Modular und Leistungsstark

Modularer 1-MVA-PV-Wechselrichter mit 500-kVA-Einschüben – Die Erweiterbarkeit auf mehrere Megawatt ermöglicht vereinfachte Fertigungsprozesse.

Hochleistungsumrichter und innovative Anlagenkonzepte

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 Forschungsprojekte und Industrieaufträge haben wir über Jahre hinweg tiefgreifende Erfahrung im Bereich Stromrichtertechnologien für PV-Großkraftwerke bis in den Multi-Megawattbereich gewonnen. Ferner besitzen wir eine umfassende systemtechnische Expertise bei elektrischen Fragestellungen vom PV-Modul bis zum Netzanschlusspunkt. Unser Aufgabenspektrum reicht von der Entwicklung und Bewertung von Anlagenkonzepten, über die Simulation und Entwicklung kundenspezifischer Leistungselektronik und Regelungstechnik bis zur Fehleranalyse im Feld und anwendungsorientierten Tests im Labor.

Unsere Lösungen zielen darauf ab, die Investitions- und Instandhaltungskosten des Gesamtsystems zu senken und einen für die Anwendung optimierten Betrieb zu erreichen. Unser Know-how aus dem Photovoltaikbereich haben wir dabei erfolgreich auf weitere Anwendungsfelder wie Laderegler für Batteriespeicher übertragen. Unsere europaweit einzigartige Laborinfrastruktur mit Testmöglichkeiten für Spannungen bis 1500 V und Leistungen bis zu 10 MW sowie teils mobilem Messequipment bietet einen passenden Rahmen für unsere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Auftrag unserer Industriepartner oder öffentlichen Auftraggeber.

 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Hochleistungsumrichter und innovative Anlagenkonzepte« umfassen:

Hochleistungsumrichter für PV- und Batteriesysteme sowie für hybride Kraftwerke

125-kVA-Einschub eines modularen, hochkompakten 1-MVA-Batterieumrichters
© Fraunhofer ISE
125-kVA-Einschub eines modularen, hochkompakten 1-MVA-Batterieumrichters.

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 Umrichter 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.

Entwicklung neuer systemtechnischer Konzepte für PV-Großanlagen

BOS-Kosten verschiedener Kraftwerksmodelle des Projekts HiDC-PV-Kraftwerk
© Fraunhofer ISE
BOS-Kosten verschiedener Kraftwerksmodelle des Projekts HiDC-PV-Kraftwerk.

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 Umrichtersystemen für bekannte Anlagenspezifikationen bieten wir eine anwendungsspezifische Entwicklung und Bewertung neuer Anlagenkonzepte inklusive DC-Verteilung und Netzanbindung an.

Trouble-Shooting in PV-Großanlagen

Mobiles Messequipment im Feldeinsatz
© Fraunhofer ISE
Mobiles Messequipment im Feldeinsatz.

Umrichter zählen aufgrund ihrer Komplexität und den besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen seit Jahren zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und können dadurch zusätzliche Kosten aufgrund von Wartung und Ausfallzeiten verursachen. Gelegentlich treten in Großanlagen auch Probleme auf, die nicht mit einer einzelnen, sondern nur im Zusammenspiel vieler Komponenten erklärt und gelöst werden können. Dies betrifft z.B. subsynchrone Schwingungen oder Systemresonanzen.

Wir verfügen über jahrelange Erfahrung mit der Problemlösung in PV-Großanlagen und bieten dazu ein mehrstufiges Verfahren an. Über eine schnelle Datenanalyse lassen sich Fehlerquellen unter Umständen bereits eingrenzen. Für eine Detailbetrachtung im Feld steht uns mobiles und hochauflösendes Messequipment für die Niederspannung bis 1500 V und für Ströme bis 5000 A zur Verfügung. Bei Bedarf kann auch ein mobiler Fault-Ride-Through-Prüfcontainer (FRT) für Leistungen bis zu 4,5 MVA eingesetzt werden. Ist ein regelungstechnischer Lösungsansatz notwendig, so können wir alle relevanten Komponenten der Großanlage und zugehörige Netzanschlusspunkte modellieren und passende Algorithmen entwickeln. Für Detailuntersuchungen einzelner Wechselrichter durch unsere erfahrenen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bietet unser Multi-Megawatt-Labor die passende Testumgebung. Darüber hinaus bieten wir auch Funktionstests von DC-Lichtbogendetektoren an.

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