Frequenzumrichter für Frequenzumrichter für Windenergieanlagen: Ansteuerung der Generatoren

Der Generator wandelt die mechanische Windenergie in elektrische Energie um. Wird der Generator im energieoptimalen Lastpunkt betrieben, dann sind die elektrischen Größen wie Frequenz und Spannung nicht geeignet, die Energie direkt in das öffentliche Netz einzuspeisen. Der Frequenzumrichter übernimmt die Aufgabe der Umformung der elektrischen Energie aus dem Generator in für die Einspeisung geeignete Größen. Unterschiedliche Designarten Jeder Turbinenhersteller verfolgt beim Design seiner Windkraftanlage eine eigene Philosophie und entsprechend unterschiedlich sind die Anforderungen an den Frequenzumrichter. Dies hat zur Folge, dass der Hersteller sein Produkt für jeden Turbinentyp an dessen Gegebenheiten anpassen muss. Die Unterschiede reichen vom Aufstellungsort und den Abmessungen des Schaltschrankes über die Kühlungsart, die elektrischen Eckdaten, die Anforderungen an die Regelung bis hin zur Definition der Kommunikationsschnittstelle – es gleicht also kein Umrichtertyp dem anderen. Neben der Turbinenkonstruktion haben die Umweltbedingungen großen Einfluss auf das Design des Umrichters. So gibt es beispielsweise Frequenzumformer für Aufstellungsgebiete in Kalt- und Warmklimazonen. Besonderes Augenmerk verdienen Offshoreapplikationen: Die Komponenten des Frequenzumrichters müssen so konzipiert sein, dass sie die Lebensdauer von mindestens 20 Jahren in der salzhaltigen Umgebungsluft ohne Probleme erreichen. Weitere wichtige Aspekte sind Themen wie Fernwartung oder Teilredundanz. Einhaltung von Netzanschlussregeln Durch die wachsende Zahl von Windturbinen im öffentlichen Netz ist die Einhaltung von Netzanschlussregeln ein immer bedeutenderes Thema. Windkraftanlagen haben mittlerweile nicht nur die Aufgabe die Energie des Windes in elektrische Energie umzuwandeln und ins Netz einzuspeisen. Sie müssen unter anderem auch für eine Stabilisierung des Netzes sorgen, gemäß den Vorgaben des Energieversorgers. Windkraftanlagen müssen bei Netzfehlern, etwa kurzzeitigen Spannungseinbrüchen im Netz, in der Lage sein, diese Fehler zu umgehen und nach der Klärung sofort wieder Energie zu liefern. Es wäre katastrophal, wenn bei kleinen Netzschwankungen plötzlich tausende kW an Windleistung ausfallen würden. Die verbleibenden Kraftwerke könnten diesen Ausfall nicht schnell genug kompensieren. Ein Stromausfall wäre die Folge. Frequenzumformer an Richtlinien anpassen Damit die gesamte Turbine diese Netzanforderungen erfüllen kann, muss auch der Frequenzumformer an die Richtlinien angepasst werden. Von außen betrachten Viele den Umrichter oft nur als Blackbox, die man für die Verbindung der Windturbine (Generator) mit ihrer variablen Drehzahl (variable Frequenz, Spannung, Strom) und dem Netz, in das eingespeist werden soll, benötigt. Was genau verbirgt sich jedoch hinter dem Gehäuse? Das Kernstück des Frequenzumrichters ist der maschinen- und netzseitige Wechselrichter. Diese Wechselrichter sind aus IGBT-Halbleiterschaltern (Insulated Gate Bipolar Transistor) aufgebaut. Diese \’Halbleiterschalter\‘ werden so angesteuert, dass sich an den Umrichterklemmen die erforderliche Spannung einstellt, um den optimalen Energiefluss zu erzielen. Je nach Anforderung werden die IGBTs mit einer Frequenz von bis zu 5kHz getaktet. Wenn ein kurzzeitiger Netzspannungseinbruch auftritt Tritt im