MF-MV-TrafoISO

Zur Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung müssen Lösungen für die Erzeugung, Verteilung und den Verbrauch elektrischer Energie entwickelt, umgesetzt und in bestehende Systeme integriert werden. Im Gegensatz zur konventionellen Stromerzeugung erfordern erneuerbare Energiequellen für ihre Netzintegration zusätzlich den Einsatz leistungselektronischer Umrichtersysteme. Diese sind zumeist in der Niederspannungsebene (unter 1 kV) ausgeführt. Die anschließende Netzkopplung mittels 50-Hz-Netztransformator erfolgt bei hohen Systemleistungen im MVA-Bereich in der Mittelspannungsebene (10 kV – 30 kV). Ergänzend werden derartige Systemstrukturen auch zur Integration von elektrischen Speichern, „Power-to-X“-Technologien, großen Ladeinfrastrukturen oder Wasserstoffelektrolyseuren verwendet. Aufgrund der niederfrequenten Belastung und der Verwendung konventioneller Technik sind die volumetrischen und gravimetrischen Leistungsdichten jedoch begrenzt.

Im Zuge der Entwicklung eines nachhaltigen Energiesystems ist die Reduzierung des Einsatzes von limitierten und nicht biologisch abbaubaren Ressourcen ein wichtiger Schwerpunkt. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte stellt die Entwicklung eines kompakten und effizienten Hochleistungsumrichters für die Mittelspannungsebene einen innovativen und zukunftsweisenden Ansatz dar. Solid-State-Transformer (SST) bieten hierfür eine mögliche Lösung. SSTs sind galvanisch getrennte Hochleistungsumrichter, die den potenzialtrennenden Transformator in die Umrichterschaltung verlagern. Dieser Transformator – der Mittelfrequenz-Mittelspannungs-Transformator (MF-MV-Transformator) – wird mit mittelfrequenten Spannungen im kHz-Bereich betrieben, was zu einer deutlichen Reduzierung des notwendigen Volumens und Gewichts führt. Dadurch sinkt der Einsatz von Ressourcen wie Kupfer, magnetischen Kernmaterialien und Isolierwerkstoffen. Die gleichzeitige Belastung mit Spannungen im Mittelspannungsbereich führt jedoch zu einer kritischen Beanspruchung der Komponente. Die anwendungsseitig getriebene Leistungssteigerung erfordert zudem eine Erhöhung der Systemspannung, um strombedingte Verluste zu reduzieren. Aktuell stellt der MF-MV-Transformator hinsichtlich der Systemspannung eine Limitierung für Hochleistungsumrichter dar. Die Forschung und Entwicklung eines MF-MV-Transformators für Betriebsspannungen im Mittelspannungsbereich (> 6 kV) kann die Integration zahlreicher platzkritischer Anwendungen – wie elektrische Hochspannungsbatteriespeicher, Schnellladesysteme und DC-Netze – wesentlich voranbringen.

Das Gesamtziel des Forschungsprojektes „MF-MV-TrafoISO“ umfasst die Entwicklung und Realisierung eines kompakten und Öl-freien Isoliersystems für MF-MV-Transformatoren für Betriebsspannungen größer 6 kV und Frequenzen im kHz-Bereich, der in der Konfiguration für industrielle Anwendungen aktuell auf dem Markt nicht existiert. Hierbei sollen die herrschenden technischen Limitierungen heutiger MF-MV-Transformatoren wie folgt verschoben werden:

• Steigerung der Spannungsfestigkeit Öl-freier Isoliersysteme für MF-MV- Wickelgüter
• Steigerung der thermischen Belastbarkeit des MF-MV-Transformators
• Erhöhung der volumetrischen und gravimetrischen Leistungsdichte der Komponente durch Optimierung des Isoliersystemdesigns

• Entwicklung von Designregeln für die Auslegung von eines „Trocken“-Isoliersystems von MF-MV-Transformatoren > 6 kV
• Identifikation grundlegender Wicklungsdesigns für MF-MV-Wickelgüter
• Charakterisierung, Untersuchung und Optimierung von Isoliermaterialien und Isoliersystemen für MF-MV-Transformatoren
• Entwicklung einer geeigneten Prüf- und Mestechnik zur Bestimmung der charakteristischen Materialparameter
• Entwicklung und Prüfung eines Prototypens

Das Projekt wird in mehrere Arbeitsschwerpunkte unterteilt, die von den jeweiligen Projektpartnern entsprechend ihrer Kernkompetenzen bearbeitet werden. Ein regelmäßiger Austausch ist essenziell, um ein gezieltes Vorgehen sicherzustellen.
Die Projektpartner stehen daher in engem und kontinuierlichem Kontakt, um Ergebnisse und Erkenntnisse aus den einzelnen Arbeitspaketen zu teilen. So kann aufgrund der Interdependenzen zwischen den Aufgaben eine schnelle Bearbeitung gewährleistet werden. Darüber hinaus werden die aktuellen Tätigkeiten und deren Ergebnisse in Form von Zwischenberichten an den Projektträger Jülich übermittelt.