Netzanbindung

Leistungselektronische Systeme für Energienetze mit dominanter regenerativer Erzeugungsstruktur

In allen Bereichen der elektrischen Energieversorgung ist ein Trend zu einem zunehmenden Einsatz von leistungselektronischen Systemen festzustellen. Leistungselektronik findet sich entlang der gesamten elektrischen Energieversorgungskette, von der Erzeugung über den Transport bis zum Verbraucher. Bedingt durch technologische Weiterentwicklungen und permanent sinkende Systemkosten wird eine steigende Anzahl von elektrischen Energieverbrauchern über leistungselektronische Systeme an das Versorgungsnetz angebunden. Dies betrifft zum Beispiel industrielle Verbraucher in einem wei­ten Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu einigen Megawatt. Ein Beispiel sind motorische Lasten, die in zunehmendem Maße über Frequenzumrichter betrieben werden. Abhängig von der Anwen­dung bieten leistungselektronische Systeme hierbei technische sowie wirtschaftliche Vorteile, wie z.B. bessere Regelbarkeit in Verbindung mit einem reduzierten Energieverbrauch. Weiterhin wer­den auch bei moderner Haushalts- und Unterhaltungselektronik fast ausschließlich elektronische Netzteile eingesetzt. Dies betrifft jede Form von Schaltnetzteilen, motorische Lasten, bis hin zur Beleuchtungstechnik.

Ziel dieses Forschungsschwerpunkts ist der Aufbau eines Hochleistungsprüffeldes für die realitätsnahe Erprobung von leistungselektronischen Komponenten. In dieser Prüfumgebung wird es möglich sein, insbesondere das Verhalten von netzgekoppelten Geräten (Quellen und Senken) in unterschiedlichsten Anwendungsszenarien zu überprüfen.

Teilsegment MMC-Mittelspannungsumrichter.

Zentrale Komponente dieses Prüffeldes bildet ein System selbstentwickelter hochdynamischer rückwirkungsarmer Umrichter, die als Quelle oder Senke betrieben werden können. Über ein übergeordnetes Steuerungssystem wird es möglich sein, beliebige Netzzustände im Labor zu simulieren und Systeme hoher Leistung testen zu können. Als Grundtopologie für die Laboreinspeisung ist die modulare Multileveltechnologie (MMC) vorgesehen. Diese Systeme sind sehr robust und die Ausgangsgrößen weisen durch die feingliedrigen Schaltstufen einen sehr geringen Oberwellenanteil auf. Aufgrund der Modularität sind diese Umrichter gut skalierbar und somit leicht für unterschiedliche Prüfaufgaben anpassbar. Die in den einzelnen Zellen gespeicherte Energie erlaubt einen weiten Stellbereich mit großer Dynamik der Ausgangsgrößen, so dass auch irreguläre Netzzustände gut nachgebildet werden können. Eine Anwendung solcher Systeme in einer Laborumgebung bietet somit die Möglichkeit zu sehr weitreichenden und vielfältigen Prüfungen.

Untersuchung von Netzrückwirkungen durch Simulationsmodelle

Ziel dieses Arbeitspakets ist der Aufbau und die Qualifizierung einer Simulationsinfrastruktur zur simulativen Bestimmung und Bewertung von Netzrückwirkungen. Ergänzend zu den simulationsgestützten Untersuchungen wurden zunächst Messungen am Einspeisetransformator des IISB zur Aufnahme des Ist-Zustands und zur Parametrierung der Modelle durchgeführt. Die erarbeiteten Simulationsmodelle wurden so konzipiert, dass sie später über eine Exportschnittstelle auf eine echtzeitfähige Simulationshardware zur Steuerung des Netzsimulators übertragen werden können. Zusätzlich wurde eine umfangreiche Topologiestudie zu möglichen Aufbaukonzepten des Netzsimulators durchgeführt.

Innovativer Versorgungsnetzsimulator

Durch Power-Hardware-in-the-Loop (PHiL) Tests können leistungselektronische Systeme unter möglichst realen Bedingungen flexibel erprobt werden. Mit Hilfe von PHiL Tests lassen sich im Prüffeld Szenarien testen, die in der Realität nur sehr selten auftreten. So lassen sich zum Beispiel Netzausfälle oder Änderungen der Netzfrequenz emulieren. Somit kann getestet werden, ob der Prüfling (Hardware under Test/ HuT) die Vorgaben aus Normen und technischen Anschlussbedingungen erfüllt.

Mit dem Versorgungsnetzsimulator, der im Rahmen von SEEDs entsteht, können Prüflinge getestet werden, die normalerweise an Niederspannungs- oder Mittelspannungs-Versorgungsnetzen betrieben werden. Durch den Einsatz der Modularen-Multilevel-Technologie in der Leistungsausgangsstufe des Simulators können deutliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik vergleichbarer Prüffeldaufbauten erzielt werden. Zum einen können mit dieser Technologie nahezu beliebige Spannungsformen mit sehr geringem THD erzeugt werden. Weiter benötigt diese Technik einen deutlich reduzierten Filteraufwand, wodurch eine sehr hohe Dynamik des Systems ermöglicht wird. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal besteht in der Möglichkeit auch Mittelspannungssysteme großer Leistung im PHiL-Aufbau testen zu können (z.B. Mittelspannungs-STATCOM-Systeme).