Windräder sind umweltfreundliche Energielieferanten. Doch der produzierte Strom kann für Stromnetze eine Belastung sein. Bei einem Windpark in Rheinland-Pfalz hält eine Hochfrequenzfilteranlage von MR das Netz sauber.
Die Luft ist klar, der Himmel strahlt blau und eine sanfte Brise weht über die Äcker der pfälzischen Gemeinde Offenbach an der Queich. Sie reicht aus, um die gigantischen Rotorenblätter der sechs Windräder in Schwung zu bringen, die der regionale Stromversorger EnergieSüdpfalz GmbH & Co. KG betreibt. Unablässig drehen sie ihre Runden und mit jeder Drehung produzieren sie umweltfreundlichen Strom. Pro Jahr insgesamt 40 Millionen Kilowattstunden für 13.800 Haushalte. Der Windpark hat eine Gesamtleistung von 15,8 Megawatt. Windkraftanlagen wie diese gibt es viele tausende auf der ganzen Welt. Doch ein kleiner Betonbau am Fuße der über hundert Meter hohen Windräder macht den Offenbacher Windpark zu etwas Besonderem: In dem Häuschen steckt die erste Hochfrequenzfilteranlage von MR, die für störungsfreie Netze bis zu einem Frequenzbereich von 9 kHz sorgt.
Die Vorgeschichte
Das ist nötig, denn Strom aus erneuerbaren Energien ist zwar umweltfreundlich, doch anders als bei konventionellen Kraftwerken ist es bei Windkraftanlagen schwierig, die Netzfrequenz stabil zu halten. Je nach Windstärke drehen sich die Rotoren mal schneller oder langsamer. Die erzeugte Strommenge variiert also. Um diese Schwankungen abzufangen, kommen in modernen Windenergieanlagen Stromrichter mit sogenannten IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) zum Einsatz. Das Problem: Diese Technik verursacht Oberschwingungen, die für Stromnetze schädlich sind.
Ein Windparkbetreiber darf seinen Strom daher nur dann ins Netz einspeisen, wenn gewisse Grenzwerte nicht überschritten werden. Genau vor diesem Problem stand die EnergieSüdpfalz zusammen mit dem Projektentwickler, der juwi Wind GmbH: Der von den Windrädern erzeugte Strom überschritt die Grenzwerte für Oberschwingungen in einem Frequenzbereich bis 9 kHz. Die beiden Partner holten sich daher Rat bei den Power Quality Experten von MR. „Oberschwingungen sind per se nicht ungewöhnlich und können mit passiven Filteranlagen beseitigt werden. Auf diesem Gebiet haben wir schon viele Jahre Erfahrung. Aber normalerweise hatten wir es mit Frequenzbereichen bis 2,5 kHz zu tun“, erklärt Dr. Thomas Schlegel, Technischer Leiter der Abteilung Power Quality.
Das Filterkonzept
Schlegel und sein Team nahmen die Herausforderung an und machten sich an die Entwicklung eines geeigneten Filterkonzepts. Das sollte den Oberschwingungspegel im Frequenzbereich bis 9 kHz breitbandig absenken und dabei einzelne Oberschwingungsfrequenzen erheblich reduzieren. Zunächst führten die Experten umfangreiche Messungen im Windpark durch, um diese dann mit einer mathematischen Simulation zu kombinieren. „Wir kommen nur zu einer optimalen Lösung, wenn wir unsere Modelle mit echten Messwerten verknüpfen“, so Schlegel. Eine passive Oberschwingungsfilteranlage besteht immer aus den gleichen Komponenten. Dazu zählen zum Beispiel Drosseln, Kondensatoren, Leistungsschalter und Spannungswandler.
„Wir möchten unseren Kunden ganzheitliche Lösungskonzepte bieten. Das Projekt haben wir daher von der Konzeption bis zur Inbetriebnahme begleitet.“ Dr. Thomas Schlegel
Technischer Leiter der Abteilung Power Quality
„Entscheidend war, diese Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass sie auch tatsächlich im hohen Frequenzbereich die Oberschwingungen in ausreichender Zahl herauszufiltern. Jede Filterkreisanlage ist am Ende individuell, da sie immer genau auf die Gegebenheiten vor Ort zugeschnitten ist. Da spielt die Netzstruktur eine Rolle aber auch viele andere Parameter.“ Die Lösung: ein Konzept mit drei Filterkreisen mit Abstimmungsfrequenzen von 189/3800/5600 Hz und einer Gesamtleistung von 2800 kvar. Die Installation vor Ort führten ebenfalls die Power Quality Experten durch. „Wir möchten unseren Kunden ganzheitliche Lösungskonzepte bieten. Das Projekt haben wir daher von der Konzeption bis zur Inbetriebnahme begleitet“, so Schlegel. Nachweismessungen bestätigten die Performance der Anlage im Betrieb. So bekommen seit April 2017 rund 13.800 Haushalte sauberen Strom aus sauberer Windenergie.
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