Mittelspannungswandler: Kosteneffiziente Alternative zu Netztransformatoren

Power Electronics INSIDER

Mittelspannungswandler könnten eine günstigere und effizientere Möglichkeit bieten, Strom von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen zu transportieren. NRELs neuer Teststand könnte helfen, diese vielversprechenden Technologien voranzubringen. (Bild: Josh Bauer, NREL)

Netzausbau für Elektrifizierung

Um alles von Fahrzeugen über Heizsysteme bis zu Herden zu elektrifizieren, muss das US-Netz um etwa 57 % wachsen und flexibler werden. Solar- und Windenergie sind die Erneuerbaren, die ein zukünftiges sauberes Energienetz voraussichtlich dominieren. Sie befinden sich jedoch hauptsächlich in abgelegenen Gebieten, fern von den Zentren, die ihre Energie benötigen – eine Belastung für das Übertragungssystem.

In den letzten vier Jahren hat das NREL-Team einen Teststand gebaut, um Back-to-Back-Mittelspannungswandler (1 kV bis 35 kV) zu untersuchen, die Mittelspannungstransformatoren bei einem Bruchteil von Gewicht und Kosten ersetzen könnten.

„Das ist ein neuer Gerätetyp, der einem Versorger eine völlig neue Art eröffnet, ihre Verteilnetze zu managen“, sagte Barry Mather, Forscher am NREL. „Viel höhere Anteile verteilter Energieressourcen könnten in einen Kreis eingespeist werden, wenn man dieses zusätzliche Gerät im System hätte.“

„Das US-Netz ist etwas einzigartig“, sagte Mather. „Wir haben Mittelspannungsverteilung, die ziemlich nah an unsere Kunden heranreicht.“ Die Mittelspannungszuführungen bringen Strom zu einem lokalen Transformator, der ihn auf Standard-Haushaltspegel von 208/120 Volt reduziert.

Fällt ein Ast auf eine Stromleitung und unterbricht die Stromversorgung eines Viertels, kann ein Versorgungsmitarbeiter heute Schalter in einem Transformator öffnen und schließen, um Strom von einer nahegelegenen Leitung in die gestörte umzuleiten und zumindest etwas Strom wiederherzustellen, während der Ast beseitigt wird. Ersetzt man den Transformator durch einen Back-to-Back-Wandler, könnte Strom automatisch umgeleitet werden, was Ausfallzeiten reduziert.

Lastenteilung ist nicht nur in Notfällen nützlich. Viele der heutigen Dach-Solaranlagen müssen ihre Energie erst in Niederspannung und dann in Mittelspannung umwandeln. Mit Mittelspannungswandlern kann diese Energie einen unnötigen Zwischenschritt überspringen.

„Es ist eine Art Arbitrage von Strom im Verteilnetz“, sagte Mather. „Es ermöglicht, viele der Auswirkungen verteilter Ressourcen, speziell Solar, abzumildern.“

Kurz gesagt: Mittelspannungswandler könnten Versorgern helfen, sicher zu steuern, wie und wo Strom durch lokale Netze fließt. Und das könnte helfen, ein zukünftiges sauberes Energienetz sowohl resilient als auch zuverlässig zu machen.

Umfangreiche Tests für neue Technologie

Mittelspannungswandler sind noch eine relativ neue Technologie. Das bedeutet, sie müssen umfangreichen Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie effizient, bezahlbar und sicher genug für die Einführung in das US-Stromnetz sind.

Doch sie zu bauen oder zu untersuchen, ist nicht einfach. „Die Checkliste für Startup, Betrieb und Shutdown-Prozeduren musste geschrieben und umgeschrieben werden“, sagte Ramanathan Thiagarajan, Research Engineer am NREL.

Für den NREL-Teststand baute das Team eine Nachbildung des Stromsystems, das von ihren Mittelspannungswandlern profitieren könnte. Sicherheit – für das Team, aber auch für den Prototyp – war oberste Priorität. Der gesamte Teststand, der etwa so viel Platz einnimmt wie ein Stadtbus, ist von einem schwarzen Zaun umgeben.

Die akademischen Partner des Teams bauten einen Prototyp: einen 10-Kilovolt-Siliziumkarbid-Leistungswandler, der back-to-back mit seinem Zwilling arbeiten soll. Als die Forscher bereit waren, den Prototyp in ihre Netz-Nachbildung einzuspeisen, erhöhten sie die Spannung schrittweise, bis sie den Mittelspannungsbereich erreichten. Der Prototyp war zu wertvoll (und teuer), um ihn mit einem Spannungsspitzen zu riskieren.

„Wir erreichten den 5-Kilovolt-Bereich“, sagte Mather. „Das ist keine massive Zahl, aber das ist höher, als jemals jemand anderes betrieben hat.“

Als Nächstes planen sie, ihren Teststand für weitere Forschung zu öffnen, wie Mittelspannungsgeräte dem Netz helfen könnten, sich anzupassen oder auf Wasserstoff als weitere saubere Energiequelle zu setzen. Das NREL-Team hofft auch, in einer völlig neuen Anlage noch höhere Spannungen zu erreichen. „Mittelspannungs-Leistungsumwandlung sieht allgemein so aus, als nähere sich ihr Tag rapide“, sagte Mather. „Wir werden mehr und mehr Anwendungen und mehr und mehr Menschen sehen, die sich dafür interessieren.“

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