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Power Magnetics - 5 MW Gleichstromwandler

Posted by Björn Riemer

Schaffner ermöglicht weltweit ersten 5 MW Gleichspannungswandler

In Zeiten der Energiewende steigt auch die Nachfrage nach einer hocheffizienten und möglichst verlustfreien Energieübertragung. Gleichzeitig steigen jedoch auch die Anforderungen an die Verteil- und Versorgungsnetze aufgrund einer Dezentralisierung der Stromversorgung, sowie der hohen Variabilität der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien. Gleichstromübertragung rückt daher mehr und mehr in den Fokus der Forschung und der Politik, doch bisher war sie schlichtweg zu teuer, um als flächendeckende Lösung infrage zu kommen. Schaffner hat in Kooperation mit dem Forschungscampus Aachen einen Hochleistungs-Gleichspannungswandler entwickelt, der den Stand der Technik und damit auch die Energiewende um Jahre nach vorne katapultiert.

Vorzüge der Gleichspannungstechnik

Im Hochspannungsbereich bringt die Gleichstromübertragung im Vergleich zu Wechselstromnetzen bereits seit mehr als 50 Jahren grosse Vorteile. Auch der Mittelspannungsbereich würde von einer Gleichstromübertragung profitieren: Die Einsparung der erheblichen Verluste, die aus der Steuerung der Lastflüsse im Wechselspannungsnetz durch Blindleistung resultieren, sowie die Möglichkeit, mit den bestehenden Leitungen und Kabeln die dreifache Leistung zu übertragen, sind die bedeutendsten Vorzüge der Gleichspannungstechnik. Ein weiterer entscheidender Vorteil von Gleichspannungsnetzen sind geringere Energieverluste durch Einsparen einer Transformation. Im Wechselstrom-Verteilnetz wird besonders bei Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bisher Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, in dieser Form transportiert und bei verschiedenen Verbrauchern (z.B. grosse Antriebssysteme, Rechenzentren, …) wieder in Gleichstrom zurückgewandelt. Dieser Zwischenschritt wäre mit einem Gleichstromverteilernetz überflüssig.

Von der Utopie zur Realität

Bisher war Gleichstromtechnik im Mittelspannungsbereich jedoch wegen fehlender Betriebsmittel und ihrer hohen Kosten undenkbar und weitreichende Gleichstromverteilernetze waren gar unrealistische Utopien. Dank neuester wissenschaftlicher Fortschritte hat sich das nun aber geändert und nach der Entwicklung eines Gleichspannungswandlers mit einer spezifizierten Leistung von 5 MW eröffnen sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Dieser durchschlagende Erfolg ist das Ergebnis von 5 Jahren intensiver Forschungsarbeit der Schaffner Gruppe in Kooperation mit dem Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN). Der Forschungscampus ist ein Zusammenschluss von Instituten der RWTH Aachen, der Schaffner Gruppe und weiteren Partnern aus der Industrie. Die Schaffner Gruppe als international führender Anbieter von Lösungen für das gezielte Umformen von elektronischer Leistung konnte die Entwicklungsarbeit massgeblich voranbringen und das bis dato grösste Problem für Gleichspannungswandler lösen: die Entwicklung und Optimierung eines Mittelspannungs-Mittelfrequenz-Transformators, der die Kernkomponente eines Gleichspannungswandlers darstellt.

Funktionsweise des 5 MW Gleichstromwandlers  

Der 5 MW Gleichstromwandler ist nach dem dreiphasigen Dual-Active Bridge (DAB)-Prinzip aufgebaut und besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: Die beiden 3-phasigen Umrichter an der Eingangs- und Ausgangsseite und der von Schaffner entwickelte Transformator, der eine galvanisch getrennte Verbindung beider Umrichter realisiert. Aus der Eingangsgleichspannung von 5 kV wird vom eingangsseitigen Umrichter eine mittelfrequente stufenförmige Wechselspannung mit einer Frequenz von 1 kHz erzeugt. Diese wird über den Transformator weitergeleitet und vom ausgangsseitigen Umrichter wieder kontrolliert gleichgerichtet zu einer Ausgangsspannung von 5 kV.

Schaffner 5 MW GleichstromwandlerMit einer zunehmenden dezentralen Energieerzeugung muss das Stromnetz künftig noch stärker eine bidirektionale, flexible Lastflusssteuerung leisten können, um eine Netzüberlastung zu vermeiden. Durch den Aufbau des hier entwickelten, durch den  Transformator galvanisch getrennten Gleichstromwandler kann der Energiefluss gesteuert und Leistung sicher und flexibel in beide Richtungen übertragen werden – der Grundstein für die effiziente Anbindung von Windparks und Kollektorfeldern, aber auch für die Einbindung von Elektroautos, die sowohl Energie verbrauchen als auch in das Stromnetz einspeisen.

