Optimierung leistungselektronischer Systeme in Windkraftanlagen Verbesserte Folienkondensatoren für Umrichter

Windenergieanlagen benötigen kompakte leistungselektronische Systeme mit einem hohen Wirkungsgrad und einer langen Lebensdauer. Der Innovationscluster Leistungselektronik für regenerative Energieversorgung erforscht deshalb neuartige Umrichtertechniken für Windenergieanlagen.

Der Innovationscluster Leistungselektronik für regenerative Energieversorgung hat es sich zum Ziel gesetzt, die leistungselektronischen Komponenten für Windkraftanlagen im MW-Bereich zu verbessern. Entlang der gesamten industriellen Wertschöpfungskette werden neue Komponenten für Windkraftumrichter entwickelt und erprobt. Im Einzelnen geht es um

  • anwendungsspezifische Halbleiter-Leistungsbauelemente (IGBTs) für innovative Aufbautechniken
  • hochzuverlässige Leistungsmodule, basierend auf Sinter- und Cu-Drahtbond-Technik
  • effiziente Schaltungstechnik und Treiberschaltungen
  • neue mechatronische Ansätze, welche die Grundlage für eine neue Generation von Leistungselektronikmodulen bilden

Ziel ist es, einen dreiphasigen Demonstrator mit drei Leistungsmodulen – ein Modul pro Phase – zu entwickeln, der sich für den Einsatz in einer Gleichstromkurzkupplung eignet. Als Nennleistung wird 1 MW angestrebt.

Zielsetzung ist möglichst lange Lebensdauer

In diesem zu entwickelnden System spielen sowohl die Leistungsmodule als auch die Kondensatoren eine entscheidende Rolle: Der Leistungswandler in einer Windkraftanlage besteht aus zwei Umrichtern. Diese wiederum enthalten zwei Leistungsmodule, die über einen mit Kondensatoren ausgerüsteten Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden sind und den kompletten Leistungswandler mit Strom versorgen. Die Kondensatoren speichern Energie, die im Fall eines Netzausfalls abgerufen wird und somit den unterbrechungsfreien Betrieb gewährleistet. Folgerichtig sind die Leistungsmodule und die Kondensatoren die Komponenten, die der größten Belastung ausgesetzt sind. Die Kondensatoren müssen also möglichst beständig sein.

„Die Herausforderung bei Kondensatoren für Umrichter in Windenergieanlagen besteht vor allem in der Lebensdauer“, erläutert Dr. Thomas Ebel, Geschäftsführer der FTCAP GmbH (Bild 1). „Ein Windrad sollte möglichst viele Jahre laufen, ohne dass Wartungsarbeiten anfallen. Um das gewährleisten zu können, müssen auch bei den Kondensatoren neue Wege beschritten werden.“

Wer neue Wege beschreitet, muss allerdings auch mit Stolpersteinen rechnen – und im Falle der Windkraftanlagen gibt es davon jede Menge. Die Kondensatoren sind hier diversen Stressfaktoren ausgesetzt: Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und hohe, dem Gleichstrom überlagerte Wechselströme können die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Abhängig von der Art des Kondensators ergeben sich daraus unterschiedliche Fehlerpotenziale: So können zu hohe Wechselströme bei Elektrolytkondensatoren zu einem Totalschaden führen. „Das ist das Worst-Case-Szenario, das es selbstverständlich zu verhindern gilt“, so Dr. Ebel. „Aber auch der normale Alterungsprozess der Kondensatoren kann in den Windkraftanlagen zum Problem werden.“

Tatsache ist: Im normalen Betrieb fällt ein Kondensator nicht von jetzt auf gleich vollständig aus – vielmehr unterliegt diese Komponente einem schleichenden Alterungsprozess. Deshalb müssen nicht nur die Mechanismen und Ursachen untersucht werden, sondern auch die Auswirkungen des Alterungsprozesses auf die Leistung des Gesamtsystems.