Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 08/2015-08/2019 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) |
| Kooperationspartner: | STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH & Co. KG, Bombardier Transportation GmbH, VAG Freiburg |
| Projektfokus: |       |
SiC-BiNet
Bidirektionaler Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Bauelementen zur gesteigerten Integration erneuerbarer Energien und innerstädtischer Speicher in innovative Netzstrukturen
Einphasiger 15-kV-Mittelspannungswechselrichter für Bahnanwendung. Frontansicht.
Einphasiger 15-kV-Mittelspannungswechselrichter für Bahnanwendung. Rückansicht.
Ziel des Projekts »SiC-BiNet« ist die Demonstratorentwicklung eines hochkompakten einphasigen bidirektionalen AC/DC-Umrichters mit Hochvolt-SiC-Bauelementen für die Anbindung an das Mittelspannungsnetz. Die galvanische Trennung erfolgt hierbei über einen HF-Transformator, der mit neuen Kernaufbauten und angepassten Isolierstoffen den hohen Spannungssteilheiten der Hochvolt-SiC-Bauelemente standhält.
Im Projekt wurde ein einphasiger Mittelspannungsumrichter zur Kopplung des DC-Straßenbahnnetzes (750 V) mit dem AC-Bahnnetz (15 kV / 16,7 Hz) entwickelt und in Betrieb genommen. Daneben wurden zwei Messkampagnen in den Unterwerken der VAG Freiburg durchgeführt und basierend auf diesen Ergebnissen ein Simulationsmodell zu Abschnitten des VAG-Netzes erstellt. Außerdem wurden Systemkonzepte zur Integration von Speichern erarbeitet, simuliert und bewertet.
Auf Grundlage einer ausführlichen Topologierecherche, bei der verschiedene Topologien gesammelt, genau beschrieben und bewertet wurden, wurde die für den Demonstrator am besten geeignete Topologie ausgewählt. Für den DC-DC-Steller wurde eine neuartige Multilevel Dual Active Bridge (DAB) mit einer H4-Vollbrücke am Niederspannungseingang, einem Mittelfrequenztransformator und einer ANPC-Vollbrücke am Mittelspannungsausgang ausgewählt. Der Wechselrichter ist als ANPC-Vollbrücke mit LCL-Filter ausgeführt. DC-DC-Steller und Wechselrichter wurden detailliert simuliert. Mit Hilfe der Ergebnisse aus der Halbleitercharakterisierung zu den verwendeten 15-kV-MOSFETs wurde für die DAB eine Schaltfrequenz von 30 kHz und für den Wechselrichter von 16 kHz festgelegt. Unter Berücksichtigung der sehr hohen Spannungen sind dies sehr hohe Schaltfrequenzen.
Die nötigen Induktivitäten wie der Mittelfrequenztransformator und die Haupt- und Netzdrossel des LCL-Filters wurden von STS entwickelt und mit den Ergebnissen der Inbetriebnahmen optimiert.
Für die Ansteuerung der ANPC-Vollbrücken wurden spezielle Ansteuerverfahren entwickelt, die Überspannungen an den Halbleitern vermeiden. Für eine gute Isolations- und Störfestigkeit wurden sämtliche Signale über Lichtwellenleiter übertragen. Für die ersten Tests der Regelung wurde eigens ein Niederspannungsmodell entwickelt, um nicht in Gefahr zu laufen, bei möglichen Fehlern die teure Mittelspannungsleistungselektronik zu zerstören.
Das Gesamtsystem wurde in einem Schaltschrank mit den Abmaßen 2000 mm x 140 mm x 80 mm (H x B x T) aufgebaut und im neu bezogenen Mittelspannungslabor des Fraunhofer ISE in Betrieb genommen.
Die Arbeiten erfolgten unter enger Zusammenarbeit der Projektpartner Bombardier, VAG, STS und Fraunhofer ISE.