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Wegweisender Wechselrichter für das Mittelspannungsnetz

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISEFreiburg - Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben einen Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das 10 kV-Mittelspannungsnetz erfolgreich eingesetzt. Ein zusätzlicher Transformator ist nicht notwendig.

Die Anbindung von Leistungselektronik an das Stromnetz erfolgt normalerweise zunächst über die Niederspannungsebene. Fraunhofer Forscher haben einen Abkürzungsweg zur Einspeisung in die Mittelspannungsebene gefunden. Möglich wird das durch den Einsatz von Hochvolttransistoren aus Siliciumkarbid (SiC).

Wechselrichter zur Direkteinspeisung in die 10 kV-Spannungsebene
Fraunhofer ISE-Forscher haben mit dem Einsatz von Hochvolttransistoren aus Siliciumkarbid (SiC) die Kopplung mit dem Mittelspannungsnetz ohne zusätzlichen Transformator ermöglicht. Der dreiphasige Wechselrichter kann sowohl zur Blindleistungsregelung als auch zur aktiven Filterung von unerwünschten Oberschwingungen im Stromnetz eingesetzt werden und somit zur Stabilität zukünftiger Stromnetze mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien beitragen.

Höhere Sperrspannung mit Siliciumkarbit möglich
Aktuell kommerziell erhältliche Transistoren aus Silicium haben lediglich Sperrspannungen bis 6,5 kV. Daher müssen komplexe Mehrpunktschaltungen mit sehr hohem Bauteilaufwand eingesetzt werden, um in ein 10 kV- oder 20 kV-Mittelspannungsnetz einspeisen zu können. Zudem sind die Verlustenergien dieser Transistoren aus Silicium sehr hoch. Durch den Einsatz von Hochvolttransistoren aus Siliciumkarbid (SiC) können erste Prototypen mit Sperrspannungen bis 15 kV verwendet werden. Zudem lässt sich die Anzahl der benötigten Bauelemente in einem Stromrichter reduzieren und damit die Effizienz und Kompaktheit steigern.

Weitere Herausforderungen bis zum kommerziellen Einsatz
Ein weiterer Vorteil dieser Technik ist die höhere Regeldynamik des Wechselrichters. Durch die hohen Taktfrequenzen kann der Wechselrichter als aktiver Filter eingesetzt werden, um Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren. "Der Einsatz der hochsperrenden SiC-Transistoren stellt uns aber auch vor neue Herausforderungen", sagt der Projektleiter Dirk Kranzer. "Die Transistoren schalten sehr schnell. Die extrem hohen Spannungssteilheiten während der Schaltvorgänge können Störungen verursachen oder auch zu Teil- und Gleitentladungen in den Isolationen führen. Bei der Schaltungsentwicklung musste daher großer Wert darauf gelegt werden, diese unerwünschten Effekte zu minimieren. Für einen kommerziellen Einsatz sind zukünftig noch Weiter­entwicklungen in unterschiedlichen Technologiebereichen notwendig, etwa bei den Leistungsmodulen oder den induktiven und kapazitiven Bauelementen."

Der Wechselrichter wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderinitiative "Zukunftsfähige Stromnetze" geförderten Projekts "HV-SiC" entwickelt.

© IWR, 2018


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05.06.2018

 




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