Testaufbau für einen neuen Umrichter mit bipolarem Leistungsfluss für Spannungsstabilisierung und Energiespeicherung in Smart Grids
Die ursprüngliche Dimensionierung der öffentlichen Niederspannungsverteilnetze erfolgte nach Maßgabe der angeschlossenen Verbraucher. Es wurde so dimensioniert, dass die verbrauchsabhängige Spannungsschwankung bei dem am entferntesten Netzausläuferpunkt angeschlossenen Verbraucher sich noch im zulässigen Bereich befindet. Durch Anschluss von dezentralen Kraftwerken (Solaranlagen, Windkraftwerke) kann es aufgrund des geänderten Leistungsflusses anstelle der Spannungsabfälle im Netz auch zu Spannungsanhebungen insbesondere bei Anschluss der PV-Anlagen an weit vom speisenden Trafo entfernten Netzpunkten kommen. Diese Probleme gewinnen mit zunehmendem Ausbau der Smart Grids an Bedeutung, wie man bereits aus zahlreichen Veröffentlichungen erkennen kann. Dadurch steigt die Spannungsschwankung im Netz und die in den Normen vorgegeben Werte können nicht mehr eingehalten werden, falls nicht entsprechende Maßnahmen gesetzt werden.
Zur Lösung dieses Problems kommt neben der aufwendigen Methode der Leitungsverstärkung und Trafovergrößerung der Einsatz von Stufenschaltern, gesteuertem Blindleistungsfluss sowie Speicher im Netz in Frage. Besonders die Energiespeicherung im Netz kommt im Zuge der Errichtung von Smart Grids in Zukunft auch deshalb eine steigende Bedeutung zu, da häufig der Zeitpunkt der dezentralen Energieerzeugung und des Verbrauchs nicht zusammenfallen. Eine generelle Delegation des Speicherproblems an den öffentlichen Netzbetreiber und die Lösung durch zentrale Großspeicheranlagen (Pumpspeicherkraftwerke) widerspricht dem Grundgedanken der Auslagerung erheblicher Netzfunktionen an dezentrale Grids.
Das Ziel des Projektes ist es, das Konzept einer neuen Umrichterschaltung zu entwickeln, mit der der bipolare Leistungsfluss zwischen einem Batteriespeicher und dem öffentlichen (oder auch Insel-) Netz möglich ist. Zusätzlich soll damit auch noch die aktive Blindleistungssteuerung möglich sein. Ein wesentliches Ziel dabei ist auch die Erreichung eines sehr hohen Wirkungsgrades und der stabile Betrieb in unterschiedlichen Aussteuerbereichen und bei unterschiedlichen Lastimpedanzen. Der Testaufbau wird auf der Wechselspannungsseite einphasig für eine Nennspannung von 230 V und eine Nennleistung von etwa 5 kW dimensioniert. Weiters sollen wichtige Dimensionierungsgrundlagen und Kostenabschätzungen für die Realisierung solcher Geräte bis etwa 100kW (oder darüber) erarbeitet werden. Der Testaufbau und die daraus gewonnenen Ergebnisse könnten die Grundlage für die Entwicklung innovativer Geräte mit bipolarem Leistungsfluss wie PV- Wechselrichter, USV-Anlagen, Batterieladestationen für PKWs, bieten.
Projektverlauf
Im Zuge des Projekts wurde eine umfassende Literaturrecherche betreffend DC/DC-Wandler-Topologieauswahl durchgeführt. Vielversprechende Topologien wurden mit einem Simulationsprogramm (PSIM bzw. Matlab/Simulink) auf Funktionalität getestet und entsprechend einem Evaluierungsschlüssel bewertet. Interessante, unidirektionale Topologien wurden in bidirektionale DC/DC-Wandler übergeführt und deren Funktionalität evaluiert. Im Zuge dieser Untersuchungen wurde unter Berücksichtigung der Spezifikationen erkannt, dass
1) eine Aufteilung des Eingangsspannungsbereichs sinnvoll ist (zur Reduzierung der Schaltverluste, zur Reduzierung der Spannungsfestigkeit der MOSFETs bzw. IGBTs, damit zur Reduzierung der Durchlasswiderstände und zur Reduzierung der Kosten).
2) eine parallele Verschaltung des Ausgangs angestrebt werden soll, um die Verluste des DC/DC-Wandlers zu minimieren
3) auf Symmetrie der Schaltung geachtet werden soll, um ausgezeichnete Wirkungsgrade für beide Energieflussrichtungen zu garantieren.
Der Durchbruch gelang mit der Erfindung der Stack Buck Mirror Topologie, welche in Kombination mit einem Ansteuer- und Regelungsverfahren gesamtheitlich die Spezifikation bestmöglich erfüllt.
Ergebnisse
Die produktunabhängige Entwicklung dieser leistungselektronischen Komponente ermöglichte eine deutlich innovativere und qualitativ hochwertigere Entwicklung. Besonders hilfreich war die Durchführung einer umfangreichen Literaturrecherche, welche ein tiefgehendes Verständnis hinsichtlich technischer Realisierungsmöglichkeiten schaffte und damit auch die Basis für die Erfindung war.
Durch die Zusammenarbeit der Firma Fronius International GmbH mit FH Campus Wien kamen unterschiedliche Simulationstools zur Anwendung. Durch den Austausch wurde für beide Seiten der Anreiz geschafft, sich mit den Simulationstools der anderen Seite zu beschäftigen und damit den eigenen technischen Horizont zu erweitern. Zudem ermöglichte die Zusammenarbeit die Ausgliederung von einzelnen Optimierungsaufgaben, welche zufolge Zeitmangels andernfalls nicht betrachtet werden könnten.
Das im Zuge des Projektes erarbeitete Leistungsteilkonzept kann auf Grund der Flexibilität in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen. So plant die Firma Fronius konkret die erarbeitete Topologie in die neue Generation an Batterie- und Hybridwechselrichtern einfließen zu lassen.
Generell stellt das Konzept für Fronius eine wichtige Basis für zukünftige Produktentwicklungen in ihren drei Sparten Perfect Welding, Solar Energy und Perfect Charging dar. Es ist zu erwarten dass sich dadurch die Entwicklungszeit neuer Produktentwicklungsprojekte deutlich reduziert.
Die Stack Buck Mirror Topologie eröffnet auch für zukünftige Forschungsprojekte interessante Gebiete wie beispielsweise die Anwendung von GaN-Schaltern, womit die Leistungsdichte und Effizienz nochmals gesteigert werden kann. Ob der Betrieb mit Taktfrequenzen im MHz-Bereich möglich wird, muss durch alternative Regelungen erprobt werden.
Downloads
Steckbrief
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Projektnummer834538
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KoordinatorFH Campus Wien - Verein zur Förderung des Fachhochschul-, Entwicklungs- und Forschungszentrums im Süden Wiens
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ProjektleitungChristian Halter, christian.halter@fh-campuswien.ac.at
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FörderprogrammNeue Energien 2020
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Dauer01.2012 - 06.2015
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Budget251.496 €
