Aktuelle Forschungsprojekte
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AC2DC - Erhöhung der Übertragungsleistung im Verteilnetz mit bestehenden AC Verbindungen als DC Strecken
Kurzbeschreibung (Deutsch)
Im Zuge der Energiewende erfolgt in zunehmendem Maße die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen (DEA), um konventionelle Kraftwerke, die fossile Brennstoffe verwenden, zu ersetzen. Gleichzeitig ist das erklärte Ziel der Bundesregierung eine Steigerung des Marktanteils der Elektromobilität. Beide Entwicklungen betreffen dabei vorrangig die Verteilnetze in Deutschland, da sowohl DEA als auch (Schnell-) Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorrangig an das Verteilnetz angeschlossen werden. Diese neuen Verbraucher und Erzeuger von Elektroenergie führen dazu, dass Leitungen im Verteilnetz an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben werden müssen. Auch die Spannungshaltung wird, aufgrund fehlender Blindleistungsbereitstellung von Kraftwerken, zunehmend zu einer Herausforderung für die Verteilnetzbetreiber (VNB). Im Zuge des Kohleausstiegs wird sich darüber hinaus die Dichte konventioneller Kraftwerke im Netz verringern. Der Netzausbau, der durch diese Entwicklungen notwendig wird, ist teuer und, aufgrund langer Genehmigungsdauern, sehr problematisch. Darüber hinaus muss das im Netzentwicklungsplan vorgegebene NOVA-Prinzip angewendet werden, das vor einem Netzausbau zunächst eine Netzoptimierung und -verstärkung fordert.
Auf der anderen Seite finden leistungselektronische Betriebsmittel im Übertragungsnetz zunehmend Anwendung, um Offshore-Windparks anzubinden und große Leistungen über weite Entfernungen zu transportieren. Die spezifischen Kosten dieser leistungselektronischen Komponenten sind dabei durch eine steigende Nachfrage und eine kontinuierliche Weiterentwicklung in vergangenen Jahre kontinuierlich gesunken. Unter Annahme einer weiteren Kostenreduzierung, ist zukünftig auch ein Einsatz leistungselektronischer Umrichter als Standardbetriebsmittel in der Verteilnetzebene denkbar. Inzwischen sind auch Betriebserfahrungen über längere Zeiträume vorhanden, sodass ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet werden kann.
Ausgehend von diesen Entwicklungen der Leistungselektronik wird in diesem Förderantrag ein neuer Ansatz vorgestellt, um der Überlastung der AC-Leitungen begegnen zu können.
Damit kann entsprechend dem NOVA-Prinzip eine Optimierung des Netzbetriebs erzielt werden, da die DC-Verbindung zahlreiche Vorteile und neue Möglichkeiten bietet:
- Erhöhen der Übertragungskapazität der vorhandenen Netzstruktur
- Freie Wahl der Gleichspannung und damit möglicher Betrieb bei erhöhten Spannungen
- Keine Übertragung von Blindleistung erforderlich
- Kein Auftreten von Skin- und Proximity-Effekten auf den Leitungen
- Die erforderlichen Konverter können die Spannungshaltung im vorgelagerten Netz durch bereitgestellte Blindleistung unterstützen und entkoppeln die Spannungsqualität des nachgelagerten AC-Netzes
- Perspektivisch möglicher Direktanschluss von DEA ohne Wechselrichtung innerhalb der Anlagen
Schwerpunkt des vorgeschlagenen Vorhabens AC2DC ist, die komponenten- und systemtechnischen Grundlagen für die Umwandlung bestehender AC-Kabel zu DC-Verbindungen zu untersuchen. Kernelemente des Forschungsvorhabens sind daher:
- Erstellen von Systemkonzepten von DC-Kabelstrecken in bestehenden AC-Kabelnetzen
- Ermitteln der Spannungs- und Strombelastungen, die aus der neuen Betriebsweise der Kabel, abhängig von der Verschaltung der Leiter der Drehstromkabel, resultieren
- Untersuchen der Belastbarkeit betriebsgealterter AC-Kabel mit höheren Gleichspannungen
- Bestimmen des Erwärmungsverhaltens stromführender Verbindungen bei unterschiedlichen DC-Leiter- und Schirmströmen
- Erarbeiten von Prüfkriterien für bestehende Kabeltrassen zum Bewerten des möglichen Betriebs als DC-Verbindung
- Spezifikation der Funktionalitäten der Konverter und notwendiger DC-Anschlussrichtlinien
- Erstellen und Simulation neuer Netzbetriebskonzepte mit DC-Kabelstrecken und Durchführen eines Technologievergleichs mit dem konventionellen Netzausbau
Auf der anderen Seite finden leistungselektronische Betriebsmittel im Übertragungsnetz zunehmend Anwendung, um Offshore-Windparks anzubinden und große Leistungen über weite Entfernungen zu transportieren. Die spezifischen Kosten dieser leistungselektronischen Komponenten sind dabei durch eine steigende Nachfrage und eine kontinuierliche Weiterentwicklung in vergangenen Jahre kontinuierlich gesunken. Unter Annahme einer weiteren Kostenreduzierung, ist zukünftig auch ein Einsatz leistungselektronischer Umrichter als Standardbetriebsmittel in der Verteilnetzebene denkbar. Inzwischen sind auch Betriebserfahrungen über längere Zeiträume vorhanden, sodass ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet werden kann.
