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Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Wirkungsgradbestimmung von Windenergieanlagen in Prüfständen

13.02.2024

Der Wirkungsgrad von Windenergieanlagen (WEA) ist ein entscheidender Faktor für ihre Eignung als saubere und zuverlässige Quelle elektrischer Energie. Um den Wirkungsgrad von WEA mit vertretbarem Aufwand und geringer Messunsicherheit bestimmen zu können, sind standardisierte und von den Anwendern allgemein akzeptierte Messmethoden, die auf nationalen und internationalen Standards basieren, von entscheidender Bedeutung.

 

Die angewendeten Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung an WEA müssen daher in den Prüfständen auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten praktisch anwendbar und zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit der Messungen auf nationale Normale rückführbar sein.


Im Rahmen des europäischen EMPIR-Projektes „WindEFCY“ wurde in der PTB abteilungsübergreifend ein Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrades von WEA auf Prüfständen in Abhängigkeit der beiden mechanischen Eingangsgrößen Drehmoment und Drehzahl entwickelt und sowohl im Motorprüffeld der PTB im verkleinerten Maßstab als auch in einem WEA-Prüfstand erfolgreich erprobt. Mit Hilfe dieser Methode kann ein Kennlinienfeld der Größe „Wirkungsgrad“ über den gesamten Arbeitsbereich der Windenergieanlage mit geringer Messunsicherheit erstellt werden.


Im Fachbereich „Elektrische Energiemesstechnik“ wurde hierfür ein kommerziell verfügbares mehrkanaliges Leistungsmessgerät als Referenz etabliert und unter Berücksichtigung realitätsnaher Messbedingungen, die auch den Oberschwingungsgehalt der Spannungen und Ströme am Umrichter der WEA berücksichtigen, charakterisiert. Zudem wurde die Implementierung einer messtechnischen Synchronisation zwischen der ermittelten mechanischen Eingangsleistung und der elektrischen Ausgangsleistung vorangetrieben. Da Leistungen moderner WEA weit oberhalb der Megawatt-Grenze liegen, wurden zudem die Kalibriermöglichkeiten von Spannungssensoren bis in den Bereich von etwa 12 kV und die der Stromsensoren bis in den Bereich von 2 kA dahingehend erweitert, dass nun eine Überprüfung des Frequenzgangs bis etwa 10 kHz möglich ist. Hierzu wurden geeignete Stromwandler und Spannungsteiler als Referenzen entwickelt und aufgebaut (siehe Bild).

 

 

Breitbandige Stromsensoren (oben) und Spannungsteiler (rechts unten) aus Eigenentwicklung, zur Überprüfung des Frequenzgangs eines sechskanaligen Referenzleistungsmesssystems (links unten)

Bild: Breitbandige Stromsensoren (oben) und Spannungsteiler (rechts unten) aus Eigenentwicklung, zur Überprüfung des Frequenzgangs eines sechskanaligen Referenzleistungsmesssystems (links unten)

 

 

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