sicherstellung der Netzverträglichkeit. Dies erfordert einen ständigen Austausch mit den jeweiligen Institutionen, aber auch hohes Know-how im Bereich Netz und Verhalten von Windenergieanlagen für die Entwickler der technischen Lösungen für die Realisierung von Grid Codes. Folgende Grafik zeigt die Schwerpunkte in den jeweiligen Grid Codes:

Diese Grid Codes haben im Hinblick auf den weiteren Windenergieausbau zum Ziel, dass Windparks stützend für das Netz wirken, insbesondere bei Netzfehlern. Bisher reagieren Windenergieanlagen im Falle von Netzstörungen, z.B. bei Spannungseinbrüchen, durch Abschaltung innerhalb von sehr kurzen Zeiträumen. Je größer jedoch der Anteil der aus Windkraft erzeugten Strommenge an der gesamten Stromerzeugung wird, umso gefährlicher wird dieses Verhalten für den Netzbetreiber und damit auch für den Verbraucher. Ein großflächiger kurzzeitiger Spannungseinbruch,

z.B. hervorgerufen durch einen Kurzschluss im Höchstspannungsnetz, kann ein Abschalten aller Windenergieanlagen im jeweiligen Umfeld verursachen. Im Extremfall entfallen plötzlich Tausend Megawatt Windenergie. Das jeweilige Verbundnetz (z.B. das europäische UCTE) kann diese massenhafte Abschaltung nur bis zu einem gewissen Grad verkraften bevor im Extremfall ein Abschalten der Elektrizitätsversorgung ganzer Regionen erfolgen würde.

Die Grid Codes werden erstellt, um mehr Sicherheit für die Stromnetze zu schaffen. Deutschland mit den Regeln für den Netzanschluss im Hoch- und Höchstspannungsnetz sowie der Mittelspannungsrichtlinie ist sicherlich Vorreiter für viele internationale Grid Codes. Auf europäischer Ebene arbeitet die ENTSOE (Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber) bereits an einer Vereinheitlichung der unterschiedlichen Grid Codes der teilnehmenden europäischen Länder. Es ist zu erwarten, dass sich diese Harmonisierung weiter fortsetzt, denn der Aufwand und die Kosten für die Entwicklung neuer technischer Lösungen und die jeweilige Zertifizierung auf jeden neuen Grid Code kann weder der Anlagenhersteller, noch der Windparkbetreiber finanzieren und umsetzen. Folgende Grafik zeigt einen Auszug derzeit aktueller Vorgaben für das Durchfahren von Spannungseinbrüchen:

Anforderungen an die Umrichtertechnik – Lösungen für Neu- und Altanlagen

Umrichter in einer Windkraftanlage müssen im normalen Betrieb in der Lage sein, die Leistung zu regeln und die Blindleistung zu stellen. Hohe Blindleistungsforderungen haben zusätzlichen Einfluss auf die thermische Auslegung des Umrichters. Es sind Grenzwerte bei der Erzeugung von Oberwellen einzuhalten. Das kann sowohl durch regelungstechnische Maßnahmen als auch durch Hardware-Filter durchgeführt werden.

Spezielle Umrichterforderungen ergeben sich bei Netzspannungseinbrüchen. Entsprechend der länderspezifischen Anforderungen müssen Umrichter die geforderten Blindstromkennlinien individuell einstellen. Netzeinbrüche können mehrfach hintereinander auftreten, sie können symmetrisch aber auch oft nur zwischen einzelnen Phasen auftreten. Hier kommt es auf eine ebenfalls asymmetrische Reaktion mit Blindstrombereitstellung nur in den betreffenden Phasen an. Besondere Anforderungen stellen die Einbrüche auf null Volt dar (ZVRT), die in einigen Ländern gefordert sind. Bei Lösungen ohne Energiezuführung aus dem Generator muss ein genügend großer Puffer vorhanden sein, um die eigenen Verluste bei der Blindstrombereitstellung über die Zeit des Netzeinbruches zu decken. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Netzeinbrüche schnell und sicher erkannt werden. Eine hohe Dynamik ist entsprechend den jeweiligen Länderforderungen notwendig.

Blindstromumrichter Green Line 1000

‚Green Line Netzstabilität‘ für konstante Spannung und stabilen Output bei Netzeinbruch

Aufgrund der international strengeren Grid Codes sind vor allem ältere Systeme und spezifische Generatorkonzepte technisch überfordert. PCS entwickelt daher ständig die Produktlösungen für Netzstabilität weiter. Der bereits bekannte Blindstromrichter Green Line 1000 wurde ergänzt um eine Komplettlösung für das Durchfahren von Netzeinbrüchen (LVRT) – den Green Line 3000. Er erfüllt die Anforderungen der internationalen Grid Codes an Windenergieanlagen, sich im Fall eines Netzeinbruches (LVRT) nicht vom Netz zu trennen. Nicht nur die Bereitstellung von Blindstrom, auch die Aufrechterhaltung der Generatorspannung reduziert die Belastung der mechanischen Bauteile und sorgt für einen stabilen Energieoutput selbst beim Netzeinbruch. Als Nachrüstlösung oder in Neuanlagen ist das Produkt einfach in die Anlagen zu integrieren. Der Green Line 3000 als LVRT-Lösung ist für diverse Leistungsklassen erhältlich. Da er stets nur kurz zum Einsatz kommt, reicht die Kühlung durch natürliche Konvektion aus. Zusammen mit dem Blindstromumrichter Green Line 1000 bietet PCS damit eine komplette Lösung, um Spannungseinbrüche sicher zu durchlaufen und konstant Energie zu erzeugen. Die Technologie wurde unter schwierigsten klimatischen Bedingungen erfolgreich getestet – nicht zuletzt im größten Testcenter für Windkraftanlagen in China. PCS positioniert sich damit umso mehr als Experte für die Netzintegration von Windkraftanlagen.