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Neue Schaltungen, Systeme und Steuerverfahren

| Redakteur: Gerd Kucera

Weil unser Bedarf an elektrischer Energie weiter steigt, werden sich Energiesysteme verändern. Prof. Dražen Dujić (Power Electronics Laboratory, Lausanne) geht davon aus, dass in den entsprechenden Anwendungsbereichen MVDC-Stromverteilungsnetze entstehen, die sich auf die neuen Energiewandlungstechnologien stützen können.

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Dražen Dujić, EPFL: „In den letzten Jahren lässt sich ein immer größer werdendes Interesse an Mittelspannungs-Gleichstromanwendungen beobachten.“
Dražen Dujić, EPFL: „In den letzten Jahren lässt sich ein immer größer werdendes Interesse an Mittelspannungs-Gleichstromanwendungen beobachten.“
(Bild: EPFL)

„Aufgrund der begrenzten Spannungssperrfähigkeit handelsüblicher Halbleiterbauelemente dienen monolithische Multilevel-Umrichter seit fast vierzig Jahren als Arbeitspferd für verschiedene Mittelspannungsanwendungen (beispielsweise 1 bis 36 kVAC). Typische Umrichterstrukturen wie Neutral Point Clamped (NPC), Cascaded H-Bridge (CHB), Flying Capacitor (FC) und deren Varianten lieferten eine bessere Ausgangswechselspannung mit weniger Filterbedarf als herkömmliche zweistufige Umrichter und eigneten sich dadurch für Multi-Megawatt-Anwendungen im Versorgungssektor und auch in der Industrie. Diese Strukturen erlaubten jedoch keine einfache Erhöhung der Ausgangsspannung, sowohl aufgrund von Beschränkungen der Halbleitertechnik als auch aus Gründen der internen Umrichtersteuerung.

Diese Umrichter brachten zwar das Bausteinkonzept der Power Electronics Building Blocks (PEBB) voran, waren jedoch im Sinne der Spannungsskalierbarkeit nicht tatsächlich modular. Mit der Erfindung des modularen Multilevel-Konverters (Modular Multilevel Converter, MMC) vor fast zwanzig Jahren wurden neue Möglichkeiten geschaffen, um auf einfache Weise hohe und ultrahohe Ausgangswechselspannungen zu realisieren, die dank einer hohen Zahl von Spannungsstufen eine nahezu sinusförmige Wellenform aufweisen.

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Wie der Name erkennen lässt, wird dieser Umrichter aus Grundbausteinen, also Submodulen, zusammengesetzt, ähnlich wie der Cascaded-H-Bridge-Umrichter, jedoch ohne die Notwendigkeit einer externen Versorgung der Submodule. Die Technologie wurde recht schnell kommerzialisiert und hat ihren Platz in der Hochspannungsgleichstrom-Übertragung (HGÜ) und einigen industriellen Frequenzumrichteranwendungen gefunden.

In den letzten Jahren lässt sich ein immer größer werdendes Interesse an Mittelspannungs-Gleichstromanwendungen, MVDC, beobachten, beispielsweise ±1,5 bis ±50 kVDC. Die englische Abkürzung MVDC steht für Medium Voltage Direct Current. Diese Tatsache ist hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass weitere Möglichkeiten der Energiegewinnung und Energieverteilung untersucht werden müssen. Typische Beispiele finden sich im Bereich erneuerbare Energiequellen oder in speziellen Installationen wie beispielsweise Stromverteilungsnetzen auf Schiffen.“

Genau in diesem Bereich bietet der modulare Multilevel-Umrichter laut Prof. Dujic ein hohes Maß an Flexibilität bei der Realisierung einer effizienten elektrischen Energiewandlung. Zwei Beispiele sollten auf der Messe PCIM Europe in Nürnberg werden vorgestellt werden (jetzt verschoben auf den 28.-30. Juli 2020). Die Präsentation sollte die neuartigen Topologien der Leistungselektronik zeigen, die die Skalierbarkeit des MMC-Umrichters erfolgreich nutzen, um die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu erfüllen. In beiden Fällen ermöglicht es die weitreichende Integration von magnetischen Strukturen in den modularen Multilevel-Umrichter, unterstützt durch geeignete Regelalgorithmen, den Anforderungen der MVDC-Anwendung auf effiziente Weise gerecht zu werden. Die Beispiele sind ausführlich untersucht in den Publikationen von Stefan Milovanović & Dražen Dujić in„High Power DC-DC Converter Utilizing Scott Transformer Connection“ (IET Journal on Electric Power Applications in Band 13/Ausgabe 10, Seite 1441–1452/2019) sowie von A. Christe & Dražen Dujić in „High Power DC-DC Converter Utilizing Scott Transformer Connection“ (IET Journal on Electric Power Applications, Band 9, Ausgabe 12, Seite 2318–2328/2016).

Dražen Dujić und sein Power Electronics Laboratory

Dražen Dujić ist Assistenzprofessor und Direktor des Labors für Leistungselektronik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) in Lausanne, Schweiz, wo er auf dem breiten Gebiet der Erzeugung, Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie mit Schwerpunkt auf Mittelspannungs-Hochleistungsanwendungen forscht.

Er hat seinen Dipl.-Ing. Ing. 2002 und 2005 an der Universität Novi Sad, Serbien, und 2008 an der Liverpool John Moores University, Großbritannien, promoviert. Von 2009 bis 2014 war er bei ABB Switzerland Ltd tätig und beschäftigte sich mit Leistungselektronik-verwandten Projekten, die den Bereich von Niederspannungs-/Leistungs-SMPS im Low-Power-Bereich bis zu Mittelspannungs-Hochleistungswandlern im MW-Bereich. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Gebieten Design und Steuerung fortschrittlicher Mittelspannungs-Hochleistungselektroniksysteme und Hochleistungsantriebe. Prof. Dujić hat mehr als 70 von Experten begutachtete wissenschaftliche Veröffentlichungen verfasst oder mitverfasst und 11 Patente angemeldet. 2014 erhielt er den „Isao Takahashi Power Electronics Award“ für herausragende Leistungen in der Leistungselektronik.

Über das Labor für Leistungselektronik

Die Forschungsinteressen des Leistungselektroniklabors der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) in Lausanne liegen im weiten Bereich der Erzeugung, Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie. Insbesondere interessieren Technologien der Hochleistungselektronik für Mittelspannungsanwendungen, die mit Spannungen im kV-Bereich, Strömen im kA-Bereich und Leistungen im MW-Bereich arbeiten.

Leistungselektronik ist eine der Schlüsseltechnologien für zukünftige Energiesysteme, da sie eine beispiellose Flexibilität für die Integration und Steuerung verschiedener elektrischer Quellen, Speicherelemente oder Lasten in das Netz bietet. Dies gilt gleichermaßen für die heutigen Wechselstromnetze sowie für neue Konzepte von Gleichstromnetzen oder für eine unvermeidliche Mischung aus beiden in naher Zukunft. Um mit modernen leistungselektronischen Wandlern eine steuerbare, zuverlässige und effiziente Konvertierung elektrischer Energie zu erreichen, befassen sich die EPFL-Forscher multidisziplinär auf beispielsweise den Gebieten Leistungshalbleiter (wie Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid), passive Komponenten (etwa Magnete), Isolationsmaterialien, mathematische Modellierung, Simulationen und Optimierung leistungselektronischer Systeme, fortschrittliche Steuermethoden und anderes mehr. Den Kontakt zum Labor bzw. Prof. Dražen Dujić finden Sie hier.

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