Bild 1: Spannung bei einem Zwei-Level-Umrichter, der das komplette Spannungsniveau schaltet © Siemens

Seit Mitte der 90er Jahre setzt man deshalb bei Neuanlagen Frequenzumrichter ein, die die Drehzahl der Windturbine von der Netzfrequenz entkoppeln und den erzeugten Strom „netzgerecht“ einspeisen. Ziel ist die Erzeugung einer möglichst sinusförmigen Netzspannung in der geforderten Amplitude und Frequenz, die vergleichbar mit der eines Synchrongenerators ist und die dabei alle Netzeinspeise-Anforderungen erfüllt.

Bevorzugte Bauelemente der Fre­quenzumrichter sind IGBTs (insulated gate bipolar transistors), welche die positiven Eigenschaften des Bipolartransistors (hohe Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit) mit denen des Feldeffekt-Transistors (einfaches Ein- und Ausschalten) kombinieren. Ihr Einsatz in Umrichtern ist bewährt und wirtschaftlich. Um einen sinusförmigen Kurvenverlauf zu erzeugen, schalten die IGBTs zwischen diskreten Spannungsniveaus und verändern dabei ihre Einschaltdauer im Verhältnis zur Periodendauer (Pulsweitenmodulation).

Modularer Multilevel Converter

Bild 3: Der Modulare Multilevel Converter (M2C) schaltet zwischen den Spannungsniveaus von zwei benachbarten Submodulen. © Siemens

Die von Prof. Rainer Marquardt, Inhaber des Lehrstuhls für Leistungselektronik an der Universität der Bundeswehr in München, entwickelte und mittlerweile von Siemens patentierte Schaltungstechnologie „Modular Multilevel Converter“‘ – kurz M2C – umgeht die Nachteile von zwei- und dreistufigen Umrichtern, indem sie zwischen mehreren feinstufigen Spannungsniveaus schaltet (siehe Bild 3). Jede der drei Phasen des M2C-Umrichters besteht aus einer Reihenschaltung von identischen Submodulen mit jeweils IGBT, Kondensatoren und einer Ansteuerung. Aufgrund der modularen Bauweise können beliebig viele Halbleiter in Reihe geschaltet werden, wodurch im Prinzip jede beliebige Ausgangsspannung realisierbar ist (siehe Bild 4). Die gewünschte Sinusform der Ausgangsspannung wird durch ein stufenweises Zu- oder Abschalten der einzelnen Submodule angenähert.

Bild 4: Funktionsprinzip der M2C-Topologie mit 3 × 8 Submodulen: Jeweils acht Submodule schalten das komplette Spannungsniveau für eine Phase. © Siemens

Die Feinabstimmung erfolgt dabei – wie bei den Zwei-Level-Umrichtern – nach dem Pulsweitenverfahren, nur dass hier nicht der gesamte Spannungshub (±Ud /2) geschaltet wird, sondern nur der Spannungshub einer Stufe. Dabei gilt: je kleiner der Spannungshub zwischen den einzelnen Submodulen ist, desto mehr nähert sich die Kurve der idealen Sinusform an und verringert die transiente Belastung der Leistungshalbleiter. Damit lassen sich jetzt auch im Mittelspannungsbereich Komponenten aus dem Bereich der Niederspannungstechnik verwenden. Diese Komponenten sind weit verbreitet, standardisiert, sehr effizient und aufgrund ihrer hohen Stückzahl kostengünstig.

Jedes Submodul ist über zwei Glasfaserleitungen mit einem sehr schnellen und leistungsfähigen, hardwarenahen Steuerteil, dem sogenannten Power-Stack-Adapter (PSA), verbunden. Dieser ist wiederum mit der übergeordneten Sinamics-Steuerung des Sinamics SM120 CM verbunden, welcher die Netzregelung übernimmt. Die Ansteuerung der Module geschieht mehr oder weniger automatisch auf drei Ebenen: Eine interne Logik in jedem Modul steuert die Gate-Treiber an, misst die Spannung und bildet die Schnittstelle nach außen zu den Lichtwellenleitern. Der PSA als übergeordnete Steuerung berechnet aufgrund der eingehenden Zustandsdaten der Module die jeweils benötigte Spannung und steuert die IGBTs in Abhängigkeit vom Leistungsfluss und den jeweiligen Kondensatorspannungen so, dass die Umrichter-Zweigspannungen stets ausbalanciert sind. Ein intelligenter Sortieralgorithmus sorgt dafür, dass die Module homogen belastet und die Modulströme synchronisiert werden und dass die Kondensatorspannung nicht zu stark ansteigt.

Der M2C taktet effektiv mit etwa 10 kHz. Das ist eine für Mittelspannungsumrichter deutlich höhere Taktfrequenz, da auf diesem Spannungslevel in Drei-Punkt-Technik normalerweise mit einer Frequenz im Bereich von 250 bis 300 Hz getaktet wird. Damit können die Umrichter schneller auf Fehler reagieren, wie sie beispielsweise beim Netzkurzschluss entstehen.

Ein wesentlicher Vorteil der M2C-Technik ist, dass der Filteraufwand am Ausgang im Vergleich zu Lösungen mit konventioneller Technik eliminiert wird: Das verringert Verluste, Kosten und Gewicht. Der Oberwellenanteil der eingespeisten Spannung liegt weit unter den weltweit üblichen Anforderungen der Versorgungsunternehmen. Der neue Umrichter erfüllt damit die anspruchsvollsten Anforderungen der Netzanschlussregeln, was eine reibungslose und effektive Einbindung in jedes Netz ermöglicht. Dies spielt besonders bei schwachen Netzen und Inselnetzen eine Rolle, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen.

