englisch
Gemeinsames Schalten

Gleichstromschalter trennen Lasten

Projektstatus
Begonnen

Die Netzintegration dezentraler Energieanlagen wie Photovoltaiksysteme, Batteriespeicher oder Offshore-Windparks ist notwendig für den Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien. Diesen modularen Erzeugersystemen ist die Verwendung von Gleichstromkreisen gemeinsam. Für eine hocheffiziente Nutzung gilt es hierbei, eine möglichst hohe Systemspannung für den jeweiligen Spannungsbereich zu beherrschen und Umwandlungsverluste zu minimieren.

In derzeitigen Konzepten sind Hochleistungsschalter für eine Reihenschaltung von Submodulen der dezentralen Stromversorgungssysteme vorgesehen. Aufgrund der Verschaltung der Module müssen unter hohen Kosten und technischem Aufwand Sicherheitsschalter mit hoher Schaltleistung entwickelt werden. Die Modulbauweise der dezentralen Stromversorgungssysteme bietet hierbei die Möglichkeit für einen Paradigmenwechsel und für eine intelligente Lösung der Schaltaufgabe.

Das Konzept des Projekts Smart Modular Switchgear (SMS) basiert auf vielen Gleichstromschaltern, die einzelne Module miteinander verbinden. Für die Ausschaltung eines Fehlerstroms aller Submodule müssen sich mehrere Schalter die Schaltaufgabe teilen. Durch die Abschaltmöglichkeit der einzelnen Submodule erweitern und verbessern sich die Sicherheitsfunktionen vorteilhaft auch für Fehler zwischen den Submodulen.

Das Forschungsprojekt SMS beschäftigt sich daher mit der Erforschung und Entwicklung von Schalt- und Schutzkonzepten für den Einsatz in Gleichstromnetzen unterschiedlicher Spannungsebenen. Das Projekt beinhaltet das Erstellen von Lastenheften mit Hilfe von Messungen und Simulationen sowie den Entwurf von Schalterdemonstratoren. Diese werden mit innovativer Mess- und Detektionstechnik ausgerüstet und sowohl in Prüffeldern als auch an Messplätzen untersucht. Die Verifikation zugrunde gelegter Simulationen erfolgt in experimentellen Aufbauten.

Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung und Optimierung von Schalt- und Schutzkonzepten für den Einsatz in Netztopologien höherer Systemspannungen.

Koordiniertes Schalten bei Kurzschlüssen

Die einzelnen Module eines Systems sind über Gleichstromschalter miteinander verbunden. Diese Gleichstromschalter sind in der Lage die Fehlerströme eines Submodules auszuschalten. Die Schaltleistung reicht aber nicht aus, damit ein Schalter den Fehlerstrom aller Submodule ausschaltet. Hier müssen sich mehrere Schalter die Schaltaufgabe teilen. Durch die Möglichkeit, gezielt einzelne Submodule freizuschalten erweitert sich die Sicherheitsfunktion vorteilhaft – auch auf Fehler zwischen den Submodulen.

Zur raschen Fehlererkennung und Weitergabe der Schaltbefehle wird eine intelligente Mess- und Schutztechnik benötigt. Die Fehlererkennung nutzt beim Auftreten eines Kurzschlusses die Impedanzänderung im Netz. Tritt ein unbekanntes Ereignis ein, handelt es sich um einen Kurzschluss. Hierbei ist es ausreichend, Grenzkriterien zu definieren, die dann für eine schnelle Kurzschlusserkennung ausgewertet werden. Überströme und Kurzschlussströme werden somit rasch erkannt und die Schalter über einen koordinierten Befehl ausgeschaltet. Die erforderliche Schaltleistung teilt sich auf mehrere Schalter auf. Gleiches gilt für die Aufteilung der Energie des Gleichstromkreises, die während der Ausschaltung von den Schaltern aufgenommen wird.

Die Herausforderungen liegen in der koordinierten Schalthandlung der verteilten Schaltgeräte: die rasche Erkennung der Fehlerströme und die unverzögerte Abgabe des Ausschaltbefehls, die gleichzeitige mechanische Ausschaltbewegung der Gleichstromschalter und die gleichmäßige Aufteilung der Schaltleistung durch beispielsweise Überspannungsableiter parallel zu den Schaltgeräten.

Meilensteine für Nieder- und Mittelspannungsnetze im Überblick

Meilensteine für das 24 V und 380 V DC-Netz

• Definition der technischen Randbedingungen

• Bestimmung der DC-Quellen-Kennlinien und der Netztopologien

• Konzeption und Inbetriebnahme eines Modellsystems

• Anpassung der vorhandenen Messeinrichtungen

• Erstellen neuer Kalibriereinrichtungen für spez. Signalformen

• Auswahl und Beschaffung der Spannungs- und Stromsensoren

• Kalibrierung der Sensoren für die Anwendungen

• Entwurf und Umsetzung der Detektionsnumerik

• Aufbau und Inbetriebnahme von Demonstratoren

• Prüfung der Demonstratoren in Mess- und Prüffeldern

• Test der Demonstratoren im Modellsystem

Meilensteine für das Mittelspannungsnetz

• Definition der technischen Randbedingungen

• Planung Erweiterungsmöglichkeit Messeinrichtungen

• Planung neuer MS-Kalibriereinrichtungen

• Beschaffung der Spannungs- und Stromsensoren

• Planung eines Mess- und Prüffeldes

• Schalterplanung und Erforschung

• Entwicklung einer Detektionsnumerik

• Planung der Demonstratoren

Die ersten Ergebnisse erwarten die Forscher Ende des 3. Quartals 2015

Mehr Sicherheit mit koordinierter Schalthandlung

Im Ergebnis wird durch die messtechnische Erfassung der Fehlerfälle mit einer intelligenten, koordinierten Schalthandlung die Schaltaufgabe auf viele Schalter verteilt und ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit erreicht. Wie in anderen Sicherheitsbereichen – zum Beispiel in der Fahrzeugtechnik – kann durch den vorgestellten Lösungsansatz mit der Kombination von mechanischen, elektrotechnischen und informationstechnischen Systemen ein großes Innovationspotenzial erzielt werden.

Die Herausforderung des Projektes liegt im gleichzeitigen Schalten und der damit verbundenen Kommunikation. Die eindeutige Unterscheidung zwischen Fehler- und normalen Betriebsfällen ist bisher in solchen komplexen Schalt- und Messsystemen kommerziell nicht verfügbar. Hierzu sind messtechnische Erfassung der Signalverläufe des Netzes und damit einhergehender mathematische Modellbildung gefolgt von Simulationen und statistischer Mustererkennung nötig.

Projektlaufzeit

09/2014 – 08/2017

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Michael Kurrat
Verbundkoordinator
TU Braunschweig
Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen
Schleinitzstr. 23
38106 Braunschweig
+49 531 391-7735
+49 531 391-8106

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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