 

Schlüsselfaktor des Erfolgs ist der Schaffner-Transformator

Im Gegensatz zu konventionellen 3-Phasen-Netzen für 50 Hz sinusförmige Spannung können in den Schaffner-Transformator Blockspannungen von 1000 Hz eingespeist werden. Durch diese hohen Frequenzen steigt die gravimetrische Leistungsdichte, was eine enorme Reduktion der Transformatorgrösse ermöglicht. Der Schaffner-Transformator ist 15 bis 20-mal kleiner als ein 50 Hz-Transformator derselben Leistung. Neben den offensichtlichen Platzeinsparungen müssen daher auch weniger Rohmaterialien verbaut werden, was eine Einsparung an teilweise seltenen und allmählich zuneige gehenden Rohstoffen und damit auch eine enorme Kostenreduktion bedeutet. Durch den Ersatz von nanokristallinen oder amorphen Kernen durch ein spezielles Elektroblech wird nun auch ein Material verwendet, das zum einen eine bessere Preisstabilität aufweist und zum anderen leichter zu verarbeiten ist. Zudem ermöglicht die neue Bauweise bei höchster Zuverlässigkeit den Betrieb bei hohen Spannungssteilheiten, die durch den Einsatz von neuartigen SiC-Leistungshalbleitern hervorgerufen werden und zu weniger Verlusten beim Umrichter führen. Schaffner gelang durch intensive Forschungsarbeit eine Optimierung in dreifacher Hinsicht: aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten, in der Fertigung und in der Effizienz kann der neue Transformator auf voller Linie überzeugen.

Erfolgreiche Entwicklungsarbeit

Zwischen den Wicklungen um den Eisenkern des Transformators wird Isolationsmaterial benötigt, welches einen Stromfluss zwischen den Leitern und somit einen Kurzschluss verhindern soll. Das Isolationssystem ist speziell entwickelt für den Einsatz bei Mittelfrequenz und gleichzeitig hohen Spannungssteilheiten.

Da das Isolationsmaterial die Entwärmung des Transformators behindert und zudem sehr teuer ist, soll so wenig wie möglich davon verbaut werden, gleichzeitig muss es aber eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, was bedeutet, den enormen Frequenzbelastungen durch die extremen Spannungssteilheiten standzuhalten. Für die Optimierung des Isolationssystems wurden von Schaffner neue Berechnungsmodelle für das Isolationssystem und die Wicklung entwickelt. Auch dank dieser bahnbrechenden Technik kann der Gleichstromwandler die hohe Leistungsdichte bei einer spezifizierten Leistung von 5 MW erreichen.

Schaffner macht die Energiewende möglich

Schaffner macht die Energiewende möglich
 

Schaffner hat den Grundstein einer technischen Lösung für höhere Leistungen gelegt. Dieser Erfolgskurs soll nun natürlich weiterverfolgt werden. In der weitergeführten Kooperation mit dem Forschungscampus Aachen sollen die Komponenten des Transformators und des 5 MW Gleichstromwandlers weiter optimiert werden.

 

Industrielle Gleichspannungsnetze sind bereits seit einiger Zeit im Fokus der Forschung und auch der Politik. Doch ein flächendeckendes Gleichspannungsverteilernetz ist gegenwärtig auch trotz des revolutionären 5 MW Gleichspannungswandlers noch Zukunftsmusik. Aktuell ist vielmehr das Ziel, sogenannte „Inselnetze“ an Orten aufzubauen, an denen viel Gleichstrom gebraucht wird, mit jeweils einem Anschlusspunkt zur Transformation in Wechselstrom. Das können beispielsweise Gleichspannungsunterwerke für grosse Rechenzentren, für Windparks und Kollektorfelder oder Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge sein.

Wenn auch Sie ein scheinbar unlösbares technisches Problem haben oder sich für unsere Entwicklungen, Produkte und Services interessieren, kontaktieren Sie uns. Wir beraten und unterstützen Sie gerne mit individuellen und personalisierten Lösungen.

Wir sind auch immer auf der Suche nach neuen Talenten und freuen uns auf Ihre Bewerbung, wenn Sie Teil unserer Forschungs- und Entwicklungsteams werden möchten.

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