Fraunhofer ISE: Kompakter Wechselrichter zur Direktanbindung an Mittelspannungsnetz

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Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat einen hochkompakten Wechselrichter entwickelt, der direkt ins Mittelspannungsnetz einspeisen kann. Das gemeinsam mit Partnern Semikron Elektronik und STS Spezial-Transformatoren Stockach im Projekt „SiC-MSBat“ entwickelte Produkt sei erfolgreich in Betrieb genommen worden, hieß es am Montag von den Freiburger Wissenschaftlern. Die direkte Anbindung an das Mittelspannungsnetz werden durch den Einsatz neuartiger Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) mit sehr hohen Sperrspannungen ermöglicht. Die Wechselrichter könnten durch ihre hohe Regeldynamik auch netzstabilisierende Aufgaben übernehmen.Als weiteren Vorteil nennt das Fraunhofer ISE die viel höhere Leistungsdichte gegenüber Wechselrichtern, die für die Einspeisung ins Niederspannungsnetz konzipiert sind. Dies ermögliche den kompakten Aufbau, was vor allem beim Einsatz im innerstädtischen Bereich oder der Nachrüstung von Altanlagen vorteilhaft sei.

Beim Projekt „SiC-MSBat“ oder wie es komplett heißt „Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze“ sei ein 250-Kilowatt-Wechselrichter-Stack zur Einspeisung in 3-Kilovolt-AC-Netze entwickelt worden. Dabei seien neuartige 3,3-Kilovolt-SiC-Transistoren eingesetzt worden, wesentlich geringere Verlustleistungen als vergleichbare Silizium-Transistoren aufwiesen, so die Freiburger Forscher. Dadurch ist es den Wissenschaftlern zufolge möglich, den Wechselrichter-Stack mit einer Schaltfrequenz von 16 Kilohertz zu takten. Die hohe Schaltfrequenz ermögliche Einsparungen bei den passiven Bauelementen, da diese kleiner dimensioniert werden können. Der neue Wechselrichter verfüge zudem über eine aktive Flüssigkeitskühlung mit synthetischem Esther als Medium. Es werde durch den Wechselrichter gepumpt und kühle Transistoren sowie Filterdrosseln.

Der Wechselrichter sei in den Labors des Fraunhofer ISE aufgebaut und getestet worden. Die ermittelte Nennleistung lag bei einem Wirkungsgrad von 98,4 Prozent. Die Konstruktion des Geräts erlaubt das modulare Zusammenschalten von mehreren Wechselrichter-Stacks, um so Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen, wie es weiter hieß. Unter Berücksichtigung von zusätzlichem Bauraum für Schaltgeräte und Kühlaggregat könne eine Volumeneinsparung des Wechselrichtersystems von bis zu 40 Prozent gegenüber kommerziellen Wechselrichtersystemen dieser Spannungsklasse erreicht werden.

Das Projekt wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Semikron habe die Entwicklung der 3,3-Kilovolt-SiC-Module und STS der die induktiven Bauelemente übernommen. Das Fraunhofer ISE sieht viele potenzielle Anwendungsgebiete für den Einsatz von hochsperrenden SiC-Bauelementen im Bereich der Mittelspannung. So gebe es bei großen Photovoltaik-Anlagen den Trend zu immer höheren Spannungen. „Mit der seit wenigen Jahren verfügbaren 1500-Volt-PV-Technologie wird die Niederspannungsrichtlinie bereits voll ausgereizt“, erklärte Andreas Hensel, Teamleiter Leistungselektronik für die Mittelspannung am Fraunhofer ISE. „Der nächste Schritt wird hier der Übergang zur Einspeisung auf Mittelspannungsebene sein, welcher weitere Einspar- und Verbesserungspotenziale im Systemkonzept von Photovoltaik-Kraftwerken mit sich bringen wird.“ Daneben sei die entwickelte Mittelspannungsleistungselektronik auch für großen Batteriespeicheranlagen, Antriebssysteme und die Bahntechnik interessant.

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