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

PV-Wechselrichter stehen unter einem enormen Kostendruck. Eine Steigerung der AC Ausgangsspannung und der Leistung bringt Kostenvorteile sowohl auf der Komponentenebene, z.B. durch den reduzierten Materialeinsatz bei den passiven Bauelementen, als auch bei den Installationskosten durch die Reduktion der Kabelquerschnitte. Im Rahmen des Forschungsprojekts »MS-LeiKra« soll ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von PV-Großkraftwerken entwickelt und im Labormaßstab validiert werden, bei dem eine Anhebung der Spannung in den Mittelspannungsbereich auf U_AC ≥ 1500 V umgesetzt werden soll.

Im Rahmen dieses Vorhabens soll zusammen mit den Projektpartnern die neue Systemtechnik für die nächste Generation von PV-Großkraftwerken entwickelt und im Labormaßstab validiert werden. Hierbei wird die Spannung des Kraftwerks im Mittelspannungsbereich (U_AC > 1500 V) ausgeführt werden.

Bisherige Entwicklungen reizen die Grenzen der Niederspannung (< 1000 VAC / <±1500 VDC) aus. Das skizzierte Vorhaben macht den großen Schritt in die Mittelspannungsklasse und ermöglicht damit eine Kostenreduktion auf Systemebene und größere Kraftwerksleistungen. Mit diesem Ziel werden die für bisherige PV-Anlagenkonzepte geltenden normativen Bedingungen der VDE0100 verlassen. Die im geplanten Konzept zur Geltung kommende Norm VDE0101 für elektrische Anlagen mit AC-Spannungen größer als 1000 VAC deckt im bisherigen Umfang noch bei weitem nicht die für den Einsatz in PV-Anlagen nötigen Anwendungsgebiete ab. Daher besteht ein Teil des Projektes auch aus normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben.

Das Fraunhofer ISE entwickelt hierzu eine an dieses Konzept angepasste leistungselektronische Systemtechnik. Diese besteht aus einem Wechselrichter mit ca. 250 kVA für den Anschluss an das Mittelspannungsnetz und einen zugehörigen DCDC-Steller für die Anbindung der PV-Strings an den Zwischenkreis. Im Wechselrichter werden voraussichtlich 1700 V SiC-MOSFETs in einer Multilevel-Topologie zum Einsatz kommen. Der DCDC-Steller wird aus mehreren parallelen Einzelstellern bestehen, um Multistring-MPP-Tracking zu ermöglichen. Die einzelnen Steller sollen dabei auf Basis von neuartigen 3,3 kV HV-SiC-MOSFETs aufgebaut werden. Für den Umrichter wird seitens ISE auch die übergeordnete Regelung entwickelt, welche den Betrieb mehrerer paralleler Umrichter im Kraftwerkwerksverbund ermöglicht.