Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die anspruchsvolle Aufgabe, neben den Grundlagen ein zielführendes Vertiefungswissen aufzubauen. Hier die Themen im Einzelnen:

• Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung
• Grundlagen des elektrischen Systems
• Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine
• Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine
• Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators
• Leistungselektronik für WEA
• Grundlagen der Netzregelung
• Blindleistungsstellung mit WEA
• Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie
• Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009
• Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen
• Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung
• Zertifizierung und Modellbildung

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung: Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es wird zwischen den Konzepten mit aufgelöstem Triebstrang und konzentriertem Triebstrang unterschieden. Dabei werden die ersten Grundlagen der Funktion des Generators und der Leistungselektronik diskutiert. Es wird das Grundprinzip der Netzkopplung sowie der Netzeinspeisung erläutert. Unter diesem Punkt werden auch die Grundlagen der Windkraftnutzung erklärt. Dazu gehören die nutzbare Windleistung, der Leistungsbeiwert (Betz-Faktor), die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien, der drehzahlstarre und drehzahlvariable Betrieb und die Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung an einer Windenergieanlage.

Grundlagen des elektrischen Systems: Hierbei geht es um einen Überblick über die elektrischen Größen in einer Windenergieanlage. Dazu gehören Leistungsbegriffe und ihre Bedeutung, aber auch die mögliche Einbindung in ein Windparknetz sowie der Anschluss am öffentlichen Netz. Dazu werden erste Grundlagen der Netzkopplung von WEA mit Frequenzumrichtern und mögliche Windparkstrukturen erläutert. Für die in WEA genutzten Generatortypen werden grundlegende Niederspannungs- und Mittelspannungskonzepte vorgestellt.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine: Nach der Erläuterung des Drehfeldbegriffs werden der Motor- und Generatorbetrieb anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Aufbau von Kurzschlussläufern und Schleifringläufern wird erläutert. Ausgehend von den elektrischen und magnetischen Größen wird das Wirkprinzip im Motor- und Generatorbetrieb erklärt. Auf das einsträngige Ersatzschaltbild wird kurz eingegangen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Drehstrom-Asynchronmaschine und die Parameter Speisefrequenz, Polpaarzahl, Synchrondrehzahl, Schlupf, Kippmoment und der unter- und übersynchrone Betrieb werden erläutert. Das drehzahlabhängige Verhalten von Rotorfrequenz und Rotorspannung wird beschrieben. Es folgen Beispiele zur Nutzung der Drehstrom-Asynchronmaschine in Windenergieanlagen.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine: Es werden Aufbau und Funktion von Vollpol- und Schenkelpolausführungen beschrieben. Das Ersatzschaltbild wird zur Erläuterung der Wirkungsweise genutzt. Weitere Themen sind die Netzsynchronisation, die statische Stabilität der Synchronmaschine und die Nutzung von Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung und Permanentmagnet-Erregung in Windenergieanlagen.

Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DGASG): Begonnen wird mit dem Grundprinzip des DGASG mit Rotorumrichter. Es wird gezeigt, wie das einsträngige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Funktion genutzt werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis des unter- und übersynchronen Generatorbetriebs und der dabei auftretenden Leistungsflüsse. Dazu wird die Funktion des DGASG in Windenergieanlagen ausführlich erläutert und mit Messbeispielen aus der Praxis veranschaulicht. Es werden weiterhin die besonderen technischen Problemstellungen beim Betrieb von Generatoren mit hohen Rotorspannungen verdeutlicht.

Leistungselektronik für WEA: Nach einer Übersicht über die Arten leistungselektronischer Wandler und einer Übersicht der nutzbaren Bauteile, wird die Funktionsweise dreiphasiger Wechselrichter erläutert. Die zur Erzeugung eines Drehstromsystems verwendete Pulsweitenmodulation wird wegen der einfacheren Veranschaulichung anfangs anhand eines einphasigen Wechselrichters verdeutlicht. Es folgt die Erweiterung auf dreiphasige Wechselrichter, verbunden mit der Beschreibung eines vollständigen Systems eines Frequenzumrichters. Dabei werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite, des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Grundlagen der Netzregelung: Es werden die wesentlichen Regelungsmechanismen in Verbundnetzen beschrieben. Begonnen wird mit der Frequenz-Wirkleistungs-Regelung, deren Wirkungsweise auch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird. Danach wird die Spannungs-Blindleistungs-Regelung erläutert, deren Wirkung anhand eines auftretenden Spannungstrichters im Fehlerfall verständlich wird.

Blindleistungsstellung mit WEA: Nachdem die Grundlagen der Spannungsregelung bekannt sind, wird anhand eines exemplarischen Windparks gezeigt, wie Windenergieanlagen an der Spannungsregelung beteiligt werden können. Dabei wird Wert auf die praxisnahe Betrachtung eines leistungsstarken Windparks mit Anschlusspunkt auf der Höchstspannungsebene gelegt. Somit ist auch der Einfluss der passiven Übertragungseigenschaften von Transformatoren und Kabel auf die Blindleistungsbilanz zu berücksichtigen.

Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie: Die Zweiachsentheorie wird eingeführt, um eine einfache Struktur mit unabhängiger Regelung von Wirk- und Blindleistung zu entwickeln. Dieses Prinzip wird deshalb erläutert, weil es bei der Regelung von Windenergieanlagen seit langer Zeit Stand der Technik ist.

Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009: Es wird der Hintergrund der Anforderungen an WEA nach EEG 2009 beschrieben. Dann wird der thematische Bezug zu den Themen Netzregelung und Blindleistungsstellung mit WEA hergestellt. Anschließend werden die in den technischen Richtlinien dargestellten Anforderungen im Detail erläutert.

Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen: Da die elektrischen Komponenten einer Windenergieanlage ein gemeinsames System bilden, kann das Gesamtverständnis nur aus der Systembetrachtung erwachsen. Deshalb wird an dieser Stelle die Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz diskutiert. Wegen seiner praktischen Relevanz wird anschließend das Thema Netzrückwirkungen vertiefend diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung: Als Grundlage der nachfolgenden Zertifizierungsabläufe werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen hinsichtlich ihrer Relevanz für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Möchte man tiefer einsteigen muss man sich mit den elektrischen Komponenten für Windparks beschäftigen. Die Auswahlkriterien für elektrische Komponenten von Windparks sind komplex. Dazu gehören die Auswahl der Spannungsebene, die Netzgestaltung, die Auswahl von Transformatoren und Schaltanlagen, die Auswahl geeigneter Kabel, die Verminderung von Netzrückwirkungen sowie die Anforderungen an die Schutztechnik. Für den Netzanschluss von leistungsstarken Windenergieanlagen sind unterschiedliche Konzepte nutzbar. Abhängig von der Spannungsebene ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für die Auswahl von Transformatoren, Schaltanlagen, Kabel und die Schutztechnik. Auch die Regelung der Blindleistung muss abhängig von der eingesetzten Anlagentechnik erfolgen. Im Kurs wird ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel der technischen Komponenten sowie die dabei auftretenden Wirkungsketten aufgebaut.

Im folgenden nochmals die Themen:

• Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks
• Generatoren - Asynchrongenerator
• Generatoren - Synchrongenerator
• Leistungselektronik für WEA
• Elektrische Netze
• Transformatoren
• Kabel
• Freileitungen und natürlicher Betrieb
• Schaltanlagen
• Schutztechnik
• Blindleistungsmanagement in Windparks
• Trafos für Offshore-Anwendungen
• Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten
• Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks: Hier werden die allgemeinen technischen Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks diskutiert. Die Diskussion dient dazu, einen gemeinsamen Anfangsstand für die weiterführenden Betrachtungen zu schaffen.

Generatoren - Asynchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Asynchrongenerators gegeben.

Generatoren – Synchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Synchrongenerators gegeben.

Leistungselektronik für WEA: Es werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Elektrische Netze: Hier werden die Spannungsebenen, unterschiedliche Netztopologien und ihre Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten des Netzbetriebs erläutert.

Transformatoren: Es werden Aufbau und Funktion von Leistungstransformatoren beschrieben. Behandelt werden feststoffisolierte und flüssigkeitsisolierte Transformatoren. Als Parameter werden die Schaltgruppe, die relative Kurzschlussspannung sowie Bedingungen der Parallelschaltung im Netz untersucht. Es werden typische Schadensbilder von Leistungstransformatoren gezeigt und deren Ursachen erläutert. Der Einsatz von Leistungstransformatoren in Windparks wird diskutiert. Hierbei wird auf den Zusammenhang zwischen Isolierstoff und Brandsicherheit eingegangen.

Kabel: Aufbau und Funktion von Kabeln im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden erläutert. Es wird auf die Unterschiede im Aufbau bei unterschiedlichen Spannungsebenen eingegangen. Die Bezeichnungen von Kabeln werden erläutert. Das Ersatzschaltbild von Kabeln wird beschrieben.

Freileitungen und natürlicher Betrieb: Es werden der Aufbau und die Funktion der Elemente von Freileitungen beschrieben. Besonderer Wert wird auf die Darstellung des Betriebsverhaltens gelegt. Der natürliche Betrieb als wirtschaftlichste Betriebsart wird ausführlich behandelt. Dazu gehört die Bewertung unterschiedlicher Betriebsfälle anhand des Ersatzschaltbildes einer Freileitung. Anschließend wird das Problem der Spannungsstabilität behandelt.

Schaltanlagen: Es werden die unterschiedlichen Technologien zur Ausführung von Schaltanlagen vorgestellt. Die wesentlichen Komponenten wie Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrennschalter und Trenner sowie deren Aufgaben werden erläutert.

Schutztechnik: Hier werden die grundlegenden Prinzipien des Anlagen- und Komponentenschutzes vorgestellt. Es werden Beispiele für die Anwendung der Schutztechnik erläutert.

Blindleistungsmanagement in Windparks: Es wird gezeigt, in welcher Form Windenergieanlagen am Blindleistungsmanagement in Windparks beteiligt werden können und wodurch deren Stellmöglichkeit begrenzt wird.

Transformatoren für Offshore-Anwendungen: Ein Koreferent aus der Praxis stellt Konzeptionen für Transformatoren in Offshore-Anwendungen vor. Dabei werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Isolierkonzepte sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an die Brandsicherheit diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten: Es werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen diskutiert. Das erfolgt anhand der technischen Richtlinien, d.h. der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und des TransmissionCodes. Die Folgen für die Auslegung von Komponenten und für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen werden diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung für Windenergieanlagen, Zusatzkomponenten und Windparks werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Quelle:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Elektrische Energiesysteme