Forschungsergebnisse von Fraunhofer in ENERCON-Windenergieanlage erstmals erprobt
(Lemgo / Aurich) Einer von Deutschlands größten Herstellern von Windenergieanlagen, ENERCON, hat gemeinsam mit dem Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo eine wegweisende Innovation für die Steuerung von Windenergieanlagen (WEA) entwickelt: Das neue Ultra-Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem ist nun Ende 2022 im Windpark Staphorst in den Niederlanden erfolgreich in einer Windenergieanlage des Modelltyps E-138 EP3 mit einem Rotordurchmesser von 138 Metern und einer Nennleistung von 4,26 MW implementiert und getestet worden. Die neue Technik verbessert die Steuerung von sogenannten Einspeiseumrichtern.
Die Energiewende mit den steigenden Anteilen von regenerativen Energieträgern und die sinkende Menge rotierender Massen stellt Energienetze vor neue Heraus-forderungen. Im Zuge der Einführung der neuen Generation von „E-Gondeln“ will der Hersteller ENERCON hier einen wichtigen Beitrag leisten: Die Leistungs-elektronik ist nicht mehr im Turm, sondern in der Gondel integriert. Die neue von Fraunhofer entwickelte Kommunikationstechnik ermöglicht es, auf der Grundlage einer sehr schnellen Echtzeit-Regelung den Wirkungsgrad der Leistungselektronik zu steigern und die Kosten des Einspeiseumrichters zu senken.
Beitrag des Fraunhofer-Instituts im Rahmen des gemeinsamen Prototyps: Die Kommunikationstechnik zwischen der zentralen Steuerung und den Umrichter-Einheiten (UE). Die Ansteuerung der sogenannten IGBT (insulated gate bipolar transistor) geschieht zyklisch, das heißt, die UE werden von der zentralen Steue-rung mit Echtzeit-Informationen gesteuert, um eine optimale Effizienz und Ener-gieeinspeisung in das Energienetz zu gewährleisten. Die Echtzeit-Messwerte flie-ßen in die zentrale Steuerung. Durch kürzere Informationszyklen erhöht sich die Präzision der Steuerung in der Gesamtanlage und reduziert Störfrequenzen mit dem Ergebnis, dass die Qualität des eingespeisten Stroms signifikant erhöht und gleichzeitig die Lebensdauer der IGBT-Module bestmöglich ausgereizt wird. Diese schnelle Steuerungsreaktion gelingt durch Nutzung von Gigabit-Ethernet in Kombination mit einem optimierten Protokoll und Implementierung. Die Lösung erreicht eine Zykluszeit von 1,5 Mikrosekunden – eine Lösung, die schneller und präziser als die am Markt verfügbaren Kommunikationssysteme ist. Das Fraunhof-er-Institut in Lemgo hat das optimierte Kommunikationsprotokoll entwickelt und auf der Steuerungs-Hardware von ENERCON implementiert. Fraunhofer ist damit der Transfer von Forschungsergebnissen, die 2021 auf der wissenschaftlichen Tagung KommA (www.jk-komma.de) erstmals der Öffentlichkeit publiziert wor-den sind, in die reale Anwendung gelungen.
Die Mehrwerte der neuen Kommunikationstechnik haben die beiden Projekt-partner zur Realisierung in dem Prototyp der ENERCON-E-Gondel im Modelltyp E-138 EP3 mit 138 Meter Rotordurchmesser und einer Nennleistung von 4,26 MW überzeugt: Zum einen ist eine besonders einfache Integration der Elektronik in ein bestehendes System möglich, da die Lösung Plug-and-Play-Fähigkeiten unter-stützt, was die Lösung zudem kostengünstiger werden lässt. Dann bietet sich durch die Geschwindigkeit die Möglichkeit zur genaueren, filigraneren Steue-rung, wodurch die WEA mit höherer Effizienz und geringerem Verschleiß gefah-ren werden kann. Dieser Vorteil wirkt sich vor allem bei größeren Windenergiean-lagen aus, die leistungsfähiger als kleinere sind und nur einen Standort statt mehreren mittleren oder kleinen beanspruchen – somit ist die Effizienz größer.
Der Einsatz bzw. der Rollout der nächsten Generation von Windenergieanlagen könnte einen signifikanten Anteil daran haben, die Energieerzeugung durch Wind zu optimieren und somit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende bzw. zum Klimaschutz zu leisten. Wie hoch das konkrete Potenzial der Effizienzsteige-rung einer einzelnen Anlage tatsächlich ist, wollen die Projektpartner nun im lau-fenden Betrieb ermitteln.
Der Projektleiter für die Entwicklung dieser neuen Kommunikation, Fraunhofer-Gruppenleiter Dr.-Ing. Holger Flatt, freut sich über die im Einsatz arbeitenden Forschungsergebnisse: „Was mich persönlich hoch erfreut ist, dass eine neue Technologie vona uns in einer Pilotanlage im Einsatz ist. Es ist für uns bei Fraun-hofer die zentrale Mission, Forschung in den Dienst der Anwendung zu stellen – hier ist sie bereits im praktischen, operativen Betrieb und leistet einen Beitrag zur Energieerzeugung der Zukunft.“
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Holger Flatt
Gruppenleiter Intelligente Sensorsysteme
Fraunhofer IOSB-INA
Institutsteil für industrielle Automation
Campusallee 1, 32657 Lemgo, Germany
Telefon +49 5261 942 90 - 31
Fax +49 5261 942 90 - 90
E-Mail holger.flatt@iosb-ina.fraunhofer.de
Internet www.fraunhofer-owl.de
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