{"id":922,"date":"2021-05-18T14:17:44","date_gmt":"2021-05-18T14:17:44","guid":{"rendered":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/?p=922"},"modified":"2024-05-03T09:14:18","modified_gmt":"2024-05-03T09:14:18","slug":"frequenzumrichter-zuverlaessigkeit-feldmessungen-beleuchten-klimatische-belastung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/frequenzumrichter-zuverlaessigkeit-feldmessungen-beleuchten-klimatische-belastung\/dr-ing-katharina-fischer","title":{"rendered":"Frequenzumrichter-Zuverl\u00e4ssigkeit: Feldmessungen beleuchten klimatische Belastung"},"content":{"rendered":"\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Autorinnen: Karoline Pelka und Dr.-Ing. Katharina Fischer<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Frequenzumrichter z\u00e4hlen zu den am h\u00e4ufigsten ausfallenden Komponenten von Windenergieanlagen. Die Ursachen hierf\u00fcr waren lange unbekannt. Saisonale H\u00e4ufungen von Ausf\u00e4llen deuten auf Umwelteinfl\u00fcsse hin und r\u00fccken die klimatischen Bedingungen in den Fokus, denen die Leistungselektronik im Feld ausgesetzt ist.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Pro Jahr tritt durchschnittlich auf jeder zweiten Windenergieanlage (WEA) ein reparaturbed\u00fcrftiger Schaden an der Umrichterschaltanlage auf. Diese h\u00e4ufigen Ausf\u00e4lle ziehen erhebliche Reparaturkosten und \u2013 gerade offshore \u2013 merkliche Ertragsausf\u00e4lle nach sich. Doch zuverl\u00e4ssigere Umrichter lassen sich nur entwickeln, wenn die vorherrschenden Ausfallursachen und -mechanismen gekl\u00e4rt sind. Lange Zeit wurde davon ausgegangen, dass durch Leistungs- und Temperaturzyklen verursachte Erm\u00fcdungseffekte in der Leistungselektronik das Hauptproblem darstellen. <a href=\"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/20-000-betriebsjahre-datenanalyse-generiert-mehrwert-aus-felddaten\/m-sc-karoline-pelka\/\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Felddatenanalysen einer weltweiten WEA-Flotte<\/a> am Fraunhofer IWES haben jedoch klar gezeigt, dass diese aus anderen Anwendungen bekannten Sch\u00e4digungsmechanismen in WEA keine relevante Rolle spielen (<a href=\"http:\/\/publica.fraunhofer.de\/documents\/N-491205.html\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Bartschat et al. (2017)<\/a>, <a href=\"http:\/\/publica.fraunhofer.de\/documents\/N-520014.html\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Fischer et al. (2018)<\/a>). Stattdessen weisen ausgepr\u00e4gte saisonale Ausfallmuster auf klimatische Umwelteinfl\u00fcsse, insbesondere auf Feuchtigkeit, als kritischen Stressfaktor hin (<a href=\"https:\/\/www.mdpi.com\/1996-1073\/12\/4\/593\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Fischer et al. (2019)<\/a>). Doch was f\u00fcr Feuchte- und Temperaturverh\u00e4ltnissen sind die WEA-Umrichter im Anlageninneren eigentlich ausgesetzt?<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Diese Frage beleuchtet ausf\u00fchrlich unser k\u00fcrzlich im Open-Acces-Journal <em>energies<\/em> erschienener Artikel \u201eHumidity in Power Converters of Wind Turbines &#8211; Field Conditions and Their Relation with Failures\u201c (<a rel=\"noreferrer noopener\" href=\"https:\/\/www.mdpi.com\/1996-1073\/14\/7\/1919\" target=\"_blank\">Fischer et al. (2021<\/a><a>))<\/a>. Er fasst die Ergebnisse von Feldmesskampagnen in 31 Windenergieanlagen sieben verschiedener Hersteller <span class=\"has-inline-color has-black-color\">auf drei Kontinenten<\/span>&nbsp;zusammen. Die Vielfalt der vermessenen Anlagen ist gro\u00df: Es befinden sich darunter sowohl Onshore- als auch Offshore-Anlagen, solche mit Umrichtern in der Gondel oder im Turmfu\u00df sowie WEA mit luft- und wassergek\u00fchlten Umrichtern.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"698\" height=\"356\" src=\"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild1-698x356.jpg\" alt=\"Abbildung: Standorte dervermessenen WEA in Nordamerika, Europa und Asien; Beispielzeitreihen zur saisonalen Variation von Temperatur und Feuchtigkeit im Umrichterschaltschrank und in der Umgebung einer WEA in Indien.