Der verlustarmen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) gehört die Zukunft. Für effiziente HGÜ-Anlagen sind EPCOS Leistungskondensatoren zur Stabilisierung unerlässlich.

Für die elektrische Energieübertragung und -verteilung gibt es seit Mitte der 70er- Jahre mit der HGÜ-Technologie eine effiziente Alternative zur weit verbreiteten und älteren Drehstromtechnik. Bei der HGÜ – auch HVDC-Übertragung (High Voltage Direct Current Transmission) genannt – lassen sich im Wesentlichen zwei Technologiegruppen unterscheiden:

• Konventionelle HVDC-Übertragung
• Multilevel-VSC-HVDC-Übertragung (Voltage-Sourced Converter)

Inzwischen zeichnet sich in immer mehr Bereichen der Energieübertragung der Siegeszug der HVDC-Technologien ab. Gegenüber der Drehstromtechnik lassen sich mit HVDC-Technologien zum einen Übertragungsverluste ab einer gewissen Leistungslänge erheblich senken. Zum anderen können Kosten eingespart werden – etwa bei der Errichtung der Übertragungsleitungen, da für die HVDC-Übertragung unter anderem der Materialbedarf erheblich geringer ist.

Drehstromtechnik stößt an Grenzen.
Die Drehstromtechnik wird mit Frequenzen von 50 Hz oder 60 Hz bereits seit etlichen Jahrzehnten zur Energieübertragung eingesetzt. Ihr wichtigster Pluspunkt ist die einfache Transformierbarkeit der Spannung auf verschiedenste Spannungsebenen, um auch Fernstrecken zu überbrücken. Außerdem lassen sich selbst sehr hohe Wechselspannungen einfach schalten, ohne Lichtbögen zu erzeugen, und robuste Asynchronmotoren direkt mit Drehstrom speisen.

Allerdings haben Drehstromnetze auch einen entscheidenden Schwachpunkt: die verhältnismäßig hohen Verluste. Die endliche Leitfähigkeit der Kabel verursacht ohmsche Verluste, die sich im Fall von Wechselstrom zusätzlich durch den Skin-Effekt erhöhen: Nur der äußere Bereich des Leiters wird von Strom durchflossen und somit nicht der gesamte Leitungsquerschnitt für den Energietransport genutzt. Dies ist vor allem für den Einsatz bei langen Anbindungswegen sehr nachteilig. Gleiches gilt, wenn größere Verbundnetze installiert werden.

Darüber hinaus treten bei Wechselstrom durch die induktiven und kapazitiven Leitungsbeläge Blindleistungsverluste auf, die durch Induktivitäten von Transformatoren noch vergrößert werden. Je nach Leitungslängen und Wirksamkeit der Leitungsbeläge können so bis zu 10 Prozent der elektrischen Energie in Verlustleistung umgesetzt werden. Außerdem können Wechselstromnetze, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten (z.B. 50 Hz und 60 Hz), nicht direkt gekoppelt werden.

HVDC halbiert Verluste und benötigt nur zwei Leitungen
Um die vielen Nachteile der Drehstromtechnik zu vermeiden, setzen die Energieversorger weltweit immer öfter auf die HVDC-Übertragung. Der große Pluspunkt der HVDC-Technologien ist die deutlich geringere Verlustleistung. Sie beträgt bei einer Leitungslänge von 1000 km nur noch 3 Prozent. Zum Vergleich: Bei Wechselstromsystemen liegt sie bei der gleichen Strecke bei mindestens 6 Prozent. Bei einer zu übertragenden Leistung von 4000 MW können durch HVDC somit rund 120 MW Verlustleistung vermieden werden.

Ein weiterer Vorteil der HVDC-Technologien ist die geringere Anzahl der benötigten Leitungen. Bei Drehstromsystemen sind mindestens drei Leitungen erforderlich. In der Praxis werden aus Sicherheitsgründen oft zwei redundante Systeme mit jeweils drei Leitungen parallel geführt. Bei HVDC sind dagegen nur zwei Leitungen erforderlich. Vor allem bei Freileitungen mit Masten und Auslegern lassen sich der Flächenbedarf und damit die Kosten deutlich senken. Auch im Fall von Erd- und Seekabeln, bei denen der Flächenbedarf vergleichsweise gering ist, rechnet sich die kleinere Zahl benötigter HVDC-Leitungen. Hinzu kommt, dass Erd- und Seekabel bei der Drehstromtechnik wegen der relativ hohen kapazitiven Beiwerte nur für Strecken von maximal 50 km verwendet werden können.

