November 2012

Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren

Kapazitäten für getriebelose Windturbinen

Eine neue Generation getriebeloser Vollumrichter-Windturbinen geht an den Start. Diese fordern eine sehr hohe Zwischenkreiskapazität, wofür EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschluss besonders geeignet sind. Die Bauelemente zeichnen sich durch lange Lebensdauer, große Zuverlässigkeit, hohe Stromtragfähigkeit und große Energiedichte aus.

Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aller Bauelemente spielen insbesondere bei den vermehrt in Betrieb gehenden Offshore-Windparks eine wichtige Rolle. Denn vor allem bei Offshore-Anlagen führt die mit größeren Rotoren einhergehende Verdoppelung der Leistung (Abbildung 1) zu einer Verachtfachung des Drehmoments im Getriebe. Diese Belastung erhöht die Kosten für das Getriebe selbst sowie für dessen Wartung. Die Antwort darauf ist die neueste Generation von Windkraftanlagen, die getriebelos arbeiten. Eingesetzt werden dafür Synchrongeneratoren mit Spannungen von 690 V AC (ca. 1200 V nach 6- oder 12-facher Brückengleichrichtung). In der Folge muss die gesamte Leistung vom Umrichter bewältigt werden. Dies erfordert wiederum hohe Kapazitätswerte der Zwischenkreiskondensatoren pro MW Leistung, um die gewünschte Stabilität bei der Einspeisung zu erzielen.

Abbildung 1: Wachsende Leistungsfähigkeit von Windturbinen

Der Einsatz größerer Rotoren bei Windturbinen führt zu einer Leistungsverdoppelung im Vergleich zu vor zehn Jahren. Allerdings erhöht sich die Belastung des Getriebes durch eine Verachtfachung des Drehmoments. Die Antwort sind getriebelose Turbinen: neben geringeren Kosten sind sie zuverlässiger und haben einen geringeren Geräuschpegel (wichtig in besiedelten Gebieten). Außerdem nehmen teure Ausfallzeiten deutlich ab.

Verschleißfrei ohne Getriebe
Die neue Generation von Windturbinen mit Vollumrichter-Technologie kommt vollkommen ohne Getriebe aus, das mechanischem Verschleiß unterliegt. Windturbinen in der neuen getriebelosen Bauweise erreichen daher höhere Zuverlässigkeitswerte (Abbildung 2). Um während der Lebensdauer einer Windkraftanlage, die unter typischen Bedingungen mehr als 20 Jahre beträgt, einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten, ist es unabdingbar, dass die Bauelemente in den Turbinen wartungsfrei sind.

EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschluss stellen dafür eine hervorragende Lösung dar. Sie erfüllen die höchst anspruchsvollen Anforderungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Temperaturresistenz. Die Kondensatoren bieten eine hohe Energiedichte, wie sie für den Einsatz in kompakten Leistungselektronikmodulen benötigt wird. Diese äußerst robusten Bauelemente weisen die geforderte Performance für moderne Direktantrieb-Umrichter in Windturbinen auf. In Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung und der erforderlichen Gesamtkapazität werden die Kondensatoren entsprechend in Reihe und parallel geschaltet.

Abbildung 2: Windturbinen-Topologien
Ein Konzept bestehend aus getriebelosem Synchrongenerator mit Direktantrieb und Vollumrichter (unten) gestattet wesentlich kleinere und leichtere Konstruktionen mit höheren Ausgangsleistungen und erheblich niedrigeren Wartungskosten.

Harte Anforderungen
Durch den Wegfall des Getriebes erfordern Direktantrieb-Generatoren ein Vollumrichter-Konzept, das die weitaus strengeren Vorschriften für Stromnetze erfüllt. Dazu gehören etwa die Netzstützung bei Spannungseinbruch (Low Voltage Ride Through, LVRT) und der Fault Ride Through (FRT). Weitere wichtige Design-Faktoren werden durch die Netzanbindungsvorschriften bestimmt. Die Anbindung an das Stromnetz muss in Bezug auf die Blindanteile ‚sauber‘ sein. Darüber hinaus muss die Windkraftanlage am Netz bleiben oder Fehler kompensieren können, auch wenn ein Systemausfall (Abbildung 3) auftritt. Damit soll eine Beeinträchtigung der Netzstabilität vermieden werden, die zu ernsthaften Störungen oder Unterbrechungen in der Energieversorgung führen könnte.

