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Entwicklung eines Mittelspannungs- Batteriespeicherkonzeptes

Development of a medium voltage battery storage concept

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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Der zunehmende Anteil an fluktuierenden Einspeisern (z. B. Windkraft- und Photovoltaikanlagen) in das elektrische Netz sowie neuartige Verbraucher (z. B. Elektrofahrzeuge) erfordern kurzfristige Ausgleichsenergie mit teils hoher Engpassleistung, die unter anderem auch durch große, zentrale Speicher abgedeckt werden kann. Derartige Speicher sitzen vorzugsweise im Verteilnetz und sind an ein Gleichspannungssystem angeschlossen. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes wird auf Konstruktions- und Sicherheitsaspekte eines derartigen Hochspannungs-/Hochleistungsspeichers eingegangen. Eine vergleichsweise einfache Leistungselektronik, bestehend aus einem Buck- und einem Boost-Zweig, ist vorgesehen, um den Speicher zu laden bzw. zu entladen. Der Speicher besteht aus 1-kV-Einzeleinschüben, die mittels einer geeigneten Gleitkontaktanordung und einem Shunt unterbrechungsfrei (während des Betriebes) aus dem System entnommen werden können. Zur Untersuchung des Verhaltens von Isolierstoffen bei hohen Gleichspannungen, erhöhter Temperatur und bei Umschwingen der Systemspannung erfolgte der Aufbau einer Prüfanordnung. Erste Tests zeigten keinen wesentlichen Einfluss von Temperatur und Ladungsträgeragglomeration auf das Überschlagsverhalten an einem Plexiglasisolator wie auch an einem Duroplastisolator. Abschließend erfolgte eine Untersuchung der Neigung zur Heißkontaktbildung in Gleichspannungssystemen mittels repräsentativer Versuche. Neben bekannten Lichtbogenentladungen, die bei sich sehr langsam öffnenden Kontakten und bei kleinem Kontaktspalt entstehen, zeigten sich auch „glowing contacts“, die eine sehr lang andauernde und stabile Plasmaentladung ausbilden. Diese Phänomene scheinen sich im Vergleich zu Wechselspannungssystemen wesentlich stabiler auszubilden, weswegen einer der nächsten Schritte die Entwicklung einer geeigneten Detektion von seriellen Kontaktversagen sein soll.

Abstract

The implementation of renewable energy resources and the change in power consumption behavior (e.g., charging electric cars) increase the demand for appropriate compensation energy. One approach could be the implementation of central high-energy/high-power storage systems which are ideally connected to a DC medium voltage grid. The project introduced in this paper covers design aspects as well as the investigation of the insulation capability (surface breakdown) of insulation material at typical DC system stress and contact failing due to insufficient (failing) electric contacts. The design of an 30 kV battery concept, as introduced in this paper, is split into single 1 kV elements, which can be removed and inserted from the total stack of the running system (without interruption). A simple buck/boost concept based on standard half-bridge designs is applied to feed battery energy into a medium voltage DC bus and to charge the storage system out of this bus. Investigations of the surface breakdown voltage carried out with a special designed high-voltage test circuit do not show any significant influence of temperature and fast polarity changes on the surface breakdown voltage for PMMA and duroplastic insulators. Testing different materials with respect to electrical contact behavior among slowly failing/overheating electrical contacts result in the forming of longterm and very stable electric arcs as well as in a special plasma phenomenon called “glowing contacts”. This seems to be more critically compared to the failing of contacts in AC systems. Based on these results and further future research activities, an appropriate series contact fault detection approach should be developed.

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Zeller, P. Entwicklung eines Mittelspannungs- Batteriespeicherkonzeptes. Elektrotech. Inftech. 137, 25–32 (2020). https://doi.org/10.1007/s00502-020-00785-x

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