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Frequenzumrichter in WEA

Die Leistungselektronik als Achillesferse

25. Februar 2013, 12:20 Uhr | Dr. Katharina Fischer und Dr. Jan Wenske, Fraunhofer IWES

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Welche Ursachen haben die Ausfälle hauptsächlich?

Doch die in WEA auftretende Kombination aus windtypischer dynamischer Belastung und extremen Umweltbedingungen stellt an die Umrichter besonders hohe Anforderungen. Daher überrascht es nicht, dass die Zuverlässigkeit von Umrichtern beim Einsatz in Windenergieanlagen deutlich hinter den Werten für andere Anwendungen zurückbleibt. WEA-spezifische Weiterentwicklungen und Anleihen aus Anwendungen wie etwa der Raumfahrt, in denen hohe Zuverlässigkeit gefordert ist, könnten künftig Abhilfe schaffen. Ansatzpunkt muss dabei aus Sicht des Fraunhofer IWES zunächst die Klärung der Hauptausfallursachen und -mechanismen in bestehenden WEA-Umrichtersystemen sein - derzeit sind diese weitgehend unbekannt. Die Ursachenforschung ist aufwändig und wird durch die oft starke Explosionsschädigung der Leistungsmodule noch erschwert.

Eine im Jahr 2012 unter Beteiligung des Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik) im Rahmen des »Confail«-Projekts (K. Fischer, T. Stalin, H. Ramberg, T. Thiringer, J. Wenske, R. Karlsson: Investigation of converter failure in wind turbines, »Confail«-Projektbericht, Elforsk Nr. 12:58, Stockholm, November 2012) durchgeführte Studie hat erste Anhaltspunkte geliefert: In enger Zusammenarbeit mit einem Betreiber wurden für zwei WEA-Typen

umrichterspezifische Ausfalldaten von Onshore- und Offshore-Standorten analysiert und besonders ihre Korrelation mit Faktoren wie Windgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Blitzereignissen untersucht;
die realen Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte und Vibration in den Umrichterschränken einiger Anlagen im Feld vermessen;
defekte Leistungsmodule aus dem Feld mittels elektrischer Messungen und Laboranalyse untersucht.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Umrichterversagen sowohl ein hersteller- als auch ein topologieübergreifendes Problem ist. Mit mittleren Ausfallraten von 0,14 bzw. 0,39 Umrichterschäden pro Anlage und Jahr sind sowohl Teilumrichter in Anlagen mit doppelt-gespeister Asynchronmaschine (DGAM) als auch Vollumrichter in Anlagen mit Synchrongenerator betroffen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die betrachteten Vollumrichter wegen ihrer höheren Bemessungsleistung die dreifache Zahl an Leistungsmodulen enthalten, wurden interessanterweise nahezu identische Ausfallraten pro Leistungsmodul festgestellt. Die wegen ihrer extremen Temperaturzyklen bisher als besonders zuverlässigkeitskritisch eingestufte Anwendung in DGAM-Anlagen zeigte im betrachteten Fall keine höheren Ausfallraten bezogen auf das Leistungsmodul - ein Indiz dafür, dass die »klassischen«, thermomechanisch bedingten Versagensmechanismen leistungselektronischer Bauelemente wie Bonddraht- oder Lotermüdung in WEA derzeit wohl eine untergeordnete Rolle spielen. Dagegen lieferte das »Confail«-Projekt Hinweise auf unzureichende Schutzmaßnahmen vor Umwelteinflüssen (Salz, Staub, Feuchtigkeit/Kondensation, Fremdkörper wie etwa Insekten), aber auch auf Überspannungsereignisse im Zusammenhang etwa mit Gewittern als Schadensursachen.

Mit dem Ziel, die Ausfallursachen und -mechanismen in WEA-Umrichtern zu klären und auf dieser Basis zur Entwicklung zuverlässiger Leistungselektronik-Komponenten sowohl für bestehende als auch für künftige Anlagen beizutragen, baut das Fraunhofer IWES derzeit seine entsprechenden Tätigkeiten weiter aus.

Dr. Katharina Fischer ist beim Fraunhofer IWES tätig und Referentin bei der internationalen VDI-Konferenz »Reliability and Failure Analysis of Wind Turbines«.
Dr. Jan Wenske ist beim Fraunhofer IWES tätig und Referent bei der VDI Wissensforum GmbH.