Frequenzumrichter in WEA Die Leistungselektronik als Achillesferse

Analyse der Ausfallursachen bei Leistungsmodulen aus WEA, (a) Modul mit Explosionsschaden, (b) Salzablagerung auf Treiberplatine, (c) Spuren eines Lichtbogenüberschlags, (d) Röntgenanalyse der Treiberplatine
Analyse der Ausfallursachen bei Leistungsmodulen aus WEA, (a) Modul mit Explosionsschaden, (b) Salzablagerung auf Treiberplatine, (c) Spuren eines Lichtbogenüberschlags, (d) Röntgenanalyse der Treiberplatine

Frequenzumrichter in Windenergieanlagen (WEA) verhindern zwar Schäden an anderen Triebstrangkomponenten, fallen aber selbst überraschend häufig aus. Schuld daran sind offenbar Defekte an leistungselektronischen Komponenten - aber wie und warum kommt es dazu? Eine neue Studie liefert erste Hinweise.

In fast allen modernen Windkraftanlagen kommen heutzutage leistungselektronische Frequenzumrichter zum Einsatz. Als Bindeglied zwischen Generator und Anlagentransformator sind sie für die netzfrequente Anbindung der drehzahlvariablen Windturbinen an das Energieversorgungsnetz zuständig. Umrichter spielen eine zentrale Rolle für die aerodynamisch optimale Ausnutzung des Windangebots und die Lastreduktion im mechanischen Triebstrang der Anlage, weil sie einen Betrieb mit variabler Rotordrehzahl ermöglichen.

Obwohl die Umrichter so die anderen Triebstrangkomponenten zuverlässiger machen, dominieren sie selbst zunehmend die Ausfallstatistiken: Die jüngste, im Rahmen des EU-Projekts »Reliawind« durchgeführte Zuverlässigkeitsstudie für drehzahlvariable WEA (M. Wilkinson, B. Hendriks: Report on Wind Turbine Reliability Profiles, »Reliawind« project report, Deliverable D.1.3, 2011) ergab, dass der Anteil der getriebebedingten Ausfälle bei nur 5 Prozent lag, während rund dreimal so viele Ausfälle und sogar 18 Prozent aller schadensbedingten Stillstandszeiten auf das Umrichtersystem zurückzuführen waren. Dies steht im Einklang mit ähnlichen Erfahrungen vieler Betreiber. Damit zählen Schäden am Frequenzumrichter zu den wichtigen Kostentreibern des Anlagenbetriebs, sowohl hinsichtlich der Reparatur- bzw. Ersatzteilkosten als auch hinsichtlich der dadurch bedingten Ertragsausfälle.

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Fehlersuche bei Defekten an leistungselektronischen Komponenten für WEA-Frequenzumrichter

Fehlersuche bei Defekten an leistungselektronischen Komponenten für WEA-Frequenzumrichter

Die in WEA am weitesten verbreitete Umrichtertopologie ist die sogenannte »Back-to-back«-Anordnung eines generatorseitigen und eines netzseitigen Teilumrichters, die beide über einen Gleichspannungszwischenkreis mit der Kondensatorbatterie verbunden sind. Die Teilumrichter sind wiederum aus Leistungsmodulen aufgebaut, in denen wegen der in WEA auftretenden Betriebsströme im kA-Bereich eine größere Zahl von Halbleiterbauelementen (IGBTs bzw. Dioden) parallel geschaltet sind. Darüber hinaus umfassen die Leistungsmodule Kühlkörper, Treiberplatinen und Sensorik. Oft handelt es sich um nicht oder nur marginal adaptierte Standard-Umrichterkomponenten aus anderen Industriezweigen, etwa für Traktionsanwendungen.