Wenn es in Energiesystemen zu Fehlern bei der Stromverteilung kommt, entstehen hohe Kurzschlussströme, die große Energien an der Fehlerstelle erzeugen. Für solche Fälle sind Abschalteinrichtungen verbaut, die dafür sorgen, dass der Überstrom unterbrochen wird. Die heute verfügbaren Lösungen sind allerdings auf klassische Erzeugungsanlagen ausgelegt. Sie benötigen eine Abschaltzeit von bis zu 100 Millisekunden.
Für die Erneuerbaren ist dies zu lang. Dort werden oft Halbleiter-basierte Wechselrichter als Schnittstelle zum Netz eingesetzt – besonders häufig IGBT-Module, die mehrere Chips in einem isolierten Gehäuse integrieren, um hohe Spannungen und Ströme effizient zu schalten. Die damit erreichbaren hohen Leistungsdichten bei kompakter Bauweise werden durch den zunehmenden Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) als Material für Halbleiterbauelemente noch einmal erhöht. Dies führt dazu, dass einige Wechselrichter-Konfigurationen durch klassische Überstromeinrichtungen nicht mehr ausreichend geschützt sind.
Infineon Bipolar, die Technische Universität Dresden und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS haben daher nun in einem gemeinsamen Forschungsprojekt Lösungen entwickelt, wie sich mit einer Kombination aus Leistungsschaltern und Halbleitern im Störfall sehr schnell und dauerhaft ein gezielter Kurzschluss erzeugen lässt, der die Komponenten vor einem Überstrom schützt.
„Das ist eine wichtige Grundlage für neue Leistungselektroniklösungen, die eine verbesserte Netzanbindung von regenerativen Energien ermöglichen“, sagt Carola Klute, die im Projekt namens „GreenGridGuard“ das Teilvorhaben „Materialdiagnostik und Zuverlässigkeitsanalyse“ am Fraunhofer IMWS geleitet hat
Verständnis der mikrostrukturellen und werkstoffmechanischen Mechanismen
Der in weniger als 1 Millisekunde erzeugte Kurzschluss bleibt dabei während des Fehlerfalls dauerhaft bestehen (»Short on fail«-Garantie). Zugleich haben die Forscher Lösungen gefunden, wie sich ein Gehäusebruch auch bei sehr hohen Belastungen verhindern lässt, sodass kein Plasma aus dem Wechselrichter austreten kann.
Um ein möglichst wirkungsvolles Schutzsystem zu entwickeln, haben die Projektpartner auf verschiedene Demonstrator-Designvarianten gesetzt, die während der zweijährigen Projektlaufzeit erprobt und bewertet wurden. Als besonders leistungsfähig erwies sich ein Chipaufbau mit anodenseitig fester Verbindung zwischen einer dicken Trägerscheibe und kathodenseitig lose aufliegender Kontaktscheibe. Diese Variante wurde anschließend weiterentwickelt, um das Bauteil hinsichtlich der Kurzschlusswirkung zu optimieren.
„Wir konnten im Projekt ein genaues Verständnis dafür entwickeln, welche mikrostrukturellen und werkstoffmechanischen Mechanismen an den einzusetzenden Komponenten und Systemen wirken. Dabei konnten wir auch unser Know-how zur individuellen Entwicklung von Prüfverfahren im Mikrobereich für unterschiedliche Materialsysteme sowie für die Bewertung thermomechanischer Beanspruchungen einbringen“, sagt Klute. So wurden beispielsweise passende Diagnostikmethoden und Zuverlässigkeitsuntersuchungen für die neue Abschalteinrichtung entwickelt und in einem Katalog erfasst. Ein Schwerpunkt war die Erforschung der Materialreaktionen im Störfall und die Bewertung, wie sich diese auf die Zuverlässigkeit auswirken.
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Der Artikel ist verwirrend, es wird von mechanischen, also in der Regel externen Abschaltvorrichtungen gesprochen, aber es soll der Schutz der internen Elektronik gewährleistet werden? Und der Artikel suggeriert, dass dies durch Zerstörung erfolgen soll?
Könnte man da bitte eine Quelle angeben, dass man sich ein genaueres Bild machen kann?
Die hohe Leistungsdichte ist erst einmal kein Problem, da diese eine entsprechende Anbindung erfordert, welche wiederum aufgrund ihrer Masse kurzfristig Energie absorbieren kann, es ist ein ganz normaler Designvorgang, dies zu berücksichtigen.
