Frequenzumrichter

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Der Frequenzumrichter ist ein zentrales Bauelement in der modernen Windkrafttechnik, das die variable Drehzahl von Windenergieanlagen in eine netzkonforme Frequenz und Spannung umwandelt. Als Schnittstelle zwischen Generator und Stromnetz ermöglicht er die effiziente Einspeisung elektrischer Energie unter Einhaltung strenger Netzstandards. Seine Bedeutung ergibt sich aus der Notwendigkeit, die mechanische Energie des Rotors in eine stabile, netzverträgliche Form zu überführen, insbesondere bei Anlagen mit variabler Drehzahl.

Allgemeine Beschreibung

Ein Frequenzumrichter in der Windkraft ist ein leistungselektronisches Gerät, das die von einem Generator erzeugte Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude in eine Wechselspannung mit konstanter Frequenz (typischerweise 50 Hz oder 60 Hz) und definierter Spannung umformt. Diese Umwandlung ist essenziell, da Windenergieanlagen aufgrund der schwankenden Windgeschwindigkeiten keine konstante Drehzahl aufweisen. Ohne Frequenzumrichter wäre eine direkte Einspeisung der erzeugten Energie ins öffentliche Stromnetz nicht möglich, da die Netzfrequenz streng geregelt ist und Abweichungen zu Instabilitäten führen würden.

Frequenzumrichter bestehen aus drei Hauptkomponenten: einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter. Der Gleichrichter wandelt die vom Generator erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Im Zwischenkreis wird diese Gleichspannung geglättet und gespeichert, bevor der Wechselrichter sie wieder in eine Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz und Spannung transformiert. Moderne Frequenzumrichter nutzen dabei oft Pulsweitenmodulation (PWM), um eine sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen, die den Anforderungen des Stromnetzes entspricht. Die Effizienz dieser Umwandlung liegt typischerweise zwischen 95 % und 98 %, wobei Verluste hauptsächlich durch Schaltvorgänge und ohmsche Widerstände entstehen.

In der Windkraft kommen vor allem zwei Typen von Frequenzumrichtern zum Einsatz: der Vollumrichter und der Teilumrichter. Vollumrichter werden bei Anlagen mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) oder Synchrongeneratoren verwendet, bei denen der gesamte erzeugte Strom durch den Umrichter fließt. Teilumrichter hingegen kommen bei Systemen zum Einsatz, bei denen nur ein Teil der Leistung umgerichtet wird, während der Rest direkt ins Netz eingespeist wird. Die Wahl des Umrichters hängt von der Generatortechnologie und den spezifischen Anforderungen der Anlage ab.

Technische Details

Frequenzumrichter in Windenergieanlagen müssen hohen technischen Anforderungen genügen, da sie unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren müssen. Die Leistungsklassen reichen von einigen hundert Kilowatt bis zu mehreren Megawatt, wobei die Spannungsebenen typischerweise zwischen 690 V und 1000 V liegen. Die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter (meist IGBTs oder IGCTs) beträgt üblicherweise zwischen 1 kHz und 5 kHz, um eine gute Balance zwischen Schaltverlusten und der Qualität der Ausgangsspannung zu erreichen.

Ein entscheidender Aspekt ist die Netzverträglichkeit, die durch Normen wie die VDE-AR-N 4105 (Deutschland) oder die EN 50438 (Europa) geregelt wird. Diese Normen definieren Anforderungen an die Spannungsqualität, den Oberschwingungsgehalt und das Verhalten bei Netzstörungen. Frequenzumrichter müssen in der Lage sein, auf Netzschwankungen zu reagieren und bei Bedarf Blindleistung bereitzustellen, um die Netzstabilität zu unterstützen. Dies wird durch fortschrittliche Regelungsalgorithmen ermöglicht, die in Echtzeit auf Änderungen der Netzparameter reagieren.

