power4re – Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung

Laufzeit: 03/2020 - 02/2023
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Fraunhofer Gesellschaft
Kooperationspartner: Fraunhofer IISB; Fraunhofer IMWS; Fraunhofer IWES; Fraunhofer IZM
Projektfokus:
800-A-Halbleitermodul mit Treiberplatine
© Fraunhofer ISE
800-A-Halbleitermodul mit Treiberplatine für den Einsatz in PV-Zentralwechselrichtern.
Bidirektionaler Batterieumrichter
© Fraunhofer ISE
Bidirektionaler Batterieumrichter mit 125kW Nennleistung.
Temperatur- und Leistungsprofil während einer Feuchte-Frost-Prüfung
© VDE-Verlag
Temperatur- und Leistungsprofil während einer Feuchte-Frost-Prüfung nach DIN EN 62093 VDE 0126-20:2005-12.

Umrichter sind in der Energiewende von zentraler Bedeutung. Sie sind unverzichtbare technische Komponenten zur Netzanbindung von Photovoltaik- und Windenergieanlagen, um die regenerativ erzeugte Energie mit netzkonformer Spannung und Frequenz einzuspeisen. Aufgrund besonders herausfordernder Betriebs- und Umgebungsbedingungen zählen Umrichtersysteme zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und verursachen so oft beträchtliche Kosten. Somit besteht ein dringender Bedarf an langlebigen und gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlichen Umrichtern. Das Projekt »power4re« widmet sich der Entwicklung von Lösungen, mit denen die Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung gesteigert werden kann.
 

Das Projekt fokussiert sich auf drei zusammenhängende Themenfelder. Als Grundlage für weitere Untersuchungen werden zunächst anwendungsspezifische Schwachstellen ermittelt. Dazu werden umfassenden Felddaten- und Schadensanalysen in Windenergie- und PV-Anlagen durchgeführt. Daraus sollen anwendungsspezifische Betriebsbedingungen und Anforderungen generiert werden, die insbesondere auch den Einfluss von Feuchtigkeit berücksichtigen. Zudem sollen geeigneten Testverfahren entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit von Umrichtern unter anwendungstypischen Bedingungen bewerten zu können.

Das zweite Themenfeld widmet sich Ausfallmechanismen an kritischen Einzelkomponenten des Leistungspfades sowie der Treiber-und Steuerelektronik. Diese werden oft durch die Kombination von klimatischer und elektrischer Belastung ausgelöst und sollen mithilfe von Feldrückläufern und Laboruntersuchungen detailliert erforscht werden. Ziel ist es, Ansätze für hardwareseitige Modifikationen und Schutzkonzepte zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Einzelkomponenten zu entwickeln.

Im dritten Themenfeld sollen schließlich Modelle zur Lebensdauerberechnung und Zustandsüberwachung entwickelt werden.

Viele der Einzelkomponenten von Frequenzumrichtern in Windenergieanlagen (WEA) und von Wechselrichtern in PV-Anlagen sind in ihren technischen Spezifikationen, in ihrer Beanspruchung und teils auch in ihrer Anordnung vergleichbar. Daher ist es durchaus denkbar, dass Ausfallmechanismen, die für WEA-Umrichter erforscht und bekannt sind, auch auf PV-Wechselrichter angewendet werden können und umgekehrt. Potenziell können die angestrebten Lösungen zur Steigerung der Zuverlässigkeit auch auf andere Bereiche wie Bahn, Avionik und Elektromobilität übertragen werden, in denen Umrichter ebenfalls herausfordernden Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind.