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MA – Untersuchungen Umrichter-Topologien

Untersuchungen von Umrichter-Topologien zur Anbindung von elektrischen Speichern in Verteilnetzen

Kurzzusammenfassung

Die Stromversorgung in Deutschland ist geprägt von einer hohen Zuverlässigkeit und ist daher von großem Stellenwert fur die Gesellschaft. Diese Zuverlässigkeit ist unter anderem abhängig von der Frequenzstabilität des Netzes, für deren Aufrechterhaltung Erzeugung und Verbrauch in einem ständigen Gleichgewicht stehen müssen. Kommt es zu einem Ungleichgewicht, sorgt zunächst die Momentanreserve dafür, dass die Frequenz innerhalb tolerierbarer Grenzen bleibt. Sie wird überwiegend durch die rotierenden Massen der konventionellen Kraftwerke zur Verfügung gestellt. Da deren Anteil an der Stromerzeugung durch den Ausbau erneuerbarer Energien abnimmt, müssen alternative Anlagen fur die Erbringung der Momentanreserve gefunden werden. Über Umrichter an das Stromnetz angeschlossene Batteriespeicher sind aufgrund ihrer schnellen Leistungsaufnahme und -abgabe dafür gut geeignet. Es sind bereits Anlagen im Einsatz, die Primärregelleistung zur Verfügung stellen, die zusätzliche Bereitstellung von Momentanreserve ist bei diesen bisher allerdings nicht vorgesehen. Daher werden in dieser Arbeit die Grenzen der Leistungselektronik eines solchen konventionellen Batteriespeichers bei der zusätzlichen Erbringung von Momentanreserve unter thermischen Gesichtspunkten untersucht. Es wird ein Programm entwickelt, das die Temperaturverläufe aller Halbleiter des Umrichterstrangs ermittelt. Für einen Referenzspeicher werden damit typische Lastprofile untersucht und die maximale Momentanreserve unter dem Einfluss verschiedener Betriebsparameter ermittelt. Dabei wird eine signifikante Verringerung der Momentanreserve bei parallel ablaufendem Batterielademanagement festgestellt, weshalb eine intelligente Steuerung der Momentanreserve in dessen Abhängigkeit empfohlen wird. In einem weiteren Schritt wird ein Optimierungsprogramm implementiert, mit dem die Chipflächen der Halbleiter an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden. Für den Zweilevel-Umrichter des Referenzsystems erweist sich die Verwendung eines kleineren kostengünstigeren Moduls als möglich. Zudem wird gezeigt, dass der Temperaturhub, den die Bereitstellung der Momentanreserve zur Folge hat, eine erhebliche Verkürzung der Halbleiterlebensdauer verursacht. Um dem entgegenzuwirken, wird eine Kopplung der Momentanreserve an die Frequenzabweichung oder die Parallelschaltung von Halbleitern vorgeschlagen. Letztere stellt sich unter der Annahme eines existierenden Marktes für die Momentanreserve in einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Referenzsystems als rentabel heraus. Zusammenfassend wird mit dem entwickelten Programm die Möglichkeit geschaffen den Beitrag eines konventionellen Batteriespeichers zur Momentanreserve zu quantifizieren. Darüber hinaus werden aus den für ein Referenzsystem erhaltenen Ergebnissen Betriebsstrategien abgeleitet.

Abstract

In Germany, the security of electricity supply is of great importance to both industry and public. In order to maintain this security, supply and demand have to be equal at all times which is indicated by the grid frequency. In case a disturbance occurs the so called spinning reserve keeps the frequency deviation within tolerable limits until ancillary services are activated. However, as a side eect of the increasing percentage of renewables in power generation there are less conventional power plants on the grid and as a result the spinning reserve decreases. Hence, there is a need for alternative devices that provide spinning reserve such as battery energy storage systems. The aim of the thesis is therefore to evaluate the limits of their power electronic’s ability to provide spinning reserve with respect to thermal management criteria. For this purpose typical load proles of an energy storage device are deduced and a program is developed to calculate the corresponding temperature curves of the semiconductors. This way the maximum amount of spinning reserve is evaluated and the influence of the battery charge management analyzed. Moreover, a tool for the optimization of the semiconductor chip area is implemented and used to adapt the modules to the requirements of the application.In addition, the spinning reserve causes a massive rise in junction temperature. Therefore, its eect on the module’s lifetime is investigated. Finally, an alternative approach to the topic considering additional semiconductors is proposed. Assuming that there is a market for spinning reserve, the reasonability of this approach is evaluated by a comparison of costs.

Bearbeiterin: Melina Groß

Betreuer: Andreas Lukaschik (Fraunhofer IISB) – Telefon: 0911-56854-9174; Email: Andreas.Lukaschik@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März