Leistungselektronik und Netztechnologien im Multi-Megawatt-Bereich

Im Multi-Megawatt Lab erforschen wir Wechselrichter und deren Auswirkungen auf das Stromnetz bis in den Multi-Megawatt-Bereich.

Intelligent vernetzte Energieanlagen

Im Smart Energy Lab werden sowohl Einzellösungen als auch komplexere Systeme in einer realitätsnahen Umgebung erprobt.

Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze

Am neuen Standort Zinkmattenstraße in Freiburg hat das Fraunhofer ISE im Rahmen des »Zentrums für Leistungselektronik und nachhaltige Netze« drei neue Labors in Betrieb genommen. Im Power Converters Lab, Multi-Megawatt Lab und Medium Voltage Lab stehen nun weltweit einzigartige Möglichkeiten für Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektronik und dynamischen Netzregelung zur Verfügung. Unser Institut stärkt so seine führende Position in der internationalen Forschungslandschaft und ist damit in der Lage, die kommenden Herausforderungen im Stromsektor zu bewältigen.

Eigener Anschluss ans Hochspannungsnetz
Der neue Laborstandort verfügt über einen Anschluss an das 110-kV-Hochspannungsnetz. Ein eigener 40-MVA-Umspanntransformator speist ein proprietäres Forschungsnetz, das ohne die Beeinträchtigung Dritter erlaubt, u. a. die Auswirkungen von Spannungsänderungen, die Ausbreitung von Oberschwingungen zwischen dem Nieder-, Mittel- und dem Hochspannungsnetz sowie besondere Netzsituationen, z. B. Inselnetze, zu untersuchen. Zur Versorgung der Prüffelder am Laborstandort stehen derzeit zehn Mittelspannungstransformatoren mit verschiedenen Leistungen bis 6,4 MVA sowie variablen Spannungen zwischen 260 V und 36 kV zur Verfügung.

Leistungselektronik im Multi-Megawatt-Bereich in der Nieder- und Mittelspannung
Im Niederspannungsbereich hat das Fraunhofer ISE die technischen Voraussetzungen geschaffen, um Prüflinge mit Leistungen bis in den Multi-Megawatt-Bereich zu betreiben. Damit sind wir für aktuelle und zukünftige Leistungsentwicklungen von z. B. PV- und Batteriewechselrichtern gerüstet. Darüber hinaus erlauben spezielle, sicherheitstechnisch ausgestattete Labors die Entwicklung von Leistungselektronik mit Direktanschluss an die Mittelspannung. Zur Untersuchung von Zuverlässigkeits- und Lebensdauerfragen können Geräte in einem großen Klimaraum bei Temperaturen von -30 °C bis +80 °C bei einstellbarer Feuchte untersucht werden. Im Fokus der Aktivitäten stehen hier effiziente, kompakte und zuverlässige Wechselrichteransätze für Netzanwendungen, aber auch Bahn- oder Medizintechnik sowie neuartige Anlagenkonzepte z. B. für PV- und Wind-Kraftwerke, Batteriesysteme, Elektrolyseure oder größere Stromversorgungssysteme.

Wechselrichter für sicheren Netzbetrieb
Moderne Wechselrichter können das Stromnetz stabilisieren und müssen zu zukünftigen Garanten eines sicheren Netzbetriebs weiterentwickelt werden. Entscheidend hierfür sind deren elektrische Eigenschaften. Mit unserem hochdynamischen 1-MVA-Netzsimulator lässt sich nicht nur die Reaktion von Wechselrichtern auf dynamische Änderungen von Netzfrequenz und Netzspannung untersuchen, sondern auch ihr Oberschwingungsverhalten, z. B. durch Impedanzspektroskopie, analysieren. Ferner kommen bei der Untersuchung des Inselnetzverhaltens RLC-Schwingkreisprüfeinrichtungen zum Einsatz. Unsere neue, leistungsstarke »Fault Ride Through«-Prüfeinrichtung ermöglicht den Test des dynamischen Verhaltens von Erzeugungsanlagen nicht nur bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen (UVRT), sondern auch bei Spannungsanhebungen (OVRT). Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt dabei liegt auf der Entwicklung von spannungseinprägenden und netzerhaltenden Wechselrichtern für zukünftige Stromnetze mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien, sowie der Erprobung von Micro-Grid-Anwendungen und Verbesserungen der Regelungstechnik.

