Special Session HGÜ: 1 Million Volt für weniger Verluste

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Die zweite Möglichkeit der Drehstromwandlung

Die zweite Technik ist der IGBT-basierte Spannungszwischenkreisumrichter. Dieser wurde insbesondere durch die Erfindung des „Modularen Multilevel Converters“ von Prof. Marquardt (heute UniBW München) sehr leistungsfähig. Diese Technik verbindet niedrige Verluste, ausgezeichnete Steuerbarkeit und bessere Möglichkeiten der Fehlerregulierung. Sie kann untergeordnete Netze stabilisieren, Blindleistung in der notwendigen Form stellen und die Übertragungsfähigkeit untergeordneter Netze erhöhen. Sie eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, große Multiterminal-Systeme und auch HGÜ-Netze zu errichten.

Der modulare Multilevel Converter enthält zahlreiche modulare Untereinheiten mit eigenem Zwischenkreis, IGBTs, Ansteuerung usw. Er stellt aus den einzelnen Leveln treppenförmig eine schon sehr sinusähnliche Spannung. Für einen 50-Hz-Drehstrom sind Schaltfrequenzen der IGBT von oft nur weniger als 100 Hz notwendig, maximal im Bereich 150 Hz. Allerdings ist die Regelung dieses Systems alles andere als einfach. Damit beschäftigt sich ein Vortrag von Siemens.

Es wird besonders darum gehen, wie durch geeignete Regelverfahren in diesem System der Oberschwingungsanteil gesenkt werden kann. Auch der IGBT als Kernstück des Umrichters ist auf diese Anwendung zu optimieren. Infineon stellt ein neues IGBT-Modul (1200 A/4,5 kV) vor, das sich durch niedrige Leitverluste auszeichnet und auf diese Anwendung gut angepasst ist. Die Durchlass-Spannung beträgt nur 2,35 V bei Raumtemperatur bzw. 2,9 V bei 125 °C.

Das ist eine Reduktion von mehr als 1 V gegenüber dem Stand der Technik (3,5 bis 4,4 V), und das bedeutet viel, wenn man bedenkt, dass diese Inverter kontinuierlich bei hohen Strömen arbeiten werden! Dazu ist dieser IGBT mit einer neuen Randstruktur beim Abschalten von Überstrom sehr überlastbar. Die sichere Abschaltfähigkeit bis zum 5-fachen Nennstrom wird gezeigt, weit oberhalb der sonst üblichen Spezifikation von doppeltem Nennstrom.

Für ein vermaschtes Gleichstromnetz braucht es wiederum sichere Gleichstromschalter (DC-Breaker), die in der Lage sind im Fehlerfall einen Netzabschnitt wegzuschalten. Eine neue Lösung dafür wird wieder aus dem Lehrstuhl von Prof. Marquardt vorgestellt.

Dieser DC-Breaker ist thyristorbasiert: Ein Turm aus Thyristoren entlädt einen auf die DC-Spannung geladenen Kondensator; mit einer geeignet dimensionierten Induktivität entsteht ein Umschwingvorgang, der (mechanischen) Vakuum-Schaltern im Hauptkreis das Schalten im Strom-Nulldurchgang ermöglicht. Dadurch können fehlerhafte Leitungen innerhalb weniger ms vom Netz genommen werden ohne die übrigen Teilnehmer zu beeinflussen.

Auch zur HGÜ wird es noch mehr Beiträge geben, etwa beschäftigt sich die Uni Bayreuth mit der Verlustbestimmung im modularen Multilevel Converter. Alstom berichtet über den Typentest zur Freigabe – keine einfache Aufgabe, wenn man es mit Gigawatt zu tun hat. So werden, wie es sich für die PCIM gehört, die neuesten Fortschritte vorgestellt. Ein geregeltes HGÜ-Netz ist technisch realisierbar, die Fortschritte sind beeindruckend. HGÜ kann damit das Rückgrat einer künftigen zuverlässigen, günstigen und auf erneuerbaren Quellen basierenden Stromversorgung der Gesellschaft werden.

Leistungselektronik ermöglicht ferner, dass Großanlangen erneuerbarer Energie das Netz stabilisieren können. Sie schafft auch die Möglichkeiten der intelligenten Steuerung lokaler/regionaler Verbünde aus Erzeugern und Verbrauchern unter einem gemeinsamen Gesamtkonzept. Leistungselektronik ist in der Lage, die Versorgung „intelligent“ zu machen. Dazu gibt es zahlreiche Beiträgen in der PCIM-Konferenz.

* Prof. Dr.-Ing. Josef Lutz (TU Chemnitz) ist beratendes Mitglied im Board of Direktors der PCIM Europe.

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