Ausgehend von diesen Entwicklungen der Leistungselektronik wird in diesem Förderantrag ein neuer Ansatz vorgestellt, um der Überlastung der AC-Leitungen begegnen zu können.
Damit kann entsprechend dem NOVA-Prinzip eine Optimierung des Netzbetriebs erzielt werden, da die DC-Verbindung zahlreiche Vorteile und neue Möglichkeiten bietet:
- Erhöhen der Übertragungskapazität der vorhandenen Netzstruktur
- Freie Wahl der Gleichspannung und damit möglicher Betrieb bei erhöhten Spannungen
- Keine Übertragung von Blindleistung erforderlich
- Kein Auftreten von Skin- und Proximity-Effekten auf den Leitungen
- Die erforderlichen Konverter können die Spannungshaltung im vorgelagerten Netz durch bereitgestellte Blindleistung unterstützen und entkoppeln die Spannungsqualität des nachgelagerten AC-Netzes
- Perspektivisch möglicher Direktanschluss von DEA ohne Wechselrichtung innerhalb der Anlagen
Schwerpunkt des vorgeschlagenen Vorhabens AC2DC ist, die komponenten- und systemtechnischen Grundlagen für die Umwandlung bestehender AC-Kabel zu DC-Verbindungen zu untersuchen. Kernelemente des Forschungsvorhabens sind daher:
- Erstellen von Systemkonzepten von DC-Kabelstrecken in bestehenden AC-Kabelnetzen
- Ermitteln der Spannungs- und Strombelastungen, die aus der neuen Betriebsweise der Kabel, abhängig von der Verschaltung der Leiter der Drehstromkabel, resultieren
- Untersuchen der Belastbarkeit betriebsgealterter AC-Kabel mit höheren Gleichspannungen
- Bestimmen des Erwärmungsverhaltens stromführender Verbindungen bei unterschiedlichen DC-Leiter- und Schirmströmen
- Erarbeiten von Prüfkriterien für bestehende Kabeltrassen zum Bewerten des möglichen Betriebs als DC-Verbindung
- Spezifikation der Funktionalitäten der Konverter und notwendiger DC-Anschlussrichtlinien
- Erstellen und Simulation neuer Netzbetriebskonzepte mit DC-Kabelstrecken und Durchführen eines Technologievergleichs mit dem konventionellen Netzausbau
Zeitraum
01.04.2020 - 31.03.2022
Art der Finanzierung
Drittmittel
Projektleiter
- Herr Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner
Projektmitarbeiter
- Herr Dipl.-Ing. Krahmer Sebastian
Finanzierungseinrichtungen
- BMWi - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
- Projektträger Jülich
Kooperationspartnerschaft
national
Externe Kooperationspartner
- Prof. Dr.-Ing. Stephan Rupp, Maschinenfabrik Reinhausen GmbH (Deutschland)
Website zum Projekt
Relevant für den Umweltschutz
Ja
Relevant für Multimedia
Nein
Relevant für den Technologietransfer
Nein
Schlagwörter
Energiewende Verteilnetze Leistungselektronik
Berichtsjahr
2020