Hochleistungselektronik und Systemtechnik

Für die Umsetzung der Ausbauziele für die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien sind, neben kleinen dezentralen Anlagen, auch PV-Großkraftwerke im Megawattbereich sowie die Integration erheblicher Speicherkapazitäten erforderlich. Neben der klassischen Netzeinspeisung gewinnen Hybrid-Kraftwerkslösungen (z.B. PV-Speicher-Kraftwerke) sowie industrielle Prosumerkonzepte an Bedeutung.

Im Rahmen zahlreicher Industrieentwicklungen und Forschungsprojekte haben wir tiefgreifende Kompetenzen im Bereich Stromrichter für die Nieder- und Mittelspannung bis in den Multi-Megawattbereich aufgebaut.

Ziel unserer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ist die Optimierung des Gesamtsystems durch neue Technologieansätze, um damit die Kosten der leistungselektronischen Systeme bei Herstellung, Errichtung und Betrieb zu reduzieren. Unsere umfangreiche Laborinfrastruktur mit Test- und Entwicklungsmöglichkeiten für DC- und AC-Systeme im Spannungsbereich bis 40 kV und Leistungen bis zu 20 MVA bildet die Grundlage für unsere Services im Auftrag unserer Industriepartner und öffentlichen Auftraggeber.

Im Nieder- und Mittelspannungsbereich können mit SiC-Transistoren kompakte und effiziente Stromrichter mit und ohne galvanische Trennung aufgebaut werden. Durch die hohen möglichen Taktfrequenzen eröffnen sich neue Möglichkeiten wie z.B. für Schaltungen mit Mittelfrequenztransformatoren oder zur Kompensation von Oberschwingungen bis in den kHz-Bereich. Ein- und dreiphasige Wechselrichter werden in Zukunft ohne Transformator direkt an der Mittelspannung betrieben werden können, wodurch sich vor allem für erneuerbare Energie und Stromnetze neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Auch in mobilen Applikationen, wie beispielsweise der Bahn, spielen SiC-Transistoren eine bedeutende Rolle, wenn es um Gewichts- und Bauraumeinsparung geht.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Hochleistungselektronik und Systemtechnik« umfassen:

• Hochleistungsstromrichter für PV- und Batteriesysteme sowie für hybride Kraftwerke
• Entwicklung von Hochleistungselektronik für die Mittelspannung
• Untersuchung von Leistungshalbleitern und -modulen bis 20 kV / 3,6 kA
• Vergleichende Topologieuntersuchungen
• Entwicklung neuer systemtechnischer Konzepte für PV-Großanlagen
• Anwendung von Halbleiterprototypen, insbesondere hochsperrenden SiC-Bauelementen
• Hochauflösende Vermessung von Systemen für die Mittelspannung bis 20 MVA
• Entwicklung von Regelungstechnik und Embedded Software

Je nach Spannungs- und Leistungsbereichen Ihrer Anwendung eignen sich unterschiedliche Topologien und Regelalgorithmen für den Aufbau effizienter Stromrichter. Im heutigen stark wachsenden Marktumfeld für Stromrichtersysteme werden Lösungen, die gut auf das jeweilige Einsatzgebiet zugeschnitten sind, zum Wettbewerbsvorteil. In enger Zusammenarbeit mit unseren Partnern und Kunden entwickeln wir passende Konzepte und Regelungstechnik oder optimieren bestehende Lösungen. Vor die Entwicklung eines Hardware-Designs führen wir thermische und elektrische Simulationen durch, um einen fehlerfreien Betrieb sicherzustellen. Damit können wir alle Entwicklungsschritte bis zum Vorserien-Prototyp anbieten.

In zunehmend dezentral gespeisten Netzen müssen einspeisende Wechselrichter bereits heute wichtige Systemdienstleistungen wie z.B. lokale Spannungsregelung oder Frequenzhaltung übernehmen. Zukünftig werden auch netzbildende Wechselrichter und schwarzstart-fähige Systeme an Bedeutung gewinnen, um das Stromnetz auch bei geringer oder völlig fehlender Einspeisung aus rotierenden Generatoren zu stabilisieren. Diese Funktionen können wir simulieren, implementieren und testen.

Mit der Erhöhung der DC-Systemspannung in PV-Großanlagen von 1000 V auf 1500 V steigt auch die Anschlussleistung von neuen Produktgenerationen dezentraler Multistring-Wechselrichter auf einige hundert kW. Zunehmend wird diese Geräteklasse auch in großen Kraftwerken eingesetzt, die bisher Zentralwechselrichterlösungen vorbehalten waren. Wechselrichter der Megawatt-Klasse können ihre Vorteile allerdings in neuen Anwendungsfeldern im Bereich hybrider Kraftwerke, z.B. in Verbindung mit Batteriespeichertechnologien oder Wasserstofferzeugung ausspielen. Im Austausch mit unseren Partnern finden wir passende und zukunftsfähige Lösungen.

