Windparknetze und Netzintegration
Die Rahmenbedingungen:
Das Ziel der Windenergienutzung mit modernen Windkonvertern ist die Strombereitstellung. Dazu wird den bewegten Luftmassen ein Teil ihrer kinetische Energie entzogen und über eine Wandlungskette in elektrischen Wechselstrom umgewandelt.
Die überwiegende Mehrzahl aller WEA weltweit werden im netzgekoppelten Betrieb eingesetzt, d.h. sie sind elektrisch mit den übergeordneten Versorgungsnetzen verbunden. In Europa ist dies das UCTE-Netz*1. Jeder Windpark besitzt mindestends eine solcher Netzeinspeisepunkte, die im Windpark direkt, in unmittelbarer Nähe oder auch mehrer Kilometer weit entfernt liegen können.
Windparks sind heute als Kraftwerke zu sehen, die alle Anforderungen bezüglich der Netzanschlüsse und der Einbindung in die vorhandenen elektrischen Versorgungsnetze erfüllen müssen. Darüber hinaus sind bestimmte Systemdienstleistungen (SDL*2) zum Netz zu erfüllen.
Errichtung und Betrieb einer Erzeugungsanlage (ugs: "Windpark") müssen so erfolgen, dass ein netzverträglicher Parallelbetrieb (Netzkopplung) in dem Netzgebiet der Übertragungsnetzbetreiber gewährleistet ist und unzulässige Rückwirkungen unter Berücksichtigung der geltenden gesetzlichen Bestimmungen sowie den anerkannten Regeln der Technik ausgeschlossen werden.
Kriterien für eine optimierte Netzauslegung (Auszug aus/ *3/)
Im wesentlichen müssen folgende Anforderungen für eine Auslegung in Windparks erfüllt werden :
1. Gesicherter Betrieb des Windparks für alle Betriebszustände
Eine rechnergestützte Simulation der Netzkonfigurationen führt mittels Lastfluß- und Kurzschlußberechnungen zu Ergebnissen, die eventuelle unzulässige Beanspruchungen an einzelnen Betriebsmitteln sowie sicheres Ansprechen der Schutzeinrichtungen für die Fälle Minimal-, Teil- und Vollast erkennbar machen.
2. Einhaltung des Spannungs- und Frequenzniveaus an allen Netzpunkten
Der Hersteller bestimmt konstruktiv die Betriebsführung der WKA-eigenen Betriebsmittel sowie die elektrische Auslegung, die für die Spannungs- und Frequenzhaltung wesentlich ist. Bei der Netzauslegung sind die Angaben des Herstellers zu berücksichtigen. Hierbei werden die Kompensationseinrichtungen und deren Schaltverhalten besonders betrachtet. Große Unterschiede sind auch bei den realisierten Schutzkonzepten erkennbar.
3. Minimierung aller auftretenden Netzkosten
Die Auslegung der Netztopographie und Netzdimensionierung werden nach der Kelvin-Regel, Spannungsdifferenzberechnungen und energiewirtschaftlichen Berechnungs-Methoden für die Kostenbewertung durchgeführt.
4. Erfüllung aller Anforderungen nach den bestehenden Regeln der DIN, IEC, VDE und VDEW-Richtlinien und Normen
Das Parknetz - Energie & Informationen
Die wichtigsten elektrische Parkkomponenten lassen sich in den Generator, in das System zur Netzeinspeisung und in das Steuer- und Überwachungssystem für den Anlagenbetrieb unterteilen.
Bei modernen drehzahlvariablen Windenergieanlagen mit Synchron- oder Asynchrongenerator, schwankt der vom Generator erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Amplitude mit der Windstärke. Deshalb wird er mit einem gesteuerten Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und in einem Kondensator oder einer Spule zwischengespeichert (Zwischenkreis). Anschließend wird der Strom in einem Wechselrichter in netzfrequenten Wechselstrom transformiert. Zuletzt wird die Generator-Ausgangsspannung (üblich: Niederspannung 400-690V) über einen Anlagentransformator auf Netznennspannung (üblich: Mittelspannung 10-34,5 kV) hochtransformiert und über ein System von Leistungsschaltern (-> Mittelspannungs- Schaltanlage) mit dem Park-Stromnetz verbunden.
