Gewährleistung der Netzstabilität: Transformatoren für Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien

Jul 10, 2023

Transformatoren sind wichtige Komponenten, die den erzeugten Strom bündeln und seinen Spannungspegel an der Sammelstation erhöhen, bevor sie ihn synchronisieren und in das zwischenstaatliche oder innerstaatliche Übertragungssystem einspeisen. Ihre Verfügbarkeit und Langlebigkeit können die Netzzuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen und die Spannungsregelung verbessern, selbst bei intermittierender Versorgung. Nach dem Pariser Abkommen und dem COP26-Gipfel haben sich Länder auf der ganzen Welt ehrgeizige Ziele für erneuerbare Energien gesetzt. Mit der zunehmenden Durchdringung erneuerbarer Energien sind große Lastschwankungen innerhalb relativ kurzer Zeiträume unvermeidlich geworden, die sich sowohl auf Übertragungs- als auch auf Verteilungsnetze (T&D) auswirken. Die Komplexität des Stromnetzes wird unter anderem durch nichtlineare Belastungen aus Rechenzentren und Ladestationen für Elektrofahrzeuge zusätzlich erhöht. Um dieses Problem zu lösen, gewinnt der Einsatz spezieller Transformatoren für die dezentrale Photovoltaik (PV)- und Windenergieerzeugung zunehmend an Bedeutung.

Technologieoptionen

Der am häufigsten in erneuerbaren Energieanwendungen eingesetzte Transformatortyp ist der Wechselrichtertransformator. Der von PV-Zellen erzeugte Gleichstrom (DC) wird von Wechselrichtern in Wechselstrom (AC) umgewandelt und der Wechselstrom wird über einen Aufwärtstransformator an das Stromnetz angeschlossen. Sie synchronisieren die abgegebene Wechselstromleistung mit der Phasenfrequenz und Spannung des bestehenden Netzes, um PV-Strom in das Netz einzuspeisen. PV-Wechselrichter sind hocheffizient und speisen nur minimale Gleichspannung, Oberschwingungen oder Blindleistung in das Netz ein. Allerdings stehen Solarstromanlagen aufgrund der begrenzten Größe des Solarwechselrichters vor Herausforderungen bei der Konstruktion, wobei der größte etwa 500 kVA beträgt. Einschränkungen bei der Wechselrichtergröße führen auch zu Einschränkungen bei der Größe der PV-Anlagen. Infolgedessen verlief die Weiterentwicklung der Wechselrichtertechnologie nur langsam.

Trenntransformatoren werden typischerweise verwendet, um Wechselrichter vor netzseitigen Überspannungen zu schützen und jegliche Gleichstromeinspeisung vom Wechselrichter in das Netz zu verhindern. Viele Wechselrichtermodelle sind mit eingebauten Trenntransformatoren ausgestattet. Aufgrund der höheren Kosten und der geringeren Effizienz entscheiden sich jedoch viele für den Kauf von Wechselrichtern ohne diese. Trenntransformatoren sind nicht erforderlich, wenn die PV-Anlage einen anderen Transformator verwendet, beispielsweise einen Aufwärtstransformator.

Für die Handhabung und Übertragung großer Strommengen aus variablen Anlagen für erneuerbare Energien gewinnen sowohl Trockentransformatoren als auch flüssigkeitsgefüllte Transformatoren an Bedeutung. Bei einem Trockentransformator sind die Wicklungen und der Kern in einem versiegelten Behälter eingeschlossen, der mit Luft oder Gas unter Druck gefüllt ist. Diese Transformatoren werden verwendet, um erneuerbare Energiequellen an das Netz oder an die Last anzuschließen, beispielsweise Windkraftanlagen, Sonnenkollektoren und Wasserkraftwerke. Mittlerweile verwenden flüssigkeitsgefüllte Transformatoren Mineralöl, synthetische Ester und natürliche Esterflüssigkeiten. Dadurch eignen sie sich für ein breites Anwendungsspektrum, von privaten bis hin zu gewerblichen und industriellen Dachsolaranlagen, von Onshore-Windkraftprojekten zur Pad- oder Bodenmontage bis hin zu Offshore-Turm- oder Gondelmontage-Windprojekten.

Darüber hinaus wird die Zunahme von Dachinstallationen in den kommenden Jahren dazu führen, dass mehr Prosumenten bereit sind, tagsüber Strom an das Netz zu verkaufen und außerhalb der Spitzenzeiten Strom zu entnehmen. Durch die Umrüstung auf intelligente Transformatoren wird ein bidirektionaler Energiefluss vom Netz zu den Gebäuden sowie von den Verbrauchern zum Netz gewährleistet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Strom zu wettbewerbsfähigen Preisen zu den Verbrauchern gelangt, die ihn zu Spitzenzeiten benötigen, sodass dieser Bedarf entfällt. Intelligente Transformatoren werden es den Netzen außerdem ermöglichen, widerstandsfähiger gegen Volatilität und Netzinstabilität verschiedener Art zu werden.

Halbleitertransformatoren (SSTs) bestehen aus Steuerschaltungen, Hochleistungshalbleitern und Hochfrequenztransformatoren. Diese Transformatoren ermöglichen nahtlose AC-DC- und DC-AC-Umwandlungen und bieten eine bessere Kontrolle über Stromverteilungsnetze. Bei der Integration in das Stromnetz bewältigen SSTs Spannungsschwankungen selbstständig. Diese Transformatoren sind im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren robuster, zuverlässiger, effizienter und relativ kostengünstiger. SSTs werden am häufigsten in erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie sowie in Traktionslokomotiven eingesetzt. Darüber hinaus wird erwartet, dass die alternde T&D-Infrastruktur das Wachstum im SST-Markt unterstützen wird.

Die Technologie des Internets der Dinge (IoT) wird eine entscheidende Rolle bei der Erfassung von Daten über die Netzleistung und der Meldung potenzieller Probleme an Energieversorger in Echtzeit spielen, um so Ausfälle und Ausfallzeiten zu verhindern. Durch die Modellierung der Leistung und Nutzungsintensität von Komponenten wird das IoT in Kombination mit künstlicher Intelligenz/maschinellem Lernen den Versorgungsbetrieben zudem vorab Warnungen vor potenziellen Problemen geben. Dies wird Versorgungsunternehmen dabei helfen, potenzielle Probleme im Voraus zu diagnostizieren und Reparaturen zu planen, was zu geringeren Betriebs- und Wartungskosten (O&M) führt. Folglich werden intelligente Transformatoren die Effizienz steigern und die Betriebs- und Wartungskosten von T&D-Versorgungsunternehmen senken.

Abschluss

Die steigende Kapazität erneuerbarer Energien in den kommenden Jahren wird Investitionen im T&D-Sektor erfordern, um intelligente Technologien zu modernisieren und zu integrieren, die den intermittierenden und bidirektionalen Stromfluss erleichtern können. Allerdings könnten die begrenzte Anzahl seriöser Hersteller und die unzureichende Testinfrastruktur eine ernsthafte Herausforderung für die Projektdurchführung darstellen. Für die Zukunft ist es unerlässlich, diese Probleme anzugehen und die Produktionskapazität und Testinfrastruktur für Spezialtransformatoren für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien zu stärken.