Besserer Schutz für Frequenzumrichter im Anlagenbetrieb

Zuverlässigere Windenergieanlagen-Komponenten steigern Wirtschaftlichkeit

Frequenzumrichter führen die Ausfallstatistiken der Windenergieanlagen-Komponenten an – und verursachen damit hohe Kosten und entsprechende Ausfallzeiten. Ein besseres Verständnis der Ausfallursachen ist unabdingbar, um wirkungsvolle Schutzmaßnahmen zu entwickeln, und damit die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs zu verbessern. Ein Projektkonsortium aus Betreibern und Herstellern von Anlagen, Halbleitern und Umrichtern arbeitet dafür im BMWi-geförderten Projekt ReCoWind eng mit Partnern aus Forschung und Wissenschaft zusammen. In der dreijährigen Laufzeit werden Felddaten von unterschiedlichen Standorten und Anlagentypen analysiert, Schädigungsverläufe simuliert und experimentelle Untersuchungen an Bauteilen durchgeführt.

Ein volkswirtschaftlicher Schaden von etwa 200 Millionen Euro pro Jahr entsteht allein in Deutschland durch Reparaturkosten und Ertragsverluste, die defekte Umrichter in Windenergieanlagen verursachen. Gerade bei Offshore-Standorten ist die Reparatur logistisch aufwendig und nicht kurzfristig realisierbar. Die häufig starke Beschädigung der Leistungsmodule erschwert die Klärung der komplexen Wirkungszusammenhänge zusätzlich. Die Projektpartner haben jedoch ein großes Interesse daran besser zu verstehen, welche Einflussfaktoren Defekte auslösen und welche Prozesse bis zum Ausfall der Leistungselektronik-Komponente ablaufen.

Im Projekt ReCoWind (Langname: Zuverlässige Frequenzumrichter für Windenergieanlagen) werden diese Fragestellungen systematisch untersucht. Im Fokus stehen dabei die Kernkomponenten der Umrichter: Leistungshalbleitermodulen, Treibereinheiten und Zwischenkreiskomponenten.

Aufgrund von Erkenntnissen aus Vorarbeiten wird ein besonderer Schwerpunkt auf den Einfluss von Feuchtigkeit gelegt. Mithilfe spezieller Messtechnik, die die Partner eigens entwickeln und auch an kommerziellen Komponenten unter realitätsnahen Bedingungen testen, soll die Informationsbasis erweitert werden.

„Durch die unterschiedlichen Akteure der Wertschöpfungskette und der Forschung erreichen wir einen besonderen Mehrwert. Damit stellen wir zudem sicher, dass eine Umsetzung der Erkenntnisse in Design- und Entwicklungsphasen sowie in den Betrieb der Bestandsanlagen stattfinden wird“, so Dipl.-Ing. Christian Broer vom Projektkoordinator Fraunhofer IWES.

Die Steigerung der Zuverlässigkeit soll zum Beispiel durch ein robusteres Design, die Entwicklung von Verfahren für beschleunigte Komponentenprüfungen sowie die Verbesserung von Betriebsführung- und Instandhaltungskonzepten erreicht werden. Experimentelle Untersuchungen werden Ergebnisse liefern, die als Grundlage für die Entwicklung von Schädigungsmodellen und Methoden zur Berechnung der Restlebensdauer dienen. Parallel werden umfassende Ausfall- und Betriebsdaten ausgewertet und Feldmessungen durchgeführt, u.a. im Windpark Nordsee One mit 54 Anlagen der Leistungsklasse 6 MW. Die Erkenntnisse sollen abschließend in Empfehlungen für Design, Messtechnik, Betriebsführung und Instandhaltung einfließen, die der Branche zur Verfügung gestellt werden.

"Unsere langjährige Arbeit im Bereich der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitern am IALB trägt zunehmend Früchte", freut sich Prof. Dr.-Ing. Nando Kaminski vom IALB. "Mit dem Verbundprojekt ReCoWind wird das Thema der Zuverlässigkeit nun auf die Systemebene gehoben. Die an den Bauelementen bereits erzielten Forschungsergebnisse werden sicher helfen, das Verständnis der Ausfallmechanismen in Windenergieanlagen entscheidend zu verbessern."

Über die Projektpartner: Das Konsortium deckt ein breites Spektrum fachlicher Kompetenzen ab. Mit Unternehmen wie Bender, Energiekontor, Infineon, Innogy SE, Nordsee One, Senvion und Woodward sind Industriepartner aus den Bereichen Sicherheitstechnik und Betriebsführung sowie Hersteller von Leistungsbauelementen, Frequenzumrichtern und Windenergieanlagen vertreten. Von wissenschaftlicher Seite sind neben dem Fraunhofer IWES das Zentrum für Windenergieforschung (ForWind) mit dem Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen sowie mit dem Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) und dem Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik (GEM) der Leibniz Universität Hannover beteiligt. Die Projektkoordination liegt beim Fraunhofer IWES.

Fördervolumen: 3 Mio. Euro

Fördermittelgeber: BMWi

Laufzeit: 12/2018-11/2021

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