Hardware-Entwicklung zur Netzanbindung von Energiespeichern

TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg Forschungsverbund 

Energie 

Niedersachsen 

AG 2: Umrichterdominierte Arealnetze 

Hardware-Entwicklung zur Netzanbindung 

von Energiespeichern 

Dipl.-Ing. Abdelkader Guetif, TU Braunschweig 

Dipl.-Ing. Lennart Baruschka, Leibniz Universität Hannover 

Hardware-Entwicklung zur Netzanbindung von Energiespeichern 

1


Energie 

Niedersachsen 

Gliederung 

• Motivation 

• Konzept zur Niederspannungsanbindung eines Kurzzeitspeichers 

• Simulation, Aufbau und Erprobung der Speicheranbindung 

• Betrachtung des Energieinhalts bei Netzglättung (Beispiel min) 

• Netzstützung bei ASM-Anlauf (Beispiel ms) 

• Anbindung von Energiespeichern an das Mittelspannungsnetz 

• Auswahl der Topologie 

• Aufbau und praktische Erprobung im Labor 

• Zusammenfassung 


2


Energie 

Niedersachsen 

Motivation 

� Netzspannungserhöhung durch 

zunehmend dezentrale Einspeisung 

(Sonne, Wind, geringe Last ) 

� Spannungsschwankungen durch 

fluktuierende Einspeisung 

� Verluste durch Übertragung von 

Blindleistung 

Ziel: 

� Spannungsstabilisierung: Reduktion 

von Flicker und Transienten, 

� Bereitstellung von Wirk- und 

Blindleistung 

� Oberschwingungskompensation 

� Ausgleich von Fluktuationen (Bereich 

ms, s, min: entsprechend 

Speicherauslegung) 

� Energiemanagement Speicher für 

Netzglättung 

Spannung in V 

Leistung P in kW 

40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

242 

240 

238 

236 

234 

232 

230 

228 

226 

12:24 

13:34 

14:44 

15:54 

17:04 

Messung : Ortsnetztransformator S= 250 kVA 

Spannung- Stromverlauf kleine Siedlung 09 Juli 2009 


18:14 

19:24 

20:34 

21:44 

22:54 

Zeit 

Messung : Ortsnetztransformator S = 250 kVA 

Leistungsverlauf kleine Siedlung 09 Juli 2009 

12:24 

13:18 

14:12 

15:06 

16:00 

16:54 

17:48 

18:42 

19:36 

20:30 

21:24 

22:18 

23:12 

0:06 

1:00 

1:54 

2:48 

3:42 

4:36 

5:30 

6:24 

7:18 

8:12 

9:06 

Zeit 

0:04 

1:14 

2:24 

3:34 

4:44 

5:54 

7:04 

8:14 

180 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

Strom in A 

3


Gesamtkonzept (Speicher, Hoch-Tiefsetzsteller, 

Wechselrichter) 

Speicher 

Hoch-Tiefsetzsteller 

Energiefluss 

Wechselrichter 


Netzankopplung 

Energie 

Niedersachsen 

Netznachbildung 

4


Komponenten der Anordnung 

zur Netzstabilisierung 

Kurzzeitspeicher 

P n = 50 kW, E = 25 kWmin 

U max = 500 V 

+ + 

bidirektionaler Hoch- Tiefsetzsteller 

P = 50 kW, I max = 100 A 


Wechselrichter mit Steuerung 

und Regelung S max = 50 kVA 

Energie 

Niedersachsen 

� Spannungsstabilisierung: Reduktion Flicker und Transienten 

� Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung sowie variabler cosφ 

� Oberschwingungskompensation 

�Ausgleich von Fluktuationen (Bereich ms, s, min: entsprechend Speicherauslegung) 

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Energieinhalt in Ws 


Energieinhalt: Entladen des Supercap- 

Speichers mit Konstantstrom 

U max = 500 V 

I = 150 A 

U min = 250 V 

I = 100 A 

I = 50 A 


Energie 

Niedersachsen 

U opt = 395 V Aufnahme vom Netz 

Zeit in s 

Abgabe ins Netz 

(∆E = 750 kWs = 12,5 kWmin) 

