Quelle:ise.fraunhofer.de
Im Zuge der Energiewende wird der Ausbau der Stromnetze immer wichtiger. Immer mehr regenerative Erzeugungsanlagen sowie elektrische Speicher gehen ans Netz. Dabei kommt der Leistungselektronik eine entscheidende Rolle zu, denn diese Systeme müssen unbedingt ans Netz angeschlossen werden. Neben der reinen Ein- oder Rückspeisung elektrischer Energie muss die Leistungselektronik jedoch auch andere netzunterstützende Aufgaben erfüllen. Im"SiC-MSBat" haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit Partnern nun einen hochkompakten Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.
Derzeit speisen Wechselrichter meist in das Niederspannungsnetz ein. Über große 50-Hz-Transformatoren werden sie dann an das Mittelspannungsnetz angekoppelt. Durch den Einsatz neuartiger Siliziumkarbid (SiC)-Transistoren mit sehr hohen Sperrspannungen ist es nun auch möglich, die Wechselrichter direkt an das Mittelspannungsnetz anzuschließen. Dank der hohen Regeldynamik von SiC-Wechselrichtern können sie netzstabilisierende Aufgaben übernehmen und beispielsweise als Wirkleistungsfilter zur Kompensation von Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz fungieren. Außerdem können mit SiC-Wechselrichtern wesentlich höhere Leistungsdichten erreicht werden als mit herkömmlichen Wechselrichtern. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauweise, die insbesondere dann von Vorteil ist, wenn Anlagen im innerstädtischen Bereich errichtet oder bestehende Altanlagen nachgerüstet werden sollen. Neben den reinen Systemkosten spielen vor allem im urbanen Raum auch Bau- und Infrastrukturkosten eine sehr wichtige Rolle. Im Rahmen des Projekts"SiC-MSBat - Mittelspannungs-Wechselrichter mit Hochspannungs-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze" wurde ein 250-kW-Wechselrichter-Stack entwickelt zur Einspeisung in 3-kV-AC-Netze. Hier kommen neuartige 3,3-kV-SiC-Transistoren zum Einsatz. Diese haben deutlich geringere Verlustleistungen als vergleichbare Siliziumtransistoren. Dadurch ist es möglich, den Wechselrichterstapel mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz zu betreiben. Mit modernsten Siliziumtransistoren sind in dieser Spannungsklasse nur etwa 10 mal niedrigere Schaltfrequenzen möglich. Durch die hohe Schaltfrequenz werden die passiven Bauelemente eingespart, da diese kleiner dimensioniert werden können. Eine weitere Besonderheit des Wechselrichters ist seine aktive Flüssigkeitskühlung mit einem synthetischen Ester als Kühlmedium. Dieses Medium wird durch den Wechselrichter gepumpt und kühlt sowohl die Transistoren über einen Flüssigkeitskühlkörper als auch die Filterdrosseln, die in einem geschlossenen Tank untergebracht sind. Gleichzeitig dient das Kühlmedium für die Filterdrosseln als elektrisches Isolationsmedium, wodurch die Filterdrosseln noch kompakter gebaut werden können. Der Wechselrichter wurde im Labor des Fraunhofer ISE' gebaut und getestet und erreichte einen sehr hohen Wirkungsgrad von 98,4 Prozent bei Nennleistung. Das Design des Gerätes erlaubt die modulare Verschaltung mehrerer Wechselrichter-Stacks, um Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen. Unter Berücksichtigung von zusätzlichem Bauraum für Schalt- und Kühlgerät kann eine Volumeneinsparung des Wechselrichtersystems von bis zu 40 Prozent gegenüber handelsüblichen Wechselrichtersystemen dieser Spannungsklasse erreicht werden. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im 6. Energieforschungsprogramm im Teilbereich&„Integration Erneuerbarer Energien und regenerativer Energieversorgungssysteme &“ gefördert. Projektpartner waren Semikron Elektronik GmbH& Co. KG und STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Semikron war im Projekt für die Entwicklung der 3,3-kV-SiC-Module verantwortlich, STS war hauptsächlich für die induktiven Komponenten verantwortlich. Das Fraunhofer ISE sieht viele Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz hochblockierender SiC-Bauelemente im Mittelspannungsbereich."Gerade bei großen Photovoltaik-Kraftwerken geht der Trend zu immer höheren Spannungen," sagt Andreas Hensel, Leiter des Teams Mittelspannungs-Leistungselektronik am Fraunhofer ISE."Mit der seit einigen Jahren verfügbaren 1500-V-PV-Technologie wird die Niederspannungsrichtlinie bereits voll ausgeschöpft. Der nächste Schritt wird hier der Übergang zur Einspeisung auf Mittelspannungsebene sein, der weitere Einsparpotenziale und Verbesserungen im Systemkonzept von PV-Kraftwerken mit sich bringt.&Zitat; Weitere Anwendungsgebiete der Mittelspannungs-Leistungselektronik sind neben regenerativen Kraftwerken und großen Batteriespeichern Antriebssysteme und Bahntechnik. Zum Testen solcher Systeme verfügt das Fraunhofer ISE über das Mitte 2019 eingeweihte Multi-Megawatt-Labor. Dies ermöglicht den Betrieb von Mittelspannungsanlagen mit einer Leistung von bis zu 20 MVA.Kompaktes Design durch hohe Schaltfrequenz
Leistungselektronik der Zukunft auf Mittelspannungsebene