Abbildung 3: Reaktion auf Spannungseinbrüche

Umrichter von Windturbinen müssen auch bei einem Nennspanungsabfall in Höhe von 15 Prozent am Netz bleiben.


Von Windgeneratoren wird insbesondere gefordert, dass sie uneingeschränkt in Betrieb bleiben. Dies gilt ungeachtet dessen, ob die Spannung im Netz aufgrund einer Störung oder eines Lastwechsels zeitweise einbricht. So kann die Spannung in einer, zwei oder allen drei Phasen des AC-Netzes abfallen. Die Auswirkungen des Spannungsabfalls sind vom Spannungspegel, der in diesem Zustand vorliegt und der bis auf null Volt absinken kann, sowie von der Dauer des Fehlermoments abhängig. Je nach Anwendung muss sich das System vorübergehend vom Netz trennen können, sich nach dem Fehler wieder aufschalten und den Betrieb fortsetzen. Oder es darf sich nicht vom Netz trennen und muss betriebsfähig bleiben – oder aber, es muss angeschlossen bleiben und das Netz mit Blindleistung unterstützen.

Für Generatoranlagen wie Windturbinen und Solarkraftanlagen ist das erforderliche LVRT-Verhalten in Netzanschlussregeln, den sogenannten Grid Codes festgelegt. Diese definiert der Netzbetreiber. Beispiele hierfür sind der E.ON Grid Code in Deutschland und der National Grid Code in Großbritannien. Bei kritischen Lasten wie die Stromversorgung von Rechenzentren und Industrieanlagen wird die geforderte LVRT-Leistung von der Anwendung vorgegeben. Daher benötigen Umrichter in Direktantrieb-Generatoren eine wesentlich größere Kapazität, um die höheren Leistungen zu bewältigen und den spezifizierten Leistungsfaktor einzuhalten. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, dass der hierfür ausgewählte Kondensator in puncto Zuverlässigkeit besser ist als das konventionelle und wartungsintensive mechanische Getriebe.

Produktspektrum für hohe Ansprüche
Mit seiner breiten Palette an EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für diese äußerst anspruchsvollen und robusten Anwendungen ist TDK in der Windenergie und auf anderen Gebieten der erneuerbaren Energie ein verlässlicher Partner. Die kompakten Kondensatoren mit Schraubanschlüssen erfüllen alle Anforderungen der Entwickler, wie beispielsweise sehr lange Lebensdauer bei höchster Zuverlässigkeit unter hohen Wechselstrombelastungen. Weitere Vorteile dieser Kondensatoren sind ihre schwerentzündlichen und selbstlöschenden Elektrolyte.

Mit EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren ist TDK weltweit der führende Lieferant bei Zwischenkreislösungen für Windturbinen sowie von Solargeneratoren. Mit dem breiten Portfolio von EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in Schraubausführung (Tabelle) können alle Umrichter-Spezifikationen eingehalten werden und die notwendige kundenspezifische technische Unterstützung ist gesichert.

Tabelle: Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für Windkraftanlagen

BaureiheMax. Betriebstemperatur
[°C]
Nutzungsdauer
[h]
Nennspannung
[V DC]

Nennkapazität
[µF]

B43455 / B43457

85

10.000

350 bis 450

1000 bis 15.000

B43456 / B43458

85

12.000

350 bis 550

560 bis 18.000

B43564 / B43584

85

15.000

350 bis 500

820 bis 33.000

B43740 / B43760

105

6000

350 bis 500

1000 bis 18.000

B43700 / B43720

85

6000

600

1200 bis 6800

Leistungsmerkmale

  • Hohe Wechselstrombelastbarkeit
  • Sehr niedriger ESR-Wert
  • Sehr niedriger ESL-Wert (13 nH bei Designs mit niedriger Induktivität)
  • Lange Nutzungsdauer (> 20 Jahre)
  • Kompakte Becherform
  • Optimiertes thermisches Konzept
  • Anschlüsse vor Falschpolung (PAPR) geschützt (auf Anfrage)
  • Spezielles Design für Bodenkühlung

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