EPCOS Leistungskondensatoren sind Schlüsselbauelemente
Möglich wurden die HVDC-Technologien erst durch die Entwicklung von Leistungshalbleitern mit entsprechend hohen Spannungsfestigkeiten von mehreren Hundert kV für die Gleichrichtung am Anfang sowie für die Wechselrichtung am Ende der Strecke – dem Einspeisepunkt in das Versorgungsnetz. Anfangs kamen Thyristoren zum Einsatz, die aber wegen der besseren Steuerbarkeit zunehmend durch in Serie geschaltete IGBTs abgelöst wurden. Neben diesen Halbleiterbauelementen spielen in HVDC-Systemen EPCOS Leistungskondensatoren eine entscheidende Rolle.

MKV- und MKK-Kondensatoren für konventionelle HVDC-Technologien
Bei konventionellen HVDC-Technologien erfolgt am Anfang der Übertragungsstrecke eine 6-polige Gleichrichtung. Leistungskondensatoren sind erforderlich, um die Thyristoren vor Überspannung zu schützen. Sie arbeiten hier als Snubber-Kondensatoren.

Aus dem Produktspektrum der EPCOS Leistungskondensatoren ist dafür etwa der Typ B25990T5165A000 sehr gut geeignet. Seine Kapazität beträgt 1,6 µF bei einer Spannungsbelastbarkeit von 5100 V AC. Dieser Kondensatorentyp ist in konventioneller MKV-Technologie ausgeführt: Der Kondensatorwickel besteht aus beidseitig metallisiertem Papier. Als Dielektrikum dient zwischen den Papierlagen eine Polypropylenfolie.

Bei neuen Projekten kommt bei vergleichbaren elektrischen Parametern die MKK-Technologie mit Kapazitätswerten von 1,4 µF, 1,6 µF, 2,0 µF, 2,4 µF und 4 µF zum Einsatz. Hierbei ist die Metallisierung direkt auf das Propylen-Dielektrikum aufgebracht. Diese Kondensatoren sind ölfrei. Diese EPCOS MKK-Kondensatoren sind insbesondere für die 2-Level VSC-HVDC (VSC, Voltage-Sourced Converter) geeignet. Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild.

Bisher nutzen weltweit rund 30 Projekte die konventionelle HVDC-Technologie mit einer gesamten Übertragungsleistung von über 100 GW (Abbildung 2). Durchschnittlich werden dabei pro System mehrere 100 Kondensatoren eingesetzt.

Gerade wegen des rasanten Netzausbaus in Asien rechnen Experten bis 2020 mit einem Anstieg der installierten Leistung auf rund 350 GW. Hauptsächliches Einsatzgebiet von konventionellen HVDC-Anlagen ist die verlustarme Energieübertragung über lange Strecken, um etwa Ballungszentren an weit entfernte Wasserkraftwerke anzubinden. Eine andere Verwendung für diese Technologie ist die Gleichspannungskurzkopplung. Sie dient dazu, Netze, die mit unterschiedlichen Frequenzen wie etwa 50 Hz und 60 Hz betrieben werden, miteinander zu verbinden.

Konventionelle HVDC-Technologien sind relativ einfach und haben zwei signifikante Nachteile: Wegen der Pulsbreitenmodulation ist ein erhöhter Filteraufwand an der Ausgangsseite erforderlich. Kostenvorteile durch die geringere Zahl benötigter Leitungen werden dadurch teilweise wieder kompensiert. Außerdem ist bei den älteren Thyristor-basierten Systemen, welche die Leistungshalbleiter ausschließlich ein-, aber nicht ausschalten können, keine aktive Netzführung bezüglich Frequenz und Spannung möglich.

Neue Multilevel-VSC-HVDC-Übertragung

Um mit HVDC-Technologien schaltbare Netzanbindungen zu ermöglichen, wurde die Technologie Multilevel-VSC-HVDC entwickelt (Abbildung 3).

