Markus Holbein

Markus Holbein, M.Sc.

+49-6151-16-20594
+49-6151-16-20582

Fraunhoferstr. 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 202

Forschungsthema

Reduzierter Einsatz passiver Bauelemente in unsymmetrisch belastbaren Wechselrichtern

Im Zuge der fortschreitenden Durchdringung regenerativer Energiequellen, die zumeist in das Nieder und Mittelspannungsnetz einspeisen und den Rückbau von Großkraftwerken resultieren zunehmend flache Erzeuger und Verbraucherstrukturen im Bereich der Elektroenergieversorgung. Zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität werden systemrelevante Aufgaben wie beispielsweise die Frequenzregelung oder in einigen Fällen sogar die Netzbildung dezentral auf zahlreiche Erzeugereinheiten im Kilo und Megawattbereich ausgelagert. Auch Schwellen und Entwicklungsländer ohne gesicherte Energieversorgung nähern sich diesem Zustand, der in der extremsten Ausführungsform einem isolierten, dreiphasigen Inselnetz mit geringer bis keiner Vermaschung entspricht. Ähnliche Konfigurationen können zudem innerhalb eines Verbundnetzes in Gestalt von Microgrids unter bestimmten Betriebsweisen absichtlich herbeigeführt werden.

In allen genannten Fällen steigen die funktionalen Anforderungen an die Einspeiseeinheiten, welche abhängig von den elektrischen und mechanischen Eigenschaften oftmals auf leistungselektronische Wechselrichter als Schnittstelle zum Netz angewiesen sind. Neben der Fähigkeit der selbstständigen Lastaufteilung sowie der Frequenz und Spannungsregelung muss mit kleiner werdender Netzgröße auch verstärkt eine unsymmetrische Verteilung der drei Außenleiterströme gehandhabt werden können. Insbesondere die letztgenannte Anforderung ist nur mit erweiterten Schaltungstopologien, die dem Wechselrichter einen Neutralleiter bereitstellen (Vier Leiter Wechselrichter), umsetzbar.

Netzbildende, unsymmetrisch belastbare Wechselrichter bringen prinzipiell zwei Probleme mit sich: Bei unsymmetrischer Belastung ist dem Leistungsmittelwert auf der Gleichspannungsseite eine Wechselkomponente mit doppelter Netzgrundfrequenz überlagert, die in den speisenden Quellen zu unerwünschten Effekten führen kann und entsprechend gefiltert werden muss. Auf der Wechselspannungsseite ist bei den üblichen spannungseinprägenden Wechselrichtern neben einer Netz-Entkopplungsdrossel ein zusätzliches Filter von Nöten, dass unabhängig vom Belastungszustand im Inselbetrieb stets eine oberschwingungsarme Sinus Ausgangsspannung liefert. Klassischerweise geht eine gute Filterwirkung mit dem Einsatz von großen, schweren und ressourcenintensiven passiven Filterelementen (Drosseln, Kondensatoren) einher.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es den Einsatz passiver Filterelemente zu reduzieren und dessen Wirkung durch geänderte Ansteuerverfahren oder neuartige Schaltungs- beziehungsweise Filtertopologien beizubehalten. Dazu erfolgt zunächst eine systematische Untersuchung auf Übertragbarkeit bestehender Maßnahmen auf die besonderen Anforderungen eines Vier-Leiter-Wechselrichters. Ausgehend von dieser analytisch und simulativ gestützten Betrachtung sollen im nächsten Schritt die Ansätze weiterentwickelt und in eine praktische Realisierung im Labormaßstab überführt werden. Dazu wird eine modular erweiterbare Steuer und Regelplattform entworfen, die an die Bedürfnisse von netzparallel und im Inselbetrieb arbeitenden Wechselrichtern angepasst ist. Die mögliche Einbindung einer vorhandenen 5 kW Photovoltaik-Anlage und einer Batteriebank erlauben den Aufbau eines kompletten Microgrid-Demonstrators zur praxisnahen Beurteilung der Verfahren.

Betreute Studentische Arbeiten

  • Bachelorarbeit Entwicklung eines modularen Mehrkanal-Strommessmoduls bis 200 kHz mit simultaner Abtastung
  • Bachelorarbeit Entwicklung einer Ladeelektronik für eine Photovoltaik Inselanlage kleiner Leistung.
  • Bachelorarbeit Konzeptionierung, Auslegung und Simulation einer Phasenregelschleife zum Betrieb eines einphasigen 2-Level-Netzwechselrichters.
  • Bachelorarbeit Konzeptionierung, Auslegung und Simulation einer Steuer- und Regelelektronik für einen einphasigen 2-Level-Wechselrichter im Netzparallelbetrieb.
  • Bachelorarbeit Untersuchung und Beschreibung von Netzunsymmetrien im Niederspannungsnetz und deren Auswirkungen auf elektrische Betriebsmittel.
  • Masterarbeit Anforderungsanalyse, Test und Validierung einer standardisierten Toolchain für den modellbasierten Entwicklungsprozess von Steuerungen und Regelungen in leistungselektronischen Anwendungen.
  • Masterarbeit Design of a Compact High Speed and High Dynamic Electrical Drive.
  • Masterarbeit Design of a High Compact & Efficient Galvanic Isolated DC/DC Converter for E-Mobility Applications.
  • Masterarbeit Increasing the Power Density of a PV Inverter.
  • Masterarbeit Testplattform zur Messung von HF-Drosselverlusten mit Dreipunktwechselrichter.

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