Transformatoren für die Energiewende

Der steigende Anteil an erneuerbaren Energien und die damit verstärkt dezentrale Energieversorgung stellen neue Herausforderungen an Energieversorgungsnetze dar. Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird in das Niederspannungsnetz integriert und muss auf dem Weg vom Kraftwerk zum Endverbraucher mehrfach bezüglich Spannung und Energiefluss umgewandelt werden.

Stand der Technik

Der Einsatz von Festkörpertransformatoren, besser bekannt als Solid-State-Transformatoren (kurz SST), bietet dabei sowohl eine sichere Abgrenzung der verbundenen Netze durch galvanische Trennung als auch eine Entkoppelung der Frequenzen von Ein- und Ausgangsseite. Im Unterschied zu konventionellen Transformatoren zeichnen sich SSTs durch größere Flexibilität aus und sind damit im Zug der Energiewende vorteilhaft. Eine mögliche Variante der SSTs ist aus modularen Multilevel-Umrichtern (MMC) aufgebaut. Diese bestehen aus einer Anzahl von Armen mit mindestens zwei Energiespeicherzellen in Reihenschaltung sowie ausgeprägter Induktivität.

Technologie

Wissenschaftler am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT entwickeln neue Schaltungskonzepte für solche MMCs, um eine stabilere Energieversorgung zu gewährleisten. Das neue Konzept ermöglicht eine Potentialtrennung mit einfacher, flexibler und skalierbarer magnetischer Koppelung zweier oder mehrerer MMCs. Dadurch kann Energie unterschiedlicher Spannungsniveaus zwischen Umrichter und Stromnetz übertragen werden. Die Anordnung nutzt dabei ohnehin vorhandene Induktivität ebenfalls zur Energieübertragung und spart auf diese Weise magnetisches Material ein. Damit ist die am KIT entwickelte Schaltung gegenwärtig die kompakteste und kostengünstigste Version eines SSTs auf Basis von MMCs.

Vorteile

Mittels des Schaltungskonzepts wird zudem eine hohe Spannungsqualität erzeugt, welche insbesondere bei der umrichterbasierten Einbindung erneuerbarer Energiequellen, wie Wind- oder Solarenergie, von zentraler Bedeutung ist. Durch die flexible Aufnahme und Bereitstellung von Blindleistung können SSTs einen wichtigen Beitrag zur Sicherung der Spannungsqualität in intelligenten, lokalen Verteilnetzen – sogenannte Smart Grids – leisten.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Industriepartner für die Entwicklung eines Prototyps.