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Enerige & Management > F&E - Wechselrichter für das Mittelspannungsnetz
Bild: shutterstock
F&E:
Wechselrichter für das Mittelspannungsnetz
Einen Wechselrichter zur direkten Einspeisung von Gleichstrom-Quellen in das Mittelspannungsnetz hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt. 
 
Durch immer mehr erneuerbare Erzeugungsanlagen und Batteriespeicher kommt den Wechselrichtern größere Bedeutung zu. Im Projekt "SiC-MSBat" ( Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze) haben Forschende des Fraunhofer ISE nun gemeinsam mit Partnern einen hochkompakten Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.

Aktuell speisen Wechselrichter in der Regel in das Niederspannungsnetz ein und werden über große 50-Hz-Transformatoren dann an das Mittelspannungsnetz gekoppelt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde nun ein 250-kW-Wechselrichter-Stack zur Einspeisung in 3-kV-AC-Netze entwickelt. Ermöglicht wird das durch den Einsatz neuartiger Leistungstransistoren aus Siliciumcarbid (SiC) mit sehr hohen Sperrspannungen. 

Das bietet mehrere Vorteile gegenüber der bisherigen Technik:

  • Durch die hohe Regeldynamik von SiC-Wechselrichtern können sie netzstabilisierende Aufgaben übernehmen und beispielsweise als Netzfilter fungieren, um Oberwellen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren.
  • SiC-Wechselrichter können viel höhere Leistungsdichten als herkömmliche Wechselrichter erzielen. Dies führt zu einem kompakten Aufbau, was vor allem dann ein Vorteil ist, wenn Anlagen im innerstädtischen Bereich gebaut oder bestehende Altanlagen nachgerüstet werden sollen. 
  • Die beim Projekt verwendeten 3,3-kV-SiC-Transistoren weisen wesentlich geringere Verlustleistungen auf als vergleichbare Silizium-Transistoren. Dadurch ist es möglich, den Wechselrichter-Stack mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz zu takten. 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 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 in den Labors des Fraunhofer ISE aufgebaut und getestet. Bei der Nennleistung erzielte er einen sehr hohen Wirkungsgrad von 98,4 %. Die Konstruktion des Geräts erlaubt das modulare Zusammenschalten von mehreren Wechselrichter-Stacks, um so Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen. Unter Berücksichtigung von zusätzlichem Bauraum für Schaltgeräte und Kühlaggregat lässt sich eine Volumeneinsparung des Wechselrichtersystems von bis zu 40 % gegenüber kommerziellen Wechselrichtersystemen dieser Spannungsklasse erreichen.

Das 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 Andreas Hensel, Teamleiter Leistungselektronik für die Mittelspannung am Fraunhofer ISE. Mit der seit wenigen Jahren verfügbaren 1.500-V-PV-Technologie werde die Niederspannungsrichtlinie bereits voll ausgereizt. Weitere Anwendungsgebiete von Mittelspannungs­leistungselektronik sind neben regenerativen Kraftwerken und großen Batteriespeicheranlagen auch Antriebssysteme und die Bahntechnik.
 

Der neu entwickelte Wechselrichter auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleitern
Bild: Fraunhofer ISE
 

Peter Koller
Redakteur
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Montag, 25.01.2021, 15:04 Uhr

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