ReCoWind2

Reliability and Monitoring of Power Converters in Wind Turbines

• Frequenzumrichter von Windenergieanlagen sind besonders häufig von Ausfällen betroffen.
• Charakteristisch sind gemäß Felddatenanalysen des Fraunhofer IWES oft Frühausfälle, die unter anderem auf klimatische Einflüsse zurückzuführen sind.
• Die Ausfallursachen weiter einzugrenzen, eine Zustandsüberwachung der Umrichter per Condition Monitoring zu ermöglichen sowie Testverfahren weiterzuentwickeln, sind Ziele des Forschungsprojekts »ReCoWind2«.
• Das Fraunhofer IWES hat die Projektkoordination inne und ist intensiv in sämtliche fachlichen Arbeitspakete eingebunden.

Herausforderung
Frequenzumrichter zählen zu den am häufigsten von Ausfällen betroffenen Teilsystemen von Windenergieanlagen. Dabei erfüllen sie eine unverzichtbare Aufgabe: Als Bindeglied zwischen Generator und Anlagentransformator dienen sie zur netzfrequenten Anbindung der Anlagen an das Energieversorgungsnetz.

Felddatenanalysen des Fraunhofer IWES haben ergeben, dass das Ausfallgeschehen in den ersten Betriebsjahren von Frühausfällen dominiert wird. Außerdem konnte eine erhebliche Auswirkung klimatischer Einflüsse, vor allem von Feuchtigkeit, auf die Zuverlässigkeit festgestellt werden. Noch allerdings sind zahlreiche Fragen offen, etwa die Rolle von Netzereignissen oder Schwingungsbelastungen. Zudem fehlt es für Umrichter an Condition-Monitoring-Systemen (CMS), die für mechanische Triebstrangkomponenten bereits zur Standardausrüstung moderner Windenergieanlagen zählen, sowie an validierten Prüfverfahren, um Fehler bei der Herstellung oder im Design der Umrichter als Ursachen für Ausfälle zu erkennen und auszuschließen. 

Lösung
Im Projekt »ReCoWind2« sollen diese Lücken geschlossen werden. Übergeordnetes Ziel ist, die Zuverlässigkeit von Frequenzumrichtern in Windenergieanlagen zu verbessern.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden daher unter anderem Schwachstellen und Ausfallursachen auf der Grundlage vorliegender und neuer Daten weiter eingrenzen. Dabei wird die Ursachenforschung von den bisher im Feld vorherrschenden Niederspannungsumrichtern auf die für Multi-Megawatt-Anlagen attraktiven Mittelspannungsumrichter ausgeweitet. Eine verbesserte Ferndiagnostik soll dazu beitragen, Instandhaltungszeiten zu reduzieren. Gleichzeitig sollen Messtechnik und Algorithmen für breitenwirksame und die relevanten Ausfallmechanismen abdeckende CMS entwickelt werden, um eine zustandsbasierte Instandhaltung zu ermöglichen. Die Forschenden bauen hier auf den Ergebnissen des Vorgängerprojektes »ReCoWind« auf. Unter anderem kommen Methoden des Maschinellen Lernens zum Einsatz.

Durch Feldmesskampagnen, bei denen die Belastungen von Umrichtern bei Transport, Lagerung und Betrieb erfasst werden, erhalten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die erforderlichen Daten, um verbesserte Testverfahren und Prüfprofile zu entwickeln.

Das projektkoordinierende Fraunhofer IWES ist intensiv in sämtliche fachlichen Arbeitspakete des Projekts eingebunden. Die Arbeitsinhalte des IWES liegen schwerpunktmäßig im Bereich der Datenanalyse (Ausfall-, Betriebs- und Störschriebdaten aus dem Feld, Condition-Monitoring-Messdaten, Daten aus Feldmesskampagnen) und der zugehörigen Methodenentwicklung, im Bereich experimenteller Arbeiten zur Schädigungsindikator-Ermittlung, Messtechnikentwicklung und -erprobung zur Zustandsüberwachung, in der Durchführung und Auswertung von Feldmesskampagnen, in der felddatenbasierten Modellbildung sowie in der Entwicklung verbesserter Prüfverfahren und -profile.

Mehrwert
Der häufige und unerwartete Ausfall von Frequenzumrichtern verursacht erhebliche Kosten und Ertragseinbußen, was sich letztendlich in den Stromgestehungskosten niederschlägt. Eine verbesserte Zuverlässigkeit, eine durch Zustandsüberwachungssysteme besser planbare Instandhaltung und somit eine höhere Verfügbarkeit von Windenergieanlagen tragen wesentlich dazu bei, die Kosten der Windenergienutzung weiter zu senken. 

Informationen zum Vorgängerprojekt »ReCoWind«:  ReCoWind (fraunhofer.de)