SiC-MSBat

Mit voranschreitender Energiewende wird der Ausbau der Stromnetze zunehmend wichtiger. Immer mehr regenerative Erzeugungsanlagen sowie elektrische Speicher werden an das Netz angeschlossen. Dadurch kommt der Leistungselektronik eine entscheidende Rolle zu, weil sie zur Ankopplung dieser Systeme an das Netz notwendig ist. Neben der reinen Einspeisung bzw. Rückspeisung von elektrischer Energie muss die Leistungselektronik aber noch weitere netzstützende Aufgaben übernehmen. Im Projekt »SiC-MSBat« haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit Partnern einen hochkompakten Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.

Aktuell speisen Wechselrichter meist in das Niederspannungsnetz ein. Über große 50-Hz-Transformatoren werden sie dann an das Mittelspannungsnetz gekoppelt. Der Einsatz neuartiger Transistoren aus Siliciumkarbid (SiC) mit sehr hohen Sperrspannungen ermöglicht nun auch eine direkte Anbindung der Wechselrichter an das Mittelspannungsnetz. Durch ihre hohe Regeldynamik können SiC-Wechselrichter netzstabilisierende Aufgaben übernehmen und beispielsweise als aktiver Netzfilter fungieren. Des Weiteren können mit ihrer Hilfe sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden.

Im Rahmen des Projekts wurde ein 250-kW-Wechselrichter-Stack zur Einspeisung in 3-kV-AC-Netze entwickelt. Zum Einsatz kommen dabei neuartige 3,3-kV-SiC-Transistoren. Diese weisen wesentlich geringere Verlustleistungen auf als vergleichbare Siliciumtransistoren und erlauben daher eine Taktung des Wechselrichterstacks mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz. Verglichen mit Siliciumtransistoren nach dem aktuellen Stand der Technik entspricht dies einer 10-mal höheren Schaltfrequenz in dieser Spannungsklasse. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht Einsparungen bei den passiven Bauelementen, weil diese kleiner dimensioniert werden können. Eine weitere Besonderheit des Wechselrichters ist seine aktive Flüssigkeitskühlung, bei der ein synthetischer Ester als Kühlmedium dient. Das Kühlmedium wird durch den Wechselrichter gepumpt und kühlt über einen Flüssigkeitskühlkörper sowohl die Transistoren als auch die Filterdrosseln, die in einem geschlossenen Tank untergebracht sind. Gleichzeitig dient es als elektrisches Isolationsmedium für die Filterdrosseln, wodurch diese kompakter gebaut werden können.
Der Wechselrichter wurde in den Labors des Fraunhofer ISE aufgebaut und getestet, wobei er bei der Nennleistung einen sehr hohen Wirkungsgrad von 98,4 % erzielte. Die Konstruktion des Geräts erlaubt das modulare Zusammenschalten von mehreren Wechselrichterstacks, um Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen.