Oberschwingungen

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In der Windkrafttechnik spielen Oberschwingungen eine zentrale Rolle bei der Bewertung der Netzverträglichkeit und Effizienz von Windenergieanlagen. Sie entstehen durch nichtlineare Lasten und Umrichter in der Leistungselektronik und können sowohl die Anlagen selbst als auch das Stromnetz beeinträchtigen. Die Analyse und Minderung von Oberschwingungen ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Netzintegration erneuerbarer Energien.

Allgemeine Beschreibung

Oberschwingungen sind sinusförmige Spannungs- oder Stromkomponenten, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz des Stromnetzes (in Europa typischerweise 50 Hertz) betragen. Sie entstehen durch nichtlineare Verbraucher, wie sie in der Leistungselektronik von Windenergieanlagen häufig vorkommen. Dazu zählen insbesondere Frequenzumrichter, die die variable Drehzahl der Rotoren an die feste Netzfrequenz anpassen. Diese Umrichter erzeugen durch Schaltvorgänge hochfrequente Störsignale, die als Oberschwingungen in das Netz eingespeist werden.

Die Amplituden und Frequenzen der Oberschwingungen hängen von der Topologie der Leistungselektronik, der Schaltfrequenz der Umrichter und der Netzimpedanz ab. In Windenergieanlagen treten vor allem ungeradzahlige Oberschwingungen (z. B. 5., 7., 11. und 13. Harmonische) auf, da diese durch die typischen Schaltmuster von Pulsweitenmodulation (PWM) begünstigt werden. Die Überlagerung dieser Oberschwingungen mit der Grundschwingung führt zu Verzerrungen der Spannungs- und Stromverläufe, was als harmonische Verzerrung bezeichnet wird.

Die Auswirkungen von Oberschwingungen sind vielfältig und reichen von erhöhten Verlusten in elektrischen Komponenten über die Überhitzung von Kabeln und Transformatoren bis hin zu Störungen in der Kommunikationstechnik. In Windparks können Oberschwingungen zudem zu Resonanzerscheinungen führen, wenn die Eigenfrequenzen der Anlagenkomponenten mit den Frequenzen der Oberschwingungen übereinstimmen. Dies kann mechanische Schwingungen in Generatoren oder Getrieben verstärken und die Lebensdauer der Anlagen verkürzen.

Technische Details

Die Bewertung von Oberschwingungen in Windenergieanlagen erfolgt anhand der normativen Vorgaben der DIN EN 50160 und der IEC 61000-Reihe. Diese Normen legen Grenzwerte für die harmonische Verzerrung fest, die sowohl für die Spannung als auch für den Strom gelten. Die Gesamtverzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) darf beispielsweise in öffentlichen Niederspannungsnetzen einen Wert von 8 % nicht überschreiten. Für Mittelspannungsnetze gelten strengere Vorgaben, da hier die Auswirkungen von Oberschwingungen auf andere Verbraucher gravierender sein können.

Die Entstehung von Oberschwingungen in Windenergieanlagen lässt sich auf zwei Hauptquellen zurückführen: die Generatoren und die Umrichter. Moderne Anlagen nutzen häufig doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren (DFIG) oder Synchrongeneratoren mit Vollumrichtern. Bei DFIG-Anlagen wird nur ein Teil der Leistung über den Umrichter geführt, während bei Vollumrichtern die gesamte Leistung umgerichtet wird. Letztere erzeugen tendenziell höhere Oberschwingungspegel, da die Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter direkt in das Netz eingespeist werden.

Die Schaltfrequenz der Umrichter spielt eine entscheidende Rolle für das Oberschwingungsspektrum. Höhere Schaltfrequenzen führen zu einer besseren Annäherung an die sinusförmige Grundschwingung, erhöhen jedoch die Schaltverluste und die elektromagnetische Störaussendung. Typische Schaltfrequenzen liegen im Bereich von 2 bis 20 Kilohertz, wobei moderne Siliziumkarbid- (SiC) oder Galliumnitrid- (GaN) Halbleiter höhere Frequenzen bei geringeren Verlusten ermöglichen. Die Wahl der Schaltfrequenz ist daher ein Kompromiss zwischen Effizienz, Oberschwingungspegel und thermischer Belastung der Komponenten.

