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Die Hoch­span­nungs-Gleich­strom- Über­tra­gung (HGÜ) macht es möglich, große Ener­gie­mengen – vor allem aus erneu­er­baren Ener­gien – nahezu verlust­frei über weite Stre­cken zum Verbrau­cher zu trans­por­tieren. Dazu wandeln Konver­ter­sta­tionen zu Beginn der HGÜ-Stre­cken die einge­hende Wech­sel­span­nung in Gleich­span­nung und am Ende wieder in Wech­sel­span­nung zurück. Über viele Jahre setzten Netz­be­treiber dabei auf Line-Commu­tated Converter (LCC) – also netz­ge­führte Umrichter.Diese arbeiten mit Thyris­toren, die für einen fehler­freien Betrieb von der versor­genden Span­nung des Wech­sel­span­nungs­netzes abhängig sind. An dieser Stelle kommt ein gere­gelter Trans­for­mator ins Spiel, der die Konver­ter­sta­tion mit dem Wech­sel­span­nungs­netz verbindet. Hier regelt ein Stufen­schalter die Eingangs­span­nung präzise in diskreten Schritten, um sicher­zu­stellen, dass die Thyris­toren im opti­malen Bereich schalten und der Betrieb des Umrich­ters stabil bleibt. 

Neue Umrich­ter­tech­no­logie

Mit der Einfüh­rung von Umrich­tern in Voltage-Source-Converter-(VSC-)Technologie ändert sich jedoch die Bedeu­tung von Stufen­schal­tern in HGÜ-Anlagen: Diese Umrichter-Tech­no­logie verwendet IGBTs, also abschalt­bare Halb­lei­ter­ele­mente, die sich selbst­ständig und flexibel schalten lassen. Damit können VSC-Umrichter Span­nung und Strom unab­hängig von der Versor­gungs­span­nung des anlie­genden Wech­sel­span­nungs­netzes steuern und auch ohne gere­gelten Trans­for­mator auf Schwan­kungen im Strom­netz reagieren. Doch bedeutet das das Ende von Stufen­schal­tern in modernen HGÜ-Anlagen? 

Besser schalten 

Die Antwort darauf lautet Nein. Zu diesem Ergebnis kommt eine unab­hän­gige Studie der Tech­ni­schen Univer­sität Ilmenau, die sich mit den Charak­te­ris­tika moderner HGÜ-Systeme ausein­an­der­ge­setzt hat. Die Studie zeigt, dass HGÜ-Anlagen mit VSC-Systemen höhere Verluste aufweisen, wenn sie ohne Stufen­schalter im Trans­for­mator betrieben werden. Grund dafür ist der Strom­fluss durch die Halb­lei­ter­ele­mente, der ohne eine gezielte Span­nungs­re­gu­lie­rung oft höher ist als nötig. Die Folge: mehr Verlust­wärme und weniger nutz­bare Energie. Der Stufen­schalter setzt genau hier an. Er erhöht die am Umrichter anlie­gende Span­nung, entspre­chend der jewei­ligen Betriebs­si­tua­tion und unter Wahrung der zuläs­sigen System­grenzen – und zwar so, dass der Strom­fluss bei gleich­blei­bender Leis­tung sinkt.

Dadurch verrin­gern sich die Verluste deut­lich und der Ener­gie­er­trag steigt. Beson­ders bei langen Über­tra­gungs­stre­cken und großen Ener­gie­mengen zahlt sich das aus: Mehr grüne Energie kommt beim Verbrau­cher an, der Betrieb wird effi­zi­enter und wirt­schaft­li­cher. Zudem redu­ziert die gerin­gere ther­mi­sche Belas­tung den Verschleiß und verlän­gert die Lebens­dauer der Umrich­ter­kom­po­nenten. Und während diese ohnehin nach rund 15 Jahren ausge­tauscht werden müssen, halten Stufen­schalter bis zu 60 Jahre – eine Inves­ti­tion, die sich für Netz­be­treiber lang­fristig sowohl ökolo­gisch als auch ökono­misch bezahlt macht.

Fazit:  Stufen­schalter bleiben auch in Zukunft eine Schlüs­sel­tech­no­logie für HGÜ-Anlagen. Denn für die präzise Span­nungs­re­ge­lung im laufenden Betrieb mit höchster Zuver­läs­sig­keit und maxi­maler Lebens­dauer gibt es derzeit keine gleich­wer­tige tech­ni­sche Lösung. Deshalb setzt die Maschi­nen­fa­brik Rein­hausen auch in Zukunft auf die Weiter­ent­wick­lung von Stufen­schal­tern für HGÜ-Anlagen – mit modernen Steue­rungs­kon­zepten, digi­taler Vernet­zung und dem gezielten Einsatz von künst­li­cher Intel­li­genz.

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„Mit Stufen­schal­tern wird die Betriebs­füh­rung einfa­cher“

Drei Fragen an Prof. Dirk Wester­mann, der die Studie der Tech­ni­schen Univer­sität Ilmenau geleitet hat.

Welche Trends sehen Sie allge­mein bei HGÜ-Anwen­dungen? 

Aktuell lassen sich mehrere Trends beob­achten. Es werden mehr HGÜ-Anlagen benö­tigt, weil der Ausbau der erneu­er­baren Ener­gien zunimmt und auch der globale Strom­handel wächst. Zudem gibt es konti­nu­ier­liche tech­no­lo­gi­sche Fort­schritte, die zu effi­zi­en­teren und kosten­güns­ti­geren HGÜ-Systemen führen, wie etwa durch selbst­ge­führte modu­lare Multi­level-Umrichter in Halb-oder Voll­brü­cken­tech­no­logie.

Braucht man in Zukunft über­haupt noch Stufen­schalter in HGÜ-Anlagen?

Auf jeden Fall. Zwar können selbst­ge­führte Umrichter eine gewisse Span­nungs­re­ge­lungs­funk­tion über­nehmen, aber mit Stufen­schal­tern hat man die Chance, verbes­serte Regel­stra­te­gien zu imple­men­tieren und Verluste zu mini­mieren. 

Werden HGÜ-Anlagen durch zusätz­liche Kompo­nenten wie Stufen­schalter nicht anfäl­liger? 

Nein, denn Stufen­schalter sind seit Jahr­zehnten erprobt, haben gerade bei etablierten Herstel­lern eine lange Lebens­dauer sowie eine sehr geringe Fehler­an­fäl­lig­keit. Zudem erhöhen Stufen­schalter den Regel­auf­wand im System nicht, sondern verein­fa­chen viel­mehr die Betriebs­füh­rung.