Durch die Energiewende erfolgt zunehmend die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen (DEA) in das bestehende Versorgungsnetz. Gleichzeitig hat die Bundesregierung das Ziel gesetzt, den Marktanteil der Elektromobilität in großem Maße zu steigern. Beide Entwicklungen betreffen bezüglich der elektrischen Energieversorgung insbesondere die Verteilnetze, da sowohl DEA als auch (Schnell-) Ladestationen für Elektrofahrzeuge hauptsächlich an das Verteilnetz angeschlossen werden. Durch diese neuen Erzeuger und Verbraucher müssen Leitungen im Verteilnetz zunehmend an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben werden. Der durch diese Entwicklungen notwendige Netzausbau ist teuer und aufgrund langer Genehmigungsprozesse herausfordernd. Darüber hinaus muss das im Netzentwicklungsplan vorgegebene NOVA-Prinzip (Netz-Optimierung vor Netz-Verstärkung vor Netz-Ausbau) an-gewendet werden. Zusätzlich zu der so entstehenden, potentiellen Netzüberlastung sieht der neue Netzentwicklungsplan den Kohleausstieg für das Jahr 2038 vor. Dies bedeutet das Abschalten großer konventioneller Kraftwerke, wodurch eine zusätzliche Netzdestabilisierung einsetzt: Es verringert sich die Blindleistungsbereitstellung und es fehlen im Netz bis zu 600 GWs Momentanreserve. Beide Systemdienstleistungen müssen zum Zeitpunkt des Kohleausstiegs anderweitig bereitgestellt sein.
Gleichzeitig erhöht sich allgemein in elektrischen Netzen die Nutzung leistungselektronischer Betriebsmittel. Im Übertragungsnetz wird die Technologie der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bereits eingesetzt, um z. B. Offshore-Windparks anzubinden und große Leistungen über weite Entfernungen zu transportieren. In der Niederspannung werden leistungselektronische Betriebsmittel beim Laden von Elektrofahrzeugen, zur flexiblen Steuerung elektrischer Maschinen sowie der Einspeisung dezentraler Erzeugungsanlagen eingesetzt. In der Mittelspannungsebene sind leistungselektronische Komponenten aus Kostengründen hingegen noch selten vorhanden. Aufgrund der steigenden Nachfrage und der kontinuierlichen Weiterentwicklung verringern sich die spezifischen Kosten der Komponenten zunehmend, sodass der Einsatz leistungselektronischer Umrichter als etablierte Betriebsmittel in der gesamten Verteilnetzebene zu erwarten sind.
Ausgehend von den kommenden Herausforderungen für die Verteilnetzbetreiber und den Entwicklungen in der Leistungselektronik wurde das Projekt AC2DC gestartet. Ziel des Projekts ist, neue Ansätze zu verifizieren, um der Überlastung der AC-Leitungen und der zunehmenden Destabilisierung der Netze begegnen zu können. Dazu sollen, wie schematisch dargestellt, an der Belastungsgrenze betriebene AC- in DC-Kabelverbindungen umgewandelt werden. Zudem wird der Aufbau von Technologien zur Bereitstellung einfacher DC-Verteilnetze angestrebt, um z. B. einen konventionellen Kraftwerksbetrieb mit DEAs abzubilden.
Projektpartner
TU Dresden – Institut für elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik
Die Professur für Komponenten intelligenter Netze untersucht die Belastbarkeit von Kabelgarnituren bei zusammengesetzten Spannungen, Diagnosen von Kabelsystemen bei Prüfspannungen ohne Polaritätswechsel, Verläufe von Strömen und Spannungen an DC/DC-Wandlern und Potenziale gefüllter Isolierstoffe für die Feldsteuerung. Zudem unterstützt sie die Entwicklung erweiterter Methoden zur Wiederinbetriebnahmeprüfung von Kabelsystemen.
Die Professur für elektrische Energieversorgung befasst sich mit Schutzsystemen für und Netzqualität in DC-Netzen. Sie analysiert die Spannungs- und Stromqualität in DC-Netzen abhängig von der Art und Anzahl der DC/DC-Wandler, Verbraucher und Erzeugungsanlagen sowie die Wechselwirkungen zwischen DC- und AC-Netzen. Ergebnisse sollen Normungsgremien für DC-Grenzwerte dienen. Schutzverfahren für multiterminale DC-Netze werden entwickelt und mittels Labor- und Feldversuchen sowie FPGA basierten Schutzgeräteprototypen verifiziert.