Durch die Energiewende wird in Zukunft auch der Bedarf an Stromrichtern im Mittelspannungsbereich zunehmen. Nicht nur in der Windkraft sondern auch in großen Photovoltaik-Kraftwerken mit Leistungen über 100 MVA und sehr hohen Flächenausdehnungen ist es sinnvoll, die Energie mittels leistungselektronischer Wandler auf Mittelspannungsebene zu sammeln, um die Leitungsverluste gering zu halten.

Bauelemente aus Siliciumkarbid (SiC) mit Sperrspannungen größer 10 kV eignen sich optimal für den Einsatz in der Leistungselektronik für die Mittelspannung. SiC-Transistoren in diesem Spannungsbereich sind inzwischen verfügbar und werden von uns für Stromrichterentwicklungen genutzt. Im Vergleich zu Silicium-(Si)-Transistoren können damit bei gleicher Systemspannung erheblich einfachere Topologien verwendet werden.

Die hohen Sperrspannungen sowie die extrem hohen Schaltgeschwindigkeiten dieser neuen Bauelemente bergen aber auch neue Herausforderungen, für die wir Lösungen entwickeln.

Weitere Anwendungsgebiete sind der Einsatz von Stromrichtern zur Netzstabilisierung sowie für die Bahntechnik.

Aktive Halbleiterschalter sind das Kernelement in jedem Stromrichter. Sie bestimmen direkt das Systemverhalten, den Wirkungsgrad, die Schaltfrequenz und das thermische Management. Die genaue Kenntnis des statischen und dynamischen Verhaltens ist daher unbedingt für die optimale Auslegung eines Systems nötig. Gerade bei neu erhältlichen Bauelementen sind die Datenblattwerte oft noch nicht ausführlich vorhanden oder ungenau.

In unseren Laboren können wir Leistungstransistoren im Spannungsbereich von 100 V bis 20 kV charakterisieren. Unsere Teststände können dafür auf alle üblichen Gehäuseformen für diskrete Transistoren von FlipChip- über SMD- nach Through-Hole-Gehäusen angepasst werden. Spezielle Leistungshalbleitermodule können ebenfalls vermessen werden. Zum Aufnehmen der Kennlinien setzen wir modernste breitbandige Strom- und Spannungssensoren ein.

Zur bestmöglichen Auslegung einer leistungselektronischen Schaltung gehört die Wahl der für die spezifische Anwendung optimalen Topologie. Mit Hilfe modernster Software wie MATLAB/Simulink®, PLECS®, PSpice® oder FloTHERM®, kann hierfür schon ein großer Teil der Arbeit erledigt werden, bevor die erste Hardwarekomponente bereitstehen muss.

Die Kriterien, die an eine Topologie gestellt werden, sind meist sehr vielseitig und es gilt hinsichtlich geeigneter technischer und ökonomischer Gesichtspunkte (Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Bauteilkosten etc.) abzuwägen. Welche Gewichtung sinnvoll ist, hängt von der Anwendung ab.

Die Mitarbeitenden des Fraunhofer ISE haben Erfahrung in der detaillierten Untersuchung existierender Topologien, wie auch in der Simulation und dem Nachweis der Funktionstüchtigkeit neuartiger Topologien. Unser Spektrum umfasst dabei alle Arten der Strom- / Spannungswandlung: DC/DC, DC/AC, AC/DC und AC/AC.

Die technischen Anforderungen an die Wechselrichtersysteme und den Netzanschluss eines PV-Großkraftwerks hängen stark vom systemtechnischen Aufbau des Gesamtsystems ab. Je nach geografischen Gegebenheiten und erwartbaren Umwelteinflüssen ergeben sich andere Anforderungen beispielsweise an das Derating-Verhalten oder an Kühl- und Wartungskonzepte.
Innovative Verschaltungen und aktive Elemente in der DC-Verteilung ermöglichen effizientere und günstigere Wechselrichter mit angepassten Erdungs- und Schutzsystemen. Besonders in hybriden Erzeugungsanlagen, die erneuerbare Energiequellen mit Speichertechnologien verbinden, ermöglicht eine Optimierung der Auslegung die Effizienzsteigerung bei Reduktion der Investitionskosten. Neben einem Benchmarking von marktverfügbaren Stromrichtersystemen für bekannte Anlagenspezifikationen bieten wir eine anwendungsspezifische Entwicklung und Bewertung neuer Anlagenkonzepte inklusive DC-Verteilung und Netzanbindung an.