Ohne Transformator ins Mittelspannungsnetz einspeisen

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben einen Wechselrichter entwickelt und in Betrieb genommen, mit dem Strom direkt und ohne zusätzlichen Transformator in das Zehn-Kilovolt-Mittelspannungsnetz eingespeist werden kann. Möglich macht das der Einsatz von Hochvolttransistoren aus Siliciumkarbid (SiC). Der dreiphasige Wechselrichter kann den Forschern zufolge 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. Bislang erfolge eine Anbindung von Leistungselektronik an das Stromnetz zunächst in der Niederspannungsebene. Für die Stabilität des Stromnetzes würden leistungselektronische Wandler, sogenannte Statcoms (Static Synchronous Compensator) eingesetzt, die stufenlos induktive oder kapazitive Blindleistung bereitstellen. Die Kopplung an das Mittelspannungsnetz erfolge dabei über einen 50-Hertz-Transformator.

Wie das Fraunhofer ISE mitteilt, haben kommerziell erhältliche Transistoren aus Silicium zurzeit lediglich Sperrspannungen bis 6,5 Kilovolt und weisen hohe Verlustenergien auf. Um in ein Mittelspannungsnetz mit zehn oder 20 Kilovolt einspeisen zu können, seien komplexe Mehrpunktschaltungen mit sehr hohem Bauteilaufwand erforderlich. Bei Halbleitern aus Siliciumkarbid könne wegen ihrer höheren Sperrspannungen die Anzahl der benötigten Bauelemente in einem Stromrichter reduziert und damit die Effizienz und Kompaktheit gesteigert werden. Zudem besitzen die SiC-Transistoren laut Fraunhofer ISE sehr geringe Schaltenergien, was hohe Schaltfrequenzen im Wechselrichter sowie eine kleinere und damit billigere Dimensionierung der passiven Bauelemente ermögliche. Ein kompakter Wechselrichter ohne Transformator biete zudem innerstädtisch die Möglichkeit zur Nachrüstbarkeit in Bestandsanlagen der Mittelspannung.

Als weiteren Vorteil nennen die Forscher die höhere Regeldynamik des Wechselrichters. Durch die hohen Taktfrequenzen sei ein Einsatz als aktiver Filter möglich, um Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren. Dies sei mit Statcoms nach Stand der Technik auf Grund der Tiefpasswirkung des 50-Hertz-Transformators nur bedingt möglich. Für einen kommerziellen Einsatz des neu entwickelten Wechselrichters seien jedoch noch Weiter­entwicklungen in unterschiedlichen Technologiebereichen notwendig, etwa bei den Leistungsmodulen oder den induktiven und kapazitiven Bauelementen. „Die Transistoren schalten sehr schnell“, begründet das Projektleiter Dirk Kranzer: „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.“ Die Leistung des Demonstrators zur Einspeisung in das Zehn-Kilovolt-Netz beträgt laut Fraunhofer ISE 100 Kilovoltampere. Die Schaltfrequenz liege mit 16 Kilohertz etwa um den Faktor zehn höher als bei Mittelspannungsumrichtern mit Siliciumhalbleiterbauelementen. Als Transistoren seien 15kV/10A-SiC-Mosfets zum Einsatz gekommen. Die induktiven Bauelemente seien vom Projektpartner STS Spezial-Transformatoren Stockach entwickelt worden.

Neben der Stabilisierung der Mittelspannungsnetze sind aus Sicht der Forscher noch viele weitere Anwendungen mit Hochvolt-SiC-Bauelementen absehbar. Großes Potenzial gebe es bei zukünftigen Anwendungsgebieten für Leistungselektronik in der Mittelspannung. „Denkbar sind völlig neue Systemarchitekturen bei regenerativen Kraftwerken, wie etwa großen Photovoltaikanlagen im Megawatt-Bereich oder Windparks“, sagt Bruno Burger, Gruppenleiter ‚Neue Bauelemente und Technologien‘ am Fraunhofer ISE. Aber auch für die Bahnindustrie oder große Batteriespeicheranlagen sei die neue Technik sehr vielversprechend.