Ein weiteres technisches Merkmal ist die Kühlung der Leistungselektronik. Aufgrund der hohen Verlustleistungen müssen Frequenzumrichter effizient gekühlt werden, um Überhitzung zu vermeiden. Übliche Kühlmethoden sind Luftkühlung, Wasserkühlung oder eine Kombination aus beiden. Die Wahl der Kühlmethode hängt von der Leistungsklasse und den Umgebungsbedingungen ab. In Offshore-Windenergieanlagen wird beispielsweise häufig Wasserkühlung eingesetzt, da sie eine höhere Wärmeabfuhr ermöglicht und weniger anfällig für Verschmutzung ist.

Historische Entwicklung

Die Entwicklung von Frequenzumrichtern in der Windkraft ist eng mit dem Fortschritt der Leistungselektronik verbunden. In den 1980er-Jahren wurden Windenergieanlagen noch mit Festdrehzahl betrieben, da die verfügbare Umrichtertechnologie nicht ausgereift genug war, um variable Drehzahlen effizient zu nutzen. Mit der Einführung von Thyristoren und später von IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) in den 1990er-Jahren wurde die variable Drehzahlregelung möglich, was zu einer deutlichen Steigerung der Energieausbeute führte.

Ein Meilenstein war die Einführung des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DFIG) in den späten 1990er-Jahren, der es ermöglichte, nur einen Teil der Leistung über den Frequenzumrichter zu führen. Dies reduzierte die Kosten und erhöhte die Effizienz der Anlagen. Seit den 2000er-Jahren setzen sich zunehmend Anlagen mit Vollumrichtern durch, insbesondere bei Offshore-Windenergieanlagen, da sie eine bessere Netzintegration und höhere Flexibilität bieten. Die aktuelle Entwicklung konzentriert sich auf die Verbesserung der Schalttechnologien, die Reduzierung von Verlusten und die Integration von Speichersystemen, um die Netzstabilität weiter zu erhöhen.

Normen und Standards

Frequenzumrichter in Windenergieanlagen unterliegen einer Reihe von Normen und Standards, die ihre Funktionalität, Sicherheit und Netzverträglichkeit regeln. Die wichtigsten Normen sind:

• DIN EN 61400-21: Diese Norm definiert die Messung und Bewertung der elektrischen Eigenschaften von Windenergieanlagen, einschließlich der Anforderungen an Frequenzumrichter.
• VDE-AR-N 4105: Diese Anwendungsregel legt die technischen Anforderungen für den Anschluss von Erzeugungsanlagen an das Niederspannungsnetz fest, einschließlich der Vorgaben für Frequenzumrichter.
• EN 50438: Diese Norm regelt die Anforderungen an die Netzverträglichkeit von Erzeugungsanlagen, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind.
• IEC 61800-5-1: Diese Norm behandelt die sicherheitstechnischen Anforderungen an drehzahlveränderbare elektrische Antriebe, zu denen auch Frequenzumrichter zählen.

Die Einhaltung dieser Normen ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten und die Netzstabilität zu sichern.

Anwendungsbereiche

• Onshore-Windenergieanlagen: Frequenzumrichter werden hier eingesetzt, um die variable Drehzahl des Generators an die Netzfrequenz anzupassen. Sie ermöglichen eine optimale Energieausbeute bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und tragen zur Netzstabilität bei.
• Offshore-Windenergieanlagen: Aufgrund der extremen Umgebungsbedingungen und der höheren Leistungsklassen kommen hier besonders robuste und effiziente Frequenzumrichter zum Einsatz. Sie müssen salzhaltiger Luft, hohen Feuchtigkeitswerten und starken mechanischen Belastungen standhalten.
• Hybridanlagen: In Kombination mit Speichersystemen oder anderen erneuerbaren Energiequellen ermöglichen Frequenzumrichter eine flexible Einspeisung und tragen zur Stabilisierung des Stromnetzes bei. Sie spielen eine zentrale Rolle in Microgrids und Inselnetzen.
• Repowering-Projekte: Bei der Modernisierung älterer Windenergieanlagen werden Frequenzumrichter nachgerüstet, um die Effizienz zu steigern und die Netzverträglichkeit zu verbessern. Dies ist besonders relevant, um bestehende Anlagen an aktuelle Netzstandards anzupassen.

