Anwendungen

Ein Mikrogrid ist eine dezentrale Gruppe von Stromquellen und -verbrauchern, die normalerweise mit dem traditionellen weitflächigen synchronen Netz verbunden und synchronisiert operiert, aber auch in den 'Inselbetrieb' umgeschaltet werden kann – und unabhängig funktioniert, wie physikalische oder wirtschaftliche Bedingungen es erfordern. Auf diese Weise kann ein Mikrogrid verschiedene Quellen der dezentralen Erzeugung (DG), insbesondere erneuerbare Energien (RES) – erneuerbare Elektrizität – effektiv integrieren und Notstrom bereitstellen, indem zwischen Insel- und Verbundbetrieb gewechselt wird.

Es gibt viele Arten von Mikrogrids. Basierend auf Anwendungen und Größen können sie als Campus-Umgebung-/Institutionelle Mikrogrids, Gemeinde-Mikrogrids, Ferner-Energie-Mikrogrids, Militärstützpunkte-Mikrogrids und Handels- und Industrie-(C&I)-Mikrogrids klassifiziert werden. Hinsichtlich elektrischer Strukturen umfassen sie AC-Mikrogrids, DC-Mikrogrids und hybride AC/DC-Mikrogrids.

Ein Mikrogrid ist in der Lage, im Netzverbundenen- und im Autarkbetrieb zu operieren sowie den Übergang zwischen beiden zu bewältigen. Mikrogrids bieten eine Möglichkeit, das Bedürfnis nach Reduktion von Kohlendioxidemissionen im Gleichgewicht zu halten, während weiterhin zuverlässige elektrische Energie bereitgestellt wird, wenn erneuerbare Energiequellen nicht verfügbar sind. Mikrogrids bieten außerdem Stromsicherheit und verkürzen die Dauer von Stromausfällen bei schwerem Wetter und Naturkatastrophen.

MikroNetze und die Integration verteilter Energiequellen (Distributed Energy Resource, DER) führen im Allgemeinen zu einer Reihe von Betriebsausforderungen, die bewältigt werden müssen. Bidirektionale Energieflüsse und Stabilitätsprobleme sind die wichtigsten davon. Interaktionen zwischen verteilten Energieerzeugungseinheiten können lokale Oszillationen verursachen, weshalb eine detaillierte Analyse der Kleinstörungsstabilität erforderlich ist. Darüber hinaus können Übergangsaktivitäten zwischen dem Gitterbetrieb und dem Inselbetrieb (autonomer Betrieb) in einem MikroNetz transientes Instabilitätsverhalten verursachen. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass eine Schnittstelle für direkten Strom (Direct Current, DC) in MikroNetzen zu einer erheblich einfacheren Regelstruktur, effizienteren Energieverteilung und höherer Stromtragfähigkeit bei gleichen Leitungsbewertungen führen kann.

Eine typische hybride MikroNetzstruktur[1]

Ein typischer hybrider Mikrogrid hat die oben gezeigte Struktur. Die Kernkomponenten des Mikrogrids sind bidirektionale AC/DC- und DC/DC-Wechselrichter. Aus Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen müssen die Wechselrichter getrennt sein, damit ein Ausfall einer Belastung oder eines Energiequellen nicht das Problem auf das Stromnetz/Netz überträgt.

Bidirektionaler Dual Active Full Bridge Wechselrichter

PV zu Gleichstrom-Netz Wechselrichter

2-Level-Bidirektionaler AC/DC-Wechselrichter

Die meisten netzgekoppelten AC/DC- und DC/DC-Wandler müssen im bidirektionalen Energiefluss betrieben werden, was ein Schaltgerät erfordert, das als aktiver Schalter in einer Energieflusrichtung fungiert, aber in der anderen Richtung als Diode oder synchroner MOSFET arbeitet. SiC-MOSFETs mit nahezu null Rücklauf des internen Diodes sind eine ideale Option für diese Anwendungen, insbesondere für Hartwechseltopologien. Für bidirektionale Drei-AC/DC-Wandler ist die Vienna-Topologie nicht mehr gültig. Die 2-Level-Dreiphasen-AC/DC-Topologie wird aufgrund ihrer Einfachheit zur bevorzugten Wahl. SiC-MOSFETs ermöglichen nicht nur viele bidirektionale Topologien in diesem Anwendungsbereich, ihre überlegenen Schaltcharakteristiken machen die Lösungen effizienter, kompakter und sogar weniger teuer mit weitergehendem Preisrückgang von SiC.

[1] Chendan Li, Sanjay Kumar Chaudhary, Josep M. Guerrero „Stromflussanalyse für droop-gesteuerte Niederspannungs-Hybrid-AC-DC-Mikrogrid mit virtuellem Impedanz“, 2014 IEEE PES General Meeting | Conference & Exposition