Es gibt so viele Möglichkeiten, was da gemeint sein könnte, dass ich es nicht eingeengt bekomme.
Das Konzept erinnert mich an Schutzvorrichtungen aus Hardware in sicherheitsempfindlichen Sektoren. Allerdings ist dort der Kurzschluss als Schutz auch noch einmal mehrfach abgesichert, schon wegen des Problems von False-Positiv-Auslösung in Situationen, wo das wirklich niemand braucht.
Ich fische hier im Trüben.
Ah, ich glaube es geht hier wohl um Mittelspannung und Hochvolt-Kaskaden ? Deswegen auch das „Plasma aus dem Wechselrichter“?
Der Artikel hat mit Wechselrichter in Niederspannungsbreich wenig zu tun
PV Elemente haben doch einen Maximalstrom.
Wenn man diese eingangsseitig mittels Mosfet kurzschliest, dann kann man bei einem internen Defekt am Leistungsteil diese eingangsseitig auf quasi 0Watt (real eher 5-10) bringen. Also quasi nix.
Somit wird auch ausgangsseitig nix mehr verzeugt.
Ob das hier gemeint ist mir dennoch nicht ganz schlüssig.
Genauer hat es wohl auch die Fraunhofer Seite nicht gehabt. Vielleicht ist ja ein Patent drin. GreenGridGuard kommt auf die Beobachtungsliste.
( im Bereich der Materialforschung wurden die Auswirkungen der Ströme auf die Stromleitermaterialien analysiert, zwischen 20 und 100kA für SiC-Halbleiter(spannungen?); mit 500-1500VDC erreicht man damit (zig) MW-Schaltleistung )
Es geht hier um den Kurzschlussstrom von der Netzseite bei großen PV-Anlagen. Diese werden oft mit einem zentralen Netztrafo (z.B. 1kVrms/30kVrms) ans Mittelspannungsnetz abgeschlossen. Falls jetzt ein Kurzschluss im Niederspannungsnetz ( also 1kV Ebene) auftritt wird dieser Trafo einen bis zu 50 fachen Kurzschlussstrom in den Kurzschluss (also der fehlerhafte Wechselrichter) treiben. Das würde beim Einsatz von üblichen Schutzeinrichtungen zu lange dauern, um Schäden durch Störlichtbögen zu vermeiden. Um es klar zu sagen: Es geht hier um sehr große PV-Anlagen im MW-Bereich!
Markus Droldner schrieb:
„Falls jetzt ein Kurzschluss im Niederspannungsnetz ( also 1kV Ebene) auftritt wird dieser Trafo einen bis zu 50 fachen Kurzschlussstrom in den Kurzschluss (also der fehlerhafte Wechselrichter) treiben. Das würde beim Einsatz von üblichen Schutzeinrichtungen zu lange dauern, um Schäden durch Störlichtbögen zu vermeiden.“
Ich bin mir nicht sicher wie du hier einen Kurzschluss von einem Kurzschluss unterscheiden möchtest und wieso der Kurzschlussstrom bei einem Kurzschluss schlimmer wäre als bei einem anderen? Könntest du das mal bitte zu meinem Verständnis mit einem Rechenbeispiel unterlegen?
Dann sollte man auch sehen können, warum konventionelle Kurzschlüsse mit elektromechanischem Schutz auskommen und Inverterkurzschlüsse nicht. Ich fische immer noch im Trüben.
Gehen die Wechselrichter da also i.d.R. in Rauch auf, trotz NA-Schutz?
Hier mal ein Beispiel:
Trafo 1kV/30kV 2MVA uk: 4%
Also nieferspannungseitig 2kA In und 25facher prospektiven Kurzschlussstrom
D.h. wir es haben hier einen eingeschwungenen Kurzschlussstrom von 50kA (der Stoß Kurzschlussstrom ist in der Regel noch erheblich höher).
Diese Fehler werden üblicherweise mit einem Leistungsschalter auf der MV-Seite abgeschaltet. Die se Schalter lassen bis zu 5 Halbwellen durch.
Das Problem liegt im kritischen Verhältnis zwischen den „kleinen“ Wechselrichtern, welche massiv parallelgeschaltet werden und der hohen Anschlussleistung.
Die Detektion eines kritischen Kurzschluss erfolgt dann über ein Monitoring des di/dt des Trafostroms