DC statt AC - Aachener Forschungsnetz arbeitet mit Gleichstrom

  Foto aller Projektteilnehmer Urheberrecht: Andreas Schmitter

Der Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) hat am 19. November 2019 das Mittelspannungs-Gleichstrom-Forschungsnetzes (MVDC-Forschungsnetz) auf dem RWTH-Melaten-Campus in Betrieb genommen. Das MVDC-Forschungsnetz ist das Leuchtturmprojekt des Forschungscampus FEN und ein weltweit einzigartiges Forschungsinstrument, das nach einer 5-jährigen Planungs- und Bauphase den regulären Betrieb aufgenommen hat.

30.03.2020
 

Die Stromnetze der Zukunft müssen flexibler werden – dies hat sich der Forschungscampus FEN zur Mission gemacht und das Leuchtturmprojekt des multiterminalen MVDC-Forschungsnetzes entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verteilnetzen basierend auf Wechselstrom (AC), arbeitet das neue Netz mit Gleichstrom (DC), wodurch weniger Komponenten und höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Insbesondere bei der Integration von erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie, kommen diese Vorteile besonders zum Tragen, da diese Systeme technologisch bedingt meist auf Gleichspannung arbeiten und so die Umwandlung in Wechselstrom entfällt. Darüber hinaus kommen die Schlüsselkomponenten für DC-Verteilnetze mit wesentlich weniger Material aus als übliche 50-Hz-Systeme und sind daher um einiges ressourcenschonender.

„Wenn Edison damals schon die DC-Technologie gekannt hätte, wäre der Wechselstrom niemals erfunden worden“, sagte Professor Rik De Doncker, Direktor des E.ON Energy Research Centers (E.ON ERC) der RWTH und Sprecher des Forschungscampus FEN, bei der offiziellen Inbetriebnahme des MVDC-Netzes.

In den kommenden Jahren wird das MVDC-Forschungsnetz die MW-Prüfstände des Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am E.ON ERC und des RWTH Center for Wind Drives (CWD) verbinden. Somit entsteht eine innovative Testumgebung, in der nicht nur neue Gleichspannungswandler und -komponenten, sondern auch Schutztechnik und Betriebsführungskonzepte erprobt werden können. Der für das Netz entwickelte und erprobte Gleichspannungswandler (DC-DC Wandler) bildet die Schlüsselkomponente für zukünftige intelligente Gleichspannungsunterwerke, dihe beispielsweise in großen Kollektorfeldern für erneuerbare Energien und in Batteriespeichern, z.B. in Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge oder auch in industriellen DC-Netzen, eingesetzt werden können.

Er 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. Das entwickelte und erprobte Prinzip ist in dieser Leistungsklasse bisher einzigartig und bildet das Herzstück von zukünftigen intelligenten Gleichspannungsunterwerken welche beispielsweise in großen Kollektorfeldern für erneuerbare Energien und Batteriespeicher, in Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge oder in industriellen DC Netzen eingesetzt werden können.

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 neuartigen Wandlertyp für besonders 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“.