Mittelspannungswandler:Eine kostengünstige Alternative zu Netztransformatoren

Leistungselektronik INSIDER

Mittelspannungswandler könnten eine kostengünstigere und effizientere Möglichkeit bieten, Strom von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen zu transportieren. Das neue Testfeld von NREL könnte dazu beitragen, diese vielversprechenden Technologien voranzutreiben. (Bild:Josh Bauer, NREL).

Um alles zu elektrifizieren, von Fahrzeugen über Heizsysteme bis hin zu Kochfeldern, muss das US-amerikanische Stromnetz um etwa 57 % erweitert und zudem flexibler werden. Solar- und Windenergie sind die erneuerbaren Energien, die ein zukünftiges sauberes Energienetz am ehesten dominieren werden. Sie befinden sich jedoch hauptsächlich in abgelegenen Gebieten, weit entfernt von den Knotenpunkten, die ihren Strom benötigen, was eine Belastung für das Übertragungssystem darstellt.

In den letzten vier Jahren hat das NREL-Team einen Prüfstand aufgebaut, um Back-to-Back-Mittelspannungswandler (1 kV bis 35 kV) zu untersuchen, die Mittelspannungstransformatoren zu einem Bruchteil des Gewichts und der Kosten ersetzen könnten.

„Dies ist eine neue Art von Ausrüstung, die einem Versorgungsunternehmen eine völlig neue Möglichkeit eröffnet, seine Verteilungssysteme zu verwalten“, sagte Barry Mather, Forscher am NREL. „Wenn man dieses zusätzliche Gerät im System hätte, könnte man viel mehr dezentrale Energieressourcen in einen Stromkreis einspeisen.“

„Das US-Stromnetz ist wenig einzigartig“, sagte Mather. „Wir verfügen über eine Mittelspannungsverteilung, die ziemlich nah an unseren Kunden liegt.“ Die Mittelspannungseinspeiser versorgen einen lokalen Transformator mit Strom, der ihn auf die haushaltsübliche Spannung von 208/120 Volt reduziert.

Angenommen, ein Ast fällt auf eine Stromleitung und unterbricht die Stromversorgung einer Nachbarschaft. Heutzutage kann ein Mitarbeiter eines Versorgungsunternehmens Schalter in einem Transformator öffnen und schließen, um Strom von einer nahegelegenen Leitung in die unterbrochene Leitung zu leiten und zumindest einen Teil der Stromversorgung wiederherzustellen, während Arbeiter den Baum entfernen. Wenn wir jedoch einen Transformator durch einen Back-to-Back-Konverter ersetzen können, könnte der Strom automatisch umgeleitet werden, was die Ausfallzeiten verkürzt.

Power-Sharing ist nicht nur in Notfällen von Vorteil. Viele der heutigen Solarmodule auf Dächern müssen ihre Energie zunächst in Niederspannung und dann in Mittelspannung umwandeln. Mit Mittelspannungswandlern kann diese Energie eine unnötige Hürde überspringen.

„Es ist eine Art Machtarbitrage im gesamten Verteilungssystem“, sagte Mather. „Es ermöglicht Ihnen, viele Auswirkungen verteilter Ressourcen, insbesondere der Solarenergie, zu mildern.“

Kurz gesagt könnten Mittelspannungswandler den Versorgungsunternehmen dabei helfen, sicher zu steuern, wie und wohin Strom durch lokale Netze fließt. Und das könnte dazu beitragen, ein zukünftiges sauberes Energienetz sowohl belastbar als auch zuverlässig zu machen.

Mittelspannungsumrichter sind noch eine relativ neue Technologie. Das bedeutet, dass sie umfangreichen Tests unterzogen werden müssen, um sicherzustellen, dass sie effizient, erschwinglich und sicher genug sind, um in das US-amerikanische Stromnetz eingeführt zu werden.

Aber es ist nicht einfach, sie aufzubauen oder zu studieren. „Die Checkliste für Start-, Betriebs- und Abschaltverfahren musste immer wieder neu geschrieben werden“, sagte Ramanathan Thiagarajan, Forschungsingenieur am NREL.

Für den NREL-Teststand konstruierte das Team eine Nachbildung des Energiesystems, das von seinen Mittelspannungswandlern profitieren könnte. Sicherheit – für die Crew, aber auch für den Prototypen – hatte für das Team oberste Priorität. Der gesamte Prüfstand, der etwa die Größe eines Stadtbusses einnimmt, ist von einem schwarzen Zaun umgeben.

Die akademischen Partner des Teams bauten einen Prototyp:einen 10-Kilovolt-Stromrichter auf Siliziumkarbidbasis, der so konzipiert ist, dass er parallel zu seinem Zwilling arbeitet. Als die Forscher bereit waren, den Prototyp an ihre Netznachbildung anzuschließen, erhöhten sie die Spannung Stück für Stück, bis sie den Mittelspannungsbereich erreichten. Der Prototyp war zu kostbar (und zu teuer), um einer Beschädigung durch einen Spannungsstoß ausgesetzt zu sein.

„Wir haben den 5-Kilovolt-Bereich erreicht“, sagte Mather. „Es ist keine große Zahl, aber sie ist höher, als irgendjemand sonst operiert hat.“

Als nächstes planen sie, ihr Testfeld für weitere Forschungen zu öffnen, wie Mittelspannungsgeräte dazu beitragen könnten, das Netz an Wasserstoff als weitere saubere Energiequelle anzupassen oder darauf zu setzen. Das NREL-Team hofft außerdem, in einer völlig neuen Anlage noch höhere Spannungen zu erreichen. „Im Allgemeinen sieht es so aus, als ob die Zeit der Mittelspannungsumwandlung schnell näher rückt“, sagte Mather. „Wir werden immer mehr Bewerbungen und immer mehr Menschen sehen, die sich dafür interessieren.

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