leistungselektronik

Leistungselektronik

In Zeiten schwindender Ressourcen ist Leistungselektronik gefragt, die eine effektive und sparsame Übertragung und Nutzung der elektrischen Energie ermöglicht. Übertragung über weite Strecken erfordert hohe Spannungen und genau eingestellte Ströme. Einen wichtigen Beitrag leistet zunehmend der modulare Mehrpunktstromrichter (englisch: modular multi-level converter), kurz MLC. Forscher aus dem Bereich Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik arbeiten seit einigen Jahren mit solchen Stromrichtern.

Die Leistungselektronik ist das zentrale Bindeglied zwischen Energiequelle und Verbraucher, wenn regenerative Energien oder große Entfernungen im Spiel sind. Dann ermöglicht sie die notwendige Umformung elektrischer Energie. Sie kommt beispielsweise zum Einsatz, wenn die von Solarzellen gewonnene Energie (Gleichspannung) in das öffentliche Stromnetz (Wechselspannung) eingespeist werden soll. Auch bei Windkraftanlagen ist sie wichtig: Deren Rotoren drehen sich mit an den Wind angepasster Geschwindigkeit – und brauchen daher auch eine Anpassung an die konstante Frequenz der Netzspannung. Der Wirkungsgrad beschreibt dabei das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung und damit die Effizienz von Energiewandlungen und -übertragungen.

Modular und flexibel

detail EEine der möglichen Grundformen, die am Lehrstuhl für elektrische Energietechnik und Leistungselektronik erprobt wurde, ist von Prof. Dr.-Ing. Rainer Marquardt, Universität der Bundeswehr München, entwickelt worden. Der MLC setzt sich aus mehreren Elementar-Umformungsmodulen zusammen, die identisch und somit gegeneinander austauschbar sind. Eine Besonderheit ist die Flexibilität dieses Systems: Da die Anzahl der Module praktisch frei wählbar ist, lässt sich die Leistungsfähigkeit des Stromrichters problemlos an unterschiedlichste Anwendungen anpassen. Auch Herstellung, Wartung und Reparatur werden durch das Modulkonzept einfacher und kostengünstiger.

Netzfreundlich – auch ohne Filter

„Der MLC kann im Gegensatz zu herkömmlichen Stromrichtern eine Spannungsform hoher Güte erzeugen“, berichtet Prof. Dr.-Ing. Volker Staudt. Je mehr Module verwendet werden, umso geringer wird der Filteraufwand. Bei ausreichender Modulzahl – und damit feiner Spannungsstufung – kann der MLC ohne elektrisches Filter an das Energieversorgungsnetz angeschlossen werden und verursacht dort keine Probleme. „Das sind bedeutende Vorteile, denn der Platzbedarf eines solchen Filters ist enorm“, so Prof. Volker Staudt. „Es kann durchaus einen großen Raum füllen – bei anderen Konzepten und sehr hohen Leistungen auch ein halbes Fußballfeld.“ Zudem kann das Filter, ähnlich wie eine Brücke, in ungewollte Schwingungen versetzt werden.

Flexible Energieversorgung

„Als Einsatzgebiete für solche Stromrichter sind vor allem flexible Energieversorgungen wie etwa die von Windparks, in Bahnnetzen oder auf Schiffen vorgesehen“, so Prof. Volker Staudt. „Erste Anlagen sind bereits in Betrieb, so etwa die von Siemens errichtete Transbay-Verbindung in den USA – aber auch andere große Unternehmen arbeiten an MMC.“ Der Betrieb eines MLC ist jedoch wesentlich komplizierter als von bislang verwendeten Stromrichtern gewohnt. Dies liegt auch daran, dass jedes der vielen Module einen Kondensator enthält, dessen Spannung im Betrieb schwankt. In üblichen Anwendungen werden solche Spannungen konstant gehalten. Dies geht hier nicht, abhängig von der Belastung und den Netzspannungen muss in jedem Augenblick der genau richtige Wert eingestellt werden.


Fotos: Christian Schilling, Text: Meike Klinck