(∆E = 750 kWs = 12,5 kWmin) 

6


Hoch-Tiefsetzsteller: Ergebnisse Simulation 

Netz-Störung 

Supercap 

U = 395 V 

I_speicher 

P speicher = 45 kW 

I_zk 

Ankopplung 

Netzspannung ungeregelt ( I_speicher = 0 ) 


Netzstörung 

∆U = 70 V ∆U = 10 V 

Energie 

Niedersachsen 

50 V ACeff, 50 Hz 

Netzspannung 

600 V DC 

Netzspannung geregelt (I_speicher ≠ 0) 

7


Wechselrichter: Versuchsaufbau (50 kVA) 

Netzteile Induktive Last 

3x 0,5 mH 

Topologie des 

Wechselrichters 

B6-Brückenschaltung 

mit Zwischenkreis 

Spannung und Strom 

Messgeräte 

Netzankopplung 


Energie 

Niedersachsen 

Interface-Platine Mikrocontroller 

Netznachbildung 

8


Ermittlung von Leistung und Energieinhalt 

des Speichers zur Netzglättung 

P in kW 

Maximale Ausnutzung 

Energieinhalt des Speichers 

(∆E =25 kWmin) 

400 V / 50 Hz 

Speicher: 16 F 

P netz 

~ 

= 

P last 

P speicher 

P last = P netz (Messwerte), P speicher = 0 P last (geglättet ), P speicher ≠ 0 

Erforderliche Speicherleistung P speicher zur Netzglättung 

Zeit in min 


(∆E = 25 kWmin) 

Energie 

Niedersachsen 

9


Simulation: Netzglättung mit dem Speicher 

(E max = 1,5 MWs = 25 kWmin ) 

P netz ohne Glättung 

P netz mit Glättung 

Espeicher Emax Eopt = 12,5 kWmin Uopt = 395 V) 

E min 

P speicher 


Energie 

Niedersachsen 

10


Netzstörung: Einschalten ASM 

Netzparallelbetrieb Messung 

FPT 12 P = 50 kW 

E max = 1,5 MWs 

250 kWh / 

650 kVA 

Kabel 

2X250 A 

Senertec: 

Un=400 V (dreiphasig), Inenn=60 A, P=25 

(33) kW, Ianlauf


Netzstörung: Einschalten ASM 

Netzparallelbetrieb (Zoom) 

ASM Strom in A 

Netzspannung in V 

Scheinleistung in VA 

Zeit in s 


Energie 

Niedersachsen 

Messung 

Messung 

12


Reduktion Netzstörung (Speicher) 

Einschalten ASM (Simulation) 

Phasenströme Faktor x 2 

Phasenspannungen 


Energie 

Niedersachsen 

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Energie 

Niedersachsen 

Konzept im Mittelspannungsbereich 

Zweipunkttopologie im Mittelspannungs- 

bereich nachteilhaft: 

• Steile Flanken der Ausgangsspannung 

� Filterung notwendig, 

Alterung der Isolierung, 

EMV- Problematik 

• Einsatz einer Multilevel- Topologie 

opportun 

Mehrere Topologien zur Auswahl: 

• Diode-Clamped 

• Capacitor-Clamped 

• Cascaded H-Bridge (CHB) 

• Modular Multilevel Converter (M²C) 


14


Energie 

Niedersachsen 

Gesamtkonzept MS - Topologievergleich 

Cascaded H-Bridge (CHB) Modular Multilevel Converter (M²LC) 

Viele kleine Energiespeicher Ein großer Energiespeicher 

Varianten: 

-Standardmodule 

-Module mit DCDC Wandlern 

Varianten: 

-Halbbrückenmodule 

-Vollbrückenmodule 


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Energie 

Niedersachsen 

Gesamtkonzept MS – Topologievergleich 

• CHB mit standard Modulen: 

• Niedrigste benötigte Chipfläche 

• Höchster Wirkungsgrad 

• Größte benötigte Batteriespannung 

• CHB mit DCDC-Wandlern: 

• Deutlich geringe Batteriespannung nötig 

• M²LC in beiden Varianten: 