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
MR entwickelt als Systemhersteller leistungselektronische Konverter für Anwendungen in der Niederspannung und in der Mittelspannung. Im Projekt übernimmt MR die Entwicklung und Bereitstellung eines DC/DC-Umrichtersystems, das als Demonstrator an einem solchen Anschluss betrieben werden kann, sowie Untersuchungen und Spezifikationen für eine neue DC-Anschlussrichtlinie am Netz. Das Umrichtersystem für den Feldversuch ist ein neuartiger, galvanisch trennender DC/DC-Wandler für bis zu ±60 kV und setzt auf Entwicklungen der MR für eine Betriebsspannung von 20 kV auf, unter anderem aus der ersten Projektphase. Das Umrichtersystem soll als Gleichspannungstransformator direkt am Mittelspannungs-Anschluss betrieben werden.
Highvolt Prüftechnik Dresden GmbH
HIGHVOLT entwickelt ein Monitoringsystem für AC-Kabel, die für den DC-Betrieb konvertiert werden. Mit diesem System sollen Veränderungen im Kabel und an kritischen Komponenten identifiziert und überwacht werden. Dafür sind spezielle Sensoren zu entwickeln und für die spezifische Aufgabe zu optimieren. Für die Auswertung sind für eine echtzeitfähige Hardware die notwendige spezifische Firmware sowie die Auswertealgorithmen zu entwickeln. In einem zweiten Arbeitspfad wird HIGHVOLT die elektrische Charakterisierung des Kabels vor und nach der Konvertierung vornehmen, sowie weitere Diagnosemessungen im Feld durchführen. Aufgrund des Zugangs zur nationalen und inter-nationalen Normung wird HIGHVOLT die Normungs- und Gremienarbeit aller beteiligten Projektpartner koordinieren.
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT)
Das Fraunhofer ISIT entwickelt einen modularen Mittelspannungs-Multilevel-Stromrichter (MMC) für den Betrieb als AC/DC-Wandler in einem Feldversuch eines DC-Verteilnetzes zum Anschluss eines Windparks. Der MMC besteht aus Vollbrückenzellen, die mit lokalen Steuerplatinen und einem individuellen Schutzsystem ausgestattet sind, um jede Zelle besser kontrollieren zu können. Der Entwurf, die Konstruktion und die Validierung des MMC werden in einem eigenen Mittelspannungslabor durchgeführt und dann an den Feldversuch geliefert. Interne MMC-Regelkreise werden implementiert, um Leistungsverluste zu minimieren und gleichzeitig die Spannungen der Kondensatorzellen im Gleichgewicht zu halten. Darüber hinaus wurde eine netzunterstützende Regelungsstrategie implementiert, um die relativ große Energiemenge, die in den Zellkondensatoren gespeichert ist, netzdienlich zu nutzen. Die oben genannten Steuerungsstrategien sind durch die Entwicklung einer individuellen Haupt-steuerungs- und Messplatine möglich.
Assoziierte Partner
Südkabel GmbH (SK)
Die SüdKabel GmbH entwickelt und fertigt seit mehr als 100 Jahren in Mannheim Kabel und Garnituren für die Energieübertragung und -verteilung in den Spannungsreihen 10 kV bis 500 kV. Ca. 250 Mitarbeiter erwirtschaften einen Jahresumsatz von etwa 150 M€. Südkabel ist seit 40 Jahren einer der treibenden Kräfte für den Einsatz der VPE-Kabeltechnologie in der Hoch- und Höchstspannungsebene in Deutschland und Europa. (Erste Projekte mit VPE-Isolierung in Deutschland: 110 kV in 1973, 220 kV 1988, 400 kV 1996, 500 kV in 2001).
NetzeBW GmbH (NBW)
Als größtes Netzunternehmen für Strom, Gas und Wasser in Baden-Württemberg steht die Netze BW GmbH für eine sichere, zuverlässige, effiziente und kostengünstige Versorgung sowie kundennahen Netzservice. Wir betreiben für über 2,3 Millionen Kunden ein rund 100.000 Leitungskilometer umfassendes Stromnetz in der Hoch-, Mittel- und Niederspannung, warten dieses und bauen es kontinuierlich aus. In ausgewählten Gebieten des Stromnetzes- dem NETZlabor BW – erprobt die Netze BW zahlreiche innovative Betriebsmittel und Konzepte für den Netzbetrieb der Zukunft. Im Rahmen der Energie-wende engagiert sich die Netze BW aktiv in öffentlich geförderten Forschungsprojekten sowohl als geförderter als auch als assoziierter Partner.
SachsenNetze GmbH (SN)
Die SachsenNetze HS.HD GmbH ist der Verteilnetzbetreiber für Gas und Elektroenergie in der Region Ostsachsen. Sie gehört dem Energieverbund Dresden GmbH-Konzern (EVD) an und ist Tochtergesellschaft der Technischen Werke Dresden GmbH. Sie betreibt rund 1.500 km Hochspannungs- und 6.300 km Mittelspannungsleitungen, mit denen sie die Region, die Landeshauptstadt Dresden, Stadtwerke und Industrie zuverlässig mit Strom versorgt.
