Das Smart2DC Microgrid Laboratory dient der Erforschung, Entwicklung und experimentellen Validierung innovativer Technologien für zukünftige Gleichstromnetze.
Die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende erfordert zunehmend nachhaltige, effiziente und dezentrale Stromversorgungskonzepte. Gleichstrom-Mikronetze (DC Microgrids) bieten in diesem Zusammenhang wesentliche Vorteile: Sie reduzieren die Anzahl erforderlicher AC/DC-Wandlungen und damit verbundene Umwandlungsverluste, erleichtern die nahtlose Integration erneuerbarer Energiequellen und entsprechen in besonderer Weise den nativen Eigenschaften vieler moderner elektrischer Verbraucher.
Das Smart2DC Microgrid Laboratory am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet theoretische Forschung mit praktischer Anwendung, um die verbleibenden technischen Herausforderungen bei Leistungselektronik und Systemarchitekturen zu adressieren. Als Teil des Smart Energy System Simulation and Control Center (SEnSSiCC) stellt das Labor eine hochmoderne Open-Science-Plattform bereit, auf der innovative Konzepte für Gleichstromnetze unter realitätsnahen Bedingungen untersucht, erprobt und validiert werden können.
Zielsetzung und Forschungsschwerpunkte
Das Smart2DC Microgrid Laboratory dient der Erforschung, Entwicklung und experimentellen Validierung innovativer Technologien für zukünftige Gleichstromnetze. Im Mittelpunkt steht das Ziel, technische Grundlagen und anwendungsnahe Lösungen für einen sicheren, effizienten und skalierbaren Betrieb von DC-Mikronetzen zu erarbeiten.
Die Forschungsschwerpunkte des Labors liegen insbesondere in der Untersuchung zentraler Herausforderungen der Regelung, Schutztechnik und Systemintegration. Dazu zählen neuartige Regelungsansätze für den stabilen und dezentralen Betrieb von DC-Mikronetzen, Methoden zur robusten Einbindung erneuerbarer Energiequellen und Speichersysteme sowie Strategien zur koordinierten Energieverteilung zwischen verschiedenen Netzkomponenten. Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung geeigneter Schutzkonzepte, da Gleichstromnetze spezifische Anforderungen an Fehlererkennung, Selektivität und Abschaltmechanismen stellen.
Darüber hinaus werden Fragestellungen der Leistungselektronik, der Systemarchitektur sowie der Kopplung von DC- und AC-Teilsystemen untersucht. Durch die experimentelle Forschung unter realitätsnahen Bedingungen leistet das Labor einen Beitrag dazu, neue Netzkonzepte nicht nur theoretisch zu entwickeln, sondern auch hinsichtlich ihrer technischen Umsetzbarkeit, Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit umfassend zu bewerten.
Infrastruktur
Das Labor zeichnet sich durch eine vollständig modulare und hochflexible Architektur aus, die direkt an die automatisierte Sammelschienenmatrix des Smart Energy Systems Control Laboratory (SESCL) angebunden ist. Die für Spannungen bis 750 V und Ströme bis 220 A pro Anschluss ausgelegte Matrix ermöglicht die gleichzeitige Einbindung von bis zu zwölf DC-Netzknoten, etwa in Form von Quellen, Lasten oder Speichern. Dadurch können unterschiedliche Netzstrukturen realisiert und Netztopologien auch während des laufenden Betriebs dynamisch rekonfiguriert werden.
Den technologischen Kern bildet eine leistungsfähige, auf Siliziumkarbid (SiC) basierende Leistungselektronik mit Halbbrückenmodulen im Bereich von 800 V und 38 A. Für Power-Hardware-in-the-Loop-Experimente (PHIL) wird diese Infrastruktur durch Echtzeitcontroller mit 16 ADC-Kanälen sowie durch programmierbare, bidirektionale 15-kW-Labornetzteile ergänzt, die über eine Auto-Ranging-Funktion bis 1500 V verfügen. Eine hochpräzise Messtechnik, darunter galvanisch getrennte Fluxgate-Stromwandler, ermöglicht die kontinuierliche Erfassung aller relevanten elektrischen Größen. In Verbindung mit mehrstufigen Schutzkonzepten gewährleistet sie ein hohes Maß an Betriebssicherheit.
Ergänzend hierzu sind reale Testumgebungen, insbesondere das DC-Versuchsgebäude des Living Lab Energy Campus mit einem Spannungsbereich von 0 bis 700 VDC, nahtlos in die Laborinfrastruktur integriert.