Entsprechend der Position der WEA im Windpark, kann die Mittelspannungs-Schaltanlage aus einer zweifeldigen bis vierfeldigen Anordnung bestehen. Eine zweifeldige Anordnung wird gewählt, wenn die WEA die Erste in einer Linie ist. Die MS-Anlage besteht dann nur aus einem Trafoanschlussfeld und einem Kabelabgangsfeld. Befindet sich die WEA in der Mitte einer Linie, dann befindet sich eine dreifeldige MS-Anlage im Turm, die aus einem Trafoanschlussfeld einem Eingangsfeld und einem Abgangsfeld für die Erdkabel besteht.Eine vierfeldigen Anordnung wird gewählt, wenn sich die WEA an einem Knotenpunkt mehrer Linien befindet, dann gibt es ein Trafoanschlussfeld, zwei Eingangsfelder und ein Abgangsfeld (siehe Bild 1 unten). Die einzelnen WEA sind über ihre MS-Schaltanlagen mittels MS-Erdkabel verbunden. Üblicherweise werden Einzelader-Erdkabel eingesetzt, die ein einfachere Verlegung durch das WEA Fundament über Leerrohre ermöglicht. Aus Kostengründen hat sich als Leitermaterial hochreines Aluminium gegenüber teurerem 99,5%igem Elektrolytkupfer durchgesetzt. 
Bild 2: Darstellung eines einfachen Parknetzes, bestehend aus 4 WEA
Üblicherweise werden die in der Windindustrie eingesetzten Mittelspannungs-Schaltanlagen in kompakter, mit Schwefelhexafluorid (SF6) gasisolierter, Ausführung eingesetzt. Die Durchschlagsfestigkeit von SF6 ist bei Atmosphärendruck etwa 3x höher als in Luft. Eine kompakte Bauweise ist sehr wichtig, da die MS-Schaltanlagen durch die Tür der WEA eingebaut werden.
Informations- & Datennetz:
Links zu vertiefenden wissenschaftlichen Abhandlungen:
Netzanschluss von Windenergieanlagen in MS-Netzen
schöne Präsentation von envia Netz mit zahlreichen Bildern und Schaltplanbeispielen
Netzintegration der Windenergie - ein Überblick (Dr. rer. nat. Markus Koschinsky, Eric Effern
WINDTEST Grevenbroich GmbH, Germany http://www.windtest-nrw.de)
Synchronisation von netzgekoppelten Windenergieanlagen in einem Windpark
von Andreas Stampa, Inst. f. Energieversorgung Universität Hannover; Fritz Santjer, DEWI
/*3/ Optimierte Netzauslegung in Windparks Netzverluste am Beispiel eines 110 kV-Umspanners am Verknüpfungspunkt (DEWI Magazin Herzig, U.; de Witt, U.; BioTec - Umweltschutztechnologien, Esens.)
DENA Netzstudie: Integration erneuerbarer Energien in die deutsche Stromversorgung im Zeitraum 2015 – 2020 mit Ausblick 2025.
Kraftwerkseigenschaften von Windenergieanlagen (R.Klosse, F.Santjer DEWI)
Anmerkungen:
*1 Das Europäische Verbundsystem UCTE ist ein europaweites engmaschiges Netz aus Hoch- und Höchstspannungs-Leitungen zur Stromverteilung. Es existieren in Europa mehrere solche Verbundsysteme parallel welche alle mit Wechselspannung bzw. Dreiphasenwechselstrom betrieben werden. Der Vorteil eines solchen Netzes ist, dass Schwankungen erheblich besser ausgeglichen werden können als wenn jedes Land ein eigenes alleinstehendes Netz hätte.(->Wikipedia)
*2 Die Verordnung zu Systemdienstleistungen durch Onshore-Windenergieanlagen (SDLWindV) stellt technische Anforderungen an die Stromeinspeisung von Onshore-Windenergieanlagen und soll so laut Gesetzgeber die Netzstabilität und Netzsicherheit auch bei steigenden Windstromanteilen sicherstellen.