Harmonische in Windkraftanlagen – Teil 2
Schon im Blogpost ‚Harmonische in Windkraftanlagen – Teil 1‘ haben wir erkannt, dass Harmonische bzw. Oberschwingungen ein großes Problem in der Stromerzeugung darstellen. Sie führen zur frühzeitigen Alterung von Bauteilen, Leistungseinbußen und gefährden die Stabilität des Stromnetzes. Aus all diesen Gründen möchte man Oberschwingungen so gut wie möglich vermeiden. Dies ist aber kein leichtes Unterfangen und als Allererstes müssen wir herausfinden, wie Harmonische überhaupt entstehen.
Wie Oberschwingungen in Windkraftanlagen entstehen
Die Gründe, welche zur Entstehung von Harmonischen führen, sind vielfältig. Fast immer spielen aber nichtlineare Effekte, also Effekte, die das ideale Sinussignal verzerren, eine Rolle.
Viele leistungselektronische Bauteile sind nichtlinear. Sie benutzen nur gewisse Teile des Sinussignals, wodurch es verzerrt wird und Harmonische entstehen. Solche Bauteile könne Kondensatoren, Spulen oder auch Frequenzrichter sein. Grade die Frequenzrichter sorgen dafür, dass nur bestimmte Harmonische im Signal vorliegen. Ein 6-Puls-Frequenzrichter führt beispielsweise zu stark ausgeprägten Oberschwingungen der Ordnung 6n+1 und 6n-1 wobei n eine positive ganze Zahl ist (Ordnungen 5, 7, 11, 13, 17, 19…). Ein 12-Puls-Frequenzrichter hingegen führt vor allem zu stark präsenten Harmonischen der Ordnung 12n+1 und 12n-1 (11, 13, 23, 25…).
Spektrum von Oberschwingungen analysiert mit der OXYGEN Software
Eine andere Quelle für Harmonische sind Transformatoren. Um die Effizienz von Transformatoren so hoch wie möglich zu halten, werden diese meist am Sättigungspunkt betrieben, da sie dort die geringsten Verlusten haben. Dies bringt aber die Gefahr mit sich, dass der Transformator auch in den übersättigten Bereich gehen kann. In diesem Zustand produziert er Oberschwingungen mit ungerader Ordnung (3, 5, 7, 9…).
Wie man Harmonische vermeidet
Nun ist es uns möglich zu besprechen, was man gegen Harmonische tun kann. In der Praxis sind hier zwei Methoden möglich, welche meist kombiniert werden:
- Schon während Konstruktion und Bau einer Windkraftanlage wird auf Harmonische Rücksicht genommen.
- Nach Fertigstellung der Anlage, können Harmonische durch Filter aus dem Signal entfernt werden.
Beim Bau einer Windkraftanlage kann man verschiedene Dinge in Betracht ziehen. Höhergepulste Frequenzrichter sorgen für einen größeren Abstand zwischen Harmonischen. Ein 12-Puls-Frequenzrichter (Ordnung 11, 13, 23, 25…) erzeugt somit weniger Harmonische als ein 6-Puls Frequenzrichter (Ordnungen 5, 7, 11, 13…). Eine weitere Möglichkeit ist der Einbau von Phasenschiebetransformatoren. Diese können unter richtiger Verwendung erreichen, dass sich die Harmonischen einzelner Windräder im Windpark gegenseitig aufheben.
In vielen Fällen ist es jedoch nur mit aufwendigen Simulationen möglich, die Entstehung von Harmonischen schon bei der Konstruktion einer Windkraftanlage zu berücksichtigen. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, dass man auch im Nachhinein noch Vorkehrungen trifft. So können speziell gewählte Widerstände oder Kondensatoren zur Filterung von Oberschwingungen eingesetzt werden. Hierbei muss man jedoch auf etwaige Resonanzen, die durch die Bauteile eingebracht werden, achtgeben.
Die wohl am häufigsten genutzte Filtertechnik ist die aktive Filterung von Harmonischen. Dabei wird ein zur Harmonischen gegenphasiges Signal in die Leitung eingespeist. Treffen beide Signale aufeinander, heben sie sich auf und die Oberschwingung verschwindet.
Wie man Oberschwingungen misst
All die vorangegangenen Überlegungen nutzen wenig, wenn man keine Möglichkeit hat, Harmonische in Windkraftanlagen zu messen. Um dies zu bewerkstelligen, bietet Ihnen DEWETRON umfassende Möglichkeiten zur Messung und Auswertung von Oberschwingungen an. Ein Messaufbau könnte beispielsweise aus zwei DEWE3-A4 All-in-One-Geräten mit TRION3 Messmodulen bestehen. Eines der Messgeräte wird in der Gondel des Windrades angebracht. Die kompakte Bauweise unserer Produkte ist hier von großem Vorteil. In der Gondel ist es nun möglich, den Drei-Phasen-Wechselstrom oder auch Vibrationen zu messen. Schließt man das Gerät außerdem an die Turbinensteuerung an, erhält man zusätzliche Daten wie Temperatur und Windgeschwindigkeit. Das zweite Messsystem wird am Boden neben dem Transformator aufgestellt. Dort werden zeitsynchron die Verluste, Schallemissionen und weitere Daten aufgezeichnet.
Schematische Darstellung eines Messaufbaus
Unter Einsatz der hauseigenen OXYGEN Software können nun vor Ort aus den Rohdaten Informationen extrahiert werden. Beispielsweise ist es möglich, mittels FFT (Fast-Fourier-Transform) die Harmonischen zu bestimmen und sie mit anderen physikalischen Größen in Relation setzen. Auch eine Aufzeichnung von Daten über einen längeren Zeitraum, ist mit unseren Geräten möglich.
Mehr über DEWETRON
Die Herstellung hochpräziser Prüf- und Messtechnik ist die Stärke von DEWETRON. Die von uns vertriebenen Systeme finden aber nicht nur in Windkraftanlagen Anwendung. Wir bedienen Kunden in unterschiedlichsten Bereichen wie der Automobil– oder Raumfahrtbranche.
Mehr Informationen über unsere Produkte und Dienstleistungen finden Sie auf der DEWETRON Webseite. Hier werden auch regelmäßig Whitepapers oder Video-Tutorials veröffentlicht. Aber auch auf Twitter, YouTube und LinkedIn können Sie uns finden. Dort werden Sie laufend über neueste Updates aus unserem Unternehmen informiert.
