Referenz Woodward SEG: Windenergieanlagen

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Windenergieanlagen
Effizient schalten und schützen
Elektrischen Strom aus Wind zu gewinnen, ist heutzutage bei knappen fossilen ­
Ressourcen notwendiger denn je. Die Firma Woodward SEG aus Kempen am Nieder­
rhein stellt seit mehr als zehn Jahren eine feste Größe im Markt der ­Frequenzumrichter
­für Windenergieanlagen (WEA) dar. Die in dieser Zeit gesammelten Erfahrungen in der
Schaltanlagen- und Regelungs­technik fließen kontinuierlich in neue Produkte und
Technologien ein. Moderne Frequenz­umrichter für Windenergieanlagen müssen
härtesten Anforderungen entsprechen, was beispielsweise die Schalthäufigkeiten
in unterschiedlichsten Netzen rund um den Globus anbelangt. Daher wurde
für die neue Concycle-Wind-Frequenzumrichter-Generation eine optimierte
Schaltkombination entwickelt, die auch auf Produkten von Moeller basiert.
Erfahrungen und Neues einbringen
Während der Entwicklung moderner Fre­
quenzumrichter gilt es, diverse – meist sogar
konträre Ziele – ­in Einklang zu bringen. Die
Erfahrungen im Windgeschäft zeigen, dass
zumeist kostengünstigste Bauelemente mit
hoher Qualität für eine Lebensdauer von 20 Jah­
ren zum Einsatz kommen müssen. Zudem soll
die Produktion, gleichwie der Service von Fre­
quenzumrichtern möglichst modular, effizient
und aufwandsarm sein. Denn eine Windener­
gieanlage ist an unterschiedlichsten Standorten
verschiedensten Einflüssen, wie extremer Kälte
und Hitze, Feuchtigkeit, Staub oder Sand, Flau­
ten und Stürmen ausgesetzt. Dementsprechend
muss das technische Know-how in der Auswahl
und Anordnung der Bauteile stecken und diese
für widrigste Bedingungen ausgelegt sein.
Bei der neuen Frequenzumrichter-Generation
von Woodward SEG sollen möglichst viele
Anforderungen erfüllt werden:
Perfekte Kombination für den Teillastbereich:
Der Kompaktleistungsschalter NZMH4, 800A schützt
den Generator zuverlässig vor Überlastung im
Kurzschlussfall. Das Leistungsschütz DILM-580 mit
Vakuumschalttechnik übernimmt das betriebsmäßige
Zu- und Abschalten der Windenergieanlage. Die
Kombination lässt sich ohne Derating bei Umgebungstemperaturen von bis zu 50°C einsetzen.
•Ein modularer Schaltanlagenbau soll bei
hohem Standardisierungsgrad trotzdem auf
Kundenwünsche reagieren können. So wer­
den bewährte Baugruppen in standardisierten
Produktionsprozessen gefertigt und geprüft.
•Klimatischen Anforderungen wird durch
typgeprüfte Schrankeinheiten mit optionalen
Einheiten zum Heizen und Kühlen entspro­
chen – simuliert in umfangreichen Prüfreihen,
unter anderem in Klimacontainern.
•Weltweit wandeln sich die Anforderungen
der Netzbetreiber hin zu aktiver und intel­
ligenter Unterstützung ihrer elektrischen
Netze durch Windenergieanlagen. Die dazu
notwendigen Simulationen und Software­
funktionen werden erarbeitet und im haus­
eigenen Prüfstand getestet. So lassen sich
zeitnah neueste Standards umsetzen.
•Entwicklungen werden mit neuesten Metho­
den des „Product Lifecycle Managements“
(PLM) gesteuert.
•Unterschiedliche Einsatzorte der Windener­
gieanlagen bedeuten auch unterschiedlichste
Windprofile und damit variierende elektrische
und mechanische Belastungen. So schaltet
ein Frequenzumrichter bis zu 2000 Mal pro
Jahr ans Netz.
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Funktionsprinzip
Das Unternehmen Woodward SEG GmbH
& Co. KG, mit Sitz in Kempen am Nieder­
rhein, lieferte Ende 1996 seinen ersten Fre­
quenzumrichter, damals noch unter dem
SEG-Logo, für eine Windenergieanlage
aus. Als SEG blickt die Firma auf knapp 40
Jahre in der Schaltanlagen- und Schutz­
technik zurück.
Aus kleineren Null-Serien wurde zügig eine
Umrichter-Serienproduktion für den deut­
schen und seit dem Jahr 2000 auch den
US-amerikanischen Markt entwickelt. Die
„Sättigung“ des deutschen Windmarkts
ab 2002/ 2003 führte Frequenzumrichter
aus Kempen weltweit in aufstrebende
Windmärkte: In Ländern wie Frankreich,
Spanien, Großbritannien, aber auch Japan,
China und Australien wandeln sie – auf
Land und Meer – zusammen mit dem
Generator die Windkraft in elektrischen
Strom um. Installiert worden sind bislang
insgesamt mehr als 5000 Umrichter für
Systemleistungen zwischen 600kW bis
5MW und künftig auch größerer Leistung.
