Dynamische Regelung und DC-Fehlerüberbrückung von zweistufigen Solid-State-Transformatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Marcelo Lobo Heldwein
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560598562

Der Solid-State-Transformer (SST) ist eine vielversprechende Lösung, um herkömmliche Netzfrequenztransformatoren und relevante leistungselektronische Komponenten zu ersetzen, insbesondere in Anwendungen wie Wasserstofferzeugungssystemen und ultraschnellen Ladestationen. Er bietet nicht nur die Grundfunktionen traditioneller Netzfrequenztransformatoren in einer kompakteren Form, sondern erhöht auch die Autonomie der Knotenpunkte in Verteilungsnetzen durch seine intelligenten Funktionen und Möglichkeiten. Der SST besteht normalerweise aus einer Gleichrichterstufe und einer isolierten DC-Stufe, die Mittelspannungs-Wechselstrom in Niederspannungs-Gleichstrom umwandelt. Aufgrund der unterschiedlichen Bandbreiten und Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Stufen können jedoch Über- und Unterspannungsbedingungen auftreten, was potenziell zur Übermodulation der Gleichrichterstufe und zu Überstrom in der DC-Stufe führen kann. Schlimmer noch, diese Bedingungen könnten die zuverlässige Betriebsweise des gesamten Systems gefährden. Um dieses Problem zu lösen, stellt dieser Vorschlag ein integriertes modellprädiktives Steuerungsframework vor, das die dynamische Leistung des SST erheblich verbessert und eine nahezu nahtlose Übergangsschaltfähigkeit selbst unter Fehlerbedingungen bietet. Darüber hinaus wird im Projekt ein fortschrittlicher Beobachter auf Basis der Super-Twisting-Methode mit quantitativer Empfindlichkeitsanalyse entwickelt, um die Robustheit des Steuerungssystems zu erhöhen. Zusätzlich stellt dieser Vorschlag eine umfassende Methode vor, die es SSTs ermöglicht, DC-Fehlerbedingungen sicher, schnell und wirtschaftlich zu überstehen und nach der Fehlerbehebung in kürzester Zeit den Normalbetrieb wieder aufzunehmen. Während Fehlerereignissen stellt diese Methode gleichzeitig sicher, dass ein Kriteriumfehlerstrom, ein genau kontrollierter Transformatorstrom-Einfluss, eine ausgeglichene modulare Eingangsspannung und die Beseitigung des DC-Offsets gewährleistet sind. Gleichzeitig bleibt dasselbe Steuerungsframework sowohl für normale als auch für Fehlerbedingungen erhalten, wodurch ein Wechsel der Algorithmen vermieden wird. Diese Methode bietet größere Flexibilität für die SST-Kühlung, das Design von Hochfrequenztransformatoren und die Auswahl von Komponenten, während ein einfaches Steuerungssystem beibehalten wird. Das Projekt ist in vier Arbeitspakete unterteilt und wird durch theoretische Analysen, Simulationen und Experimente untersucht und validiert. Die vorgeschlagenen Methoden werden umfassend unter verschiedenen Stufen von Parameterfehlern und Fehlerbedingungen getestet. Abschließend wird die Methode umfassend mit bestehenden Ansätzen verglichen und bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Ralph Kennel; Dr. Gean Jacques Maia de Sousa