HiDC-PV-Kraftwerk – Entwicklung und Aufbau einer PV-Kraftwerkstechnik mit einem DC-Spannungsniveau von +/- 1.500 V

Leistungselektronik für PV-Kraftwerke der Zukunft

Laufzeit: August 2013 - Juli 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Bonfiglioli Vectron GmbH
© Fraunhofer ISE
Abb. 1: Multi-Megawatt PV-Kraftwerk.
© Fraunhofer ISE
Abb. 2: Prototyp des DC/DC-Stellers für den Einsatz in großen PV-Kraftwerken.
© Fraunhofer ISE
Abb. 3: Übersicht der unter­suchten Kraftwerks­konzepte mit einem DC-Spannungs­niveau von 1000 V bis +/- 1500 V. Mit den neuen Konzepten kann das Potenzial der gemäß Nieder­spannungs­richtlinie maximal erlaubten AC-Spannung von 1000 V vollständig ausgereizt werden.

In heutigen PV-Kraftwerken liegt die Systemspannung üblicherweise bei maximal 1000 V. Im Projekt »HiDCPV- Kraftwerke« wird eine Kraftwerkstechnologie entwickelt, die mit den maximal möglichen Spannungen der Niederspannungsrichtlinien arbeitet. Durch die im Verhältnis reduzierten Ströme können erhebliche Ersparnisse bei Kosten und Ressourcen erzielt werden. Es wurden verschiedene Leistungselektronikkonzepte mit DC-Spannungen von 1000 V bis +/- 1500 V miteinander verglichen. Dabei wurden sowohl die Kosten für die Balance of System-Komponenten (BOS) ermittelt, als auch die Effizienz der leistungselektronischen Systeme untersucht.

Als Ausgangspunkt wurde ein Kraftwerkskonzept nach dem Stand der Technik definiert (Abb. 3: Fall A). Um den Einfluss der Leistung auf die Kosten zu untersuchen, wurde dieses Konzept auf 3 MW skaliert. Dadurch ergeben sich Einsparungen in den BOS-Kosten von 16 %. Den Einfluss des Spannungsniveaus zeigt die Analyse weiterer drei Konzepte mit erhöhtem Spannungsniveau (Abb. 3: Fall B–D). Jedes dieser drei Konzepte führt zu einer BOS-Kostenreduktion von weiteren 15 % gegenüber dem 3 MW-Referenzkonzept.

Zur Bestimmung der Verluste und Wirkungsgrade der Konzepte haben wir Simulationsberechnungen angestellt. Für den Referenzfall A wurde eine übliche 2-Level-Topologie simuliert, während für die Fälle B bis D aufgrund der erhöhten Spannung eine 3-Level-Topologie gewählt wurde. In Fall C kann derselbe Umrichter wie in Fall B verwendet werden, der dank des Festspannungsbetriebs jedoch eine um 50 % erhöhte Nennleistung aufweist. Für Fall D muss der Umrichter mit spannungsfesteren Halbleitern ausgeführt werden. Mit allen Topologien sind Wirkungsgrade von über 98 % möglich. Lediglich Fall D weist Schwächen bei hohen Spannungen auf.

Für die in Fall C benötigten DC/DC-Steller haben wir eine innovative Topologie verwendet, die große Vorteile gegenüber einem üblichen DC/DC-Steller aufweist. Es wurde bereits ein Prototyp mit einer Leistung von 250 kW und einem Wirkungsgrad von über 99 % aufgebaut. Die Realisierung eines 3-Level-Umrichters ist in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner geplant.