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Wechselrichtertopologien zur Anbindung von Energiespeichern an das Mittelspannungsnetz

Leitung:Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens

Beteiligte Institute:


Im Rahmen der Teilnahme am Forschungsverbund Energie Niedersachsen (FEN) beschäftigt sich das IAL mit der Anbindung von Energiespeichern an das Mittelspannungsnetz. Eine solche Anbindung wird in Zukunft nötig sein, um kurzzeitig Regelleistung zur Verfügung stellen zu können, beispielsweise um Abweichungen zwischen Prognose- und tatsächlich auftretenden Leistungen größerer regenerativer Erzeuger ausgleichen zu können.

Während sich für die Speicheranbindung an das Niederspannungsnetz der spannungseinprägende Pulswechselrichter in Zweipunkt-Topologie durchgesetzt und bewährt hat, ist die Topologiefrage für den Mittel- und Hochspannungsbereich noch nicht beantwortet. Grundsätzlich kommt auch hier die Zweipunkttopologie in Betracht; aufgrund der höheren Spannung steigt jedoch der Aufwand für ein geeignetes Netzfilter.

Einen geringen Filteraufwand verlangen Multilevel-Wechselrichter; diese erlauben die Erzeugung mehrerer diskreter Ausgangsspannungen und nähern so die gewünschte sinusförmige Spannung schon ohne Filter besser an. Je größer die Anzahl der diskret erreichbaren Ausgangsspannungen ist, umso kleiner kann das Filter folglich ausfallen.

Für in der Praxis bis zu 5 Ausgangsspannungsniveaus geeignet sind nichtmodulare Multileveltopologien wie Diode-Clamped- oder Capacitor-Clamped-Wechselrichter, die sich durch einen einfachen Aufbau und eine vergleichsweise einfache Ansteuerung auszeichnen.

Sind mehr Ausgangsspannungsniveaus gewünscht, steigt bei den nichtmodularen Topologien der Aufwand zur Einhaltung der einzelnen Spannungsniveaus sowie zum nötigen niederinduktiven Aufbau deutlich an. Aus diesem Grund bietet sich der Einsatz einer modularen Topologie an. Zu nennen sind an dieser Stelle insbesondere der kaskadierte H-Brücken-Wechselrichter (CHB), vgl. Abb. 1, sowie der modulare Multilevel-Wechselrichter (M²C), vgl. Abb. 2.

                                                    Abb. 1: Kaskadierter H-Brücken-Wechselrichter

Letztgenannte Topologien unterscheiden sich insbesondere in Hinsicht auf die Speicheranbindung erheblich voneinander: Während sich beim CHB-Wechselrichter ein kleiner Energiespeicher in jedem Modul befindet, verfügt der M²C über einen konzentrierten Energiespeicher im Zwischen­kreis, der entsprechend größer auszulegen ist.

                                            Abb. 2: Modularer Multilevel-Wechselrichter

Die Verteilung des Energiespeichers auf mehrere kleinere Module wirkt sich positiv auf die Ausfallsicherheit aus, gleichzeitig unterliegen die Energiespeicher beim CHB jedoch einer deutlich höheren Wechselbelastung als beim M²C. Inwieweit sich die Wechsellast beim CHB minimieren lässt, ist derzeit Gegenstand der Untersuchung.

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