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Fraunhofer ISE entwickelt kompakten Wechselrichter zur Direktanbindung an Mittelspannungsnetze

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Freiburg - Aktuell speisen Wechselrichter meist in das Niederspannungsnetz ein. Über große 50-Hz-Transformatoren werden sie dann an das Mittelspannungsnetz gekoppelt. Neuartige Transistoren ermöglichen nun eine direkte Anbindung der Wechselrichter an das Mittelspannungsnetz.

Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien werden immer mehr regenerative Erzeugungsanlagen sowie elektrische Speicher an das Stromnetz angeschlossen. Weil sie zur Netzanbindung von Anlagen zur Nutzung von erneuerbaren Energien (EE) notwendig ist, kommt der Leistungselektronik, die neben der reinen Einspeisung bzw. Rückspeisung von elektrischer Energie noch netzstützende Aufgaben übernehmen muss, eine entscheidende Rolle zu. Am Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) wurde ein hochkompakter Wechselrichter mit Transistoren aus Siliciumkarbid (SiC) zur Direktanbindung an das Mittelspannungsnetz entwickelt.

Kompakter Aufbau durch hohe Schaltfrequenz

Im Rahmen des Projekts „SiC-MSBat - Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze“ haben Forschende am Fraunhofer ISE mit Partnern ein 250-kW-Wechselrichter-Stack zur Einspeisung in 3-kV-AC-Netze entwickelt. Zum Einsatz kommen dabei neuartige 3,3-kV-Siliciumkarbid (SiC)-Transistoren.

Diese weisen wesentlich geringere Verlustleistungen als vergleichbare Silicium-Transistoren auf. Dadurch ist es möglich, den Wechselrichter-Stack mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz zu takten. Mit aktuellen, dem Stand der Technik entsprechenden Silicium-Transistoren sind in dieser Spannungsklasse nach Angaben von Fraunhofer ISE nur etwa 10-mal kleinere Schaltfrequenzen möglich. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht Einsparungen bei den passiven Bauelementen, da diese kleiner dimensioniert werden können. Eine weitere Besonderheit des Wechselrichters ist seine aktive Flüssigkeitskühlung mit einem synthetischen Esther als Kühlmedium. Dieses wird durch den Wechselrichter gepumpt und kühlt sowohl die Transistoren über einen Flüssigkeitskühlkörper als auch die in einem geschlossenen Tank untergebrachen Filterdrosseln. Da das Kühlmedium für die Filterdrosseln als elektrisches Isolationsmedium dient, können diese kompakter gebaut werden. Gegenüber kommerziellen Wechselrichtersystemen dieser Spannungsklasse kann bei dem neuen Wechselrichtersystem insgesamt eine Volumeneinsparung von bis zu 40 Prozent erreicht werden.

Der Wechselrichter wurde in den Labors des Fraunhofer ISE aufgebaut und getestet, wobei er bei der Nennleistung einen sehr hohen Wirkungsgrad von 98,4 Prozent erzielte. Die Konstruktion des Geräts erlaubt das modulare Zusammenschalten von mehreren Wechselrichter-Stacks, um so Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen.

Das Projekt wurde im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Projektpartner waren die Semikron Elektronik GmbH & Co. KG und die STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Semikron übernahm in dem Projekt die Entwicklung der 3,3-kV-SiC-Module, STS war für die induktiven Bauelemente hauptverantwortlich.

Einspeisung auf Mittelspannungsebene für EE-Kraftwerke mit zunehmendem Stellenwert

Fraunhofer ISE sieht viele potenzielle Anwendungsgebiete für den Einsatz von SiC-Bauelementen im Bereich der Mittelspannung. „Gerade bei großen Photovoltaikkraftwerken geht der Trend zu immer höheren Spannungen“, so der Teamleiter Leistungselektronik für die Mittelspannung am Fraunhofer ISE Andreas Hensel. Mit der seit wenigen Jahren verfügbaren 1500-V-PV-Technologie werde die Niederspannungsrichtlinie bereits voll ausgereizt. Der nächste Schritt werde hier der Übergang zur Einspeisung auf Mittelspannungsebene sein, welcher weitere Einspar- und Verbesserungspotenziale im Systemkonzept von PV-Kraftwerken mit sich bringen werde, so Hensel über die Potenziale der neuen Wechselrichtertechnik. Weitere Anwendungsgebiete von Mittelspannungsleistungselektronik sind neben regenerativen Kraftwerken und großen Batteriespeicheranlagen auch Antriebssysteme und die Bahntechnik.


© IWR, 2021


09.02.2021

 



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