Ein weiteres technisches Detail ist die Filterung von Oberschwingungen. Passive Filter, wie Saugkreise oder LC-Filter, werden häufig eingesetzt, um spezifische Oberschwingungsfrequenzen zu dämpfen. Aktive Filter, die auf Leistungselektronik basieren, können dagegen ein breiteres Spektrum an Oberschwingungen kompensieren, sind jedoch komplexer und teurer. In Windparks kommen oft Kombinationen aus beiden Filtertypen zum Einsatz, um die Einhaltung der Normen zu gewährleisten.

Normen und Standards

Die wichtigsten Normen für die Bewertung von Oberschwingungen in Windenergieanlagen sind die DIN EN 50160 für die Spannungsqualität in öffentlichen Netzen und die IEC 61000-3-6 für die Begrenzung von Oberschwingungsströmen. Zusätzlich sind die Vorgaben der Netzbetreiber zu beachten, die in den technischen Anschlussbedingungen (TAB) festgelegt sind. Diese können je nach Land und Netzbetreiber variieren und sind oft strenger als die allgemeinen Normen. Für Offshore-Windparks gelten zudem spezifische Richtlinien, wie die DNVGL-ST-0145, die zusätzliche Anforderungen an die Netzverträglichkeit stellen.

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Oberschwingungen sind von anderen Störphänomenen im Stromnetz zu unterscheiden. Während Oberschwingungen sinusförmige Komponenten mit ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz darstellen, handelt es sich bei Zwischenharmonischen um Frequenzen, die nicht ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Diese entstehen beispielsweise durch Lastschwankungen oder unsymmetrische Betriebszustände. Ein weiteres verwandtes Phänomen sind Flicker, die durch schnelle Spannungsschwankungen verursacht werden und zu sichtbaren Helligkeitsschwankungen bei Beleuchtungsanlagen führen. Im Gegensatz zu Oberschwingungen sind Flicker jedoch keine sinusförmigen Störungen, sondern unregelmäßige Spannungseinbrüche oder -erhöhungen.

Anwendungsbereiche

• Netzintegration von Windenergieanlagen: Oberschwingungen sind ein zentraler Faktor bei der Bewertung der Netzverträglichkeit von Windparks. Sie beeinflussen die Spannungsqualität und können zu Konflikten mit anderen Netznutzern führen. Die Einhaltung der normativen Grenzwerte ist daher Voraussetzung für die Genehmigung und den Betrieb von Windenergieanlagen.
• Auslegung von Filteranlagen: Die Analyse von Oberschwingungen ist entscheidend für die Dimensionierung von Filteranlagen in Windparks. Passive und aktive Filter müssen so ausgelegt werden, dass sie die spezifischen Oberschwingungsfrequenzen der Anlagen effektiv dämpfen, ohne dabei die Grundschwingung zu beeinträchtigen.
• Betriebsüberwachung und Wartung: Die kontinuierliche Messung von Oberschwingungen ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Störungen in der Leistungselektronik oder im Generator. Abweichungen vom normalen Oberschwingungsspektrum können auf Defekte oder Verschleißerscheinungen hinweisen und dienen als Indikator für notwendige Wartungsmaßnahmen.
• Forschung und Entwicklung: In der Entwicklung neuer Windenergieanlagen und Umrichtertechnologien ist die Minimierung von Oberschwingungen ein zentrales Ziel. Durch den Einsatz moderner Halbleitermaterialien und optimierter Schaltalgorithmen wird versucht, die harmonische Verzerrung zu reduzieren und die Effizienz der Anlagen zu steigern.

Bekannte Beispiele

• Offshore-Windpark Horns Rev 3 (Dänemark): Dieser Windpark mit einer Leistung von 407 Megawatt nutzt Vollumrichter-Technologie, die besonders anfällig für Oberschwingungen ist. Durch den Einsatz von aktiven Filtern und einer optimierten Schaltstrategie der Umrichter konnte die harmonische Verzerrung auf ein Minimum reduziert werden, was die Netzverträglichkeit deutlich verbesserte.
• Windpark Gode Wind (Deutschland): In diesem Offshore-Windpark wurden spezielle Saugkreise installiert, um die 5. und 7. Oberschwingung zu dämpfen. Die Filter wurden so dimensioniert, dass sie auch bei variierenden Betriebsbedingungen der Anlagen wirksam bleiben. Dies führte zu einer signifikanten Reduzierung der THD-Werte im Mittelspannungsnetz.
• Forschungsprojekt "Harmony" (EU): Im Rahmen dieses Projekts wurden verschiedene Filtertechnologien für Windenergieanlagen getestet. Dabei zeigte sich, dass hybride Filter, die passive und aktive Komponenten kombinieren, die besten Ergebnisse in Bezug auf Oberschwingungsreduktion und Kosten erzielen. Die Ergebnisse flossen in die Entwicklung neuer Normen für die Netzintegration von Windparks ein.

