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Umrichter/Steuerung: Erfahrungswerte machen sich bezahlt

Jan

04

2015

In den Anfangsjahren der Windenergie gab es nur wenige Umrichter, diese waren zumeist Thyristorumrichter. Heutzutage findet man fast ausschließlichUmrichter in IGBT- (Isolatet Gate BipolarTransistor), bei höheren Spannungenauch in IGCT-Bauweise, die pulsbreitenmoduliertoder toleranzbandgesteuertarbeiten.Problemfeld Halbleiterund Kondensatoren Schäden an diesen Umrichtern ereignensich zumeist an den Leistungshalbleitern(IGBTs) oder den Kondensatoren des Zwischenkreises.

Problemfeld Halbleiter und Kondensatoren

So gab es in den erstenJahren des neuen Jahrtausends häufigHalbleiterausfälle, weil sich z. B. dieIGBTs aufgrund einer alternden Wärmeleitpasteüberhitzten. Da der Temperaturfühleram Kühlkörper angebrachtwar und nicht am IGBT, konnte er dieerhöhten Temperaturen nicht feststellen.Weiterhin fielen die IGBTs früherhäufig sporadisch aus. So war es durchausnicht ungewöhnlich, dass in einemWindpark nach der Inbetriebnahmeim ersten Sturm 1–2 Prozent der IGBTsversagten. Nach dem Austausch ergabsich die bekannte „Badewannenkurve“ –die Schäden wurden geringer, um dannnach vielen Jahren wieder zuzunehmen.

Allerdings muss hierbei bedacht werden,dass IGBTs erst Anfang der Neunzigerjahrein größeren Mengen Einzug indie Leistungselektronik hielten.Aufgrund der Weiterentwicklungder Halbleiter sowie einer besserenÜberwachung dieser durch die Steuerungsind solche Schäden inzwischenstark rückläufig. Und auch bei den Kondensatoren werden heute teilweiseFolienkondensatoren und nicht mehr Elektrolytkondensatoren eingesetzt; diese sind deutlich zuverlässiger, aber auch entsprechend teurer und größer.Doppeltgespeiste Asynchronmaschine: Von der „Crow Bar“zum „Chopper“Ab 1996 schien sich die sogenannte doppeltgespeiste Asynchronmaschine durchzusetzen.

Doppeltgespeiste Asynchronmaschine: Von der „Crow Bar“zum „Chopper“

Die Umrichter für diese Maschinenschützten sich zumeist mit einer„Crow-Bar“ gegen Überspannungen desGenerators, da dieser bei Störungen imUmrichter noch Energie zuführte, welche sodann Überspannungsschäden bewirkenkonnte. Zudem wurde der Generatorin der Folge zum „Kurzschlussläufer“, was schnell einen starken Drehmomentstoßim Triebstang auslöste.Derzeit werden die Umrichter aufimmer größere Leistungen gebracht, umden gleichfalls wachsenden Leistungender Windenergieanlagen gerecht zuwerden. Zudem bestehen heute weitausstrengere Anforderungen an die Umrichterbezüglich Netzverträglichkeit undNetzstützung – maßgebend sind hier dieAnforderungen aus der SDL-Wind-Verordnung.

So müssen die Umrichter bei Spannungseinbrüchen das Netz durch Blindleistung stützen und dürfen sichbei kurzzeitigen Spannungseinbrüchennicht mehr vom Netz trennen. Und auch hierfür werden weiterhin doppeltgespeiste Asynchronmaschinen eingesetzt. Allerdings verfügen die meisten Umrichter heute anstelle der genannten„Crow Bar“ über einen „Chopper“ im Zwischenkreis. Dieser schließt nun nicht mehr den Generator kurz und führt zu dem Drehmomentstoß, die „gefährliche“ Energie wird stattdessen in einem großen Widerstand gesteuert „verheizt“.

Erst hierdurch lassen sich die Drehmomentstöße stark reduzieren und die gestiegenen Netzanforderungen erfüllen. Der Vorteil der geringeren Umrichterleistung gegenüber Vollumrichtern wird hierdurch jedoch weitestgehend aufgebraucht.

