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28.05.2018 | ENSURE

Umrichter aus ENSURE

Quelle: ETI/KIT
Komponenten des Niederspannungs-Demonstrators: Hauptumrichter mit niedriger Stufenzahl. Versuchsaufbau im 19-Zoll-Rahmen
Quelle: ETI/KIT

Erneuerbare Energie wird dezentral erzeugt, an vielen verschiedenen Orten. Das stellt unser Energiesystem vor große Herausforderungen. Denn der Strom muss in unterschiedliche Spannungsnetze integriert werden. Dabei muss das Stromnetz stabil, zuverlässig und bezahlbar bleiben. Wie das möglich ist, erforscht das Kopernikus-Projekt ENSURE. Neue Umrichter können ein Teil der Lösung sein.

Bei erneuerbarem Strom fließt die Energie in beide Richtungen. Das erfordert eng vermaschte Netze, bei denen die Erzeugung, Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie direkt über Leistungselektronik in die Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze integriert wird. Neben der Netzstabilität müssen die eingesetzten Umrichter einen zuverlässigen und kostengünstigen Betrieb der Netze gewährleisten. Im Rahmen des Kopernikus-Projektes ENSURE erforschen die Partner vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der RWTH Aachen und der Maschinenfabrik Reinhausen neue leistungselektronische Schaltungstopologien, welche einen wichtigen Baustein darstellen können, um die Energiewende zu ermöglichen.

Die zukünftigen Anwendungen in Wechsel- und Gleichspannungsnetzen erstrecken sich über einen weiten Leistungs- und Spannungsbereich. Daher arbeiten die Projektpartner parallel an spezifischen Umrichterlösungen. Um die Anforderungen an solche zukünftigen Netzstromrichter mit möglichst geringem Aufwand erfüllen zu können, setzt das Elektrotechnische Institut (ETI) des KIT ein neuartiges Schaltungskon­zept ein. Hierin werden die leistungsstarken und -schwa­chen Komponenten des Systems entkoppelt aufgebaut. Den Wirkleistungsumsatz übernimmt dabei ein besonders leistungsfähiger Frequenzumrichter mit relativ niedriger Stufenzahl. Er zeichnet sich durch geringe Kosten und eine hohe Leistungsdichte aus. Dieser Frequenzumrichter wird über eine Induktivität an einen hochstufigen Multile­velumrichter mit hoher Spannungsqualität gekoppelt. Da er zudem direkt parallel an den Ausgang geschaltet ist, bestimmt er das Klemmverhalten des Stromrichtersystems.

Durch diese Kombination entsteht ein Multilevelumrichter mit bisher unerreichter Leistungsdichte. Zudem eignet er sich aufgrund der hohen Anzahl an Ausgangsspannungsstu­fen optimal für den Einsatz in Energieversorgungsnetzen. Ferner zeichnet sich das Gesamtsystem durch eine hohe Modularität aus, da alle Komponenten auf identisch aufgebauten PEBBs (Power Electronic Building Blocks) basieren. Die Variation der Komponentenanzahl führt zu einer einfachen Strom- und Spannungsskalierbarkeit. Dadurch ist eine effektive Anpassung an die Spannungs- und Leis­tungsklasse in der jeweiligen Anwendung möglich.

Aktuell wird das System als Niederspannungs-Demonstrator im Labormaßstab unter Anwendung der KIT-eigenen Entwicklungsplattform aufgebaut, wodurch das Betriebsverhalten in stationären und transienten Betriebszuständen erforscht werden kann. Parallel wird die Auslegung und Dimensionierung der Schaltung für praktische Netzanwendungen untersucht.

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