Risiken und Herausforderungen

• Netzstabilität: Hohe Oberschwingungspegel können zu Resonanzerscheinungen im Netz führen, die die Stabilität des Stromnetzes gefährden. Insbesondere in schwachen Netzen mit hoher Impedanz können Oberschwingungen zu Spannungseinbrüchen oder -überhöhungen führen, die andere Verbraucher beeinträchtigen.
• Lebensdauer von Komponenten: Oberschwingungen verursachen zusätzliche Verluste in elektrischen Komponenten, wie Transformatoren, Kabeln und Generatoren. Diese Verluste führen zu einer erhöhten thermischen Belastung und können die Lebensdauer der Komponenten verkürzen. Besonders kritisch sind dabei die Isolationsmaterialien, die durch die hochfrequenten Ströme schneller altern.
• Störungen in der Kommunikationstechnik: Oberschwingungen können elektromagnetische Störungen verursachen, die die Funktion von Kommunikationsanlagen, wie Funk oder Datenübertragungssystemen, beeinträchtigen. Dies ist besonders in Offshore-Windparks relevant, wo die Kommunikation für den sicheren Betrieb der Anlagen essenziell ist.
• Kosten für Filteranlagen: Die Installation von Filteranlagen zur Reduzierung von Oberschwingungen ist mit hohen Investitionskosten verbunden. Zudem erhöhen passive Filter die Blindleistung im Netz, was zu zusätzlichen Verlusten führen kann. Aktive Filter sind zwar effektiver, erfordern jedoch eine komplexe Regelung und sind wartungsintensiv.
• Normenkonformität: Die Einhaltung der normativen Grenzwerte für Oberschwingungen ist eine Voraussetzung für die Netzintegration von Windenergieanlagen. Bei Nichteinhaltung können Netzbetreiber den Anschluss verweigern oder Strafzahlungen verhängen. Die kontinuierliche Überwachung und Anpassung der Anlagen ist daher unerlässlich.

Ähnliche Begriffe

• Zwischenharmonische: Im Gegensatz zu Oberschwingungen handelt es sich hierbei um sinusförmige Komponenten, deren Frequenzen nicht ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Sie entstehen durch Lastschwankungen oder unsymmetrische Betriebszustände und können ähnliche Störungen verursachen wie Oberschwingungen.
• Flicker: Flicker sind schnelle Spannungsschwankungen, die zu sichtbaren Helligkeitsschwankungen bei Beleuchtungsanlagen führen. Sie werden durch Lastwechsel, wie sie in Windenergieanlagen auftreten, verursacht und sind ein Maß für die Spannungsqualität im Netz.
• Netzrückwirkungen: Dieser Begriff umfasst alle Störungen, die durch den Betrieb von Verbrauchern oder Erzeugern im Stromnetz verursacht werden. Dazu zählen neben Oberschwingungen auch Flicker, Spannungseinbrüche und unsymmetrische Belastungen. Netzrückwirkungen sind ein zentrales Thema bei der Integration erneuerbarer Energien.
• THD (Total Harmonic Distortion): Die THD ist ein Maß für die gesamte harmonische Verzerrung eines Signals. Sie gibt das Verhältnis der Summe aller Oberschwingungsamplituden zur Amplitude der Grundschwingung an und ist ein wichtiger Indikator für die Spannungsqualität im Netz.

Zusammenfassung

Oberschwingungen sind ein zentrales Thema in der Windkrafttechnik, da sie die Netzverträglichkeit, die Lebensdauer von Komponenten und die Effizienz von Windenergieanlagen beeinflussen. Sie entstehen durch nichtlineare Lasten, insbesondere durch Umrichter in der Leistungselektronik, und können zu Resonanzerscheinungen, erhöhten Verlusten und Störungen in der Kommunikationstechnik führen. Die Einhaltung normativer Grenzwerte, wie sie in der DIN EN 50160 und der IEC 61000-Reihe festgelegt sind, ist daher essenziell für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windparks. Durch den Einsatz von Filteranlagen und optimierten Schaltstrategien können Oberschwingungen effektiv reduziert werden, was die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz erleichtert.

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