Der neu entwickelte DC-DC-Wandler ist die Schlüsselkomponente für zukünftige intelligente Gleichspannungsunterwerke, die z. B. in grossen Kollektorfeldern für erneuerbare Energien und Batteriespeicher eingesetzt werden können. ©Bild: EA.NRW

Prof. Rik De Doncker erklärt das dreiphasige Dual-Active-Bridge (DAB) Prinzip des Gleichspannungswandlers: Es ermöglicht einen bidirektionalen, flexibel steuerbaren Leistungsfluss und gleichzeitig eine galvanische Trennung. ©Bild: EA.NRW

Karte des Forschungscampus FEN, einem Zusammenschluss von Instituten der RWTH Aachen University und Industriepartnern, die das flexible Stromnetz erforschen. ©Bild: EA.NRW

DC statt AC: Aachener Forschungsnetz arbeitet mit Gleichstrom - Herzstück des Leuchtturmprojekts ist der neue DC-DC-Wandler

(ee-news.ch) Der Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) hat Ende 2019 nach einer 5-jährigen Planungs- und Bauphase das Mittelspannungs-Gleichstrom-Forschungsnetz (MVDC-Forschungsnetz) in Betrieb genommen. Es befindet sich auf dem RWTH-Melaten-Campus in Aachen. Die Stromnetze der Zukunft müssen flexibler werden – aus diesem Grund wurde das Leuchtturmprojekt des multiterminalen MVDC-Forschungsnetzes entwickelt.


Im Gegensatz zu herkömmlichen Verteilnetzen basierend auf Wechselstrom (AC) arbeitet das neue Netz mit Gleichstrom (DC), wodurch weniger Komponenten und höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Insbesondere bei der Integration von erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie, kommen diese Vorteile besonders zum Tragen, da diese Systeme technologisch bedingt meist auf Gleichspannung arbeiten und so die Umwandlung in Wechselstrom entfällt. Darüber hinaus kommen die Schlüsselkomponenten für DC-Verteilnetze mit wesentlich weniger Material aus als übliche 50-Hz-Systeme und sind daher um einiges ressourcenschonender.

Schlüsselkomponente DC-DC-Wandler
In den kommenden Jahren wird das MVDC-Forschungsnetz die MW-Prüfstände des Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am Eon Erc und des RWTH Center for Wind Drives (CWD) verbinden. Somit entsteht eine innovative Testumgebung, in der nicht nur neue Gleichspannungswandler und -komponenten, sondern auch Schutztechnik und Betriebsführungskonzepte erprobt werden können. Der für das Netz entwickelte und erprobte Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) bildet die Schlüsselkomponente für zukünftige intelligente Gleichspannungsunterwerke, die beispielsweise in grossen Kollektorfeldern für erneuerbare Energien und in Batteriespeichern, z. B. in Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge oder auch in industriellen DC-Netzen, eingesetzt werden können.

Er arbeitet nach dem dreiphasigen Dual-Active-Bridge(DAB)-Prinzip, ermöglicht so einen bidirektionalen, flexibel steuerbaren Leistungsfluss und bietet gleichzeitig eine galvanische Trennung, womit die Anforderungen zukünftiger Gleichspannungsnetze erfüllt werden. Der Wandler ist zukünftig Teil einer Anordnung von mehreren in der derselben Leistungsklasse errichteten Wandler am Eon Erc durch das Institute for Power Generation and Storage Systems.

Neuentwicklung mit Industriepartnern
Während konventionelle Stromrichter der Megawattklasse im PGS-Labor für den Betrieb mit einer angepassten Ansteuerung ausgestattet wurden, wurde der eingesetzte Mittelfrequenztransformator mit einer Nennleistung von 5 MW zusammen mit den Industriepartnern komplett neu entwickelt und konstruiert. Durch die Betriebsfrequenz von 1000 Hz erhöht sich die gravimetrische Leistungsdichte im Vergleich zu einem konventionellen trockenen Netztransformator um das 15- bis zu 20-fache.

Herzstück für intelligente Gleichspannungsunterwerke
Das entwickelte und erprobte Prinzip ist in dieser Leistungsklasse bisher einzigartig und bildet das Herzstück von zukünftigen intelligenten Gleichspannungsunterwerken welche beispielsweise in grossen Kollektorfeldern für erneuerbare Energien und Batteriespeicher, in Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge oder in industriellen DC Netzen eingesetzt werden können.

Neuer Wandlertyp für geringe Energieverluste
Mittlerweile wird bereits ein weiterer DC-DC-Wandler, der eine Leistung von bis zu 7 MW liefern kann, an das Forschungsnetz angeschlossen, um dort unter realistischen Bedingungen erprobt zu werden. Bei diesem neuartigen Wandlertyp für besonders geringe Energieverluste wird das Umschalten der Hochleistungshalbleiter mit einem Resonanzkreis unterstützt. Das lässt sich mit einem Pendel vergleichen, das von selbst zwischen seinen Endpositionen (den Schalterstellungen) schwingt und nur minimalen Anschub benötigt, um den Vorgang aufrecht zu erhalten.

Das FEN-Forschungsnetz entstand im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der RWTH-Aachen mit 16 beteiligten Professuren und 21 Industriepartnern.

Text: ee-news.ch, Quelle: Energieagentur NRW

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2 Kommentare

Max Blatter

Warum haben wir eigentlich Wechselstromnetze (AC = Alternating Current)? Kurze Antwort: Vor allem weil es zu Beginn der Elektrifizierung noch keine DC-DC-Wandler gab und nur AC transformierbar war. So entschied sich in den USA der Streit zwischen Thomas A. Edison (DC) und Nikola Tesla (c/o Westinghouse, AC) zugunsten der letzteren.

Manche Fachleute vertreten die Meinung, heute würde man sich für DC entscheiden, könnte man nochmals neu anfangen. Ich selbst sehe vor allem die Möglichkeit, das AC-Übertragungsnetz über weite Distanzen durch ein übergeordnetes Höchstspannungs-DC-Netz zu ergänzen.

Ob sich DC auch im Mittel- oder gar Niederspannungsnetz behaupten kann? Ausschließen würde ich das keineswegs. Jedenfalls ein weiterer interessanter Verzweigungspunkt in der Energielandschaft!

Rudolf A. Würgler

Welche Rolle spielt hier eigentlich ABB?

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