Erneuerbare Energien Design einer Windkraftanlage

Innerhalb einer Windmühle ist der Umgang mit Elektrizität in einem extrem weiten Leistungsbereich die allgegenwärtige Herausforderung. Für den Einsatz speziell in Offshore-Anwendungen sind Lösungen nötig, die den rauen Umgebungsbedingungen und den hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit Rechnung tragen.

Windkraftanlagen werden auf den ersten Blick häufig nur als MW-Applikation wahrgenommen. Tatsächlich kann diese Anlage jedoch nur arbeiten, weil eine Vielzahl von elektronischen Komponenten so interagiert, wie es in Bild 1 schematisch dargestellt ist.

Im Kleinleistungsbereich finden sich Systeme im Bereich von bis zu einigen hundert Watt und umfassen das Leuchtfeuer der Anlage, Hydraulik- und Kühlmittelpumpen, Kompressoren von Kühlaggregaten sowie kleinere Lüfter ((3) in Bild 1). Versorgt werden diese Hilfsantriebe üblicherweise von Schaltnetzteilen. Hier kommen häufig diskrete Bauelemente, vergossene Baugruppen oder ASICs zur Anwendung. Im Kilowattbereich finden sich die Antriebe zur mechanischen Kontrolle der Windanlage wieder ((4) in Bild 1). Bevor sich der Rotor der Anlage in Bewegung setzt, dominieren zwei Parameter die zu erledigenden Aufgaben. Zunächst ist die Gondel mit der Nabe in den Wind zu drehen. Anschließend werden die Rotorblätter so eingestellt, dass das notwendige Anlaufdrehmoment erzeugt wird. Da die Kontrolle der Rotorstellung oder Pitch-Regelung auch zum Nothalten der Nabe dient, handelt es sich um ein sicherheitsrelevantes System. Sie ist als vom Netz unabhängige Funktion ausgeführt, da sie auch im Falle eines Netzausfalls sicher einsatzbereit sein muss. Während des Betriebs der Anlage ist wegen der entstehenden Verlust- leistung im Antriebsstrang für eine hinreichende Belüftung der Gondel zu sorgen; die hierzu installierten Ventilatoren haben meist ebenfalls Leistungen von einigen kW.

Abhängig von der jeweiligen Anlage oder des Anlagenparks beginnt die Energieumsetzung und -verteilung bei einigen hundert kW, wobei die aktuell größten Einzelanlagen Ausgangsleistungen von bis zu 6 MW aufweisen. Im Fall eines Windparks kann die Leistung hunderte MW leicht überschreiten und die GW-Grenze sprengen. Der bereits in Betrieb gegangene Off-Shore Windpark Alpha Ventus erreicht eine Gesamtleistung von über 1.000 MW.

Pitch-Regelung

Mit dem Schwerpunkt auf der Leistungselektronik stellen sich die Gebiete der Rotorblattkontrolle, der Azimut-Einstellung oder Windrichtungsnachführung und der Energieeinspeisung als die interessantesten Felder dar. Die Pitch-Regelung für ein einzelnes Rotorblatt (Bild 2) besteht aus einem Getriebemotor, der über ein Getriebe den Drehwinkel des Rotorblatts einstellt. Elektrisch ist das System mit dem Netz verbunden und ähnelt in seinem Aufbau einer USV-Anlage.

Im Vergleich zur industriellen USV stellt sich die Pitch-Regelung bezüglich mechanischer, elek-trischer und thermischer Beanspruchung als sehr viel anspruchsvollere Applikation dar. Zusätzlicher mechanischer Stress entsteht als Konsequenz der Montageposition. Durch die Rotation der Nabe leidet der Aufbau unter der Zentrifugalbeschleunigung, mechanischer Wechsellast und Vibration - Effekte, die im stationären industriellen Aufbau meist von untergeordnetem Belang sind.

Um den Flügel um die Längsachse zu drehen, ist das Losbrechmoment zu überwinden. Während dies im Stillstand noch unkritisch ist, stellt sich während des Betriebs zusätzlich die Kraft durch die aerodynamischen Gegebenheiten ein. Hält man sich vor Augen, dass ein einzelnes Rotorblatt einer Multi-MW-Anlage mehrere Tonnen wiegt, wird deutlich, dass ein erhebliches Trägheitsmoment herrscht. Da der Pitch-Regler immer nur kurzfristig arbeitet, um den Flügelwinkel einzustellen, zeichnet sich der Betrieb durch kurze Perioden mit maximaler Last aus. Diese sehr hohen, zyklischen Belastungen stellen an die Leistungselektronik entsprechende Anforderungen.

Im Normalbetrieb ist die Anforderung, dass die Flügelverstellung mit 3°/s agiert; im Notfall sind jedoch 12°/s gefordert, woraus sich die Überlastbedingungen für den Antrieb ableiten lassen. Die Dimensionierung eines passenden Antriebsstranges muss außerdem berücksichtigen, dass die Zwischenkreisspannung bei Batteriebetrieb kleiner ist als die aus dem Netz gewonnene. Um die Ausgangsleistung trotzdem konstant zu halten, fließen im Batteriebetrieb also höhere Ströme als im Netzbetrieb.

Thermisch leidet der Antrieb unter den Außentemperaturen, die sich in dieser Applikation im Bereich von -30 °C bis +70 °C bewegen. Infineon hat in Kooperation mit führenden Umrichterherstellern umfassende Forschung und Entwicklung speziell zum Thema Vibrationsfestigkeit betrieben.

Entsprechende Tests umfassten mehrachsige Vibrations- versuche mit kompletten Umrichteraufbauten, um Schwachstellen im Design aufzudecken und die Widerstandsfähigkeit der Konstruktion bezüglich mechanischer Wechsellast zu steigern. Amplitude, Frequenzspektrum und Beschleunigungen überschritten bei diesen Tests die in den entsprechenden Industrienormen genannten Anforderungen. In neuen Modulen wie dem SmartPACK und dem EconoPACK4 sind die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen bereits einge- flossen, um die Lebensdaueranforderung zu erfüllen, die in Windkraftanlagen bei 20 Jahren und mehr liegt.

Ein wichtiges Ergebnis ist die Verwendung neuer Ver- bindungstechniken. Per Ultraschall geschweißte Anschlüsse (Bild 3) verbessern die Stabilität bezüglich mechanischer und thermomechanischer Wechsellast [1]. Ein weiterer Fortschritt ergab sich aus der Einführung der PressFIT-Pins. Infineon hat diese Technik bereits in Produkten der Econo-Familie eingeführt und anschließend auf die Smart- und Easy-Module ausgeweitet. Auch im Bereich der Medium-Power-Module wie dem EconoPACK4 hat sich diese Technik bewährt.