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Kerngeräte im Zeitalter der intelligenten Energie: Leistungselektronische Transformatorlösung für die Stromerzeugung

​I. Hintergrund und Bedarf

Mit dem rasanten Anstieg der Nutzung erneuerbarer Energien haben herkömmliche elektromagnetische Transformatoren Schwierigkeiten, den modernen Anforderungen an Flexibilität, Effizienz und Intelligenz von Stromnetzen gerecht zu werden. Die Volatilität und Unregelmäßigkeit von Wind- und Solarenergie stellen erhebliche Herausforderungen für die Netzstabilität dar und erfordern eine innovative Energieumwandlungszentrale, die dynamische Regulierung und hochwertige Stromversorgung ermöglicht.

​II. Lösungsübersicht

Diese Lösung setzt ​vollständig festkörperelektronische Leistungselektronik-Transformatoren (PETs) ein, um herkömmliche Netzfrequenz-Transformatoren zu ersetzen. Durch die Nutzung von Hochfrequenz-Leistungselektronik ermöglichen PETs Spannungspegelumwandlung und Energiesteuerung mit den folgenden Kernvorteilen:

  • Flexible Leistungsumwandlung: Überwindet die Begrenzungen traditioneller Transformatoren (nur Spannungs- und Stromamplituden) und ermöglicht mehrdimensionale Steuerung von Frequenz, Phase und Leistung.
  • Dynamische Reaktion: Millisekunden-schnelle Anpassungsgeschwindigkeit, die erneuerbare Energiefluktuationen effektiv mildert.
  • Intelligente Schnittstelle: Erstellt eine digitale Brücke zwischen Energieerzeugungseinheiten und dem Netz.

​III. Kerntechnische Architektur

​1. Optimierung der Mehrstufigen Topologie

Verwendet eine ​"AC-DC-AC" Dreistufen-Umwandlungsarchitektur:

  • Hochfrequenz-Gleichrichtungsstufe: Verwendet eine MMC (Modular Multilevel Converter)-Topologie, um weite Eingangsspannungsschwankungen zu berücksichtigen.
  • Gedämmte DC-DC-Stufe: Implementiert eine DAB (Dual Active Bridge)-Struktur für 10-20 kHz Hochfrequenzisolierung.
  • Intelligente Inversionsstufe: Unterstützt dynamisches Schalten von Netzanschlussstrategien (V/f-Steuerung, PQ-Steuerung).

​2. Auswahl der Schlüsselkomponenten

​Komponente

​Technologie

​Vorteile

Schaltgeräte

SiC MOSFET-Module

Hitzebeständigkeit (>200°C), 40% Verlustreduzierung

Magnetkern

Nanokristalliner Legierung

60% geringere Hochfrequenzverluste, 3x Leistungs­dichte

Kondensatoren

Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren

Hohes Spannungswiderstandsvermögen, langes Lebensdauer, niedriger ESR

​3. Intelligentes Steuerungssystem

Echtzeit-Netzstatusüberwachung ermöglicht:

  • Aktive Spannungsabfall-Durchgangsfähigkeit (LVRT/ZVRT)
  • Dynamische Leistungsflussanpassung für erneuerbare Fluktuationen
  • Verlustoptimierungsalgorithmen

​IV. Kernvorteile und Wert

​Effizienzgewinne

​Metrik

​Traditioneller Trafo

​PET

​Verbesserung

Vollast-Effizienz

98,2%

99,1%

↑0,9%

20%-Last-Effizienz

96,5%

98,8%

↑2,3%

Leerlaufverluste

0,8%

0,15%

↓81%

​Funktionale Fähigkeiten

  • Aktive Filterung: Unterdrückt 5.–50. Harmonische (THD <1,5%)
  • Blindleistungskompensation: ±100% kontinuierliche Kapazitätsregelung
  • Fehlersicherheit: Unterstützung für Nullspannungs-Durchgangsfähigkeit (ZVRT)
  • Black Start: Autonome Spannungs- und Frequenzstabilisierung im Inselbetrieb

​V. Anwendungsszenarien

​Szenario 1: Sammelsystem für Windparks

graph TB 

    WTG1[WTG1] --> PET1[10kV/35kV PET] 

    WTG2[WTG2] --> PET1 

    ... 

    PET1 -->|35kV DC Bus| Sammler 

    Sammler --> G[220kV Haupttrafo] 

  • Lösung: Löst Linienschwingungen durch kumulative Turbinenspannungsschwankungen
  • Ergebnisse: 12% weniger Windabschaltung, 65% Reduktion der Leistungsschwankungsabweichung

​Szenario 2: PV-Anlage Smart Step-Up Station

  • Modulare PET-Cluster (1–2 MW/Einheit)
  • MPPT-Funktionalität erhöht den Ertrag bei partieller Beschattung um 7–15%
  • Nachtbetrieb als STATCOM für Netzblindleistungssupport

​VI. Implementierungsroadmap

  1. Pilotphase: Einsetzen von PETs in erneuerbaren Anlagen mit >10% Spannungsvolatilität (20% Kapazität).
  2. Hybrid-Netzphase: Hybrid-Transformatorsystem (HTS) mit parallelem PET-traditionellem Betrieb.
  3. Vollständiger Ersatz: PETs für alle neuen Projekte; schrittweise Umrüstungen für bestehende Anlagen.

​VII. Wirtschaftlichkeitsanalyse

Beispiel: 100MW-Windpark

​Punkt

​Traditionell

​PET

​Jährlicher Nutzen

Capex

¥32M

¥38M

-¥6M

Jährliche Energieverluste

¥2,88M

¥1,08M

+¥1,8M

Betriebs- und Wartungskosten

¥0,8M

¥0,45M

+¥0,35M

Blindleistungseinsparungen

¥0,6M

+¥0,6M

Auszahlungsfrist

<3 Jahre

 

Zusammenfassung: PET-Lösungen brechen mit den traditionellen elektromagnetischen Einschränkungen und schaffen eine nächste Generation von Energieumwandlungsplattformen für Netze mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien. Ihre Vorteile in Bezug auf Effizienz, Netzunterstützung und Intelligenz positionieren sie als strategische Technologie für moderne Stromsysteme.

08/05/2025
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