Thüringer Energienetze GmbH & Co. KG (TEN)
Die TEN Thüringer Energienetze GmbH & Co. KG (TEN) ist der größte Verteilnetzbetreiber Thüringens. Sie übernimmt alle Infrastruktur-Dienstleistungen für die Strom- und Erdgasversorgung sowie den Anschluss dezentraler Erzeugungsanlagen. Über ein leistungsfähiges, rund 40.000 Kilometer langes Strom- und Erdgasnetz werden mehr als 1,1 Millionen Menschen und die heimische Wirtschaft in Thüringen, Teilen Sachsens und Sachsen-Anhalts mit Energie versorgt. Aktuell sind mehr als 16.000 dezentrale Erzeuger – vor allem Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen – an das Netz der TEN angeschlossen. Das entspricht rund 80 Prozent der in Thüringen installierten Erzeugungsleistung aus erneuerbaren Energien.
Themenschwerpunkte
Spannungsbelastung
Der Einfluss transienter Spannungen auf das Isoliersystem des Kabels und der Kabelgarnituren wird untersucht. Dabei werden Erkenntnisse bei dauerhafter DC-Belastung und thermischer Einflüsse auf die Festigkeit bei anschließender unipolarer und bipolarer Belastung mit zusammengesetzten Spannungen (DC+Impuls) erarbeitet. Des Weiteren wird ermittelt, ob eine mit einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung ohne Nulldurchgang an Kabeln geeignet ist, um phasenaufgelöste Teilentladungsmuster und umgesetzte scheinbare Ladungen sauber zu trennen. Ziel ist eine ortsaufgelöste Bewertung von Teilentladungsereignissen. Das zu entwickelnde Prüfverfahren soll bei der Inbetriebnahme des Feldversuchs zusammen mit dem Partner HIGHVOLT evaluiert werden. Es wird gezeigt, ob das Verfahren auch für eine dauerhafte Zustandsbewertung des Kabelsystems geeignet ist. In einem weiteren Forschungsschwerpunkt wird untersucht ob durch spezielle Eigenschaften von Isolierstoffen eine elektrische Feldsteuerung in Baugruppen von Mittel- und Hochspannungskabeln möglich ist. Hierzu wird zusammen mit dem Partner Südkabel gezeigt, welches Potential gefüllte Isolierstoffe durch eine feldstärke- und damit ortsabhängige Leitfähigkeit in Kabeln und Kabelgarnituren haben sowie mögliche Einsatzbereiche beschrieben.
Strombelastung
Aktuell existieren kaum Angaben und keinerlei standardisierte Grenzwerte zu den Rippelströmen (Gleichströme mit überlagerten Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen) in Gleichspannungsnetzen. In Phase I wurden die Berechnungsgrundlagen zur Berücksichtigung dieser Rippelströme auf die erzeugte Verlustleistung in den Kabelsystemen geschaffen. In Phase II werden diese mit gemessenen Stromverläufen an einer realen Anwendung des DC/DC- Wandlers im Labor sowie in den Feldversuchen verifiziert und deren Relevanz für die Erwärmung der Kabelsysteme bewertet.
DC/DC-Wandler
MMC Aufbau und Regelung
Gleichspannungsnetze mit mehreren Spannungsebenen benötigen Transformatoren. Im Projekt AC2DC II werden Gleichspannungstransformatoren benötigt, um Anlagen in Windparks wie Windräder, Elektrolyse-Anlagen, Batteriespeicher und Brennstoffzellen mit dem Mittelspannungs-DC-Netz (MVDC-Netz) zu verbinden. Das MVDC-Netz soll hierbei die 110 kV-Kollektornetze für neue Anlagen ersetzen. Im Rahmen des Projektes entwickelt die MR ein Funktionsmuster für einen solchen Gleichspannungstransformator bzw. DC/DC-Wandler. Dieser soll während zunächst im Labor und anschließend im Feld erprobt werden. Die DC/DC-Wandler verwenden intern Transformatoren (sogenannte Mittelfrequenztransformatoren), die mit Schaltfrequenzen im Audio-Bereich arbeiten und sehr viel kompakter ausfallen als konventionelle Transformatoren, die mit Netzfrequenz betrieben werden. Mittelfrequenztransformatoren benötigen sehr viel weniger Material (Kupfer und Eisen). Eine besondere Herausforderung im Projekt ist die Hochspannungsisolation der Mittelfrequenztransformatoren für Gleichspannungen bis zu 60 kV.
