Optimierung der Energieeffizienz von Wind- und Photovoltaikkraftwerken
Forschungsprojekt maximiert Effizienz beim Wandel von Strom aus Erneuerbaren
Einen erfolgreichen Abschluss feiert das vom Bundesforschungsministerium geförderte Forschungsprojekt von SEMIKRON, PCS Power Converter Solutions GmbH (PCS) und der Technischen Universität Dresden (TU Dresden ) zur Optimierung der Energieeffizienz von Wind- und Photovoltaikkraftwerken.
Der Leistungselektronikhersteller SEMIKRON, der Umrichterentwickler und -produzent PCS und die TU Dresden haben nach 3-jähriger Laufzeit ihr gemeinsames Forschungsprojekt abgeschlossen. Unter dem Thema »Effizienzsteigerung bei der Nutzung regenerativer Energien durch den Einsatz von Mehrpunkttopologien – EEMT « wurde ein neuartiges Umrichtersystem konzipiert. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung« geförderte Forschungsvorhaben wurde außerdem durch die Hightech-Strategie der Bundesregierung und das Förderprogramm »Informations- und Kommunikationstechnologie 2020« (IKT 2020) mit rund 1,2 Mio. Euro unterstützt.
Inhalt des Forschungsprojektes war die Konzipierung eines Wechselrichtersystems mit neuartigen modularen Phasenbausteinen durch SEMIKRON, welche von PCS in einen innovativen Stromrichter integriert wurden. Der Entwurf der Ansteuerung und des Schutzkonzeptes entfiel auf den Verantwortungsbereich der Professur Leistungselektronik des Elektrotechnischen Instituts der TU Dresden.
Die Zielstellung, mithilfe des neu entwickelten Umrichters die Energie hauptsächlich in Windenergieanlagen effizienter zu nutzen, konnte deutlich erweitert werden. Als Einsatzgebiete kommen künftig auch besonders robuste Antriebe für die Rohstoffförderung, Hauptantriebs- und Bordnetzumrichter in Schienenfahrzeugen für 1500 V DC-Fahrdrahtspannung sowie Solarwechselrichter infrage.
Mit dem im Forschungsvorhaben entstandenen innovativen Umrichtersystem kann von Wind- oder Photovoltaikkraftwerken erzeugte elektrische Energie effizient und kostengünstig zur Einspeisung in das Energieversorgungsnetz umgeformt werden. Ein weiteres Anwendungsfeld sind drehzahlvariable Antriebe. In heute üblichen Umrichtern müssen verlustbehaftete elektrische Filterschaltungen eingesetzt werden, um Mindestanforderungen an die Qualität des eingespeisten Stroms zu erfüllen. Die im Rahmen des EEMT-Projekts angewandte Mehrpunkttopologie ermöglicht eine deutliche Reduktion des Aufwands und der Verluste dieses Filters. In Niederspannungsapplikationen mit eigenem Netzanschlusstransformator – z. B. Wind- oder Photovoltaikkraftwerke – ist eine Anhebung des Spannungsniveaus bis knapp unter die Mittelspannungsgrenze möglich und im Interesse niedrigerer Kabelverluste sinnvoll, jedoch nicht mit IGBT-Umrichtern in konventioneller Zweipunkttopologie realisierbar. Eine verbesserte Energieeffizienz macht den Einsatz der technologisch aufwendigeren, intelligenten Dreipunktphasenbausteine wirtschaftlich interessant. In anderen Anwendungen mit Dauergleichspannungen von über 1300 V muss ohnehin auf eine derartige Schaltungstechnik orientiert werden, sollen 1200 V/ 1700 V Standard IGBTs zum Einsatz kommen.
Die Kommunikation der – mit 3-Level IGBT-Modulen bestückten – Phasenbausteine erfolgt auf der Basis eines dezentralen Modulators, welcher eine Plug-and-Play-Integration in ein konventionelles Umrichtersystem zulässt. Ein zentraler Controller und dezentrale Phasenbausteine werden über serielle Highspeed-EtherCAT-Datenbus-Verbindungen synchronisiert
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