Windturbinen und Solarwechselrichter erzeugen Strom in Niederspannung, typischerweise zwischen 400 V und einigen Kilovolt. Das ist viel zu wenig, um ihn über ein Gelände zu bewegen, geschweige denn in ein Übertragungsnetz. Transformatoren überbrücken die Lücke in zwei Stufen: ein Maschinentransformator je Erzeuger hebt die Spannung auf ein Sammelniveau wie 20 kV oder 33 kV, ein größerer Transformator am Netzverknüpfungspunkt hebt sie erneut an.
Die beiden Hochsetzstufen im Windpark
Jede Anlage hat einen eigenen Hochsetztransformator, entweder in der Gondel oder am Turmfuß. Er nimmt die Ausgangsspannung von Generator oder Umrichter auf und hebt sie auf die Sammelspannung, damit das Kabel durch das Feld einen beherrschbaren Strom führt. Ohne diese Stufe wäre die interne Verkabelung eines Parks unmöglich dick.
Die Sammelkabel laufen in einem Umspannwerk zusammen, wo ein Leistungstransformator die Spannung erneut auf die mit dem Übertragungsnetzbetreiber vereinbarte Ebene anhebt. Offshore wird daraus eine Plattform, bei der Korrosionsschutz, eingeschränkte Zugänglichkeit und Reparaturlogistik die Auslegung ebenso prägen wie die elektrische Bemessung.
Solarparks: vom Wechselrichter zur Sammelspannung
In einer Solaranlage liefern die Module Gleichstrom, den Wechselrichter in Niederspannungs-Wechselstrom umsetzen. Hochsetztransformatoren, meist einer je Wechselrichterstation, bringen ihn auf die Sammelspannung. Der von Protrafo belieferte Vattenfall-Solarpark zeigt das Muster: acht Öl-Verteiltransformatoren 20 kV / 3,15 MVA hinter einem 45-MW-Netzanschluss.
Da die Wechselrichterstationen über das Feld verteilt und oft exponiert stehen, sind die Einheiten für Außenaufstellung ausgelegt, mit einem zum Standort passenden Gehäuse und einer Auffangvorrichtung, wo Mineralöl oder Esterfluid eingesetzt wird.
Auslegung für schwankende, oberschwingungsreiche Last
Eine Erneuerbaren-Anlage belastet ihre Transformatoren ganz anders als eine Fabrik. Die Einspeisung folgt Wind und Einstrahlung, sodass die Einheit zwischen nahezu Leerlauf und Volllast schwingt, mitunter mehrmals täglich. Solche thermischen Zyklen beanspruchen Dichtungen und die mechanische Stabilität der Wicklung stärker als eine gleichmäßige Last.
Wechselrichter speisen zudem Oberschwingungsströme ein. Diese erhöhen die Wirbelstromverluste in den Wicklungen und können eine Leistungsminderung oder eine Auslegung für ein definiertes Oberschwingungsspektrum erfordern. Steht die Anlage in aggressiver Umgebung, küstennah, in staubigem Gelände oder bei hohen Umgebungstemperaturen, gehören Korrosivitätskategorie und Übertemperaturgrenzen ausdrücklich in die Spezifikation statt in ein Standardangebot.
Warum Verluste bei Erneuerbaren schwer wiegen
Leerlaufverluste fallen durchgehend an, unabhängig davon, ob die Anlage einspeist. Lastverluste entstehen nur bei Leistungsfluss. Ein Solarpark mit vergleichsweise wenigen Volllaststunden im Jahr spürt die Leerlaufverluste daher überproportional, weshalb die Grenzwerte nach EcoDesign Tier 2 hier mehr wiegen, als der Anschaffungspreisunterschied vermuten lässt.
Sinnvoll ist ein Vergleich der Lebenszykluskosten: Kapitalisieren Sie Leerlauf- und Lastverluste anhand des erwarteten Erzeugungsprofils und addieren Sie sie zum Kaufpreis. Ein verlustärmerer Kern amortisiert sich häufig deutlich innerhalb der Betriebsdauer.
Die dezentrale Erzeugung fügt einen Punkt hinzu. Dach- und Quartiersanlagen speisen in ein Netz zurück, das ursprünglich für eine Flussrichtung ausgelegt wurde, sodass der Verteiltransformator bidirektionalen Fluss beherrschen und die Spannung am Strangende in den Grenzen halten muss. Legen Sie zuerst Verlustklasse und Umgebungsbedingungen fest, die elektrische Bemessung folgt dann aus dem Anlagenlayout.