Die Umwandlung von MVDC in MVAC wird mithilfe einer modularen Multilevel-Wandler-Topologie (MMC) realisiert. Ein Prototyp eines MMC-Gleichrichters für ±5,5 kV MVDC wird mit 48 Vollbrückenzellen entwickelt, die eine Blockierung von Gleichstromfehlern ermöglichen. Interne Steuerungsstrategien sorgen für den Ausgleich der Zellkondensatorspannungen, reduzieren zirkulierende Ströme und optimieren den Energietransfer. Der Hauptregler des MMC kann Netzunterstützungsfunktionen wie die Einspeisung von Blindleistung zur Spannungsstabilisierung und Wirkleistung zur schnellen Frequenzregelung bereitstellen. Eine Online-Thermoüberwachung der Halbleiterbauelemente schützt vor Überlastungen. Die Steuerstrategien werden zunächst an einem verkleinerten Prototyp getestet, bevor sie im vollen Maßstab umgesetzt werden.
Selektivschutztechnik
Zu den größten Herausforderungen von DC-Verteilnetzen zählt deren sicherer Betrieb. Im Falle eines Fehlers muss eine selektive Trennung des betreffenden Netzelements aus dem DC-Netz erfolgen. Daher ist die Entwicklung eines umfassenden Schutzkonzepts erforderlich, welches das Erkennen, Lokalisieren und Heraustrennen des Fehlers aus dem Netz beinhaltet. Im Rahmen von AC2DC Phase II sollen Schutzalgorithmen entwickelt werden, die den Fehler schnellstmöglich erkennen und lokalisieren. Diese sollen dann in eine Echtzeitanwendung implementiert werden, um sowohl im Labor als auch in einem Feldversuch verifiziert und angewendet zu werden.
Power Quality
Durch die Regelung und den Aufbau leistungselektronischer Wandler in einem DC-Netz kann die Strom- und Spannungsqualität sowohl im speisenden AC-Netz als auch innerhalb des DC-Netzes negativ beeinflusst werden. Zu diesen Beeinflussungen finden sich in der Literatur kaum Informationen. Mit Hinblick auf die im Projekt eingesetzte Technik sind jedoch die folgenden Aspekte von besonderem Interesse: Spannungs- und Stromqualität innerhalb des DC-Netzes, Ausbreitung der Emissionen innerhalb des DC-Netzes und Übertragung in das AC-Netz, Geeignete EMV-Koordinationskonzepte (Störaussendung, Verträglichkeitspegel, Störfestigkeit) zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebes des DC-Netzes. Um diese Aspekte im Detail zu analysieren, werden Messungen und Simulationen durchgeführt. Die Messungen werden in einem Laborversuchstand sowie Messungen am Feldversuch durchgeführt.
Aktuelles
1. Konsortialtreffen
Ein Jahr nach Beginn des Projekts kamen am 20.09.2024 die Projektpartner zusammen, um die bisherigen Fortschritte im Bereich der DC-Verteilnetze zu präsentieren und die nächsten Schritte abzustimmen. Vertreter von TUD, SachsenNetze, Fraunhofer ISIT, MR und weiteren Partnern diskutierten Herausforderungen und Lösungsansätze für einen modernen und effizienten Netzbetrieb.
Ein zentraler Meilenstein des Treffens war die Entwicklung eines Systemkonzepts für DC-Verteilnetze, das sowohl technische als auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt. Besondere Bedeutung wurde der Integration von DC-Komponenten und der flexiblen Nutzung bestehender Kabelinfrastruktur beigemessen. Damit wurde die Grundlage für die weiteren Arbeitsschritte gelegt, die sich auf die theoretische Vorarbeit, die Laborversuche sowie die Planung von Feldtests konzentrieren werden.
Mit einer gemeinsamen Vision, die Energieversorgung der Zukunft nachhaltiger und stabiler zu gestalten, gehen die Projektpartner motiviert in die nächste Projektphase, die zahlreiche praxisnahe Tests und spannende Entwicklungen verspricht.
Teilnehmende Projektpartner des 1. Konsortialtreffens
Veröffentlichungen
Erhöhung der Übertragungskapazität des Verteilungsnetzes durch Umstellung bestehender Drehstromleitungen auf Gleichstrom: Schutzkonzept – F. Jani, M. Hemken, und P. Schegner, „1. DC Verteilnetztagung: Innovationen – Herausforderungen – Zukunftsaussichten,“ präsentiert auf der 1. DC Verteilnetztagung, Hochschule Zittau/Görlitz, Görlitz, Deutschland, Apr. 11–12, 2024.
Kontakt
Impressum Es gilt das Impressum der TU Dresden mit folgenden Änderungen
Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner Institutsdirektor des Instituts für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Tel. +49 351 463-34374 peter.schegner@tu-dresden.de
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