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Windenergie Getriebeloses Konzept zur Energieerzeugung in Windkraftanlagen

| Autor / Redakteur: Stefanie Michel * / Stefanie Michel

Für die verschiedenen Technologien zur Energieerzeugung und Netzeinspeisung in der Windkraftanlagenindustrie liefert ABB Lösungen. So wurde der gesamte Antriebsstrang der neu errichteten Windkraftanlage in Högsåra, Finnland, vom Unternehmen ausgestattet.

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Der Högsåra-Windpark in Süden Finnlands. Bild: Michel
Der Högsåra-Windpark in Süden Finnlands. Bild: Michel
( Archiv: Vogel Business Media )

Bisher war der Anteil der aus Windkraft erzeugten Energie in Finnland relativ gering. Durch die großen Holzvorkommen stand die Energieerzeugung aus Biomasse lange im Vordergrund. In den letzten Jahren jedoch wurden zahlreiche Windkraftprojekte geplant und bereits fertiggestellt, denn die Regierung hatte sich 2005 vorgenommen, den aus Windkraft gewonnenen Strombedarf bis 2010 zu versechsfachen – also bis 500 MW. Bis März 2008 waren 113 Windturbinen für 128 MW in Betrieb.

Eine der neuen Projekte ist der Ende 2007 fertiggestellte Högsåra-Windpark in Südfinnland. Drei Windräder mit je 2 MW produzieren hier Strom vor allem für den lokalen Verbrauch. Das gesamte Antriebssystem der Anlage wurde von ABB Finland entwickelt und geliefert.

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Getriebelose Konzepte für Windkraftanlagen

Die Windturbine ist mit einer aktiven Pitch-Regulierung und einem großen Zylinderrollenlager mit Selbstschmierung als Hauptlager ausgestattet. Dieses nimmt axiale, radiale und Biegekräfte auf. Die Turbine wurde speziell für Offshore-Bedingungen entwickelt.

Zum Einsatz kommen luftgekühlte Permanentmagnet-(PM)-Generatoren von ABB. Diese getriebelosen Konzepte sind in der Windkraftanlagenindustrie seit einigen Jahren ein großes Thema, denn Getriebe sind Schwachstellen einer Windkraftanlage. Die PM-Generatoren arbeiten effizienter, sind kleiner und leichter. Für niedrige Drehzahlen (etwa im Bereich von 20 U/min) benötigt das Umrichtersystem kein Getriebe. PM-Generatoren sind auch für die Drehzahlbereiche von 400 bis 600 U/min oder 1000 bis 2000 U/min verfügbar und bieten damit eine gute Basis für verschiedene Getriebekonzepte. Für den Windpark von Högsåra werden PM-Generatoren mit niedriger Drehzahl genutzt.

Frequenzumrichter abgestimmt auf den Einsatz in Windturbinen

ABB verfügt über weitreichende Erfahrungen im Einsatz von Frequenzumrichtertechnologie bei PM-Generatoren mit niedrigen und höheren Drehzahlen. Das Unternehmen ist ebenfalls lange vertraut mit der Regelung des Drehmoments von verschiedenen Arten der PM-Generatoren. Eine exakte und stufenlose Regelung des Drehmoments ist für die Optimierung der Turbine, die Einhaltung der Netzcode-Konformität und die Lebensdauer der Komponenten sehr wichtig.

Frequenzumrichter von ABB, wie die in Högsåra eingesetzten Umrichter aus der ACS800-Familie, wurden für den Einsatz in Windturbinen optimiert. Sie sind für raue Umgebungsbedingungen geeignet, haben eine kompakte Bauform, eine gute Qualität des Ausgangsstroms und sind für Ferndiagnosen und Fernsteuerung vorbereitet.

Eingebaute Geräte vor rauhen Umgebungsbedinungen schützen

Die neuen Frequenzumrichter für Windturbinen von ABB kombinieren die neueste Technologie mit einer geschlossenen Schaltschrankkonstruktion. Die aktiven und passiven Umrichterkomponenten sowie die Steuer- und Regelungselektronik haben eine Flüssigkeitskühlung und sind in geschlossene Schaltschränke ohne Lüftungsöffnungen eingebaut. Dadurch werden die eingebauten Geräte und die Elektronik vor den rauhen Umgebungsbedingungen und vor äußeren Einflüssen wie Staub, Salz und extremen Temperaturen geschützt. Die Lösung beinhaltet auch Konfigurationsmöglichkeiten zur Optimierung der Anzahl der aktiven Leistungsmodule in Abhängigkeit der Windstärke. Es ist auch ein Redundanzbetrieb des kompletten Systems möglich.

Der flüssigkeitsgekühlte Umrichter ist für Komplettanlagen mit Permanentmagnet- oder Asynchrongeneratoren und für doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren für Leistungen bis 5 MW als Standardsystem lieferbar.

Mit DTC hohe Qualität des Ausgangsstroms

Umrichter mit Flüssigkeitskühlung sind mit der neuesten Software und Hardware ausgestattet, um die Netzkonformität jeder einzelnen Turbine zu unterstützen. Die Einhaltung der lokalen Netzcodes ist unabdingbar und hängt wesentlich von der Funktionalität des Frequenzumrichters ab.

Mit der direkten Drehmomentregelung (DTC = Direct Torque Control) von ABB lässt sich die Drehzahl und das Drehmoment schnell und exakt regeln. Die Vorteile sind eine robuste Betriebscharakteristik, hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sowie eine hohe Qualität des Ausgangsstroms mit geringen Oberschwingungen. Mit DTC werden auch die hörbaren Generatorgeräusche verringert, was die allgemeinen Umweltbelastungen am Aufstellort reduziert. Die elektrische Wirk- und die Blindleistung kann unabhängig voneinander geregelt werden.

Gemeinsam mit ABB konnte auf der Insel Högsåra das Windpark-Projekt realisiert werden. Seit Mai 2008 ist die gesamte Anlage in Betrieb und speist in das Stromnetz ein.

* Redaktion konstruktionspraxis

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