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DC Forschungsnetz testet Gleichstrom im Einsatz

| Redakteur: Katharina Juschkat

Gleichstromnetze könnten die Zukunft für unser Stromnetz sein. Aber viele Komponenten sind noch nicht erprobt – ein neues Gleichstrom-Forschungsnetz testet deshalb im laufenden Betrieb Komponenten.

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Der neue DC-DC-Wandler ist eine Schlüsselkomponente für intelligente Gleichspannungsunterwerke.
Der neue DC-DC-Wandler ist eine Schlüsselkomponente für intelligente Gleichspannungsunterwerke.
(Bild: Energieagentur NRW)

Am Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) ist seit kurzem ein Gleichstrom-Netz in Betrieb, das als Testumgebung für Gleichspannungswandler und Schutztechnik dienen soll. Hintergrund des Forschungsnetzes ist der Wunsch nach flexibleren Stromnetzen, erklärt der Forschungscampus. Herkömmliche Verteilernetze basieren auf Wechselstrom (AC), das jetzt in Betrieb genommene Forschungsnetz dagegen arbeitet mit Gleichstrom (DC).

Die Vorteile von Gleichstromnetzen:

  • Es wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht.
  • Erneuerbare Energien arbeiten meist auf Gleichstrombasis – damit entfällt die Umwandlung in Wechslstrom.
  • Zudem benötigen Gleichstromnetze Komponenten mit wesentlich weniger Material als übliche 50-Hz-Systeme und sind somit ressourcenschonender.

Neuer Gleichspannungswandler entwickelt

In den kommenden Jahren wird das Forschungsnetz die Prüfstände des Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am E.ON ERC und des RWTH Center for Wind Drives (CWD) verbinden. In dieser Testumgebung werden dann neue Gleichspannungswandler und -komponenten, Schutztechnik und Betriebsführungskonzepte erprobt.

Für das Netz wurde eigens ein neuer Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) entwickelt, der als Schlüsselkomponente für zukünftige intelligente Gleichspannungsunterwerke eingesetzt werden könnte. Solche Gleichspannungsunterwerke könnten etwa als große Kollektorfelder für erneuerbare Energien und als Batteriespeicher, z.B. in Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge oder auch als industrielle DC-Netzen entstehen.

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Was kann der Gleichspannungswandler?

Der Gleichspannungswandler 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 E.ON ERC durch das Institute for Power Generation and Storage Systems.

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.

Inzwischen 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 neuen Wandlertyp für 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. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung, auf dessen Initiative die neun Forschungscampi in Deutschland zurückgehen, unterstützt diese mit der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“.

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