Entwicklung eines Messsystems für Feldmessungen in Windenergieanlagen und echtzeitfähige Implementierung eines Lebensdauermodells zur Zustandsüberwachung von Leistungshalbleitern

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Bereich der Messtechnik für Windenergieanlagen und der Zustandsüberwachung von in Frequenzumrichtern eingesetzten Leistungshalbleitern. Sie befasst sich mit der Entwicklung eines Messsystems, welches in eine Datenerfassungs- und eine Datenablageeinheit aufgeteilt ist, wobei beide Einheiten über einen Feldbus verbunden sind. Mit dem Messsystem können Langzeitaufzeichnungen durchgeführt werden, wobei Spannung, Strom, Temperatur und Feuchte mit unterschiedlichen Abtastraten erfasst werden können. Die erhobenen Messdaten werden hinsichtlich der Betriebsbedingungen der Leistungshalbleiter ausgewertet. Weiterhin wird ein Modell zur Abschätzung der Restlebensdauer echtzeitfähig implementiert. Das Modell berücksichtigt sowohl thermomechanische als auch elektrochemische Effekte. Mit der Implementierung des Modells wird das Messsystem zu einem Zustandsüberwachungssystem erweitert.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort ………………………………………………………………………………………………………. III
Inhaltsverzeichnis …………………………………………………………………………………………. V
Formelzeichen und Abkürzungen…………………………………………………………………. VIII
1 Einleitung ………………………………………………………………………………………………. 1
2 Stand der Forschung und Technik …………………………………………………………….. 3
3 Aufbau von Windenergieanlagen und Windparks ………………………………………… 9
4 Allgemeines Messkonzept ……………………………………………………………………….18
4.1 Messpunkte an einer WEA …………………………………………………………………19
4.1.1 Messverfahren ………………………………………………………………………….. 21
4.2 Anforderungen an das Messsystem …………………………………………………….27
5 Aufbau des Messsystems ………………………………………………………………………..29
5.1 Hardware…………………………………………………………………………………………30
5.1.1 Analog/Digital-Umsetzer …………………………………………………………….. 31
5.1.2 Digitaler Signalprozessor und Mikrorechnerkarte …………………………… 32
5.1.3 EtherCAT-Feldbus und Interface …………………………………………………. 33
5.1.4 Kommunikationszeiten ……………………………………………………………….. 35
5.1.5 FPGA basierte Messwerterfassung ……………………………………………… 36
5.1.6 Industrie-PC ……………………………………………………………………………… 39
5.2 Software ………………………………………………………………………………………….39
5.2.1 Software für den digitalen Signalprozessor ……………………………………. 41
5.2.2 Betriebssystem und Echtzeiterweiterung für den Industrie-PC …………. 43
5.2.3 EtherCAT-Master und Konfiguration …………………………………………….. 44
5.2.4 Kommunikationsmodul und Echtzeitaufgabe …………………………………. 45
5.2.5 Synchronisierung der Kommunikation ………………………………………….. 45
5.2.6 Programm zur Datenablage und Datenformate ……………………………… 51
5.3 Automatisiertes Starten und Stoppen …………………………………………………..53

5.4 Fernwartung …………………………………………………………………………………….53
6 Planung und Durchführung der Feldmessung……………………………………………..55
6.1 Begehung des Windparks und einer Windenergieanlage ………………………..55
6.2 Auswahl von spezifischen Messpunkten ………………………………………………56
6.3 Anpassung des Allgemeinen Messkonzeptes ……………………………………….57
6.3.1 Auswahl der Messmittel ……………………………………………………………… 60
6.4 Integration der Komponenten in einen Schaltschrank …………………………….62
6.5 Installation der Messsysteme in den WEA ……………………………………………63
6.6 Aufzeichnung der Messdaten und Datenablage…………………………………….65
7 Auswertung der Messdaten und Modellbildung …………………………………………..66
7.1 Auswertung der Messdaten ………………………………………………………………..66
7.1.1 Spannung und Strom …………………………………………………………………. 66
7.1.2 Temperatur und Feuchte ……………………………………………………………. 77
7.1.3 Blitzereignisse …………………………………………………………………………… 83
7.2 Modellbildung …………………………………………………………………………………..84
7.2.1 Modellierung des Verhaltens einer WEA am Netz ………………………….. 84
7.2.2 Simulation des thermischen Verhaltens der IGBTs…………………………. 88
7.2.3 Nutzung eines Rechnerverbunds zur verteilten Simulation eines
Windparks …………………………………………………………………………………………… 98
8 Modellbasierte Zustandsüberwachung …………………………………………………….103
8.1 Beschreibung des Modells ……………………………………………………………….103
8.1.1 Berechnung des Lebensdauerverbrauchs …………………………………… 104
8.1.2 Ermittlung der Schaltereignisse …………………………………………………. 108
8.1.3 Berechnung der Schaltverluste ………………………………………………….. 109
8.1.4 Berechnung des thermischen Modells ………………………………………… 109
8.1.5 Bestimmung der Temperaturzyklen ……………………………………………. 110
8.2 Umsetzung und Integration der Zustandsüberwachung ………………………..114
8.2.1 Implementierung auf dem Messsystem ………………………………………. 114

8.2.2 Implementierung auf der Steuerung eines Frequenzumrichters ……… 118
8.3 Einsatz- und Integrationsmöglichkeiten ………………………………………………119
9 Zusammenfassung & Ausblick………………………………………………………………..122
10 Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………….125
10.1 Fachliteratur …………………………………………………………………………………..125
10.2 Datenblätter ……………………………………………………………………………………144
10.3 Software ………………………………………………………………………………………..145
Änderungen……………………………………………………………………………………………….146

Keywords: IALB, Messsystem, Langzeitmessung, Auswertung, Windenergieanlage, Leistungshalbleiter, Lebensdauer, Zustandsüberwachung,