MS-LeiKra – Leistungselektronik für die nächste Generation von Mittelspannungs-PV-Kraftwerken

Für den geplanten Ausbau der Photovoltaik werden große Mengen an Rohstoffen benötigt, unter anderem Kupfer und Aluminium für Kabel und Transformatoren. Ein Forschungsteam am Fraunhofer ISE hat im Projekt »MS-LeiKra« einen Stringwechselrichter entwickelt, der eine deutlich höhere Ausgangsspannung aufweist. Hierdurch können große Mengen an Ressourcen gespart werden. Denn aus der höheren Spannung resultieren ein kleinerer Strom und damit geringere Kabelquerschnitte. Zusätzlich wurde im Rahmen dieses Vorhabens ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von Groß-PV-Kraftwerken entwickelt.

Heutige Stringwechselrichter nutzen Ausgangsspannungen (Leiter-Leiter) zwischen 400 V_AC und 800 V_AC. Diese Spannung wurde in der Vergangenheit mit den steigenden Leistungen der Stringwechselrichter immer weiter angehoben. Durch die höhere Spannung sinkt bei gleicher Leistung der Strom und damit die stromabhängigen Verluste. In den letzten Jahren gab es allerdings keine weitere Anhebung der Spannung trotz weiter steigender Leistungen. Hierfür gibt es zwei Gründe: 1. die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter für höhere Spannungen auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen; 2. die heute vorhandenen PV-spezifischen Normen gelten nur für den Bereich der Niederspannung. Dieser endet bei 1.500 V_DC bzw. 1.000 V_AC. 

Die Einsparpotenziale, die durch eine weitere Erhöhung der Spannung erzielt werden könnten, zeigt das Bild unten links. Zugrunde liegt hier die Annahme eines Stringwechselrichters mit einer Leistung von 250 kVA. Bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 V_AC wird nach DIN VDE 0298-4, Tabelle 9.2 ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² benötigt. Wird die Spannung auf 1 500 V_AC erhöht, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 mm². Bei einer Erhöhung auf 5.000 V_AC bleiben nur noch 4 mm² erforderlicher Kupferquerschnitt. Da in einem PV-Großkraftwerk Kabellängen im zweistelligen Kilometerbereich verbaut werden, können also enorme Materialmengen eingespart werden.

Um die genannten Hürden zu überwinden, haben Forschende des Fraunhofer ISE den weltweit ersten Mittelspannungs-Stringwechselrichter entwickelt und erfolgreich am Netz in Betrieb genommen. Der Wechselrichter hat eine Ausgangsspannung von 1.500 V_AC bei einer Leistung von 250 kVA. Er ist zweistufig aufgebaut. Der Hochsetzsteller mit einer PV-Eingangsspannung von 1,7 kV bis 2,4 kV basiert auf 3,3 kV Siliciumcarbid-(SiC)-Halbleitern. Der Wechselrichterteil wurde mit hybriden ANPC-Modulen aufgebaut. Hier kommen vier Silicium- und zwei SiC-Halbleiter zum Einsatz. Durch diese Topologie können bei nur minimal höheren Kosten die großen Vorteile von SiC genutzt werden. Mit dem Demonstrator konnte gezeigt werden, dass höhere Spannungen technisch umsetzbar sind und nun an einer Anpassung der Normen gearbeitet werden muss.