Das NEW 4.0-Teilprojekt FATWAKE besteht aus drei Schwerpunkten:
Nachlaufmodelle
Ein Schwerpunkthema von FATWAKE ist die Untersuchung und Verbesserung von Turbulenz- bzw. Nachlaufmodellen. Gerade bei kleinen Anlagenabständen, wie sie im Windpark Curslack auftreten, berechnen kommerzielle Turbulenzmodelle zu hohe Turbulenzintensitäten und sagen damit zu hohe Lasten der einzelnen Anlagen im Windpark vorher. Dieses Problem wird im Projekt FATWAKE adressiert und Nachlaufmodelle werden insbesondere für kleine Anlagenabstände verbessert, sodass Leistung und Lasten der einzelnen Windenergieanlagen im Windpark besser vorhergesagt werden können. So können angemessenere Sektormanagementstrategien im Windpark implementiert und ein geeignetes Parklayout entwickelt werden.
Momentanreserve auf Windparkebene
Ein weiteres Ziel in FATWAKE ist es, die Fähigkeit eines Windparks zur Bereitstellung von Momentanreserve und verkürzter Primärregelleistung zu untersuchen und zu optimieren. Betrachtet wurde die Bereitstellung möglicher Systemdienstleistung im oberen Teillastbereich. Der Fokus richtet sich dabei auf die Verteilung der Windgeschwindigkeit im Windpark und die damit verknüpfte Windparkleistung unter Anwendung eines dem Vorhaben angemessenen Nachlaufmodells und knüpft damit direkt an die oben genannte Untersuchung der Nachlaufmodelle an. Als Modellannahme wird die Anlage durch eine rotierende Masse und ein aerodynamisches Kennfeld dargestellt. Unter Berücksichtigung von Windrichtung und -geschwindigkeit wird der Einfluss der Lieferung von Momentanreserve bzw. verkürzter Primärregelleistung (projektintern angesetzt auf 60 Sekunden), auf die Gesamtleistung des Windparks untersucht. Man nähert sich damit dem Problem aus mechanischer Sicht. Die Wechselwirkung zwischen der Leistungsabgabe der WEA und der Netzfrequenz wird zunächst nicht berücksichtigt. Es wird nur eine kurzzeitige erhöhte Leistungsbereitstellung betrachtet, welche nachfolgend als Powerboost bezeichnet wird.
Im zweiten Schritt wird ein Optimierungsansatz unter Berücksichtigung einer dynamischen Abschattungssituation entwickelt, mit dem Ziel, die Leistungsabsenkung und die damit einhergehenden Energieverluste zu minimieren. Bewertet werden die Ergebnisse über den Zeitraum zwischen Einsetzen des Powerboosts und der abgeschlossenen Rückführung in den stationären Zustand Bei einer einzelnen Windenergieanlage ist die zur Verfügung stehende kinetische Energie durch die geringere Masse der rotierenden Teile im Vergleich zu einem Großkraftwerk zwar verschwindend gering, kann aber durch einen Verbund von mehreren Anlagen oder mehreren Parks bei der zur Verfügung stehenden kinetischen Energie entscheidend ins Gewicht fallen. Allerdings sind Windenergieanlagen im Regelfall über einen Umrichter an das elektrische Netz angeschlossen, wodurch die direkte Wechselwirkung zwischen Netz- und Generatorfrequenz ausfällt. In bestehende Forschungsvorhaben bezüglich der Bereitstellung von Momentanreserve durch Windenergieanlagen liegt daher der Fokus auf der Umrichter-Regelungstechnik. So kann, sobald eine Netzschwankung vom System registriert wird, durch eine intelligente Regelung des Umrichters das am Generator wirkende Moment dahingehend beeinflusst werden, dass die Windenergieanlage für einen kurzen Zeitraum mehr Leistung an das Netz übergibt. Simuliert werden soll hierbei das träge Verhalten eines direkt ans Netz angeschlossenen Synchrongenerators, weshalb auch von virtueller Trägheit (engl.: Virtual Inertia) die Rede ist. Um das Potenzial der Systemdienstleistung auf den gesamten Park zu übertragen, wurde das Nachlaufmodell nach Jensen verwendet. Von Relevanz ist hierbei zunächst
- die stationäre Windgeschwindigkeitsverteilung im gesamten Windpark, um die Abschattungseffekte berücksichtigen zu können,
- die sich im Zuge der „boostenden“ Anlage verändernde Nachlaufwindgeschwindigkeit, um das dynamische Verhalten des Nachlaufs im Zuge des „Powerboosts“ ermitteln zu können.
Sektormanagementoptimierung
Ein weiteres Ziel von FATWAKE ist es, verschiedene Windpark-Steuerungsstrategien zu betrachten und ihre Auswirkungen auf die Windparkleistung und die Belastung der Windturbinen zu untersuchen. Bei engen Abständen zwischen den Turbinen könnten die Nachlaufeffekte von vorgeschalteten Turbinen die Stromproduktion des Windparks reduzieren und die Lasten erhöhen. Mit verschiedenen einfachen Nachlaufmodellen (Frandsen, Larsen und Jensen) sollen die Auswirkungen untersucht werden. Es wird gezeigt, dass die gierige Regelungsstrategie von Windturbinen einen negativen Einfluss auf den Windpark hat, während eine intelligente soziale Windpark-Regelungsstrategie die Leistung des Windparks erhöhen und auch die Lasten auf die Turbinen verringern kann.
Weiter Materialien und wissenschaftliche Veröffentlichungen zu dem NEW 4.0 Teilprojekten finden Sie unter: CC4E-Marking und Kommunikation oder auf der Projektwebseite NEW 4.0
Projekt-Team: Lewin Schilling, Inga Reinwardt, Dirk Heutelbeck
