Integration von Elektromobilität in ein nachhaltiges Energieversorgungssystem

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4. 4. Hybrider Ansatz zur Integration der Elektromobilität in die urbane Umgebung

Die Verteilnetze in der urbanen Umgebung sind typischerweise, wie in Bild 3 dargestellt, radial konstruiert. In dieser Struktur versorgt ein Transformator im Umspannwerk mehrere Ortsnetztransformatoren, welche die ange­schlossenen Kunden auf Niederspannungs­ebene versorgen. Um eine gewisse Redundanz zu erzielen, werden die Netzkomponenten ty­pischerweise massiv überdimensioniert, sodass die Verbraucher im Fall eines Komponenten­ausfalls weiter versorgt werden können.

Dieses Szenario ist in Bild 3 illustriert: Durch den Ausfall eines Transformators im Umspann­werk müssen die betroffenen Verbraucher durch den benachbarten Transformator über einen Transferschalter versorgt werden. Die ­Bemessungsleistung des Transformators muss daher so groß gewählt werden, um im Fehler­fall die Leistung des ausgefallenen Transforma­tors übernehmen zu können.

Radiale Struktur Verteilernetz Bild 3

Bild 3: Radiale Struktur der bestehenden Verteilnetze.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass das Mittelspannungsnetz im normalen Betrieb noch ausreichend Kapazität für das Laden von Elektroautos zur Verfügung stellt. Während hingegen die Verteilnetztransformatoren im Niederspannungsnetz über eine geringe Leis­tungsreserve verfügen. Eine Studie in [4] hat zudem gezeigt, dass die Leistungsreserve im heute typischen Ortsnetztransformator nicht ausreichend ist, um das Schnellladen eines Elektroautos mit 20 kWh-Batterie innerhalb von fünf Minuten zu ermöglichen. Die Bünde­lung der Kapazitäten von mehreren Transfor­matoren sowohl auf Mittelspannungsebene als auch auf Niederspannungsebene ist ein Lösungsansatz, um die hohe Spitzenleistung für das Schnellladen abzudecken. Im Wechsel­stromsystem ist diese Option allerdings nicht ohne Weiteres realisierbar, da heutige Trans­formatoren im Allgemeinen nicht regelbar sind. Die Folge ist eine unkontrollierbare Leistungsaufteilung.

Alternativ kann bei einer drohenden dauer­haften Transformatorüberlastung ein zusätz­licher Transformator im Parallelbetrieb ­installiert werden, wenn das übergeordnete Netz die zusätzliche Belastung tragen kann. Die Leistungsaufteilung zwischen den paral­lelen Transformatoren ist in der Regel jedoch nicht gleichmäßig, da diese durch die Transfor­matorparameter allein bestimmt wird. Zudem können Kreisströme auftreten, die die Trans­formatoren zusätzlich belasten.

Mittels Gleichstromtechnologie mit inhä­renter Leistungsflussregelung, lässt sich die Kopplung von Transformatoren intelligent reali­sieren. In Bild 4 ist dieses Bündelungskon­zept über ein Mittelspannungsgleichstromnetz (MVDC) dargestellt. Mittels der eingesetzten leistungselektronischen Systeme ist es möglich, den Leistungsfluss über die MVDC-Verbindung aktiv zu regeln und somit die Leistungsauftei­lung zwischen den Transformatoren abhängig vom Systemzustand zu optimieren. Gleichzeitig bieten die AC-DC-Wandler netzdienliche Funk­tionalitäten wie beispielsweise Spannungsstüt­zung durch Blindleistungskompensation und aktive Oberwellenkompensation an, um die Netzstabilität der bestehenden Wechselstrom­systeme zu gewährleisten.

Transformatorenbündelung Gleichstromverbindung Bild4

Bild 4: Bündelung von Transformatoren mittels Gleichstromverbindung

Derzeitig gibt es noch keine standardisierte Spannung für Mittelspannungsgleichstromnet­ze. Mit den im Markt vorhandenen leistungs­elektronischen Umrichtersystemen können entweder 5 kV, ±5 kV, 10 kV oder ±10 kV-Gleich­stromnetze realisiert werden. Dabei erweisen sich die Ansätze mit bipolaren Spannungen als sehr vielversprechend aufgrund des geringeren Isolationsaufwands gegenüber Erdpotenzial. Weitere Vorteile bietet das vorgestellte Kon­zept im Hinblick auf die effiziente Anbindung von erneuerbaren Energiequellen, wie Photo­voltaikanlagen und Windparks, sowie von ­Batteriespeichersystemen zur Verringerung der Lastspitzen.

