High Power Grid Converter Lab

Zum Gelingen der Energiewende bedarf es Batteriespeicher zur Überbrückung von Energiedifferenzen zwischen Erzeugung und Verbrauch im Stundenbereich und zur Erbringung von Regelleistung. Zusätzlich werden Wasserstoff- oder Methangas-Speicher als Energiereserve für Zeiten benötigt, in denen für Tage und Wochen nicht ausreichend erneuerbare Energien zur Verfügung stehen. Beiden Speichersystemen ist gemeinsam, dass sie sowohl für die Speicherung (Batterieladung, Elektrolyse) als auch für die Entnahme (Batterieentladung, Brennstoffzelle o.ä.) eine relativ niedrige Gleichspannung (im Bereich von einigen hundert Volt) benötigen. Daraus ergibt sich die Aufgabe, netztechnisch relevante Leistung von bis zu 600 MW mit der Übertragungsnetzanschlussspannung (110kV, 220 kV oder 380 kV) in diese niedrige Gleichspannung bidirektional zu umwandeln. Das Speicherkraftwerk sollte über eine ausreichende Reserve verfügen, um den so genannten "Brown out" zu überbrücken, d. h. einen Rückgang der verfügbaren elektrischen Leistung in einer Region aufgrund von Sonnen- oder Windmangel für einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen.

Das derzeitige Produktportfolio von Energiespeicherindustrie soll sorgfältig analysiert werden, um die anspruchsvollen Ziele von EIZ erreichen zu können. Die einsatzfähigen Lösungen müssen leicht verfügbar und wirtschaftlich akzeptabel sein sowie die entsprechenden elektrotechnischen Kenndaten aufweisen. Da das Energiespeicherkonzept sowohl aus Kurzzeit- als auch aus Langzeitspeichern besteht, wird ein Gleichgewichtspunkt ermittelt, der auf einer Break-Even-Analyse basiert. Die wichtigsten Aspekte sind dabei die Spannungsniveaus, die Energiespeicherkapazität in Bezug auf die zeitliche Verfügbarkeit und die Kostenfaktoren.

Eine optimale Lösung für ein Energiewandlungssystem hängt von mehreren integrierten Umrichtern ab. Jeder der erforderlichen leistungselektronischen Hochleistungsumrichter wird unter Verwendung moderner Software- und Hardwarelösungen entwickelt und als Prototyp gebaut, um somit eine hohe Effizienz und eine gute Systemintegration sicherzustellen. Die folgenden Umrichtertypen werden dabei gebraucht:

• Modularer Multilevel DC/AC MMC Stromrichter
• Galvanisch isolierter Resonanzumrichter
• DC/DC-Hoch- und Tiefsetzsteller auf Siliziumkarbidbasis

Der DC/AC-Konverter oder Stromrichter stellt ein leistungselektronisches Hochspannungsgerät dar, das Energie vom angeschlossenen Netz bidirektional umwandelt. Die Kenngrößen in der Netzanwendung wie die Nennleistung, die DC-Zwischenkreisspannung und die dreiphasige Ausgangsspannung stellen höhere Anforderungen im Vergleich zu den klassischen Wechselrichtern. Als Lösung wird ein MMC Wechselrichter vorgeschlagen. Um dieses Konzept abzusichern, werden alle Hardware-, Software-Designs und Steuerstrategien in einem angemessenen runterskalierten Maßstab 200kW/690V unter Laborbedingungen validiert.

Das autonome Speicherkraftwerk soll in unterschiedlichen Zeitabständen mit hoher Dynamik betriebsbereit sein. Der Einsatz als netzstützende Einheit und als Langzeitspeicher setzt voraus, dass das Gesamtsystem sowohl innerhalb von Sekunden reagieren als auch über mehrere Wochen verfügbar sein muss. Der Betrieb eines solchen Multi-Speichers erfordert exakte Leistungssollwerte für jeden einzelnen Stromrichter beim Ein- und Ausspeichern von Energie aus den Batterien oder Wasserstofftanks. Die Sicherstellung eines harmonischen Betriebs des Speicherkraftwerks ist eine Aufgabe für ein übergeordnetes Steuerungssystem, das ausgelegt und getestet werden soll.

Der bisherige Forschungsschwerpunkt wurde auf die Nutzung des MMC als Antriebs- und netzseitiger Wechselrichter gelegt. Dabei wurden bereits viele Simulationen durchgeführt, die erweitert und angepasst werden können, um die zusätzlichen Wechselrichterkomponenten bei der theoretischen Auslegung eines Hochleistungswechselrichters einzubeziehen. Die Systemplanung und weitere Umsetzung neuartigen Ideen in die Simulationen werden zu einer kürzeren Entwicklungszeit und besseren Integration führen.