Mehr Flexibilität durch Modulare Multilevel-Umrichter

Warum untersucht flexQgrid auch leistungselektronische Umrichter als Bindeglied zwischen Erzeugungsanlagen, Speichert und dem Netz?

Im Stromnetz sind viele Haushalte nicht mehr nur Energieverbraucher, sondern auch Energielieferanten. Durch den Photovoltaik-Ausbau wird immer mehr Energie dezentral erzeugt. Allerdings ist der Einspeisezeitpunkt der erzeugten Energie bisher direkt an Umwelteinflüsse, wie die momentane Sonneneinstrahlung, gekoppelt. Energiespeicher können einerseits in den Haushalten den Stromverbrauch optimieren und andererseits den sicheren Netzbetrieb im Rahmen des quotenbasierten Netzampel unterstützen. Dabei spielen auch die leistungselektronischen Umrichter als Bindeglied zwischen Erzeugungsanlagen, Speichern und dem Netz eine wichtige Rolle in den Stromnetzen der Zukunft.

Einbindung der Umrichter in flexQgrid

Im Rahmen des Projekts „flexQgrid“ entwickelt das Elektrotechnische Institut (ETI) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen „Modularen Multilevel-Umrichter“ (MMC) mit integrierten Batteriemodulen für den Einsatz im Niederspannungsverteilnetz.

Der MMC besteht aus einer Vielzahl an gleichartigen Zellen, die mit Halbleitern geringerer Sperrspannung als bei üblichen Wechselrichtern in der Niederspannung auskommen. Einerseits werden dadurch die Verluste reduziert, andererseits ergibt sich durch die kleineren Spannungsstufen eine glattere Spannungskurve und somit eine höhere Spannungsqualität. Im Gegensatz zu bisherigen AC- oder DC- gekoppelten Speichersystemen können beim MMC die Batteriespeicher direkt in die Umrichterzellen integriert werden. Dazu wird ein Teil der Zellen mit Batteriemodulen ausgestattet, wie in der Grafik angedeutet.

Der Umrichter wird als Prototyp aufgebaut und mit dem am ETI entwickelten Signalverarbeitungssystem angesteuert. Durch die selbst entwickelte Signalverarbeitung ergibt sich die Möglichkeit mit geringem Aufwand eine Schnittstelle zu integrieren, die es erlaubt den Umrichter mit maximaler Flexibilität hinsichtlich der zu liefernden Leistung zu betreiben. Die zu diesem Zweck vom Smart-Meter-Gateway (SMGW) dafür vorgesehene Controllable-Local-Systems-(CLS)-Schnittstelle wird durch dieses Konzept direkt im Umrichter integriert.

Bei kritischen Netzzuständen und Netzfehlern ist aber die Latenz dieses TCP/IP-basierten Kommunikationssystems in vielen Fällen zu hoch. Bei solchen dynamischen Vorgängen im Netz muss der Umrichter aus den elektrischen Größen des Netzes ein netzstabilisierendes Verhalten ableiten.

In den Netzanschlussbedingungen („Grid Codes“) wird vorgegeben, wie sich der Umrichter bei Spannungs- und Frequenzabweichungen zu verhalten hat. Maßnahmen zur schnellen Netzidentifikation und Netzstützung sind dabei Gegenstand der Forschung am Elektrotechnischen Institut.

In der letzten Projektphase sollen solche schnellen und kritischen Netzzustände mit dem aufgebauten Umrichter daher anhand von echten Netzdaten aus der Messkampagne (wie hier berichtet) im Labornetz nachgestellt und die Echtzeitfähigkeit der Regelung und der Umrichtertopologie erprobt werden.

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