25.01.2024 – 14:00

Schub für eine robuste Hochleistungselektronik

Um den Strom von regenerativen Energien dorthin zu bringen, wo er gebraucht wird, sind Gleichstromleitungen eine neue Technik. Das HM-Projekt ifMMC arbeitet an Lösungen für die Effektivität und Stabilität dieser Form der Hochspannungsübertragung.

München, 25. Januar 2024 – Im Norden Deutschlands gibt es Wind, im Süden Sonne. Aus beidem lässt sich elektrische Energie gewinnen, die dann zu den Verbraucher:innen kommen muss. In Deutschland sind derzeit drei Trassen von Nord nach Süd mit der Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geplant. „Die Chilenen haben ähnliche Probleme: Dort weht der Wind im Süden, während der Strom vor allem in den Minen im Norden des Landes gebraucht wird. Da liegt es nahe, gemeinsam nach Lösungen zu suchen“, erklärt HM-Professor Christoph Hackl, Leiter des Labors für mechatronische und regenerative Energiesysteme der HM.

Gemeinsame Herausforderung, gemeinsames Projekt

Bei einem Glas Gran Pisco in Santiago de Chile beschlossen Hackl und sein ehemaliger Promotionskollege Felix Rojas – heute Professor an der Pontificia Universidad Católica de Chile – gemeinsam an der Optimierung von so genannten Mehrlevel-Kaskaden-Umrichtern für die Hochspannungsübertragung zu arbeiten. Denn, soll effizient und flexibel in Gleichstrom transformiert werden, wird eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung benötigt, kurz HGÜ. Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom läuft dabei über hunderte von Umrichter-Zellen, die den Gleichstrom erzeugen und die Spannung zudem Schritt für Schritt auf hunderte Kilovolt erhöhen. Bei den Verbraucher:innen angekommen, muss dieser umgekehrt wieder auf 220 Volt Netzspannung heruntergeregelt werden. Für diese Prozesse ist die Steuerung der „Modularen Mehrlevel-Kaskaden-Umrichter“ entscheidend.

Im Labor die Realität simulieren

„Felix Rojas hat damals, als wir beim Gran Pisco zusammensaßen, bereits an der Optimierung dieser Technik gearbeitet. Zusammen mit seinem Team hatte er eine innovative Umrichter-Zelle gebaut, um die fundamentalen Prozesse zu analysieren und zu verbessern“, berichtet Hackl. Basierend auf Rojas‘ Bauplan fertigte Oliver Kalmbach, Doktorand an der Hochschule München, einen weiteren Mehrlevel-Umrichter im Labormaßstab an und parallel dazu entwickelte er auch einen Digitalen Zwilling, der die Prozesse, die im real existierenden Umrichter ablaufen, mathematisch darstellt: „Mit Hilfe dieses digitalen Modells lassen sich Fehler schnell detektieren, die durch eine hohe thermische oder elektrische Belastung auftreten können“, berichtet der Forscher.

Mittlerweile arbeitet der Multilevel-Umrichter in Hackls Labor äußert robust: Er kann sich an den gerade herrschenden Leistungsbedarf anpassen, erkennt Fehler, überbrückt defekte Zellen und meldet eventuellen Wartungsbedarf. „Durch die adaptive Regelung, eine permanente Zustandsüberwachung und die prädiktive Maintenance konnten wir Effizienz, Fehlertoleranz und Stabilität des Gesamtsystems steigern“, resümiert Hackl.

ifMMCC

Das Projekt Intelligente und fehlertolerante Modular-Multilevel-Cascade-Converter für zukünftige erneuerbare Energiesysteme unter beliebigen Netzfehlern (ifMMCC) fand in Kooperation mit Prof. Dr. Felix Rojas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile, Chile, statt. Es lief vom 1.11.2019 bis zum 31.12.2022 und wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen: 01DN19041).

Gerne vermitteln wir einen Interviewtermin mit Prof. Dr. Christoph Hackl und Oliver Kalmbach.

Kontakt: Christiane Taddigs-Hirsch unter T 089 1265-1911 oder per Mail

Publikationen

F. Rojas, C. Jerez, C. M. Hackl, O. Kalmbach, J. Pereda and J. Lillo, "Faults in Modular Multilevel Cascade Converters—Part I: Reliability, Failure Mechanisms, and Fault Impact Analysis," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol. 3, pp. 628-649, 2022, doi: 10.1109/OJIES.2022.3213510

F. Rojas, C. Jerez, C. M. Hackl, O. Kalmbach, J. Pereda and J. Lillo, "Faults in Modular Multilevel Cascade Converters–Part II: Fault Tolerance, Fault Detection and Diagnosis, and System Reconfiguration," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol. 3, pp. 594-614, 2022, doi: 10.1109/OJIES.2022.3213508

Hochschule München
Die  Hochschule München ist mit über 500 Professor:innen, 820 Lehrbeauftragten und über 18.500 Studierenden eine der größten Hochschulen für angewandte Wissenschaften Deutschlands. In den Bereichen Technik, Wirtschaft, Soziales und Design bietet sie rund 100 Bachelor- und Masterstudiengänge an. Exzellent vernetzt am Wirtschaftsstandort München, arbeitet sie eng mit Unternehmen und Institutionen zusammen und engagiert sich in praxisnaher Lehre und anwendungsorientierter Forschung. Die HM belegt im Gründungsradar des Stifterverbands deutschlandweit erneut den ersten Platz unter den großen Hochschulen und Universitäten. Neben Fachkompetenzen vermittelt sie ihren Studierenden unternehmerisches und nachhaltiges Denken und Handeln. Ausgebildet im interdisziplinären Arbeiten und interkulturellen Denken gestalten ihre Absolvent:innen eine digital und international vernetzte Arbeitswelt mit. In Rankings zählen sie bei Arbeitgeber:innen zu den Gefragtesten in ganz Deutschland.  hm.edu