• Niedrigerer Wirkungsgrad 

• Ca. doppelt so viele Module wie CHB 

• Endergebnis: Cascaded H-Bridge mit 

DCDC-Wandlern am besten geeignet 

• Niedrige installierte Schaltleistung 

• Hoher Wirkungsgrad 

• Niedrige Batteriespannung (in Summe) 


Rechengrundlage: 

• Leistung: 10 MW 

• Spannung: 20 kV 

16


Energie 

Niedersachsen 

Gesamtkonzept MS – Dimensionierung 

• Daten „realer“ Umrichter: 

• Leistung: 10 MVA 

• Spannung: 20 kV (L-L) 

• Schalter: 3,3 kV IGBTs 

• Minimale Modulanzahl: 12 

• Realistisch wg. Redundanz: 14 

• Daten Laborumrichter: 

• Leistung: 100 kVA 

• Spannung: 690 V (L-L) 

• Strom: 80 A 

• Schalter: 200 V Mosfets 

• Identische Modulanzahl: 14 

Topologie: CHB Umrichter mit DCDC-Wandlern 

u o 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. 

Mod. u q;n 

Zweig 

• Batteriespannung je Modul: 48 V 

u c;n 


17


Energie 

Niedersachsen 

Laboraufbau – Gesamtsystem 

Gesamtaufbau in sechs Schaltschränken mit je sieben Modulen 

Steuerungsrechner 

mit Echtzeit-Linux 

(Zykluszeit: 100 µs) 

7 Module je Schrank 

Testequipment 

Messmodule 


18


Energie 

Niedersachsen 

Laboraufbau - Wechselrichtermodul 

• Insgesamt 42 Module 

• 4 x 12 V Bleibatterien in Reihe � 48 V, 21 Ah je Modul 

• Je zwei parallele Mosfets je Schalter 

• Spitzenspannung 125 V 

• Spitzenstrom: 120 A 

• Leistungstest erfolgreich 

(Prototyp) 

Topologie des Leistungsteils 

Laboraufbau eines Moduls 


19


Energie 

Niedersachsen 

Laboraufbau – Messmodul 

• Messung von +/- 150 A und +/- 600 V 


Lichtleiter-Interface 

Spannungsteiler 

Mikrocontroller 

Stromsensor 

FPGA 

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Energie 

Niedersachsen 

Laboraufbau MS – Erste Messergebnisse 

• Zykluszeit des Steuerungsrechners ausreichend 

• Modulationsverfahren fertig implementiert und getestet 

Messung der Spannung über 7 Module 


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Energie 

Niedersachsen 

Zusammenfassung Hardware-Entwicklung 

• Aufbau und Erprobung Gesamtkonzept Niederspannung 

• Speicher, Hoch-Tiefsetzsteller, Wechselrichter 

• Konzeptuntersuchung Energiemanagement bei Netzstützung 

• Untersuchungen: Glättung Lastgang (min), Einschalten ASM (ms) 

• Ermittlung geeigneter Topologien zur Speicheranbindung im MS-Netz 

• CHB-WR mit DCDC-Wandlern am besten geeignet 

• Realisierung eines modularen Wechselrichters im Labor 

• Aufbau eines Echtzeitsystems zur Regelung 

• Entwicklung und Test der Leistungsmodule 


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Energie 

Niedersachsen 

Überblick FEN: Netzstabilität 

Theoretische Untersuchung der Netzstabilität 

• Statische und transiente Stabilität in dez. gespeisten Netzen 

• Anwendung der Algorithmen auf ein Beispielnetz 

Erprobung des Regelungskonzepts „Virtuelle Synchronmaschine“ 

• Nachweis der Funktionstauglichkeit im Labor 

• Netzstabilisierende Wirkung der VISMA in schwachen Netzen 

• Betriebsführung mehrerer paralleler VISMA 

Entwicklung von Hardware-Konzepten zur Speicheranbindung 

• Konzeptuntersuchung Energiemanagement bei Netzglättung 

• Topologiefindung zur Speicheranbindung im MS-Bereich 

• Entwicklung und Realisierung eines Mittelspannungsumrichters 


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Hardware-Entwicklung zur Netzanbindung von Energiespeichern

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