Leistungsbegrenzung und -regelung

Leistungsbegrenzung und -regelung

Eine Windenergieanlage (WEA) dreht sich durch die Auftriebskraft des Windes an den Rotorblättern. Die Windleistung nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu (siehe Energiewandlung). Üblicherweise wird ab einer Windgeschwindigkeit von rund neun bis zwölf m/s die aus der Auftriebskraft resultierende Rotorleistung durch aerodynamische Maßnahmen begrenzt, um die vorgegebene Nennleistung nicht zu übersteigen, da es sonst zu Überlastungen und Materialschäden kommen könnte. Hier muss unterschieden werden zwischen reinen Sicherheitsmaßnahmen zur Begrenzung der Leistung: bei kleinen WEA etwa das Bremsen durch Generatorkurzschluss und den Leistungsregelungen großer WEA, die eine konstante Leistungsabgabe bis hin zum Abschalten der Anlage bei Sturm (circa 25 m/s) sicherstellen.

Bei netzeinspeisenden Windenergieanlagen wird die Leistungsbegrenzung bzw. Leistungsregelung am Rotor durch die Hauptkonzepte Stall und Pitch realisiert.

Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriss (Stall)

Die Stall-Regelung ist das einfachste und das älteste Regelungssystem und wurde in den 1950er Jahren von Johannes Juul in Dänemark entwickelt (Prototyp: Gedser-Anlage 1957).

Wichtigste Voraussetzung für eine stall-geregelte Windenergieanlage ist der Betrieb des Rotors mit konstanter Drehzahl, das heißt mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit. Dies wird mit Hilfe eines Asynchrongenerators, der fest mit der Netzfrequenz gekoppelt ist, realisiert.

Wie in dem oberen Bild zu sehen ist, hängt der Anstellwinkel αA von der Windgeschwindigkeit v ab. Bei hohen Windgeschwindigkeiten wird der Anströmwinkel so groß, dass die Luftströmung der Profilgeometrie auf der Saugseite (Oberseite des Profils) nicht mehr folgen kann. Es kommt dort zum Strömungsabriss (englisch: stall). Dies führt zu einem schlechteren Leistungsbeiwert des Rotorblattes und es wird weniger kinetische Energie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Die Anlage wird so im Bereich der Nennleistung betrieben.

Dieses Prinzip der Leistungsbegrenzung weist eine gewisse Trägheit auf, so dass der Zeitpunkt bzw. die Situation am Profilschnitt von Strömungsabrissen nicht exakt vorgegeben werden kann. Bei kurzzeitigen Böen kommt es daher zu Leistungsspitzen. Da aber die Drehzahl konstant ist, werden diese Leistungsschwankungen in ein höheres Drehmoment im Antriebsstrang umgesetzt.

Um diese Leistungsschwankungen zu verringern, wird bei einigen Anlagen mit größeren Nennleistungen (PNenn >1MW) der Stall-Effekt aktiv durch eine Winkelverstellung des Rotorblattes erzeugt. Durch Verdrehen des Rotorblattes um die Längsachse wird ein größerer Anstellwinkel eingestellt (im Bild im Uhrzeigersinn drehend). Diese aktive Stall-Regelung konnte sich aber nicht durchsetzten, da wie bei einer Pitch-Anlage ein Verstellsystem für die Blätter installiert werden muss und es dennoch zu höheren Belastungen im Triebstrang der Windkraftanlage kommt.

Um den Rotor der stall-geregelten Windenergieanlage auch bei Lastabwurf gegen Überdrehzahl zu schützen, werden fliehkraftbetätigte verstellbare Blattspitzen verwendet, so genannte Tip-Bremsen (engl. für Blattspitze).

Leistungsbegrenzung durch Verdrehen der Rotorblätter (Pitch)

Die Regelung der Leistung wird bei pitch-geregelten Windkraftanlagen durch das Verdrehen der Rotorblätter gewährleistet. Hierbei wird die Vorderkante des Rotorblattes in die Anströmung c gedreht (so genannte Fahnenstellung). Der geringere Anstellwinkel αA  führt zu kleineren Auftriebskräften und somit zu einer geringeren Leistung.

Mit diesem Prinzip wird die Leistung durch die Verdrehung der Blätter (Regelung des Anstellwinkels) an die Windgeschwindigkeit angepasst:

  • Bei sehr schwachem Wind (unter 4 m/s) produziert die Windenergieanlage keinen elektrischen Strom: Der Wind ist zu schwach um die Rotorwelle anzutreiben. Die Blätter sind in so genannter Fahnenstellung (Pitchwinkel ≈ 90°) gedreht. Die Windenergieanlage steht still oder dreht sehr langsam, was Trudelbetrieb genannt wird.
  • Bei normalem Wind (4 bis 12 m/s) dreht die Windenergieanlage und produziert Leistung, aber der Wind ist noch zu schwach, um die Nennleistung der Anlage zu erreichen. Der Pitchwinkel ist 0°, die Rotorblätter stehen im optimalen Arbeitspunkt. Von der Windleistung wird so viel wie möglich in mechanische Energie umgewandelt.
  • Bei Starkwind (12 bis 25 m/s) ist die angebotene Windleistung zu groß und die Anlage muss in ihrer Leistungsabgabe begrenzt werden. Die Anlage wird dann „gepitcht“. Der Pitchwinkel nimmt mit der Windgeschwindigkeit zu (von 0° bis circa 30 °) und die Auftriebskraft wird so beeinflusst, dass die Leistungsabgabe der Windenergieanlage konstant bei Nennleistung bleibt.
  • Bei Sturm (ab 25 m/s) ist der Wind so stark, dass die Windenergieanlage abgeschaltet werden muss, um eventuelle Schäden zu vermeiden. Der Pitchwinkel ist nahezu 90°; die Blätter sind in Fahnenstellung.

Die Verdrehung der Blätter wird durch das Pitch-System realisiert. Da es für jedes Rotorblatt als selbständiges und unabhängiges System ausgeführt ist, können sie als drei Primärbremsen angesehen werden. Für das sichere Herunterfahren der Anlage aus allen Zuständen reicht das Verstellen von nur einem Rotorblatt, das in die Fahnenposition (Position in Richtung des Windes) gebracht wird.

Andere Leistungsregelungen für kleine Windenergieanlagen

Eine andere Möglichkeit, die bei sehr kleinen Windenergieanlagen (PNenn <1 kW) benutzt wird, ist das Drehen der Gondel aus dem Wind. Dies geschieht meistens durch die Schubkraft auf eine Seitenfahne (Querfahne) oder auf den Rotor selbst.



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Quelle: www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/leistungsbegrenzung-und-regelung