Stufenlos spannungsgeregelter Versorgungstransformator

Asymmetrien in Spannung, Strom oder Last sind heutzutage oft auftretende Probleme im elektrischen Versorgungsnetz. Aber auch Abweichungen der Netzspannungen vom spezifizierten Wert beeinträchtigen die Netzstabilität. Früher wurde die Energie hauptsächlich durch den Netzbetreiber bzw. durch grosse Versorgungsunternehmen in das Netz eingespeist. Asymmetrien wurden damals direkt beim Einspeisen berücksichtigt und ausgeglichen.

Im Zuge der Energiewende wird mittels Photovoltaik-Anlagen, Energiespeichern oder kleinen Wasser- und Windkraftwerken dezentral Energie in das Versorgungsnetz eingespeist, oft von privaten Haushalten. Konsumenten werden dadurch zu aktiven Stromerzeugern. Oft speisen diese einphasig ein und verursachen dadurch Asymmetrien und beeinträchtigen in Folge die Netzqualität. Die Gewährleistung einer guten und stabilen Netzqualität unter diesen Bedingungen ist eine Herausforderung für die Netzbetreiber.

In der westlichen Welt sind zahlreiche Standards und Grenzwerte bezüglich Anschluss von Erzeugern und Verbrauchern vorgegeben, die eingehalten werden müssen. Solche Standards sind aber nicht in jedem Land der Welt vorhanden. Stabile, vor allem aber symmetrische Netze sind nicht gewährleistet. Ein zuverlässiger Betrieb von angeschlossenen Geräten ist in diesen Gebieten nicht gewährleistet.

Um dem entgegenzuwirken, werden im Niederspannungsnetz spannungsgeregelte Versorgungstransformatoren eingesetzt, die z.B. ±10 % der Spannung regeln können, jedoch nicht stufenlos. Oft werden auch Säulentransformatoren angewendet.

Im Zuge zweier Vorprojekte und der Masterthesis des Master of Science in Engineering wurde ein Konzept zu diesem Gerät evaluiert und durch einen Hardwareaufbau verifiziert. Während des ersten Vorprojekts wurde eine Topologierecherche durchgeführt, Konzepte simuliert und ein Konzeptentscheid erstellt. Im zweiten Vorprojekt wurde der Fokus auf den dreiphasigen Wechselrichter ohne Einspeisetransformator gelegt. In der Masterthesis wurde die Regelung der Netzspannung nach dem Einspeisetransformator realisiert und Messungen durchgeführt.Die Firma ON Power Technology AG mit Sitz in Flums in der Schweiz entwickelt Lösungen für Netzbetreiber zur Verbesserung der Netzqualität. Um auch den Netzbetreibern im Bereich der Spannungsregelung Lösungen anbieten zu können, ist die Idee entstanden, ein Gerät zur stufenlosen Spannungsregelung zu entwickeln, das zwischen einem Versorgungstransformator und dem Netz angeschlossen wird. Dieses Gerät soll unabhängig vom verwendeten Versorgungstransformator bzw. Netz eingesetzt werden können.

Mit dem realisierten Funktionsmuster ist es möglich, die jeweilige Phasenspannungen nach dem Einspeisetransformator um ±10 % zu regeln und Oberwellen bis zur 13. Ordnung deutlich zu reduzieren. Der Auftraggeber ist sehr interessiert, das Projekt weiter zu verfolgen. Nach Abklärung der weiteren Finanzierung wird die Entwicklung bezüglich Verpackung und Optimierung der Schaltung fortgesetzt und ein erster Prototyp erstellt, der dann im Feld getestet werden kann. 

Weitere Informationen

Datum 24.10.2018
Studiengang MSE Industrial Technologies
Institut IES
Typ Masterarbeit
Studierende Bernhard Girardi
Dozenten Prof. Kurt Schenk, PhD
Partner ON Power Technology, CH-8890 Flums