Hochspannungs-SiC-Wechselrichter Zur Stabilisierung von Mittelspannungsverteilnetzen

Einphasiger 20-kV-Leistungsstack mit 15-kV-SiC-MOSFETs, Treibern und anteiligen Zwischenkreiskondensatoren.
Einphasiger 20-kV-Leistungsstack mit 15-kV-SiC-MOSFETs, Treibern und anteiligen Zwischenkreiskondensatoren.

Forscher des Fraunhofer ISE haben einen Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das 10-kV-Mittelspannungsnetz entwickelt und bereits erfolgreich in Betrieb genommen. Siliziumkarbid-Transistoren erlauben den Verzicht auf einen zusätzlichen Transformator.

Nach heutigem Stand der Technik erfolgt die Anbindung von Leistungselektronik an das Stromnetz zunächst in der Niederspannungsebene. Für die Stabilität des Stromnetzes werden leistungselektronische Wandler, sogenannte STATCOMs (Static Synchronous Compensator) eingesetzt, die stufenlos induktive oder kapazitive Blindleistung bereitstellen. Die Kopplung an das Mittelspannungsnetz erfolgt dabei über einen 50-Hz-Transformator.

Der nun am Fraunhofer ISE entwickelte Wechselrichter kann ohne Transformator in das Mittelspannungsnetz einspeisen. Möglich wird dies durch den Einsatz von Hochspannungs-Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid. Erste Prototypen mit Sperrspannungen bis 15 kV werden dafür verwendet.

Einfachere Systemkonzepte und höhere Dynamik

Aktuell kommerziell erhältliche Transistoren aus Silicium haben lediglich Sperrspannungen bis 6,5 kV. Daher müssen komplexe Mehrpunktschaltungen mit hohem Bauteilaufwand eingesetzt werden, um in ein 10-kV- oder 20-kV-Mittelspannungsnetz einspeisen zu können. Zudem sind die Verlustenergien dieser Transistoren aus Silizium sehr hoch.

Durch die höheren Sperrspannungen von SiC-Halbleitern lässt sich die Anzahl der benötigten Bauelemente in einem Stromrichter reduzieren und damit die Effizienz und Kompaktheit steigern. Außerdem zeichnen sich die SiC-Transistoren durch sehr geringe Schaltenergien aus, was hohe Schaltfrequenzen im Wechselrichter ermöglicht. Die passiven Bauelemente können dadurch kleiner dimensioniert werden. Ein kompakter Wechselrichter ohne Transformator bietet zudem innerstädtisch die Möglichkeit zur Nachrüstbarkeit in Mittelspannungs-Bestandsanlagen.

Ein weiterer Vorteil der neuen Transformatortechnik ist die höhere Regeldynamik des Wechselrichters. Durch die hohen Taktfrequenzen kann der Wechselrichter als aktiver Filter eingesetzt werden, um Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren. Dies ist mit STATCOMs derzeit wegen der Tiefpasswirkung des 50-Hz-Transformators nur bedingt möglich.

Der Demonstrator des Fraunhofer ISE

Die Leistung des Demonstrators, den Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, zur Einspeisung in das 10-kV-Netz beträgt 100 kVA. Die Schaltfrequenz liegt mit 16 kHz etwa um den Faktor 10 höher als bei Mittelspannungsumrichtern mit Si-Halbleiterbauelementen. Als Transistoren kamen 15-kV-/10-A-SiC-MOSFETs zum Einsatz. Die induktiven Bauelemente wurden vom Projektpartner STS Spezial-Transformatoren Stockach entwickelt.

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

Neue Herausforderungen durch SiC-Transistoren

Der Einsatz hochsperrender SiC-Transistoren bringt neue Herausforderungen mit sich. Die Transistoren schalten sehr schnell und die enorm 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 noch Weiterentwicklungen in unterschiedlichen Technologiebereichen notwendig, etwa bei den Leistungsmodulen oder den induktiven und kapazitiven Bauelementen.