Energieforschung

ABB Forschungspreis für zukunftsweisende Energietechnik

Jef Berten (4. von links) flankiert von Peter Voser, Chairman ABB, Ronnie Belmans, KU Leuven, Hubertus von Gruenberg, former ABB Chairman, Ulrich Spiesshofer, ABB CEO, Bazmi Husain, ABB Chief Technology Officer (v.l.n.r.).
Hansjörg Wigger /

Jef Beerten (31) von der Universität Leuven in Belgien hat den erstmals vergebenen den mit 300 000 US-Dollar dotieren ABB-Forschungspreis erhalten.

Jef Beerten beschreibt in seiner Dissertation neue Methoden zur Modellierung von Netzen für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ). Mit der steigenden Nachfrage durch erneuerbare Energien gewinnen Langstrecken-Hochspannungsleitungen rasch an Bedeutung. HGÜ verspricht eine effiziente und kostengünstige Methode nicht nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, sondern auch für regional vermaschte HGÜ-Netze. Die aktuellen Verfahren zur Erforschung von Energietechniksystemen sind jedoch in der regel für Wechselstromnetze konzipiert. Jef hat neue Methoden der Modellierung und Steuerung von vermaschten HGÜ-Netzen entwickelt, bei denen schnell schaltende leistungselektronische Gleichrichter für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom zum Einsatz kommen.

Seit den frühen Tagen der Elektrifizierung ist Wechselstrom der De-facto-Weltstandard für die elektrische Stromübertragung. Seitdem hat sich viel geändert. Die Energiewende und damit verbunden die Offshore-Windparks und grossen Solarparks erfordern den Transport grosser Mengen an Strom über weite Entfernungen hinweg. Die in die Jahre gekommenen Wechselstromnetze in ihrer jetzigen Form bieten keinen Spielraum für die notwendigen Veränderungen bezüglich der Art und Weise und des Standortes, an dem der Strom erzeugt wird.

Vorteile der Gleichstromübertragung

Weltweit ist eine enorme Verschiebung bei den Investitionen in Richtung Gleichstromtechnologie zu beobach- ten, vor allem für HGÜ-Netze. HGÜ-Leitungen bieten den Vorteil geringerer Leitungsverluste und ermöglichen längere Hochspannungskabelverbindungen im Vergleich zu Wechselstrom. Das macht Langstrecken-Hochspannungsleitungen zu einer nahe liegenden Anwendung. Die meisten Offshore-Windparks verfügen über HGÜ-Verbindungen zum Festland, und eine Reihe von eU-Staaten ist auch über HGÜ-See- oder Erdkabel miteinander verbunden.

Bestehende HGÜ-Verbindungen sind meist Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die aus zwei Terminals bestehen. Mit einem Multiterminal- oder vermaschten Gleichstromnetz kann eine höhere Effizienz erreicht werden, ähnlich wie beim derzeitigen Wechselstromnetz. In einem vermaschten Gleichstromnetz kann der Strom theoretisch seinen Bestimmungsort über beliebig viele Pfade erreichen - eine deutlich kostengünstigere Lösung als die Verlegung einer neuen Leitung für jeden Quell- und Zielterminal. Das Potenzial für ein solches System wird derzeit in der Nordsee offenbar, wo eine wachsende Zahl von Offshore-Windparks über HGÜ-Verbindungen ans Netz angeschlossen ist. Langfristig ist ein neues europäisches Overlay-Netz als Gleichstrom-Backbone zur Unterstützung der bestehenden Wechselstrominfrastruktur vorgesehen. Der Aufbau eines vermaschten HGÜ-Netzes ist mit zahlreichen technischen Herausforderungen verbunden. HGÜ erfordert schnell schaltende leistungselektronische Frequenzumrichter für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Diese spannungsgeführten Umrichter (Voltage Source Converter, VSC) reagieren viel schneller als die Technologie, die in Wechselstromnetzen zum Einsatz kommt. Demzufolge können die Modelle und Theorien, die seit vielen Jahren verwendet werden, um das Verhalten von Wechselstromnetzen zu erforschen, nicht für vermaschte HGÜ-Netze eingesetzt werden. Jef Beertens Doktorarbeit ist ein wichtiger Schritt bei der Modellierung und Analyse von vermaschten HGÜ-Netzen - eine Aufgabe, die für die Architekten einer "Zukunft der erneuerbaren Energien" von entscheidender Bedeutung ist.

