Schwerpunkte

Gleichstrom im Verteilnetz

DC/DC-Wandler für die Energieübertragung der Zukunft

23. Mai 2018, 14:00 Uhr   |  Von Johannes Voss, Dr.-Ing. Peter Lürkens und Prof.Dr.ir.Dr.h.c. Rik W. De Doncker

DC/DC-Wandler für die Energieübertragung der Zukunft
© torstengrieger – Shutterstock

Durch hocheffiziente Leistungswandler wird die Energieübertragung der Zukunft.

Die Gleichstromübertragung im Hochspannungsbereich ist auf dem Vormarsch. Doch auch für Mittelspannungsanwendungen rückt die Gleichstromtechnik allmählich ins Blickfeld. Möglich wird das durch hocheffiziente Leistungswandler.

Die Stromnetze stehen durch die mit der Energiewende einhergehende Dezentralisierung der Erzeuger vor großen Herausforderungen. Die Veränderlichkeit von zeitlichem und räumlichem Angebot an erneuerbarer Energie bringt unsere heutigen Verteil- und Versorgungsnetze immer näher an ihre Grenzen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen und die dezentralen Energiequellen möglichst flexibel und effizient in das Stromversorgungssystem zu integrieren, bedarf es intelligenter Netze und Leistungselektronik. Dabei rückt die Gleichstromtechnik stärker in den Fokus, da sie einige Vorteile bei der Energieverteilung bietet.

Die Vorzüge der Gleichstromübertragung sind nach mehr als fünfzig Jahren praktischer Erfahrung im Hochspannungsbereich akzeptiert. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) gehört zum Stand der Technik. Jedoch können die Vorteile der Gleichstromübertragung nicht nur auf der Hochspannungsebene, also im Übertragungsnetz genutzt werden, sondern werden durch den Einsatz von hocheffizienten Leistungswandlern auch für den Mittelspannungsbereich, also im Verteilnetz, interessant.

In den bestehenden Wechselstromnetzen werden Lastflüsse mit Hilfe von Blindleistung gesteuert. Blindleistung ist jedoch unerwünscht, da sie zu erheblichen Verlusten führt. Bei diesem Aspekt kommt ein weiterer Vorteil der Gleichspannungsnetze zum Tragen [1][2][3]: Bestehende Freileitungen und Kabel können mit Gleichstrom besser ausgelastet werden als mit Wechselstrom. Studien [2] haben ergeben, dass das Dreifache an Leistung übertragbar wäre.

Einen Schlüsselfaktor stellen Gleichspannungswandler dar, die die Spannungsumsetzung im Gleichspannungsnetz ermöglichen. Bis vor wenigen Jahren wäre der Einsatz der Gleichspannungstechnik aufgrund hoher Kosten für elektronische Gleichspannungswandler anstelle von Transformatoren nicht realistisch gewesen. Inzwischen hat die leistungselektronische Spannungsumwandlung große Fortschritte gemacht – gerade auch im Hinblick auf die Kosten.

Dual-Active Bridge im Test

Eine vielversprechende Umrichter-Topologie ist die sogenannte Dual-Active Bridge [4]. Am Partnerinstitut Power Generation and Storage Systems des Forschungscampus FEN wird derzeit ein Prototyp eines Gleichspannungswandlers mit einer Ausgangs- und Eingangsspannung von 5 kV und einer spezifizierten Leistung von 5 MW getestet (Bild 1).

 Prototyp des 5-MW-Dual-Active-Bridge-DC/DC-Wandlers an der RWTH Aachen University
© RWTH Aachen University

Bild 1. Prototyp des 5-MW-Dual-Active-Bridge-DC/DC-Wandlers an der RWTH Aachen University.

Vorausgegangene Untersuchungen und Berechnungen sagen einen Wirkungsgrad im optimalen Betriebspunkt von bis zu 99,2 % bei 5 MW voraus. Leistungen von 9 MW sind bei geänderter Schaltfrequenz theoretisch möglich, dabei wurde eine voraussichtliche Effizienz von 98,9 % berechnet [5][6].

Der Konverter setzt sich aus primären und sekundären spannungseinprägenden Drei-Phasen-Umrichtern zusammen, die über drei Transformatoren, die zusammen einen Drei-Phasen-Transformatorbilden, verbunden sind (Bild 2). Jeder der beiden Umrichter besteht aus drei Halbrücken, deren Mittelanschlüsse abwechselnd mit der oberen und unteren Gleichspannungsschiene verbunden werden und dadurch intern eine Wechselspannung erzeugen, die den Transformatoren zugeführt wird.

Sie sind mit Power Electronic Building Blocks (PEBB) realisiert, in denen der Hersteller eine ganze Halbbrücke in einer Baugruppe inte¬griert hat. Die aktiven Bauelemente darin sind Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs).

Prinzip-Schaltbild der dreiphasigen Dual-Active Bridge
© RWTH Aachen University

Bild 2. Prinzip-Schaltbild der dreiphasigen Dual-Active Bridge.

Die einzelnen Phasen der Umrichter werden wie bei konventionellen Drei-Phasen-Netzen mit einem Phasenversatz von 120° betrieben. Der Unterschied zu konventionellen Drei-Phasen-Netzen liegt in der Frequenz und Spannungsform: Anstatt mit 50 Hz und sinusför¬miger Spannung werden die Transformatoren mit Blockspannungen von 1000 Hz gespeist.

Dazu wird die Gleichspannung beispielsweise vom linken Umrichter in ein Wechselspannungssystem mit einer Frequenz von 1 kHz gewandelt, über die Transformatoren übertragen und vom rechten Umrichter wieder kontrolliert gleichgerichtet. Durch den symmetrischen Aufbau spielt die Leistungsrichtung aber keine Rolle. So kann Leistung in beide Richtungen übertragen werden.

Neben der Fähigkeit, bidirektional Leistung zu übertragen, kann der Wandler zudem Spannung hoch- oder tiefstellen [1]. Somit lassen sich Spannungsvariationen – zum Beispiel von ±10 % – zur Leistungsflussregelung in DC-Netzen fahren.

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1. DC/DC-Wandler für die Energieübertragung der Zukunft
2. Reduktion der Baugröße möglich

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