Im Norden Deutschlands gibt es Wind, im Süden Sonne. Aus beidem lässt sich elektrische Energie gewinnen, die dann zu den Verbrauchenden kommen muss. In Deutschland sind derzeit drei Trassen von Nord nach Süd mit der Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geplant. „Die Chilenen haben ähnliche Probleme: Dort weht der Wind im Süden, während der Strom vor allem in den Minen im Norden des Landes gebraucht wird. Da liegt es nahe, gemeinsam nach Lösungen zu suchen“, erklärt HM-Professor Christoph Hackl, Leiter des Labors für mechatronische und regenerative Energiesysteme der HM.
Gemeinsame Herausforderung, gemeinsames Projekt
Bei einem Glas Gran Pisco in Santiago de Chile beschlossen Hackl und sein ehemaliger Promotionskollege Felix Rojas – heute Professor an der Pontificia Universidad Católica de Chile – gemeinsam an der Verbesserung von so genannten Mehrlevel-Kaskaden-Umrichtern für die Hochspannungsübertragung zu arbeiten. Denn, soll effizient und flexibel in Gleichstrom transformiert werden, wird eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung benötigt, kurz HGÜ.
Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom läuft dabei über hunderte von Umrichter-Zellen, die den Gleichstrom erzeugen und die Spannung zudem Schritt für Schritt auf hunderte Kilovolt erhöhen. Einmal angekommen, muss dieser umgekehrt wieder auf 220 V Netzspannung heruntergeregelt werden. Für diese Prozesse ist die Steuerung der „Modularen Mehrlevel-Kaskaden-Umrichter“ entscheidend.
Im Labor die Realität simulieren
„Felix Rojas hat damals, als wir beim Gran Pisco zusammensaßen, bereits an der Optimierung dieser Technik gearbeitet. Zusammen mit seinem Team hatte er eine innovative Umrichter-Zelle gebaut, um die fundamentalen Prozesse zu analysieren und zu verbessern“, berichtet Hackl.
Basierend auf Rojas Bauplan fertigte Oliver Kalmbach, Doktorand an der Hochschule München, einen weiteren Mehrlevel-Umrichter im Labormaßstab an und parallel dazu entwickelte er auch einen Digitalen Zwilling, der die Prozesse, die im real existierenden Umrichter ablaufen, mathematisch darstellt: „Mit Hilfe dieses digitalen Modells lassen sich Fehler schnell detektieren, die durch eine hohe thermische oder elektrische Belastung auftreten können“, berichtet der Forscher.
Mittlerweile arbeitet der Multilevel-Umrichter in Hackls Labor äußert robust: Er kann sich an den gerade herrschenden Leistungsbedarf anpassen, erkennt Fehler, überbrückt defekte Zellen und meldet eventuellen Wartungsbedarf. „Durch die adaptive Regelung, eine permanente Zustandsüberwachung und die prädiktive Maintenance konnten wir Effizienz, Fehlertoleranz und Stabilität des Gesamtsystems steigern“, resümiert Hackl.