Technische Details der Dissertation

Die Gleichspannungssteuerung nach Ausnahmesituationen in HGÜ-Netzen, beispielsweise nach Ausfällen eines Frequenzumrichters, stellt eine Herausforderung dar. Erstens ist die Steuerung sehr viel schneller als bei herkömmlichen Wechselstromsystemen. Zweitens - wenn die Steuerung über Spannungsabfälle verteilt wird - wirkt sich dies in der Regel auf das gesamte System aus. In der Dissertation werden zum ersten Mal detaillierte statische und dynamische Modelle für HGÜ-Netze vorgestellt, die charakteristische Eigenschaften von Gleichspannungsabfällen berücksichtigen. Die Wechselwirkungen zwischen Wechselstrom- und Gleichstromsystemen wurden ebenfalls untersucht. Weiterhin wurden die Auswirkungen von unvermeidlicher Regelleistung, zum Beispiel nach einem Regelverhalten, auf die Wechselstromnetzstabilität analysiert. Darüber hinaus wird gezeigt, inwieweit sich nicht nur die Spannungsabfallparameter, sondern auch die Charakteristiken des HGÜ-Netzes auf die Verteilung der Regelleistung auswirken. Daneben wurden auch erweiterte Steuerungsmöglichkeiten durch die Kombination vorhandener Methoden entwickelt.

Im Rahmen des Projekts entstand ein neues Open-Source-Softwarepaket zur Modellierung von hybriden AC/DC-Leistungsflüssen sowie ein dynamisch kaskadierendes Umrichtersteuerungsmodell. Es wurden mehrere Voltage-Droop-Steuerungsmodelle konzipiert und detailliert miteinander verglichen, und zwar sowohl in dynamischen als auch in statischen Modellen.

In der Vergangenheit hat sich die Forschung zur VSC-HGÜ-Technologie hauptsächlich auf 2-Terminal-Systeme konzentriert. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Modelle sind jedoch für Multi-Terminal-Systeme konzipiert. Das in der Dissertation vorgestellte Leistungsflussmodell löst die Wechselstrom- und Gleichstrom-Systeme sequenziell, indem zwischen beiden hin und her gewechselt wird. Alternativ können auch alle Gleichungen (Gleichstrom/Wechselstrom) auf einmal gelöst werden, was aber dazu führt, dass der Hauptvorteil des sequentiellen Ansatzes aufgehoben wird, nämlich die Kompatibilität mit der bestehenden Wechselstrom Power-Flow Software.

Für die Dissertation hat Beerten ein völlig neues Open-Source-Softwarepaket namens MatAcDc entwickelt. MatAcDc ist die erste Software ihrer Art und verwendet den oben beschriebenen sequentiellen Ansatz. Man kann damit auch HGÜ-Umrichtermodelle auf Gleichspannungs-Statiken abbilden. Die Software ist mit dem auf Matlab basierenden AC-Leistungsflusspaket Matpower ausgestattet, um den statischen Einfluss der DC-Spannungsregelung auf AC- und DC-Systeme untersuchen zu können. Auf diese Weise können vermaschte und vernetzte Wechselstrom und HGÜ-Netze mit beliebiger Topologie modelliert werden. Mit MatAcDc können Forscher Statikeinstellungen und Ausnahmesituationen wie beispielsweise Umrichterausfälle analysieren.

Fazit

Als Erbauer der weltweit ersten kommerziellen HGÜ-Verbindung im Jahr 1954 kann ABB auf eine erfolgreiche Geschichte von Innovationen im Bereich der Hochspannungs-Gleichstromübertragung zurückblicken. Aus den 69 beim ABB-Forschungspreisausschuss eingereichten Bewerbungen zeichnet sich Jef Beertens Arbeit durch ihre Qualität, Bedeutung und Anwendbarkeit auf reale Probleme im Bereich der Energie- und Automationstechnik aus.

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