Zustandsüberwachung und Prognostizierung der Restlebensdauer von IGBT-Modulen für Wechselrichter in der Fotovoltaik

Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren-Leistungsmodule (IGBT) sind Schlüsselkomponenten in modernen Wechselrichtern für Fotovoltaik-Anlagen. Sie wandeln die von den Solarmodulen erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung um. Thermo-mechanisch induzierter Stress durch Wechselbelastungen ist eine Hauptursache für die Degradation der Leistungshalbleiter. Die Lebensdauer der IGBT-Module hängt hauptsächlich von Frequenz und Amplitude dieser Lastzyklen ab.

Hauptziel des Verbundprojektes CoMoLeFo war es, eine zuverlässige Beurteilung des Systemzustands zu ermöglichen und durch ­intelli­gente Verfahren die Restlebensdauer der Leistungselektronik zu bestimmen. Alterungsbedingte bevorstehende Ausfälle der Module können durch Zustandsüberwachung und die daraus getroffenen Lebensdauerprognosen rechtzeitig erkannt werden. Dies erhöht die Verfügbarkeit der gesamten PV-Anlage und kann zudem die zeitlichen Abstände zwischen den Wartungsintervallen steigern.

CoMoLeFo basiert auf zwei sich ergänzenden Verfahren: Es werden die IGBT-Chiptemperaturen im Modulinneren durch Messung relevanter elektrischer Parameter im Betrieb indirekt ermittelt. Um die resultierende Systembelastung zu beurteilen, werden diese in ein mathematisches Lebensdauermodell überführt und ausgewertet. Zeitgleich werden verschiedene Parameter und deren Veränderungen aufgrund von Alterung in Echtzeit überwacht. Somit lässt sich die Restlebensdauer der IGBTs mit einer eigens dafür entwickelten Software bestimmen und über Fernzugriff an den Kunden und den Servicedienstleister übermitteln. Fragen der Verfügbarkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit in der Bereitstellung und im Betrieb sind von strategischer Bedeutung bei Energieanlagen. Die Erhöhung von Effizienz und Zuverlässigkeit von Energieanlagen ist ein Wettbewerbsvorteil: Die Wartungsintervalle werden planbarer und die Ausfallzeiten sinken. Über das Projekt hinaus haben leistungselektronische Systeme, die mit Zustandsüberwachungssystemen ausgestattet sind, ein hohes Potenzial für eine Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche.

Das Projekt wurde in Kooperation mit der imc Meßsysteme GmbH, der First Sensor AG, der General Electric Company und der TU Berlin durchgeführt. Es wurde durch die TSB Technologiestiftung Berlin aus Mitteln des Zukunftsfonds des Landes Berlin gefördert und von der Europäischen Union durch EFRE-Mittel kofinanziert.