{"id":47342,"date":"2021-11-25T10:11:44","date_gmt":"2021-11-25T10:11:44","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/harmonische-in-windkraftanlagen-teil-1\/"},"modified":"2025-02-05T16:39:14","modified_gmt":"2025-02-05T16:39:14","slug":"harmonische-in-windkraftanlagen-teil-1","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/harmonische-in-windkraftanlagen-teil-1\/","title":{"rendered":"Harmonische in Windkraftanlagen – Teil 1"},"content":{"rendered":"
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Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Zukunft leistet die derzeitige Energiewende einen unverzichtbaren Beitrag. Mit dem Aufkommen von Elektroautos und einer zunehmenden Digitalisierung unserer Gesellschaft stehen wir aber vor einem Problem: Woher nehmen wir die n\u00f6tige elektrische Energie (und das vor allem umweltfreundlich)? Einen wichtigen Teil dieser L\u00f6sung stellt die Windenergie dar. Durch Windr\u00e4der, egal ob an Land oder auf See, wurden im Jahre 2020 weltweit knapp 740 GW an Leistung produziert. Diese Zahl entspricht einem Beitrag von ca. 6% an der weltweiten Stromproduktion, und dieser Anteil steigt.<\/p>\n

Doch mit dem Einsatz von erneuerbaren Energien kommen auch neue Probleme auf unser Stromnetz zu. Bei Windkraftanlagen sind vor allem die Harmonischen <\/em>ein bremsender Faktor. Genau deshalb wollen wir im Rahmen von zwei Blogposts erkl\u00e4ren, warum jene ein Problem darstellen und wie man diesem entgegenwirkt. Hier im ersten Teil widmen wir uns der Definition und Problematik von Harmonischen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Die Definition von Harmonischen<\/h2>\n
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Unser Stromnetz wird zum gr\u00f6\u00dften Teil mit Wechselgr\u00f6\u00dfen (Wechselspannung und Wechselstrom) betrieben. Wie der Name schon aussagt, \u00e4ndert Wechselstrom kontinuierlich seine Richtung und die Wechselspannung analog dazu ihre Polarit\u00e4t.<\/p>\n

Im mitteleurop\u00e4ischen Stromnetz wird Spannung und Strom 50 Mal in der Sekunde gewechselt. Dies geschieht idealerweise Sinusf\u00f6rmig (Abbildung 1). Deshalb hat unser Stromnetz auch eine Frequenz von 50 Hz. In den USA betr\u00e4gt die Netzfrequenz hingegen 60 Hz.<\/p>\n

Harmonische Frequenzen (kurz: Harmonische oder Oberschwingungen) sind Vielfache dieser Grundfrequenz. Hat ein Spannungssignal in Europa beispielsweise eine Frequenz von 100 Hz (2×50 Hz), stellt dies eine 2. Harmonische dar. Als 3. Harmonische wird eine Frequenz von 150 Hz (3×50 Hz) bezeichnet, usw. In Abbildung 1 sind zus\u00e4tzlich zur Grundfrequenz von 50 Hz, auch die zweite und dritte Oberschwingung zu sehen.
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\"second<\/p>\n

Abbildung 1: Zweite und dritte Oberschwingung in einem Spannungssignal<\/p>\n

 
\nMan stellt sich nun nat\u00fcrlich die Frage: Kann es nicht auch Frequenzen geben, die keine Vielfachen der Grundfrequenz sind? Und tats\u00e4chlich ist das der Fall. Solche Frequenzen werden als Interharmonische bezeichnet. Beispiele sind Frequenzen von 76 Hz oder 114 Hz. Auf sie treffen dieselben \u00dcberlegungen zu, wie auf Harmonische.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Welchen Einfluss haben Harmonische?<\/h3>\n

Warum sind nun aber Harmonische bzw. Oberschwingungen ein solches Problem? \u00a0Unser Stromnetz und die daran angeschlossenen Ger\u00e4te verlassen sich darauf, dass ihnen ein perfekt sinusf\u00f6rmiges Signal mit der richtigen Frequenz geliefert wird. Doch genau das verhindern Harmonische. Je mehr Oberschwingungen im Signal vorliegen, desto weiter weicht man von der idealen Sinuskurve ab.<\/p>\n

Betrachten wir ein Beispiel: Die Grundfrequenz eines Spannungssignals sei 50 Hz. Nun f\u00fcgen wir zwei Harmonische mit 100 Hz und 150 Hz hinzu. Addiert man alle drei Spannungssignale, ist das Resultat nicht mehr sinusf\u00f6rmig (Abbildung 2).
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\"harmonic<\/p>\n

Abbildung 2: Verzerrung eines Sinussignals durch Harmonische<\/em><\/p>\n

 
\nDoch was bedeutet das f\u00fcr uns in der Praxis? Wie erw\u00e4hnt, ist der Gro\u00dfteil von Komponenten in unserem Stromnetz f\u00fcr die Grundfrequenz optimiert. Harmonische k\u00f6nnen deshalb zu Hitzeentwicklungen und Vibrationen in Transformatoren, Kabeln und allen anderen Ger\u00e4tschaften f\u00fchren. Am Beispiel von Windr\u00e4dern wird dadurch die Lebensdauer von (vor allem elektronischen) Komponenten verringert. Auch Funktionsst\u00f6rungen in unterschiedlichsten Bereichen (z.B. in Sicherheitssystemen) k\u00f6nnen auftreten. Grund daf\u00fcr ist, dass sich viele Ger\u00e4te an einem exakten Nulldurchgang der Sinuskurve orientieren. Weicht dieser Nulldurchgang aufgrund von Oberschwingungen vom Ideal ab, kann es zu Fehlfunktionen kommen.<\/p>\n

Tats\u00e4chlich ist es m\u00f6glich, dass bis zu 20 % der produzierten Leistung in Form von Harmonischen vorliegen. Dies verringert die Effizienz einer Windkraftanlage deutlich. Merkbar wird das vor allem dann, wenn Harmonische mit einer sogenannten Resonanzfrequenz<\/em> \u00fcbereinstimmen. In diesem Fall wird die entsprechende Harmonische Frequenz (ungewollt) vom System der Windkraftanlage verst\u00e4rkt. Die Resonanzfrequenzen sind hierbei nicht immer bekannt. Sie h\u00e4ngen unter anderem vom Aufbau des Windrades und sogar von der Windgeschwindigkeit ab.<\/p>\n

Schlussendlich ist auch die Stabilit\u00e4t unserer Stromversorgung durch Harmonische gef\u00e4hrdet. F\u00e4llt die Frequenz des gesamten Stromnetzes auch nur von 50 Hz auf 47,5 Hz, kommt es zu gro\u00dfr\u00e4umigen Netzausf\u00e4llen. Dieser und die vorher genannten Gr\u00fcnde sind Anlass dazu, Harmonische in der Praxis m\u00f6glichst zu vermeiden. Wie Harmonische entstehen und was man gegen sie tun kann, werden wir im Blogpost n\u00e4chste Woche beleuchten.
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