(www.woodward-seg.com)
Bis 2000A effektiv schalten mit Moeller
Leistungsschütze DILH. Die Vakuumschalttechnik
verhindert offene Lichtbögen und führt gegen­
über Luftschütze zu einer deutlich höheren
­elektrischen Lebensdauer. Die Reihe wird zukünftig um die Leistungsklasse 2500 A erweitert.
Bei einem Concycle-Wind-Frequenzumrichter
besteht der Generator der Windenergieanlage
beispielsweise aus einer doppelt gespeisten
Schleifringläufer-Asynchronmaschine. Um
die Systemleistung in Abhängigkeit von der
Rotordrehzahl regeln zu können, wird in den
Läuferkreis der Asynchronmaschine der Fre­
quenzumrichter geschaltet. IGBT’s (insulatedgate bipolar transistor) erzeugen aus einem
Gleichspannungszwischenkreis eine Spannung
variabler Frequenz und Amplitude. Dabei wird
die Frequenz im Läuferkreis entsprechend der
windabhängigen Drehzahl der WEA eingestellt.
Der Ständer der Asynchronmaschine ist über
einen Leistungsschalter und Transformator mit
dem Mittelspannungsnetz verbunden.
Anders ans Netz gehen
Windenergieanlagen halten sich in ihrem
Drehzahlbereich häufiger in niedrigeren als
dem Nennbereich auf. Dies führt dazu, dass
Leistungsschalter häufig ein- und ausgeschaltet
werden müssen. Hinzu kommen die Schutzan­
forderungen, die der Anschluss an ein Industrie­
netz mit Kurzschlussströmen bis 50kA mit sich
bringt. Eine Reduzierung der Schaltspielzahlen
verringert die Wartungskosten wie auch die
Stillstandszeiten. Sollen Betriebsströme heutiger
WEAs zwischen 2000…3000A geführt und im
Störungsfall geschaltet werden, stellen zum Bei­
spiel Reihenschaltungen aus Leistungsschaltern
und Schützen eine technisch gute, aber teure
Variante dar. Derartige Systeme werden heute
jedoch vorrangig aus kostentechnischer Sicht
betrachtet. So sollte nicht zuletzt auch eine kos­
tenoptimierte Schaltung zum Einsatz kommen.
Ein Bypass zum Hauptschalter, bestehend
aus Kompaktleistungsschalter und VakuumLeistungsschütz, übernimmt die Zuschaltung
ans Netz im Teillastbereich.
Es geht aber auch anders. Ein „kleinerer“
Bypass, bestehend aus Leistungsschalter NZM
(-Q2) und Leistungsschütz (K2) zum „Haupt­
schalter -Q1“, übernimmt im Teillastbereich die
Zuschaltung ans Netz. Selbst hohe Kurzzeit­
ströme bei transienten Netzvorgängen werden
durch die Kombination von softwareseitiger
Stromüberwachung und Vakuum-Röhrentech­
nik des DILM-Leistungsschütz beherrscht. Den
Kurzschlussschutz des Bypasskreises sichert ein
NZMH4-Leistungsschalter ab.
Bisherige Felderfahrungen mit dieser Schaltung
zeigen, dass sich mit einem Bypass die Schalt­
spiele des Hauptschalters reduzieren lassen.
Durch ein erfahrenes Team, bestehend aus
Fachleuten von Woodward SEG und Moeller,
wurden der Einsatz, die Dimensionierung und
die Funktion der Schaltung überprüft und das
Risiko in Form einer Fehlerart- und Effektivitäts­
analyse (kurz FMEA) bewertet. Die Resultate der
Analyse überzeugten in jeder Hinsicht.
FAZIT
„Unsere Kunden vertrauen auf unsere
technischen Lösungen. Wir optimieren
unsere Frequenzumrichter ständig und
senken so auch die Life-Cycle-Kosten
der WEAs. Damit verstehen wir uns bei
Woodward-SEG als technischer Partner
unserer Kunden“, so Teamleiter Eric
Hartmann, zum Einsatz von Moeller
Komponenten. „Wir sind sehr zufrieden
mit dem technischen Support von Moeller.
Nur durch kontinuierliche Zusammen­
arbeit ist ein Systemverständnis für die
Windenergietechnik zu erreichen. Aus
meiner Sicht liegt eine unserer Stärken in
der Suche nach gemeinsamen, fundierten
technischen Lösungen.“
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