MODUS - Modulare und ausfalltolerante PV-Umrichter für PID-freundliche 1500-V-Systemtechnik

Laufzeit: 08/2016 - 06/2020
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Sinusstrom GmbH; LTI ReEnergy GmbH
Projektfokus:
Dreiphasiges 500 kVA Leistungsmodul in 3-Level NPC-Topologie mit Control-Platine
© Fraunhofer ISE
Dreiphasiges 500 kVA Leistungsmodul in 3-Level NPC-Topologie mit Control-Platine.
1 MVA PV-Wechselrichter-Demonstrator aus zwei Leistungsmodulen
© Fraunhofer ISE
1 MVA PV-Wechselrichter-Demonstrator aus zwei Leistungsmodulen.
Prinzip-Schaltbild des iGAK mit IGBT, Dioden und stromlos schaltenden Relais
© IGRA Power GmbH
Prinzip-Schaltbild des iGAK mit IGBT, Dioden und stromlos schaltenden Relais.

Der Übergang von 1000- zu 1500-V-Systemen hat in großen PV Anlagen zu einer deutlichen Reduzierung der Investment-Kosten geführt. Dennoch bleibt die maximale Leerlaufspannung der PV-Module im aktuellen Park-Design der limitierende Faktor. Typische DC-Betriebsspannungen liegen bei 900 bis 1300 V. Im Projekt »MODUS« wird ein Konzept entwickelt, das Betriebsspannungen bis zu 1500 V ermöglicht. Das Systemkonzept sowie der modulare Aufbau des im Projekt entwickelten Zentral-Wechselrichter-Demonstrators sind so gestaltet, dass Aufwand und Kosten vor allem für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) deutlich gesenkt werden können.

Innerhalb des Forschungsprojekts »MODUS« wird ein Konzept für den modularen Aufbau eines Zentralwechselrichters entwickelt und umgesetzt, das mit einer hohen Anzahl von Gleichteilen Kosteneinsparungen bei der Lagerung sowie im Einkauf erlaubt. Zudem ermöglicht es eine teilautomatisierte Fertigung ohne große Investitionen in produktspezifische Produktionslinien. Dies ist insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen vorteilhaft, um mit Großunternehmen auf dem globalen Markt konkurrieren zu können. Die mechanischen Teile werden so designt, dass sie mit einfachen Biege- und Stanztechniken herzustellen sind. Dies ermöglicht die Einbindung lokaler Zulieferer nahe des Aufstellortes des PV-Generators.

Weiterhin wird unter Einbezug der Schaltfunktionalitäten eines intelligenten Strangsammlers (iGAK) ein Konzept entwickelt, das über eine Anhebung der DC-Leerlaufspannung auf 1800 V eine Erhöhung der Betriebsspannungen von aktuell ca. 900 bis 1300 V auf bis zu 1500 V ermöglicht. Dies erlaubt eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Wechselrichter um ca. 20%. Bei großen PV-Parks kann so die Anzahl der benötigten Wechselrichter reduziert werden. Zudem reduziert sich die DC-seitig benötigte leistungsspezifische Kabellänge um etwa 12%. Der Einsatz einer im Projekt untersuchten PV-Minus-Erdung führt zu einer weiteren Reduktion Kabellänge von etwa 30%. Die Erdung verhindert potenzial-induzierte Degradation (PID) an den PV-Modulen auch bei erhöhter DC-Spannung zuverlässig und es sind keine weiteren Geräte zur Potenzialanhebung erforderlich.

Durch die innerhalb des iGAK installierte Messtechnik kann dieser in das Anlagen-Sicherheitskonzept zur Behandlung von Erd- und Kurzschlüssen mit eingebunden werden und erlaubt eine verbesserte Fehler-Lokalisierung. Die höheren Kosten für notwendige Halbleiter-Bauelemente relativieren sich durch die deutlich günstigeren mechanischen Schalter, die leistungslos trennen können, sodass für den iGAK Herstellkosten vergleichbar mit konventionellen GAK zu erwarten sind.

Allerdings muss berücksichtigt werden, dass nach aktueller IEC-Normlage Strangsammler Leerlaufspannungen von 1650 V nicht überschreiten dürfen. In Deutschland sind sie aufgrund einer Definition in der VDE 0100-712 sogar auf 1500 V limitiert. Die Vorteile des entwickelten Lösungskonzeptes können daher erst voll ausgeschöpft werden, wenn sie entsprechende Berücksichtigung in der Normung finden.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

Geschäftsfeldthema

Umrichtersysteme

Geschäftsfeld

Leistungselektronik, Netze und Intelligente Systeme

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