The Highly Efficient And Reliable smart Transformer (HEART)

2 Jahre HEART – Europäische Forschung für die deutsch Energiewende in Kiel

Kurz nachdem Prof. Marco Liserre den Lehrstuhl für Leistungselektronik der CAU Kiel Herbst 2013 übernahm, bewilligte die europäische Forschungsrat die Förderung eines Großprojektes am Lehrstuhl. Der Consolidator Grant HEART (Highly Efficient And Reliable smart Transformer) läuft mit einem Gesamtbudget von 2 Mio Euro über 5 Jahre und wir in Kooperation mit Forschern der Universität in Aalborg durchgeführt. Seit dem Start im Mai 2013 arbeiten inzwischen vier Kieler Wissenschaftler am Einsatz von smarten Transformatoren basierend auf Leistungselektronik, um aktuelle Probleme im elektrischen Verteilnetz zu beheben und die Energiewende weiter voran bringen zu können.

Der smarte Transformator, welcher in dem HEART Projekt entwickelt wird, ist eine mögliche Antwort auf das sich verändernden Stromnetz mit vielen angeschlossenen Erzeugern. Inzwischen sind sogar Haushalte nicht mehr nur Energieverbraucher, sondern ebenfalls Erzeuger, während der Transformator noch immer rein passiv ist. Der leistungselektronikbasierte, smarte Transformator kann, anstelle dessen, sowohl die Lasten als auch die Erzeugung und Energiespeicher im angeschlossenen Stromnetz steuern.  Dies ermöglicht die Integration von Gleichstromnetzen, welche aktuell in Deutschland im großen Maßstab geplant werden, um die Energie vom Norden in den Süden zu transportieren (Abb. 1).

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Abb. 1: Der Smarte Transformator im Stromnetz.

Zur Demonstration der Ergebnisse des HEART-Projektes wird am Lehrstuhl aktuell ein Mittelspannungslabor gebaut. Finanzielle Unterstützung dafür kommt von der EKSH (Gesellschaft für Energie- und Klimaschutz Schleswig-Holstein) und der WTSH (Wirtschaftsförderung und Technologietransfer Schleswig-Holstein GmbH. In diesem Labor wird es möglich sein, Prototypen im Bereich der Mittelspannung zu testen und gleichzeitig Echtzeitsimulationen von elektrischen Netzen durchzuführen. Damit können reale Szenarien unter Laborbedingungen realistisch getestet werden. So kann beispielsweise untersucht werden, welche Auswirkungen der weitere Ausbau der Erneuerbaren Energien für Knotenpunkte im Netz hat und welche Eingriffe ein intelligenter Transformator im Netz vornehmen kann, ohne das reale Netz zu belasten.

Die EKSH fördert aktuell zudem das Projekt „LIFEWIND“ und zwei Stipendiaten am Lehrstuhl. Das LIFEWIND Projekt untersucht die Zuverlässigkeit von Windenergie in Bezug auf die Variabilität der eingebauten Komponenten. Diese können sowohl durch den Produktionsprozess oder Alterung unterschiedliche Parameter aufweisen, was Einfluss auf die Zuverlässigkeit und den Betrieb der Anlagen hat. Die beiden Stipendiaten forschen einerseits auf der Systemebene an dem Ziel den Ausbau der Windenergie durch intelligente Regelung der einzelnen Anlagen zu erhöhen und andererseits auf Komponentenebene an Konzepten, um die Zuverlässigkeit der Stromrichter zu erhöhen.

Im Rahmen des HEART-Projektes wurde die internationale Sichtbarkeit von Kiel in der Leistungselektronik stark erhöht. Zwölf international renommierten Forscher aus Deutschland, Europa, Amerika und Asien besuchten den Lehrstuhl, woraus 7 Austauschbesuche resultierten. Zudem hat der Lehrstuhl seine Ergebnisse in über 40 Veröffentlichungen auf Konferenzen und in internationalen Zeitschriften publiziert. Der Transfer der gewonnenen Erkenntnisse in die Anwendung erfolgt durch die Kooperation mit aktuell 13 lokalen und global agierenden Unternehmen.

Über das HEART-Projekt hinaus, konnten bereits weitere Forschungsprojekte eingeworben werden. So untersucht der Lehrstuhl in einem weiteren Großprojekt das Verhalten der Mittelspannungsnetzes. Dies dient einerseits dazu Beiträge zur Normung für den zukünftigen Anschluss von Erzeugern zu leisten und andererseits der Identifizierung und Dämpfung von Resonanzen, um die Verfügbarkeit des Netzes zu gewährleisten. In einem weiteren europäischen Interreg Projekt wird zudem angezielt die Deutsch-Dänische Grenzregion zu einem Zentrum der Kompetenzen der Leistungselektronik auszubauen.