Trend zu Vollumrichteranlagen

Durch die Kostenreduktion der Halbleiterbauelemente, die gestiegenen Anforderungen bezüglich der Netzverträglichkeit und der Weiterentwicklung von getriebelosen Anlagen oder Anlagen mit Permanentmagnetgenerator geht der Trend nun vielmehr zu Anlagen mit Vollumrichter. Dabei ist der Generator nicht mehr direkt mit dem Netz verbunden, die gesamte Energie wird stattdessen über den Umrichter geführt. Durch die vollständige Entkopplung des Generators vom Netz kann nun auf beide Seiten unabhängig Einfluss genommen werden, der Generator arbeitet mit konstantem Moment weiter und der Umrichter kann soweit möglich Energie ins Netz einspeisen und dieses stützen.

Die nicht in das Netz einspeisbare Energie wird im sogenannten Chopper „verheizt“. Zudem setzt man inzwischen vermehrt auf höhere Spannungen: So werden im Offshore-Bereich teilweise Umrichter mit 960 V oder auch 3 kV anstatt der üblichen 690 V bzw. 400 V eingesetzt. Auch die Spannung in der Turmverkabelung steigt dann häufig auf 3 kV, 6 kV oder gar 20 kV an. Hierbei handelt es sich dann nicht mehr um Niederspannung, sondern um Mittelspannung. Für Arbeiten an Mittelspannungen sind speziell qualifizierte Fachkräfte erforderlich. Diese Arbeiten dürfen nicht mehr von den üblichen Elektrofachkräften bewerkstelligt werden.

Auch die Halbleiterbauteile sind weiterentwickelt worden. Dabei konnte die Zuverlässigkeit erhöht und die Durchlassspannung herabgesetzt werden. Als Folge entstehen weniger Verluste. Dadurch werden Umrichter effizienter, die Abführung von Verlustwärme wird optimiert und die Baugrößen nehmen ab.

Schnellere Reaktionszeiten durch integrierte Umrichtersteuerung

Eine andere Weiterentwicklung betrifft die Steuerung. Bei älteren Anlagen sind die Umrichter zumeist aus industriellen Anwendungen abgeleitet worden. Dabei gab es selten ausreichend Status- und Fehlermeldungen zur Anlagensteuerung. Später wurden die Umrichter über Bussysteme angeschlossen oder erhielten ein eigenes Datenmodem, um einen Fernzugriff auf den Umrichter zu ermöglichen. Dieses erleichterte die Fehlerdiagnose und beugte natürlich auch dem Neustart bei schwerwiegenden Fehlern vor – war es zuvor doch nicht selten nach mehrfachen Starts mit defekten Umrichtern zu schweren Folgeschäden oder gar Bränden gekommen.

Derzeit laufen die ersten Anlagen, bei denen die Steuerung der Umrichter in die Anlagensteuerung integriert ist. Dabei werden die Daten des Umrichters direkt von der Anlagensteuerung mit erfasst, die Pulsmuster werden auch von der Anlagensteuerung generiert und an die Halbleiter gegeben, Umwege werden vermieden. So kann z. B. sehr schnell Einfluss auf die Blattverstellung und die Umrichterregelung genommen werden, wenn die Netzerkennung einen Netzfehler meldet. Bei älteren Anlagen wurde das Pitchsystem erst geregelt, wenn sich die Drehzahl aufgrund fehlenden Drehmoments änderte.

Schadensbilder:

Brandschäden nach Umrichterdefekt

Zerstörte Leistungshalbleiter (IGBT)

Fazit
Grundsätzlich bleibt festzuhalten, dass sich die Ausfallraten der Umrichter stark gemindert haben. Hier schlägt die Erfahrung aus den ersten Anlagen mit Umrichtern und ihren teilweise schweren Folgeschäden sowie die ständige Weiterentwicklung der Leistungselektronik positiv zu Buche.

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