\" class=\"wp-image-926\" srcset=\"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild1-698x356.jpg 698w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild1-400x204.jpg 400w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild1-768x391.jpg 768w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild1.jpg 907w\" sizes=\"auto, (max-width: 698px) 100vw, 698px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\"><em>Abbildung 1: Standorte der vermessenen Windenergieanlagen in Nordamerika, Europa und Asien; Beispielzeitreihen zur saisonalen Variation von Temperatur und Feuchtigkeit im Umrichterschaltschrank und in der Umgebung einer WEA in Indien<\/em>.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Die Ergebnisse zeigen, dass die klimatischen Bedingungen nicht nur in der WEA-Umgebung, sondern auch innerhalb der Umrichterschaltschr\u00e4nke starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen (siehe Abbildung 1). Bemerkenswert ist, dass sich die im WEA- bzw. die direkt im Schaltschrank gemessene absolute Luftfeuchtigkeit von der in der WEA-Umgebung kaum unterscheidet \u2013 nicht einmal in klimatisierten Offshore-WEA, in denen getrennte Innen- und Au\u00dfenluftstr\u00f6me designseitig das Eindringen von Seeluft unterbinden sollen.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Angesichts der W\u00e4rmeabgabe der Leistungselektronik nicht \u00fcberraschend ist das gegen\u00fcber der WEA-Umgebungsluft im Mittel 5 &#8211; 30 Kelvin (K) h\u00f6here Temperaturniveau im Umrichterschaltschrank. Infolgedessen bleibt die relative Luftfeuchtigkeit im Schaltschrank deutlich \u2013 im Jahresmittel typischerweise mindestens 20% \u2013 unter der der WEA-Umgebungsluft. Dennoch deuten die in unserem Paper dargestellten weiterf\u00fchrenden Analysen und Ergebnisse darauf hin, dass gerade die relative Feuchte im Schaltschrank eine zentrale Rolle f\u00fcr die Ausfallentstehung spielt. Und legen nahe, dass bereits relativ niedrige Werte der relativen Feuchte zuverl\u00e4ssigkeitswirksam sind.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"698\" height=\"257\" src=\"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2-698x257.png\" alt=\"Abbildung: H\u00e4ufigkeitsverteilungen von Temperatur und relativer Feuchtigkeit im Umrichterschaltschrank drei verschiedener WEA (hier basierend auf dem gesamten angegebenen Messzeitraum, d.h. ohne Aufschl\u00fcsselung nach Jahreszeiten): einer Onshore-Anlage im deutschen Binnenland mit luftgek\u00fchltem Umrichter im Turmfu\u00df (WT1), einer Offshore-Anlage in der deutschen Nordsee mit fl\u00fcssiggek\u00fchltem Umrichter in der Gondel (WT2) sowie einer Onshore-Anlage in Indien mit fl\u00fcssiggek\u00fchltem Umrichter im Turmfu\u00df\" class=\"wp-image-927\" srcset=\"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2-698x257.png 698w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2-400x147.png 400w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2-768x283.png 768w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2-1536x566.png 1536w, https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wp-content\/uploads\/2021\/05\/Bild2.png 1633w\" sizes=\"auto, (max-width: 698px) 100vw, 698px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\"><em>Abbildung 2: H\u00e4ufigkeitsverteilungen von Temperatur und relativer Feuchtigkeit im Umrichterschaltschrank drei verschiedener WEA (hier basierend auf dem gesamten angegebenen Messzeitraum, d.h. ohne Aufschl\u00fcsselung nach Jahreszeiten): einer Onshore-Anlage im deutschen Binnenland mit luftgek\u00fchltem Umrichter im Turmfu\u00df (WT1), einer Offshore-Anlage in der deutschen Nordsee mit fl\u00fcssiggek\u00fchltem Umrichter in der Gondel (WT2) sowie einer Onshore-Anlage in Indien mit fl\u00fcssiggek\u00fchltem Umrichter im Turmfu\u00df (Quelle: <a href=\"https:\/\/www.mdpi.com\/1996-1073\/14\/7\/1919\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Fischer et al. (2021<\/a><a>)<\/a><\/em>).