An der Antragsstellung des Konsortiums für „Neue Netzstrukturen“ der Kopernikus Initiative des Bundes beteiligte sich der Lehrstuhl unter der Federführung des Karlsruher Instituts of Technology. In diesem Projekt sollen Konzepte entwickelt werden, um das zukünftige Zusammenspiel zwischen intelligenten dezentralen und europäisch integrierter Versorgungsnetzen in Bezug auf Versorgungssicherheit und Datenschutz zu untersuchen. An dem Projekt mit einem Volumen von über 43 Mio € ist der Lehrstuhl für Leistungselektronik neben der Universität Aachen und Karlsruhe der einzige universitäre Partner auf dem Gebiet der Leistungselektronik.

Der Smarte Transformator ist effizient!

Eine der größten Herausforderungen des HEART-Projektes ist die Entwicklung von Stromrichtern mit hohem Wirkungsgrad, der in vergleichbaren Projekten bei ~96% liegt. Aktuell hat der Lehrstuhl 98,35% erreicht, was zu den höchsten erreichten zählt und ihn zu einem der erfolgreichsten Arbeitsgruppen weltweit macht. Abb. 2 zeigt den Wirkungsgrad des Prototyps im Vergleich zu weiteren dokumentierten Wirkungsgraden der Leistungsklasse.

 

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Levy Ferreira Costa arbeitet an der Entwicklung von Stromrichtern mit hohem Wirkungsgrad

erhielt seinen B.Sc. Abschluss in Elektrotechnik von der University of Ceará, (Brasilien, 2010) und den M.Sc. Abschluss von der University of Santa Catarina (Brasilien, 2013). Seit 2009 arbeitet er im Bereich der Leistungselektronik und seine Forschungsinteressen sind Stromrichter, neue Leistungshalbleitertechnologien und magnetische Bauteile. Von 2013 bis 2014 war er Entwickler in Schneider Electric und seit 2014 promoviert er am Lehrstuhl für Leistungselektronik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

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Abb. 2: Wirkungsgrad von Umrichtern weltweit mit Positionierung der CAU.

Der Smarte Transformator ist zuverlässig!

Auf dem Gebiet der Zuverlässigkeit hat das Team um Prof. Liserre einen Algorithmus entwickelt, um die Belastung der Bauteile zu reduzieren und damit die Lebensdauer der Systeme zu verlängern. Somit können Ausfallzeiten und Reparaturkosten für die Anlagen reduziert werden. Der gleiche Algorithmus wurde angewandt in PV-Anlagen und eine Steigerung der erwarteten Lebensdauer wurde, wie in Abb. 3 dargestellt, erreicht.

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Markus Andresen arbeitet im Bereich der Zuverlässigkeit des Smart Transformators

studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, wo er seinen B.Sc. Abschluss (2010) und seinen M.Sc. Abschluss (2013) erhielt. Im Jahr 2010 absolvierte er ein Praktikum im Delta Electronics (Shanghai) Design Center Co., Ltd., China. Seit 2014 arbeitet er an der Erlangung des Doktorgrades an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Seine Forschungsinteressen sind Zuverlässigkeit von Stromrichtern, sowie die Regelung von Stromrichtern.

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Abb. 3: Verlängerung der Lebensdauer am Beispiel von PV-Wechselrichtern und Infrarotkamera zu Aufnahme von hochdynamischen Temperaturveränderungen.

Der Smarte Transformator ist flexibel!

Der smarte Transformator, welcher im HEART Projekt entwickelt wird, ermöglicht es mit den Erneuerbaren Energieerzeugern und den am Netz angeschlossenen Lasten zu kommunizieren und zu interagieren, um die Leistungsübertragung zu optimieren. Das Team von Prof. Liserre entwickelt dafür Algorithmen, die eine schnelle Identifizierung der Bedingungen im Stromnetz ermöglichen und die notwendigen Maßnahmen ergreifen, sodass keine Einschränkungen in der Versorgung resultieren (Abb. 4).

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Giovanni De Carne arbeitet an Algorithmen um den Stromnetz durch den Smart Transformator zu steuern

erhielt seinen B.Sc. Abschluss (2011) und den M.Sc. Abschluss (2013) in elektrischer Energietechnik von der „Politecnico of Bari“. Seit 2011 arbeitet er im Bereich der Verteilnetze und Übertragungsnetze an der Stabilitätsanalyse und Netzregelung. Seine Forschungsinteressen sind die Verwendungen von Leistungselektronik in elektrischen Netz. 2013 nahm er am Erasmus Austausch an der EPFL, Lausanne, Schweiz, teil und seit Dezember 2013 promoviert er am Lehrstuhl für Leistungselektronik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

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Abb. 4: Der Smarte Transformator steuert die Generation und den Verbrauch von Energie im Netz.

Chair of Power Electronics

  • Chair of Power Electronics, CAU Kiel