Aktuell / 10.12.2013

Netzwirkung von Windenergieanlagen genau messen

Der Anschluss von erneuerbaren Energien Anlagen an das Stromnetz beeinflusst die Netzqualität. Um Kapazitäten optimaler zu nutzen und Störungen zu vermeiden, haben Wissenschaftler der Hamburger Helmut-Schmidt-Universität ein Messgerät für die Netzimpedanz entworfen. Es ermittelt die Wirkung von Windenergieanlagen auf das Mittelspannungsnetz. Ein Messgerät für Hochspannungsleitungen soll bis 2016 folgen.

Im Container ist das mobile Messgerät für die Impedanzmessung in Mittelspannungsnetzen kompakt aufgebaut. Bild: HSU-Professur-EES

Windparks verändern mit ihrer Innenimpedanz die Eigenschaften des Stromnetzes. Diese Impedanz ist abhängig von der Zeit und Frequenz. Sie überlagert sich mit dem Verlauf der Netzimpedanz, dem Widerstand des elektrischen Energieversorgungsnetzes. Die Überlagerung kann sich positiv aber auch negativ auf die Netzqualität auswirken.

 

Bisher bewerten Planer den Einfluss der von den Windanlagen erzeugten Oberschwingung mit simulierten oder berechneten Werten der Netzimpedanz. Durch eine genaue Messung können Fehlplanungen, wie teure Überkapazitäten und technische Nachrüstungen, vermieden werden. „Windpark-Betreiber können ihre Parks künftig effektiver planen und optimaler ausrichten“, verspricht Professor Detlef Schulz, Professur für Elektrische Energieversorgung an der Helmut-Schmidt-Universität.

 

Pilotmessgerät für Netzanschluss in Betrieb

Sein Team entwickelt ein Messgerät, das an den Anschluss des Windparks installiert wird. Es misst, wie das Netz auf die eingespeisten Energiemengen reagiert. Das Messgerät zur Netzimpedanzbestimmung auf der Mittelspannungs-Ebene von 20 Kilovolt haben die Wissenschaftler im Dezember 2013 in Betrieb genommen.

Das Messgerät zur Netzimpedanzbestimmung auf der Mittelspannungs-Ebene von 20 Kilovolt wurde im Dezember 2013 auf dem Gelände der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg in Betrieb genommen. Bild: HSU-Professur-EES

Das Messgerät besteht aus einer Mittelspannungsschaltanlage, die die Schaltschnittstelle zwischen dem Netz und dem Messcontainer bildet. Eine Sicherungsanlage kann die Messeinrichtung bei Netzfehlern selektiv abschalten. Das Herzstück der Messeinrichtung ist eine Leistungselektronikschaltung. Sie besteht aus einer Thyristorbrücke und einem IGBT-Schalter (Insulated gate bipolar transistor) für die Netzimpedanz-Anregung. Aus der Netzanregung wird durch hochempfindliche Mess- und Auswertetechnik die frequenzabhängige Netzimpedanz bestimmt. Dies funktioniert auch bei Netzen mit asymmetrischem Aufbau. Die Entwicklung für die 20-Kilovolt-Ebene hat das Bundesumweltministerium von 2008 bis 2013 mit einem Projektvolumen von 560.000 Euro gefördert.

 

Messgerät für Hochspannungsnetz im Öltank

Auf diesem Wissen aufbauend entwickelt das Team seit September 2012 eine weiteres Messgerät. Dieses wird für die Hochspannungsebene von 110 Kilovolt konstruiert, da der größte Teil der erneuerbaren Energien Leistung in Deutschland in das Mittel- und Hochspannungsnetz eingespeist wird. Die technischen Anforderungen unterscheiden sich, da in der Mittelspannungsebene ein luftisolierter Aufbau üblich ist. Wegen der niedrigeren Spannung kann das Messequipment – bestehend aus der leistungselektronischen Schaltung zur Netzanregung, der Messtechnik und der Last – ohne zusätzlichen Isolieraufwand in einem Baustromcontainer realisiert werden. Auf der 110-Kilovolt-Ebene müssen für eine Umsetzung in Luftatmosphäre große Abstände eingehalten werden. Deshalb werden alle unter Spannung stehenden Teile im Messaufbau in einem Öltank untergebracht.

Bei der Leistungselektronikschaltung kommt anstatt einer Thyristor- eine Diodenbrücke zum Einsatz. Dies ist möglich, da ein asymmetrischer Netzaufbau auf der Hochspannungs-Ebene nicht zu erwarten ist.

 

Das Bundesumweltministerium unterstützt das Projekt „Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung der frequenzabhängigen Netzimpedanz“ in den kommenden vier Jahren mit 2,5 Millionen Euro. Der Industriepartner Astrol Electronics übernimmt die technische Realisierung der leistungselektronischen Schaltung. Vattenfall stellt einen Verknüpfungspunkt zum 110-Kilovolt-Hochspannungsnetz zur Verfügung, an dem der Prototyp getestet werden soll.

Messgerät der Helmut-Schmidt-Universität

Bild: HSU-Professur-EES

Universität der Bundeswehr Hamburg

Fakultät für Elektrotechnik

Professur für Elektrische Energiesysteme

Holstenhofweg 85

22043 Hamburg

Telefon: +49(0)406541 2757

Fax: +49(0)406541 3083

E-Mail: detlef.schulz@hsu-hh.de
http://detlef.schulz@hsu-hh.de/

Bild: HSU-Professur-EES

Im Pilotbetrieb bestimmt das Messgerät die Netzimpedanz an einer Mittelspannungssammelschiene auf dem Campus der Helmut-Schmidt-Universität. Diplomingenieur Hauke Langkowski, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Elektrische Energiesysteme, bei der Inbetriebnahme im Dezember 2013.