Asynchrone Netze

Asynchrone Netzverbindungen sind ein wesentlicher Bestandteil des künftigen Energiesystems. Dabei wird das Netz in kleinere Teilsysteme aufgeteilt, die autonom arbeiten und dezentral gesteuert werden können. Leistungselektronische Systeme sind in der Lage, eine Verbindung zwischen asynchronen Netzen herzustellen und die ausgetauschte Leistung auf intelligente Weise zu steuern; eine mögliche Lösung hierfür ist der Solid-State-Transformer (SST).

Der SST ist ein komplexes leistungselektronisches System, das herkömmliche Transformatoren auf der Ebene von Umspannwerken (Mittelspannung bis Niederspannung) ersetzen oder erweitern kann. Der SST ist nicht nur in der Lage, die Spannung ähnlich wie ein klassischer Transformator umzuwandeln, sondern kann je nach Betriebsszenario (netzbildend oder netzfolgend) zusätzliche Freiheitsgrade in Bezug auf die Spannungs- (Amplitude, Frequenz und Phase) und Stromregelung (Wirk- oder Blindleistung) ermöglichen.

Technische Analyse

Das Aufkommen von Silizium- und Siliziumkarbid-Leistungsschaltern hat den SST zu einem sehr beliebten Forschungsobjekt gemacht. Aus diesem Grund wird der SST seit mehr als einem Jahrzehnt hardwareseitig untersucht. Die Kernkonzepte, wie der Hochfrequenztransformator, wurden in den späten 70er und 80er Jahren vorgestellt [McMurry 1979]. Jüngste Forschungsanstrengungen konzentrieren sich häufig auf die Entwicklung neuer Topologien, detaillierte Verbesserungen auf Halbleiterebene, die sich um Effizienz oder Steuerungsalgorithmen auf Geräteebene drehen.

Analyse auf Systemebene

Das fehlende technische Bindeglied für die Anwendung des SST in den derzeitigen Verteilungsnetzen ist die Analyse auf Systemebene: SSTs wurden zwar gründlich untersucht, aber hauptsächlich im Hinblick auf die direkt angeschlossenen Komponenten, nicht aber auf das gesamte System und seine Auswirkungen darauf. Das Gleiche gilt für den Parallelbetrieb von SSTs oder Inverter basierten Ressourcen im Allgemeinen.
Daher ist es das Ziel unserer Forschungsgruppe, die Untersuchungen auf die Systemebene auszuweiten und die Auswirkungen der SST auf das Verteilungsnetz und umgekehrt zu untersuchen. Dazu gehören auch Dienste und Funktionen, die ein SST für ein Netz bereitstellen kann, von der Frequenz- und Spannungsunterstützung bis hin zur einfacheren Integration von Energiespeichersystemen und EV-Ladestationen.

Wirtschaftliche Analyse

Der nächste Schritt, um den SST für den Einsatz in den Stromnetzen vorzubereiten, besteht darin, zu zeigen in welchen Szenarien die Technologie wirtschaftlich rentabel sein kann. Unsere Forschungsgruppe entwickelt daher Szenarien, in denen der SST klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen bietet, und analysiert diese auf ihr ökonomischen Potentiale. Das Ziel wird die Entwicklung verschiedener Business Cases sein, in denen der SST das bestehende Stromsystem zukunftsfähiger und resilienter machen kann.