Der entscheidende Vorteil dieser auf IGBT-Modulen basierenden Technologie liegt in der Steuerbarkeit der Konverter. Dazu werden am Ende der HVDC-Strecke zwischen der Anode und der Kathode kapazitive Spannungsteiler aus EPCOS Leistungskondensatoren aufgebaut und über die gesteuerten IGBT-Module abgegriffen. Dadurch entsteht mit entsprechender Ansteuerung eine Treppenfunktion der Ausgangsspannung, die dem erwünschten Sinus bereits sehr ähnlich ist. In der Folge reduziert sich der Filteraufwand am Ausgang der Konverter im Vergleich zu Lösungen mit konventioneller HVDC-Technik drastisch. Abbildung 4 zeigt sechs Module.

Durch die kapazitiven Spannungsteiler ergibt sich ein großer Bedarf an Leistungskondensatoren. Er beträgt bei den neuen VSC-Systemen bis zu 5000 Kondensatoren pro Anlage. Dafür verringern sich die Kosten für die Befilterung des Ausgangs der Konverter erheblich, und noch wichtiger: Die Netzanbindung ist sehr gut steuerbar und erfüllt damit eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz in neuen Energieübertragungsprojekten. Multilevel-VSC-HVDC-Systeme sind im Gegensatz zu konventioneller HVDC-Technik selbstführend, regeln und stabilisieren also die Frequenz und Spannung des Netzes.

MKK-Leistungskondensatoren für Multilevel-VSC-HVDC
Für Multilevel-VSC-HVDC-Übertragung gibt es speziell entwickelte EPCOS MKK-Leistungskondensatoren in Trockentechnologie. Sie bieten Kapazitäten zwischen 2000 µF und 10000 µF und sind für Spannungen von bis zu 3000 V DC ausgelegt. Abhängig vom Typ werden dabei Stromtragfähigkeiten von über 700 A erzielt. Um die Verluste gering zu halten, ist auch ein geringer Serien-Ersatzwiderstand entscheidend. Die EPCOS Kondensatoren bieten hier Werte kleiner als 0,2 mΩ. Da die Kondensatoren bei Multilevel-VSC-Anlagen in Serie geschaltet sind, müssen bei den Kapazitätswerten sehr enge Grenzen eingehalten werden, um Spannungsüberhöhungen an einzelnen Modulen zu vermeiden. Bei den EPCOS Kondensatoren liegt diese Toleranz bei weniger als 3 Prozent bezogen auf die Anfangskapazität und die gesamte Lebensdauer.

Erfolgreiche Kundenprojekte

Die EPCOS Leistungskondensatoren für Multilevel-VSC-HVDC-Anlagen haben sich bereits in mehreren Großprojekten von Siemens bewährt. Start war 2010 das Transbay-Projekt, eine Multilevel-VSC-HVDC-Verbindung durch die Bucht von San Francisco. 2013 folgt die Anbindung der Nordsee-Windparkprojekte BorWin2 und HelWin1. Inzwischen ist ein weiteres volumenstarkes Projekt hinzugekommen: die Anbindung der Windpark-Gruppe SylWin1, 70 Kilometer westlich der Nordseeinsel Sylt. Dabei handelt es sich um die bislang leistungsstärkste Offshore-Anbindung, mit der rund 860 MW übertragen werden können.

Gerade bei der Anbindung von Offshore-Windparks, die 50 oder mehr Kilometer von der Küste entfernt sind, etabliert sich Multilevel-VSC-HVDC zunehmend. Hier ist die Gleichstromtechnik in Kombination mit Seekabeln sowohl technologisch als auch wirtschaftlich die einzig sinnvolle Möglichkeit der Anbindung. EPCOS Leistungskondensatoren sind unter anderem bei vielen anstehenden Siemens Projekten in der Deutschen Bucht und vor der englischen Ostseeküste vorgesehen. Abbildung 5 zeigt die weltweiten VSC-HVDC-Projekte mit robusten EPCOS Kondensatoren.

Auch bei dem INELFE-Projekt (Interconnexion Electrique France Espagne), das von Siemens in der HVDC-Plus-Technologie realisiert wird, kommen EPCOS Leistungskondensatoren zum Einsatz. In dieser transeuropäischen Netzverbindung wird eine Leistung von bis zu 2000 MW bei einer Spannung von ±320 kV übertragen. Auf der 65 km langen Strecke wird ein Erdkabel genutzt, das teilweise in einem Tunnel durch die Pyrenäen verlegt ist.

Weltweite Präsenz bei EPCOS Leistungskondensatoren