Betrieb ein kurzzeitiger Netzspannungseinbruch auf, kann der Umrichter die Energie des Generators unter Umständen nicht mehr vollständig an das Netz abgeben. Damit der Umrichter diese Zeit überbrücken und nach Fehlerklärung wieder die volle Energie einspeisen kann, wird für diesen kurzen Fehlerzeitraum die überschüssige Energie des Generators mit Hilfe eines Choppers in einen Widerstand umgeleitet. Um die Qualität der Ausgangsspannungen und -ströme an den jeweiligen Generator und das vorhandene Netz anzupassen, sind sowohl netz- wie auch generatorseitig entsprechende Filter nötig. Der generatorseitige Filter ist auf die vorhandene Leitungslänge optimiert und schützt unter anderem die Isolation des Generators vor der Beanspruchung durch die steilen Spannungsflanken der IGBTs. Der netzseitige Filter begrenzt die Netzrückwirkungen des Umrichters auf das vom Energieversorger geforderte Maß. Über Leistungsschaltglieder verbindet man den Umrichter mit dem Generator bzw. dem Netz und trennt ihn gegebenenfalls. Das Control Board, ausgestattet mit Dual-Prozessortechnologie, übernimmt die Regelung des gesamten Umrichters. Hier laufen alle Soll- und Istwerte zusammen, die man für den Betrieb des Umrichters benötigt. Das Control Board regelt sowohl den maschinenseitigen Wechselrichter, um den Generator in allen Betriebspunkten optimal zu bereiben, als auch den netzseitigen Wechselrichter, damit die Turbine das gewünschte Verhalten am Netz aufweist. Im Windpark spricht Anybus-S Interbus Im Turnus von 6ms werden sechs Datenwörter mit aktuellen Steuer- und Statusinformationen zwischen dem Turbinencontroller und dem Frequenzumrichter ausgetauscht. Durch die kurze Zykluszeit zwischen den beiden Anlagenteilen wird eine möglichst optimale Ausnutzung der jeweiligen Windsituation erreicht – und damit ein bestmöglicher Wirkungsgrad der Windenergieanlage. Das heißt, das System erhält alle 6ms neue Prozessdaten, um die Ausgangsspannung und die Ausgangsfrequenz konstant zu halten. Neben Steuerdaten wie Ein/Aus werden z.B. die Wirk- und die Blindleistung übermittelt. Um die konkreten Anforderungen an die Kommunikationsgeschwindigkeit zu erfüllen, wurde die Firmware speziell für das Anybus-Modul für Interbus mit Lichtwellenleiter leicht modifiziert. Das Anybus-Kommunikationsmodul ist über seine standardisierte, netzwerkunabhängige parallele 2KB Dual-Port-RAM-Schnitt­stelle in den Frequenzumrichter eingebunden. Einbaufertige Busschnittstellen Die Kommunikationsmodule der Produktfamilie Anybus-S sind einbaufertige Busschnittstellen mit Slave-Funktion im Kreditkartenformat. Die Module übernehmen die Bearbeitung des jeweiligen Kommunikationsprotokolls, sodass die Kommunikation den Prozessor des Automatisierungsgerätes nicht belastet. Mit den Kommunikationsschnittstellen Anybus-S lassen sich Automatisierungsgeräte wie z.B. Frequenzumrichter in industrielle Netzwerke integrieren. Die Produktfamilie Anybus-S umfasst 18 Kommunikationsmodule für verschiedene Feldbusse und Industrial-Ethernet-Varianten wie Profibus, DeviceNet, CC-Link, CANopen, Interbus, Profinet, Ethercat oder Ethernet/IP. Alle Module haben dasselbe Format. Auch die Hard- und Softwareschnittstelle zum Feldgerät ist bei allen 18 Modulvarianten identisch. Je nach Netzwerkanforderung muss man in der Fertigung also nur das entsprechende Modul verbauen. Damit reduziert sich die Feldbusproblematik auf eine Bestückungsoption.