Bekannte Beispiele

• Siemens Gamesa SG 8.0-167 DD: Diese Offshore-Windenergieanlage nutzt einen Vollumrichter, der eine direkte Kopplung des Synchrongenerators an das Stromnetz ermöglicht. Der Umrichter ist für Leistungen bis zu 8 MW ausgelegt und zeichnet sich durch eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit aus.
• Vestas V164-10.0 MW: Diese Anlage verwendet einen Frequenzumrichter mit IGBT-Technologie, der eine präzise Regelung der Ausgangsleistung ermöglicht. Der Umrichter ist für den Einsatz in Offshore-Umgebungen optimiert und bietet eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse.
• Enercon E-126 EP3: Diese Onshore-Anlage nutzt einen Teilumrichter in Kombination mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator. Der Umrichter ermöglicht eine variable Drehzahlregelung und trägt zur Reduzierung von mechanischen Belastungen bei.

Risiken und Herausforderungen

• Netzstörungen: Frequenzumrichter müssen in der Lage sein, auf Netzstörungen wie Spannungseinbrüche oder Frequenzschwankungen zu reagieren, ohne die Anlage zu beschädigen. Ein Ausfall des Umrichters kann zu einem Stillstand der Anlage führen und erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachen.
• Oberschwingungen: Durch die Schaltvorgänge im Umrichter entstehen Oberschwingungen, die die Spannungsqualität beeinträchtigen können. Diese müssen durch Filter oder spezielle Regelungsalgorithmen minimiert werden, um die Einhaltung der Normen zu gewährleisten.
• Thermische Belastung: Die Leistungselektronik in Frequenzumrichtern erzeugt erhebliche Wärme, die effizient abgeführt werden muss. Eine unzureichende Kühlung kann zu Überhitzung und vorzeitigem Ausfall der Komponenten führen.
• Kosten: Hochleistungs-Frequenzumrichter sind teure Komponenten, deren Anschaffung und Wartung einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten einer Windenergieanlage ausmachen. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage hängt daher stark von der Lebensdauer und Effizienz des Umrichters ab.
• Umwelteinflüsse: Besonders in Offshore-Anlagen sind Frequenzumrichter extremen Umgebungsbedingungen wie Salzwasser, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ausgesetzt. Dies erfordert spezielle Schutzmaßnahmen, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Ähnliche Begriffe

• Wechselrichter: Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, ist jedoch nicht zwingend für die Anpassung der Frequenz ausgelegt. In der Windkraft wird der Begriff oft synonym verwendet, obwohl ein Frequenzumrichter spezifischere Funktionen erfüllt.
• Gleichrichter: Ein Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und ist eine Komponente des Frequenzumrichters. Er wird jedoch nicht eigenständig in der Windkraft eingesetzt, sondern ist Teil des Umrichtersystems.
• Netzfilter: Netzfilter werden eingesetzt, um Oberschwingungen und Störungen zu reduzieren, die durch Frequenzumrichter verursacht werden. Sie sind eine ergänzende Komponente, aber kein Ersatz für den Umrichter selbst.
• Drehzahlregler: Ein Drehzahlregler steuert die Drehzahl eines Generators, ist jedoch nicht für die Umwandlung der elektrischen Parameter zuständig. In Windenergieanlagen arbeitet er oft in Kombination mit einem Frequenzumrichter.

Zusammenfassung

Der Frequenzumrichter ist ein unverzichtbares Bindeglied zwischen Windenergieanlagen und dem Stromnetz, das die variable Drehzahl des Generators in eine netzkonforme Frequenz und Spannung umwandelt. Durch seine Fähigkeit, auf Netzschwankungen zu reagieren und Blindleistung bereitzustellen, trägt er maßgeblich zur Stabilität und Effizienz der Energieeinspeisung bei. Die technische Entwicklung hat zu immer leistungsfähigeren und zuverlässigeren Umrichtern geführt, die den Anforderungen moderner Windenergieanlagen gerecht werden. Dennoch bleiben Herausforderungen wie thermische Belastung, Oberschwingungen und Kosten bestehen, die durch kontinuierliche Forschung und Innovation adressiert werden müssen. Die Einhaltung strenger Normen und Standards ist dabei essenziell, um die Netzverträglichkeit und Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten.

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