30. November 2022

Feuchtes Wetter ist ein Risikofaktor für Frequenzumrichter. Analysen von Felddaten zeigen ausgeprägte saisonale Ausfälle der elektronischen Geräte – erhebliche Reparaturkosten und Ertragsausfälle der betroffenen Anlagen sind die Folge. Künftig soll ein neues Messsystem dazu beitragen, Wartungsintervalle anzupassen und Ausfallzeiten zu minimieren.

Frequenzumrichter sind unverzichtbare Bestandteile drehzahlvariabler Windenergieanlagen. Sie passen die gewonnene Energie an die Netzfrequenz des Stromnetzes an. Momentan zählen sie zu den am häufigsten ausfallenden Komponenten. Pro Jahr tritt durchschnittlich auf jeder zweiten Windenergieanlage ein reparaturbedürftiger Schaden am Umrichtersystem auf. So entstehen erhebliche Reparaturkosten und – gerade offshore – deutliche Ertragsausfälle. Allerdings lassen sich zuverlässige Umrichter nur entwickeln, wenn die Ausfallursachen und -mechanismen geklärt sind. Hier setzt das Forschungsvorhaben ReCoWind an, kurz für „Reliable Power Converters for Wind Turbines“. Ein Projektkonsortium aus Betreibern und Herstellern von Windenergieanlagen, Halbleitern und Umrichtern untersuchen gemeinsam mit Forschungseinrichtungen die Ursachen für defekte Umrichter, um verbesserte Testverfahren und auch robustere Designs zu entwickeln.

Temperatur und Feuchtigkeit schwanken innerhalb der Schränke der Umrichter

Hierzu haben die Wissenschaftsteams Felddaten unterschiedlichster Windenergieanlagen aus aller Welt ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen ein ausgeprägtes saisonales Ausfallmuster. Das weist auf klimatische Umwelteinflüsse hin, insbesondere auf den Stressfaktor Feuchtigkeit. Doch welchen Feuchte- und Temperaturverhältnissen sind Umrichter im Inneren von Windenergieanlagen ausgesetzt? Die Ergebnisse umfassender Feldmesskampagnen  haben ergeben, dass die Klimaverhältnisse auch innerhalb der Schränke, in denen sich die Umrichter befinden, im jahreszeitlichen Verlauf erheblich schwanken. Temperatur und relative Feuchtigkeit sind dabei abhängig vom Standort der Anlagen, von Design und Betrieb, aber auch vom Kühlprinzip der Umrichter. So treten zwischen Windenergieanlagen verschiedener Typen, aber auch zwischen Anlagen gleichen Typs mit Umrichtern verschiedener Hersteller erhebliche Unterschiede auf.

Die Ergebnisse haben erstmalig erlaubt, den belastenden Einfluss des Klimas zu charakterisieren. Die neuen Erkenntnisse bilden die Grundlage, um sowohl Testverfahren für die Qualifizierung von Umrichtersystemen und -komponenten zu verbessern als auch beispielsweise ein robusteres Design zu entwickeln.

Verschieden farbige Kurven in einer Grafik zeigen Temperatur- und Feuchtigkeit in Umrichterschränken.
© Fraunhofer IWES | Gemessene Temperatur- und Feuchteverhältnisse in den Umrichterschaltschränken einer Offshore-Windenergieanalage, in kombinierter Darstellung mit dem Verlauf der eingespeisten Wirkleistung.

Schäden frühzeitig erkennen und Ausfallzeiten minimieren

Mithilfe von Condition-Monitoring-Systemen können Wartungsarbeiten besser geplant und Ausfallzeiten minimiert werden. Die Systeme müssen auf die im Feld vorherrschenden Ausfallmechanismen ausgerichtet werden. Daher haben die Forschenden Messkonzepte und eine Messschaltung entwickelt, welche feuchteinduzierte Schäden an Umrichtern frühzeitig erkennen.

Das Foto zeigt einen Umrichterschrank im Messlabor HiPE-Lab in Bremen.
© Universität Bremen – Wilfried Holzke

Bei einer Messkampagne im HiPE-Lab in Bremen haben die Wissenschaftsteams Leistungshalbleitermodule in einem Umrichterschrank vermessen.

Darüber hinaus arbeiten die Wissenschaftsteams  an einer geeigneten Sensorik, um im Umrichter den Feuchtetransport und dessen Effekte zu verstehen. Im Projekt ReCoWind konnten sie erstmalig mit Temperatur- und Feuchtesensoren versehene Leistungshalbleitermodule in einem Umrichtersystem im HiPE-LAB in Bremen vermessen . Das Besondere an diesem Testlabor : In der Klimakammer ist es möglich, die klimatischen Verhältnisse aller Klimazonen weitgehend nachzubilden und dynamische, reproduzierbare elektrische Belastungsprofile zu erzeugen. Die Prüfprofile haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Feldmessdaten abgeleitet, um anwendungstypische, realitätsgetreue Testbedingungen zu gewährleisten. (mm)

ReCoWind

För­der­kenn­zei­chen: 0324336A-E

Projektlaufzeit
01.12.2018 30.11.2022 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Windenergie Anlagentechnik

För­der­sum­me: 3.012.837 Euro

Kontakt

Karoline Pelka

Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Abteilung Validierung und Zuverlässigkeit

30159 Hannover

+49 471 14290-541

www.iwes.fraunhofer.de
TConverterTec Deuschland GmbH
www.convertertec.com

Universität Bremen, Institut für elektrische Antriebe - Leistungselektronik und Bauelemente
www.uni-bremen.de/ialb

Infineon Technologies AG
www.infineon.com/cms/de

Leibniz Universität Hannover - Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik
www.geml.uni-hannover.de

Leibniz Universität Hannover - Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
www.ial.uni-hannover.de