Photovoltaikanlagen und Windenergie­anlagen arbeiten intern mit Gleichstrom­systemen, bevor nach heutigem Stand der Technik auf Wechselstrom mit einer festen Netzfrequenz umgewandelt wird. Dieser Um­wandlungsprozess ist verlustbehaftet und nicht kosteneffizient. Die Integration von erneuerbaren Energien in das Mittelspan­nungsgleichstromnetz mittels hocheffizienter DC-DC-Wandler bietet die Möglichkeit In­vestitions- und Betriebskosten des gesamten Systems zu verringern. Zusätzlich kann eine Schnellladeinfrastruktur, die ebenfalls auf Gleichstromtechnologie aufbaut, gegenüber einem Wechselstromnetz leichter, effizienter und kostengünstiger in ein Mittelspannungs­gleichstromnetz integriert werden.

5. 5. Intelligenter DC-DC-Wandler für Gleichstromnetze

Zur Integration der Schnellladeinfrastruktur in Mittelspannungsgleichstromnetze stellen effizi­ente DC-DC-Wandler eine Schlüsselkomponente zur Kopplung von Gleichstromsystemen unter­schiedlicher Spannungsebenen dar. Für diese Anwendung ist die sogenannte dreiphasige Dual-Active-Bridge (DAB)-Topologie geeignet. Der DC-DC-Wandler besteht aus zwei Umrich­tern, die durch einen Mittelfrequenz-Transfor­mator verbunden sind. Der Transformator dient zusätzlich zur Kopplung der unterschiedlichen Spannungsniveaus. Zusätzlich zu einer flexiblen und dynamischen Regelbarkeit des Wandlers er­reicht diese Topologie durch den Transformator die notwendige galvanische Trennung zwischen den Ein- und Ausgängen. Dadurch ist eine inhä­rente Trennung zwischen Mittelspannungs- und Niederspannungsseite sichergestellt.

Im Vergleich zu den klassischen Transfor­matoren in 50 Hz-Wechselstromnetzen wird der Transformator im DAB-DC-DC-Wandler mit deutlich höheren Frequenzen betrie­ben. Dadurch lässt sich der Transformator kompakter und leichter konstruieren, was zu einer deutlichen Materialersparnis führt und damit die Kosten für den Transformator massiv senkt. Eine Reduktion mit dem Faktor 10 in Volumen und Gewicht ist von einem 1 kHz-Transformator gegenüber einem klassi­schen 50 Hz-Transformator zu erwarten. Am Institute for Power Generation and Storage Systems des E.ON Energy Research Centers der RWTH Aachen University existiert bereits ein Demonstrator eines 5 kV-DAB-DC-DC-Wandlers mit einer Nennleistung von 5 MW unter Einsatz drei einphasiger 1 kHz-Transfor­matoren (siehe Bild 5). Einer dieser einphasi­gen 2.2 MVA 1 kHz-Transformatoren hat ein Gewicht von etwa 400 Kilogramm bei einem ­Volumen von lediglich 220 Litern. Dies ist deut­lich kompakter und leichter im Vergleich zu einem 50 Hz-Transformator gleicher Leistung.

MW DC DC Wandler Bild 5

Bild 5: 5 MW-DC-DC-Wandler mit Mittelfrequenztransformatoren.

Ein weiterer Vorteil dieser Topologie ist der hohe Wirkungsgrad. Die weichschaltende Charakteristik des Wandlers ermöglicht einen Wirkungsgrad von etwa 99 %. Durch signifikante Senkung von Schaltverlusten ist der Einsatz von Luftkühlung für die Leistungshalbleiter denk­bar, sodass der Systemaufbau einfacher ist und der Wartungsaufwand minimiert wird.

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