Anwendungsbeispiele Windenergie
Lösungen für Windenergieanlagen
IGBT-Module von SEMIKRON sind Schlüsselkomponenten der Leistungselektronik in Windenergieanlagen (WEA). Die innovative Aufbau- und Verbindungstechnologie ermöglicht hohe Temperatur- und Lastzyklenfestigkeit, hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Mit den intelligenten Leistungsmodulbaureihen SKiiP3 und SKiiP4, in denen Treiber, Überwachungs- und Schutzfunktionen sowie die Kühlung integriert sind, fertigt SEMIKRON Produkte, die sich durch hohe Leistungsdichte und einfache Anwendbarkeit auszeichnen. In den leistungselektronischen SEMISTACK Subsystemen kombiniert SEMIKRON SKiiPs mit Zwischenkreiskondensatoren und induktivitätsarmer Verschienung zu kompletten, einbaufertigen Leistungsendstufen.
Aufgrund der hohen Leistungen heutiger WEA (über 2 MW) hat sich Wasserkühlung der IGBT-Module weitgehend durchgesetzt. Eine besondere Herausforderung an die Leistungshalbleiter ist die von den Netzbetreibern verlangte Eigenschaft der WEA, für eine bestimmte Zeit einen Netzfehler zu überbrücken (Fault Ride Through). Im Besonderen bei WEA mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren müssen die IGBTs und Freilaufdioden hierbei hohen Strom- und Spannungsspitzen gewachsen sein.
Weiterführende Informationen
Windenergieanlagen mit Synchrongenerator
In Windenergieanlagen werden verstärkt Synchrongeneratoren mit einem Vollumrichter eingesetzt, weil es mit diesen leichter ist, das Netz im FRT zu stützen. Das System ist direkt steuerbar, liefert eine optimale Synchronisierung an die Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz und kann sowohl Oberschwingungsblindleistung kompensieren als auch Verschiebungsblindleistung erzeugen. Darüber hinaus können Synchrongeneratoren mit sehr vielen Polen (> 50) gefertigt werden, sodass im Antriebsstrang Getriebe überflüssig werden, deren Schäden zu den häufigsten Fehlerursachen in der Vergangenheit gehörten.
Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren
Diese haben ähnliche Eigenschaften wie WEA mit Synchrongeneratoren. Asynchrongeneratoren sind deutlich preisgünstiger und leichter als Synchrongeneratoren, besitzen andererseits jedoch einen niedrigeren Wirkungsgrad.
Windenergieanlagen mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator
Rund 80 Prozent der bisher weltweit installierten geregelten Windenergieanlagen arbeiten mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine, die mithilfe des Umrichters über den Rotorstrom geregelt wird. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der Großteil des Stroms ohne Umwandlung direkt ins Netz gespeist wird und der Umrichter nur etwa 1/3 der Anlagenleistung regeln muss. Nachteilig sind die wartungsbedürftigen Schleifringkontakte, die Begrenzung der Min-Max-Drehzahl (70 – 130 Prozent) und das schon erwähnte Verhalten im FRT.
2 Quadranten-Vollumrichter-Topologie
Die 2 Quadranten-Vollumrichter für Synchrongeneratoren mit Permanentmagnet- oder elektrischer Erregung stellen eine kostengünstige, effiziente Umrichter-Topologie für Synchrongeneratoren dar. Da auf Generatorseite einfache Gleichrichter zum Einsatz kommen, werden weniger IGBT-Module einschließlich deren Ansteuerung benötigt. Nachteilig sind die erhöhten Maschinenverluste wegen des Bedarfs an Induktionsstrom und durch die ungesteuerten Gleichrichter verursachte Oberschwingungen.
4 Quadranten-Vollumrichter-Topologie
Die im WEA-Bereich inzwischen am weitesten verbreitete Topologie ist der 4 Quadranten-Vollumrichter, der – mit unterschiedlicher Dimensionierung – für alle drei genannten Generatorprinzipien angewandt werden kann. Mit 4Q Umrichtern sind die kleinsten Maschinenverluste und der größte Steuerbereich möglich. Mittels Blindleistungsregelung des Generatorstroms kann der Generator in einem weiten Drehzahlbereich vergleichsweise gut ausgenutzt werden. Bei Bedarf wird selbst bei schwachem Windaufkommen die volle Blindleistung zur Verfügung gestellt.