Bild 5: Bypass-Schaltung des M2C mit einem Doppelsubmodul: Bei Ausfall eines Submoduls überbrückt der Bypass das defekte Teil. © Siemens

Jedes Modul besitzt zwischen den Eingangsklemmen einen Bypass-Schalter, welcher bei einem Modulausfall innerhalb wenigen Hundert Mikrosekunden automatisch aktiviert wird und das defekte Modul überbrückt. Der restliche Umrichter kann störungsfrei weiterbetrieben werden. Der M2C hat eine inhärent hohe Zuverlässigkeit, die sich durch Hinzufügen weiterer Submodule noch erhöhen lässt. Diese quasi redundanten Submodule sorgen dafür, dass Ausfälle einzelner Komponenten nicht zum Abschalten der Anlage führen, sondern dass der Prozess weiter produktiv betrieben werden kann. Beim nächsten planmäßigen Wartungsintervall kann das defekte Modul getauscht werden. Durch eine 10- bis 15-%ige Überdimensionierung erhält man beispielsweise eine ähnliche Sicherheit bezogen auf das Submodul wie bei einer Vollredundanz. Verglichen mit konventionellen Umrichtersystemen, welche durch den Defekt einer einzigen Leistungskomponente komplett ausfallen, minimiert dies die Ausfallwahrscheinlichkeit und spart so Investitions- und Wartungskosten.

Netzeinspeisung bei Offshore-Windanlagen

Diese Eigenschaft kommt insbesondere bei Offshore-Windenergie-Anwendungen zum Tragen. Hier herrschen sehr schwierige Wartungsbedingungen, denn an vielen Tagen im Jahr sind solche Anlagen weit draußen auf dem Meer aufgrund eingeschränkter Sichtverhältnisse durch Nebel oder aufgrund starken Windes oder hohen Wellenganges nicht erreichbar. Der Betreiber des ersten deutschen Offshore-Windparks Alpha Ventus spricht davon, dass an rund 20 % der Tage im Jahr kein Transport von Personal und Ersatzmaterialien zu den Anlagen möglich ist. Dies bedeutet, dass eine Reparatur im schlimmsten Fall durchaus mehr als 1.000 Stunden dauern kann!

In Offshore-Windenergie-Anlagen sind aufgrund der hohen Leistungen und langen Kabel Mittelspannungsstromrichter wirtschaftlich und technisch besonders sinnvoll. Die herkömmlichen Zwei-Level-Niederspannungsumrichter brauchen zudem in der Regel große Netzfilter, um die strengen Netzanschlussbedingungen hinsichtlich der Qualität der Netzströme erfüllen zu können. Hier kann der M2C seine Vorteile ausspielen. Da kein Netzfilter benötigt wird, erhöht sich der Wirkungsgrad je nach Lastbereich. Dieser Filterverzicht minimiert zudem die in Offshore-Netzen – speziell bei Anbindung über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) – die oft auftretenden Netzresonanzen erheblich. Außerdem sinken die Kabelverluste sowie der Leiterquerschnitt im Vergleich zu einer Niederspannungslösung aufgrund der höheren Systemspannung.

Eine Beispielrechnung veranschaulicht, welchen Mehrwert man mit dem M2C erzielen könnte: Eine Anlage mit 6 MW (in Zukunft sind sogar 7 MW und mehr zu erwarten) produziert bei 4.000 Volllaststunden etwa 24 Mio. kWh im Jahr. Diese werden in Deutschland zurzeit mit 15 Cent pro kWh über einen Zeitraum von zwölf Jahren vergütet. Der M2C hat wesentliche Vorteile in Bezug auf Wirkungsgrad und Verfügbarkeit. Bereits 1 % Verbesserung würden 36.000 Euro als zusätzlichen Ertrag erbringen. Die im Vergleich zu einem konventionellen Zwei-Level Umrichter ohne Redundanz leicht erhöhten Investitionskosten für die M2C-Technologie würden sich somit schnell amortisieren.

Weitere Einsatzfelder des M2C sind Gezeitenkraftwerke, Hydrogeneratoren und drehzahlvariable Pumpspeicheranwendungen, Netzkopplungen für die Hafenstromversorgung und Inselnetze in Schiffen sowie Prüfstände, die sehr hohe Dynamik und Netzqualität erfordern. Abhängig vom Netz und von der Umrichter-Ausgangsspannung ist der M2C auch direkt, das heißt lediglich über eine niederfrequente Netzdrossel, an die Stromversorgung anschließbar. Diese transformatorlose Systemausführung spart Platz und Gewicht, benötigt weniger Verkabelung und erfordert keine Transformator-Überwachung. Außerdem bietet eine solche Lösung einen erheblich besseren Systemwirkungsgrad.

Autoren: Bernhard Eichler ist als Produktmanager für LV/MV Wind­umrichter im Sektor Industry bei Siemens tätig;
Dr. Marc Hiller ist R&D-Gruppenleiter von Mittelspannungs­umrichtern bei Siemens im Sektor Industry;
Dr. Benjamin Sahan ist Entwicklungsingenieur für Mittelspannungsumrichter bei Siemens.