<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Insgesamt machen die Mess- und Auswertungsergebnisse deutlich, wie stark sich die klimatischen Belastungen der WEA-Umrichter im Feld unterscheiden (siehe z.B. Abbildung 2) \u2013 abh\u00e4ngig vom Standort mit seinen klimatischen Umgebungsbedingungen, von Design und Betrieb der WEA, aber auch vom K\u00fchlprinzip der Umrichter.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Die Feldvermessung der Temperatur- und Feuchteverh\u00e4ltnisse in WEA-Umrichtern auf drei verschiedenen Kontinenten hat sich in mehrfacher Hinsicht als wertvoll erwiesen: Sie hat erstmalig die Charakterisierung der klimatischen Umrichterbelastung erlaubt und aufgezeigt, wovon diese wesentlich beeinflusst werden. Sie hat wichtige neue Erkenntnisse f\u00fcr die Ursachenkl\u00e4rung der h\u00e4ufigen Umrichterausf\u00e4lle geliefert. Und sie bildet die Grundlage zur Ableitung verbesserter Testverfahren f\u00fcr die Zuverl\u00e4ssigkeitsqualifizierung von Umrichtersystemen und -komponenten f\u00fcr WEA.&nbsp;Die neuen Erkenntnisse zur klimatischen Umrichterbelastung werden im n\u00e4chsten Schritt in eine Pr\u00fcfumgebung \u00fcberf\u00fchrt. F\u00fcr die multimodale Pr\u00fcfung von Umrichtersystemen wird aktuell ein Labor in Bremen aufgebaut: Im <a rel=\"noreferrer noopener\" href=\"https:\/\/www.iwes.fraunhofer.de\/de\/forschungsprojekte\/aktuelle-projekte\/hipe-wind.html\" target=\"_blank\">HIPE-Lab<\/a>&nbsp;sollen dann klimatische und elektrische Belastungen (bis zu 10 MW) \u00fcberlagert werden. Reale Belastungszyklen, abgeleitet aus Feldmessungen, werden dort nachgebildet, um Prototypen und bestehende Umrichtersysteme unter anwendungstypischen Bedingungen testen und vermessen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Mehr Informationen:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\"><a href=\"https:\/\/www.iwes.fraunhofer.de\/de\/forschungsspektrum\/einstiegsseite-hersteller-und-zulieferer\/zuverlaessigkeit-technischer-systeme.html\">Zuverl\u00e4ssigkeit technischer Systeme (fraunhofer.de)<\/a><\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Quellen:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Bartschat et al. (2018): Bartschat, A.; Broer, C.; Coronado, D.; Fischer, K.; Kucka, J.; Mertens, A.; Meyer, R.; Mori\u00dfe, M.; Pelka, K.; Tegtmeier, B.; Weber, S.; Wenske, J., \u201eZuverl\u00e4ssige Leistungselektronik f\u00fcr Windenergieanlagen\u201c, Abschlussbericht zum Fraunhofer-Innovationscluster Leistungselektronik f\u00fcr regenerative Energieversorgung, Fraunhofer-Verlag 2018, ISBN: 978-3-8396-1326-9.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Fischer et al. (2018): Fischer, K.; Pelka, K.; Bartschat, A.; Tegtmeier, B.; Coronado, D.; Broer, C.; Wenske, J., &#8222;Reliability of Power Converters in Wind Turbines: Exploratory Analysis of Failure and Operating Data From a Worldwide Turbine Fleet&#8220;, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 7, pp. 6332-6344, July 2019, DOI 10.1109\/TPEL.2018.2875005.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"wp-block-paragraph\">Fischer et al. (2019): Fischer, K.; Pelka, K.; Puls, S.; Poech, M.-H.; Mertens, A.; Bartschat, A.; Tegtmeier, B.; Broer, C.; Wenske, J., \u201cExploring the Causes of Power-Converter Failure in Wind Turbines based on Comprehensive Field-Data and Damage Analysis\u201d, Energies 2019, 12, 593, DOI 10.3390\/en12040593. Fischer et al. (2021): Fischer, K.; Steffes, M.; Pelka, K.; Tegtmeier, B.; D\u00f6renk\u00e4mper, M., \u201cHumidity in Power Converters of Wind Turbines\u2014Field Conditions and Their Relation with Failures\u201d, Energies 2021, 14, 1919, DOI 10.3390\/en14071919<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Autorinnen: Karoline Pelka und Dr.-Ing. Katharina Fischer Frequenzumrichter z\u00e4hlen zu den am h\u00e4ufigsten ausfallenden Komponenten von Windenergieanlagen. Die Ursachen hierf\u00fcr waren lange unbekannt. 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Seit ihrem Wechsel zum IWES hat sie vielf\u00e4ltige Forschungsaktivit\u00e4ten auf den Gebieten der Zuverl\u00e4ssigkeit, Instandhaltung und Zustands\u00fcberwachung von Windenergieanlagen etabliert. Allen gemein ist die zentrale Rolle von Felddatenanalysen. 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