Forschungsprojekt: DEFINE – DC-Netze für eine sichere Energieversorgung

Das Projekt DEFINE ist ein interdisziplinäres Kooperationsprojekt zwischen der Hochschule München und der Universität der Bundeswehr München, gefördert durch das Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr (Dtec). Ziel des Projekts ist die Entwicklung fehlertoleranter Energieversorgungssysteme durch den Einsatz digital steuerbarer Gleichspannungsnetze (DC-Netze). Eine stabile und unterbrechungsfreie Energieversorgung ist von entscheidender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Infrastrukturen. Aktuelle Krisensituationen sowie Cyberangriffe verdeutlichen die Anfälligkeit kritischer Infrastrukturen. Das Projekt DEFINE sucht nach innovativen Lösungen, um durch den Einsatz digitaler Steuerungstechnologien robuste und widerstandsfähige DC-Energiesysteme zu entwickeln, die die Versorgungssicherheit nachhaltig verbessern.

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Projekts DEFINE wird ein fehlertolerantes und robustes DC-Netz zu Forschungszwecken aufgebaut. Dieses Testsystem soll zur Untersuchung der Versorgungssicherheit in Gleichspannungsnetzen dienen. Ein zentraler Bestandteil dieses Aufbaus ist die Implementierung von vier modularen Multilevel-Umrichtern (MMC). MMCs sind Hochleistungs-Konverter, die in der Lage sind, Hochspannungsgleichstrom (HVDC) zu wandeln. Sie bestehen aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Submodulen, von denen jedes eine vergleichsweise niedrige Nennspannung aufweist. In diesem Projekt wird erstmals ein neuartiges und extrem kompaktes Submoduldesign verwendet, das von Rainer Marquardt entwickelte „Double Zero Double Connection“-Submodul. Dieses Submodul ermöglicht es, vier Spannungsstufen (+2U, +1U, 0, -U) zu schalten, wodurch Fehlerzustände im DC-Pfad kompensiert und Submodulausfälle abgefangen werden können.

Das Ziel des Labors war es, vier Konverter mit jeweils drei Phasen aufzubauen, wobei jede Phase aus 16 Submodulen besteht. Die Submodule sollen eine Nennspannung von 80V und eine Stromtragfähigkeit von 1000A besitzen. Um die kompakte Bauweise der Umrichter zu gewährleisten, wurde entschieden, die Submodule auf Leiterplatten (PCB) zu montieren und zu stapeln. Eine besondere Herausforderung bestand darin, das komplexe Schaltungsdesign mit neun logischen Schaltern, die für 1000A ausgelegt sind, zu realisieren und eine effektive Kühlung zu gewährleisten, um die entstehende Verlustleistung effizient abzuführen.

In den letzten zwei Jahren wurde erfolgreich ein modulares Multilevel-System mit einer Gesamtleistung von ca. 2 MVA in einem kompakten Rack aufgebaut. Diese Systeme werden der Universität der Bundeswehr München dabei helfen, ein fehlertolerantes und robustes DC-Netz für weitere Tests und Forschungen aufzubauen.