Bündelung der Kompetenzen und Dienstleistungen im Bereich Leistungselektronik
Auch die Aktivitäten im mittleren und niedrigen Leistungsbereich sind nun am neuen Standort angesiedelt. Dies umfasst die Erforschung, Entwicklung und Erprobung von neuen Bauteilen und Technologien, von seriennahen Umrichtersystemen sowie von Leistungselektronik in Netzen. Diese gebündelten Kompetenzen setzen wir in vielfältigen Anwendungen ein, u. a. auf den Gebieten Photovoltaik, Energiespeicher, Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität, Stromnetze, Bahn sowie Luft- und Raumfahrt. Auch unser akkreditiertes Testlab Power Electronics profitiert vom neuen Standort durch eine Erweiterung des abgedeckten Leistungsbereichs sowie des Umfangs der angebotenen Charakterisierungen und Prüfungen. Durch die vorhandene hochpräzise Leistungsmesstechnik können die elektrischen Eigenschaften der Prüflinge genauestens analysiert werden.

Analyse und Erprobung intelligenter Netze
Das Zentrum verfügt mit dem Smart Energy Lab über eine umfangreiche Ausstattung an intelligent vernetzten Energieanlagen. Wir können damit sowohl Einzellösungen als auch komplexere Systeme in einer realitätsnahen Umgebung erproben. Unsere Forschungsaktivitäten fokussieren dort auf Digitalisierung und intelligente Betriebsführung sowie auf nachhaltige Netze und verstärkte Sektorenkopplung.

Technische Ausstattung

Power Converters Lab

Bidirektionale DC-Quellen (bis 1000 V / 600 A)

Maschinenemulator (160 kVA) und Netzsimulator (30 kW)

Lastwiderstand für DC und AC Spannungen (200 kW)

Programmierbare nicht-lineare Lasten (3-ph, 230 V / 16 A)

Hochauflösende, breitbandige Oszilloskope und Tastköpfe

Mehrkanalmesssysteme u. Präzisions-Leistungsmessgeräte

Messequipment EMV-Störungen (bis 200 AAC / 400 ADC)

Hochauflösende, hochfrequente Wärmebildkamera (Videos)

Präzisions-Induktivitätsmessgerät und Impedanzanalysator

Mehrtoriger Vektor-Netzwerkanalysator

Hardware-in-the-Loop (HIL) System von OPAL-RT

Dampfphasen-Reflow-Lötsystem

Fineplacer Mikroskop-Lötstation inkl. Dispenseinheit

Teststand zur Charakterisierung von SiC/GaN-Halbleitern

 

Multi-Megawatt Lab

Eigener Anschluss ans 110-kV-Netz (20 kV / 40 MVA Trafo)

Hochpräzise, breitbandige Messung bis zur 110-kV-Ebene

Prüffelder bis 7 MVA und von 260 V bis 1000 V

PV-Simulator (2000 V / 1,4 MW)

Bidirektionaler Batteriesimulator (750 V / 1 MW)

Hochdynamischer, rückspeisefähiger Netzsimulator (1 MVA)

UVRT- und OVRT-Testeinrichtung für Prüflinge bis 10 MVA

Mobiler UVRT-Testcontainer (4,5 MVA)

L- und C-Lasten (7 MVAr)

Anti-Islanding-Prüfstand (400 kVA)

Klimakammer für Großgeräte (-30 °C bis +80 °C)

Hochgenaue Leistungsmessgeräte (1000 V / 5000 A)

 

Medium Voltage Lab

Testfeld mit Mittelspannungsanschluss (20 kV / 20 MVA)

Mittelspannungs-DC-Quelle (40 kV / 660 kW)

Mittelspannungswiderstand (20 kV / 1 MW)

Mittelspannungstransformator (3 bis 30 kV / 2,5 MVA)

Bahntransformator (16,6 Hz / 15 kV / 200 kVA)

Halbleiter-Teststände zur Charakterisierung von Leckströmen (bis 30 kV), Avalanche-Effekten (bis 4 kV / 100 A) und Schaltverlusten (bis 20 kV / 1000 A)

 

Smart Energy Lab

Simulator für variable, elektrische Lastprofile

PV-Simulator für dynamische UI-Charakteristiken

HIL-System zur Abbildung thermoelektrischer Lastgänge

Teststand für Batteriemanagementsysteme

Vernetzte Ladestationen für Elektrofahrzeuge

IT-Monitoring-Plattformen für Reallabore und Feldversuche