FEN P2

 

Projekt 2 Forschungscampus Flexible Elektrische Netze

Das Projekt 2 des Forschungscampus Flexible Elektrische Netze befasst sich mit der Entwicklung von Schlüsselkomponenten für zukünftige Gleichspannungsnetze (DC-Netze). Dabei erstreckt sich das Spektrum von DC-DC Wandlern, auch oft „Edison’s Missing Link“ genannt, bis hin zu Unterkomponenten (Leistungshalbleiter, Treiberschaltungen und Transformatoren) und Materialien (Isolierstoffe). Das PGS ist aktiv in mehrere Arbeitspakete involviert und leitet das Gesamtprojekt.

 

High-Power Multi-Megawatt DC-DC Converter

Offener Schaltschrank mit dreiphasigem Umrichter Urheberrecht: PGS Prototyp eines Hochleistung DC-DC Wandlers

Dieses Arbeitspaket befasst sich mit der Entwicklung von Multimegawatt DC-DC Wandlern, welche auf der Dual-Active Bridge Topologie basieren. Diese Topologie bietet eine hohe Effizienz und eine galvanische Trennung. Die verwendeten Mittelfrequenztransformatoren sind ein Ergebnis eines vorherigen Projektes des PGS mit verschiedenen Industriepartnern. Neben der Adaptierung des Wandlers für eine Anwendung in dem Mittelspannungs-DC-Netz (MVDC-Netz) wird der Fokus auf die Erweiterung des weichschaltenden Bereiches über Hilfsschaltkreise gelegt. Im Idealfall können so die Verluste des Wandlers im Teillastbereich um einen Faktor 6 reduziert werden. Zusätzlich wird ein Regelalgorithmus entwickelt, welcher die Sättigung des Transformators verhindert um eine weitere Verringerung der Verluste im Transformator zu erreichen.

 

Thyristorbasierte Halbleiterbauelemente

Schematische Darstellung eines hybriden Schalters Urheberrecht: PGS IETO-IGBT Hybrid Gehäuse

In diesem Arbeitspaket des Forschungscampus Flexible Elektrische Netze geht es um die Untersuchung neuartiger Bauelementkonzepte für Mittelspannungsanwendungen. Hierbei steht die Kombination verschiedener Bauelementtechnologien wie dem Integrated Emitter Turn-Off (IETO)-Konzept und dem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) hin zu einem optimiertem Bauelement im Vordergrund. Unter Optimierung soll an dieser Stelle die Verbesserung der Effizienz sowie der Fehlerfallbehandlung und die Erweiterung des möglichen Arbeitsbereiches verstanden werden. Hierzu werden umfangreiche Halbleitersimulationen auf Basis von FEM und Spice durchgeführt, welche die Potentiale und Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen sollen. Zur Verifikation werden Treiber und Gehäuse-Prototypen entwickelt, aufgebaut und getestet. Letztendlich soll eine Aussage über die Vorzüge und Grenzen eines solchen Hybrid-Konzeptes gemacht werden.

 

Intelligente Gate Treiber für Mittelspannung IGBTs

Grüne Platine mit elektrischen Bauteilen Urheberrecht: PGS Prototyp eines gesteuerten Gatetreibers

In diesem Arbeitspaket, des Forschungscampus Flexible Elektrische Netze, geht es um die Entwicklung von speziellen Treiberschaltungen, Schutzbeschaltungen und der Betrachtung der ausgesendeten elektromagnetischen Interferenz (EMI) von insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) in Mittelspannungsanwendungen. Im ersten Schritt wird dabei untersucht wie sich ein IGBT über spezielle Ansteuerverfahren am Gate für jede Anwendung optimal betreiben lässt. Die Reduzierung der Schaltverluste steht dabei im Vordergrund. Danach wird sich auf Schutzkonzepte und Schutzbeschaltungen für IGBTs konzentriert. Der Schutz vor Überströmen und Überspannungen eines IGBTs steht dabei im Vordergrund, aber auch Messschaltungen für den aktuellen Betriebspunkt des IGBTs werden untersucht. Als letzter Punkt des Arbeitspaketes wird untersucht wie die Minimierung der Aussendung von elektromagnetischen Störungen während des Schaltvorganges mit einer Minimierung der Schaltverluste vereinbar ist und wie der optimale Betrieb des IGBTs hinsichtlich dieser beiden Kriterien in unterschiedlichen Betriebspunkten erreicht werden kann.

 

Mittelfrequenztransformatoren

Metallenes Gehäuse mit Abmessungen Urheberrecht: PGS 2.2 MVA 1 kHz Mittelfrequenztransformator

In diesem Projekt wird ein Mittelfrequenztransformator für den Einsatz und Betrieb in Hochleistungs-Gleichspannungswandlern untersucht. Der Unterschied eines Mittelfrequenztransformators zu konventionellen Transformatoren in einem 50 Hz Stromnetz ist gegeben durch den Betrieb bei höheren Frequenzen im Kilohertz-Bereich und Anregung mittels nichtsinusförmiger getakteter Spannungs- und Stromformen. Aus diesem Grund ist es zwar möglich die Baugröße und das Gewicht des Mittelfrequenztransformators wesentlich zu verkleinern, jedoch erhöhen sich gleichzeitig die Verlustleistungsdichten in den Wicklungen und dem magnetischen Kern. Demnach wird die Einsparung an Materialien aufgrund der thermischen Beanspruchung sowie der Isolationsfähigkeit limitiert. Weiterhin muss die benötigte Filterinduktivität des Gleichspannungswandlers in der Auslegung des Mittelfrequenztransformators berücksichtigt werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung eines geeigneten mathematischen Modells des Transformators für Schaltungssimulatoren, Regelungseinrichtungen und Messungen. Das finale Ziel besteht aus dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines dreiphasigen Mittelfrequenztransformators innerhalb eines Gleichspannungswandlers bei hohen Leistungen.

 

Schalten von DC

Elementweise Darstellung eines Schalters Urheberrecht: PGS Prototyp eines neuen Thyristor-basierten Bauteils für DC Leistungsschalter

Die Entwicklung und Untersuchung von Leistungsschalterkonzepten für Mittelspannungs-Gleichstromnetze steht im Fokus der Untersuchungen in diesem Arbeitspaket. DC-Leistungsschalterkonzepte aus den Hoch- und Nieder-spannungsebenen wurden identifiziert und deren Einsetzbarkeit in der Mittelspannungsebene analysiert. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden geeignete Schalterkonzepte für eine detaillierte Untersuchung für Mittelspannungs-Gleichstromnetze ausgewählt. Neue Leistungshalbleiter für den Einsatz in hybriden Leistungsschalter werden untersucht. Es ist gezielt Bauteile, die Höhe Fehlerströme für ein bis wenige Schaltvorgang/ Schaltvorgänge ausschalten können, zu entwickeln.

Projektpartner: Infineon, Schaffner, ThyssenKrupp Electrical Steel

Fördergeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung