70 kVA PV-Wechselrichter mit neuartigen Kühlkonzept

Passende Leistungselektronik ist eine zentrale Komponente zur Aufbereitung und Verteilung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen.

Leistungselektronik für Photovoltaik- und Speichersysteme

Auf dem Gebiet der Leistungselektronik für Photovoltaik- und Speichersysteme bündeln wir unser umfassendes Know-how mit einer einzigartigen Laborinfrastruktur. Innerhalb unserer Forschungsprojekte arbeiten wir kontinuierlich daran, die Leistungsdichte und das Leistungsgewicht, und somit die Integrationsdichte von leistungselektronischen Systemen zu steigern. Darüber hinaus sind wir spezialisiert auf die Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen von bis zu 350 kW für Photovoltaik- und Speichersysteme. Wir entwickeln effiziente und multifunktionale Umrichter für alle Arten von On- und Off-Grid-Anwendungen. Gemeinsam mit unseren Kunden und  Partnern finden unsere erfahrenen Ingenieure die optimalen Hardware- und Software-Lösungen, um alle technischen Anforderungen und Spezifikationen zu erfüllen.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Leistungselektronik für Photovoltaik- und Speichersysteme« umfassen:

Kompakte, effiziente und kundenspezifische Umrichtersysteme

Kompakte, effiziente und kundenspezifische Umrichtersysteme
© Fraunhofer ISE
Batteriewechselrichter, der dank modularen Aufbaus für Industriespeicher zwischen 125 und 2000 Kilowatt eingesetzt werden kann.

Durch unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung von kundenspezifischen Leistungselektroniken im Bereich der Photovoltaik- und Speichersysteme, identifizieren wir mit unseren Kunden und Partnern die passenden Spezifikationen und Systementwürfe hinsichtlich der elektrischen Größen, Mission Profiles und der klimatische Bedingungen. etc.. Damit wir kompakte und effiziente Leistungselektroniken realisieren können, setzen wir neuste Halbleitergenerationen (Silizium, Siliziumcarbid und Hybride) ein und realisieren schnell taktende Designs mit den dafür geeigneten  Schaltungstopologien. Verschiedene Dimensionierungstools helfen uns bei der Auswahl der Bauteile und der anschließenden Realisierung der Schaltpläne und Layouts der Leiterplatten. Nach der externen Fertigung, fügen unsere Techniker und Ingenieure, die elektrischen Baugruppen entsprechend zusammen und führen die Inbetriebnahmen der Wandlerstufen durch. Mit der Integration der kundenspezifischen oder eigens entwickelten Kühlsysteme und Gehäuseformen werden die Prototypen oder Vorserienentwicklungen in unseren Laboren, mit Hinblick auf die aktuellen gerätespezifischen Normen, elektrisch und thermisch vermessen. 

Innovative Aufbau-, Verbindungs- und Kühlkonzepte

Innovative Aufbau-, Verbindungs- und Kühlkonzepte
© Fraunhofer ISE
Technologiedemonstrator eines 70 kVA PV-Wechselrichters mit optimierter Aufbau- und Kühlungstechnik.

Neben dem eigentlichen leistungselektronischen Konzept rücken die peripheren Komponenten der Aufbau-, Verbindungs- und Kühltechnik zunehmend in den Vordergrund unserer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Durch technologische Fortschritte in diesen Bereichen werden sich Leistungsdichte und Leistungsgewicht in Zukunft noch erheblich steigern. Beginnend  mit der Optimierung der Modullayouts, Doppelpulsmessungen zur Bestimmung der Schaltverluste oder auch faseroptischen Temperaturmessungen während des Betriebs der Halbleiter in den jeweiligen Leistungselektroniken bis hin zur optimalen Anbindung an den Kühlkörper können wir mit unserem umfangreichen Know-How, Kunden und Partner bereits bei der Auswahl der geeigneten Halbleitermodule unterstützen. Damit die entstehende Verlustleistung gezielt abgeführt werden kann, greifen wir auf interne Kompetenzen am Institut zurück, um so für die Anforderungen optimierte Kühlkörperkonzepte bspw. mit Heatpipes oder Verbundwerkstoffen realisieren  zu können. Bei der Entwicklung steht natürlich auch immer die Wirtschaftlichkeit unseres Leistungselektronik Designs im Fokus, so dass wir möglichst über einen großen Leistungsbereich auf Standard Leiterplattentechnologien zurückgreifen. Der partielle Einsatz von Kupferscheinen und der gestapelte Aufbau von Platinen helfen uns dabei, dennoch sehr große Leistungsdichten  zu realisieren. 

Hochdynamische, flexible und resiliente Regelungstechnik und Zustandsüberwachung

Strukturbild eines Zustandsreglers mit Beobachter für eine Stromregelung
© Fraunhofer ISE
Strukturbild eines Zustandsreglers mit Beobachter für eine Stromregelung.

Für unserer leistungselektronischen Entwicklungen und  kundenspezifischen Wandler entwerfen wir innovative Regelungsansätze nach den jeweiligen Anforderungen. Neben den konventionellen Ansätzen (P, PI, PID, Vektorregelung) beherrschen wir die Entwicklung von  Zustandsreglern, Beobachtern und modellprädiktiven Ansätzen. Die mathematische Beschreibung des Systems und der anschließende Regelungsentwurf sind dabei die Grundlage der Modelbildung und Simulation zur Verifizierung der Regeleigenschaften. Ob Einzelphasen- oder Mehrphasensysteme (DC und AC), die Regelung komplexer mehrstufiger Leistungselektroniken mit laufzeitoptimierten Algorithmen in der jeweiligen hardwarenahe Programmiersprache ist dabei eine unserer Stärken.

Innerhalb unserer Entwicklungs- und Forschungsprojekte liegt ein Fokus auf der Verbesserung der Spannungsqualität und Spannungshaltung bei netzgekoppelten Systemen. Ebenso beschäftigen wir uns verstärkt mit der Integration von Zustandsüberwachungen und prädiktiven Instandhaltungsansätzen unserer Entwicklungen. 

Simulationen und Studien zu leistungselektronischen Wandlern für PV- und Speichersysteme

Wirkungsgradsimulation eines DC/DC-Wandlers mit integrierter Regelung
© Fraunhofer ISE
Wirkungsgradsimulation eines DC/DC-Wandlers mit integrierter Regelung.

Jedes Projekt beginnt mit einer Idee und der darauffolgenden Ausarbeitung einer Konzept- oder Machbarkeitsstudie. Dabei identifizieren unsere Experten die für die Anwendung geeigneten Schaltungstopologien, dimensionieren die entsprechenden Hauptkomponenten und führen eine simulative Bewertung des Systems durch. 

Ebenso gehören die Analyse, die Charakterisierung und die Modifikation bestehender leistungselektronischer Wandler und Systeme zu unseren Aufgabengebieten. Darüber hinaus unterstützen wir unsere Kunden punktuell bei ihren Entwicklungen z.B. mit dem Review von Schaltplänen und Layouts und der Beratung hinsichtlich der Anwendung von gerätespezifischen Normen.

Über Schulungen, Seminare oder Vorträge transferieren wir unser Know-How in den Bereichen der Photovoltaik- und Speichersysteme an die interessierte Fachwelt. 

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