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Am Fraunhofer ISE haben Wissenschaftler einen Wechselrichter entwickelt und in Betrieb genommen, über den eine Solaranlage direkt ins Mittelspannungsnetz einspeisen kann. Dadurch wird nicht nur der Trafo eingespart, sondern die Leistungselektronik kann auch Systemdienstleistungen bereitstellen.

Dieser Wechselrichter hat eine Ausgangsleistung von 100 Kilovoltampere und ist in der Lage, direkt ins Mittelspannungsnetz einzuspeisen. Dieser Wechselrichter hat eine Ausgangsleistung von 100 Kilovoltampere und ist in der Lage, direkt ins Mittelspannungsnetz einzuspeisen. Fraunhofer ISE

Forscher des Fraunhofer ISE haben einen Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz mit einer Spannung von zehn Kilovolt entwickelt. Die Kopplung mit dem Mittelspannungsnetz ohne Transformator erreichen sie dabei durch den Einsatz von Transistoren aus Siliziumkarbid, die mit der hohen Spannung zurecht kommen. Die Transistoren schaffen dabei eine Sperrspannung von 15 Kilovolt.

Weniger Bauteile notwendig

Die derzeit für Wechselrichter in der Regel verwendeten Transistoren erreichen Sperrspannungen von bis zu 6,5 Kilovolt. Deshalb müssen komplexe Mehrpunktschaltungen mit sehr hohem Bauteilaufwand eingesetzt werden, um in ein Mittelspannungsnetz mit einer Spannung von zehn oder gar 20 Kilovolt einspeisen zu können. Durch die höheren Sperrspannungen von Halbleitern aus Siliziumkarbid lässt sich die Anzahl der benötigten Bauelemente in einem Umrichter reduzieren. Dadurch werden die Geräte für die Mittelspannungseinspeisung kompakter, was nicht zuletzt für die Nachrüstung von Bestandsanlagen interessant ist.

Das Herzstück des neuen Wechselrichters: Ein einphasiger Leistungsstack mit Feldeffekttransistoren mit einer Sperrspannung von 15 Kilovolt, Treibern und anteiligen Zwischenkreiskondensatoren. Das Herzstück des neuen Wechselrichters: Ein einphasiger Leistungsstack mit Feldeffekttransistoren mit einer Sperrspannung von 15 Kilovolt, Treibern und anteiligen Zwischenkreiskondensatoren. Fraunhofer ISE

Oberschwingungen im Netz ausgleichen

Zudem haben Siliziumkarbidtransistoren sehr geringe Schaltenergien. Dadurch steigen die Schaltfrequenzen im Wechselrichter und die passiven Bauelemente können kleiner dimensioniert werden. Die hohen Schaltfrequenzen haben aber noch einen weiteren Vorteil. Die Wechselrichter haben dadurch eine höhere Regeldynamik. Durch die hohen Taktfrequenzen können die Geräte als aktive Filter eingesetzt werden, um Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren. Das sei auf Grund der Tiefpasswirkung eines Transformators über den die Solaranlagen derzeit ind Mittelspannungsnetz einspeisen, nur bedingt möglich, betonen die Freiburger Forscher. Zudem können die Wechselrichter dann direkt Regelleistung für das Mittelspannungsnetz bereitstellen.

Das ist wiederum das Herzstück des Stacks: Ein FEldeffekttransistor mit einer Sperrspannung von 15 Kilovolt mit montiertem Gatetreiber und galvanisch getrennter Treiberversorgung Das ist wiederum das Herzstück des Stacks: Ein FEldeffekttransistor mit einer Sperrspannung von 15 Kilovolt mit montiertem Gatetreiber und galvanisch getrennter Treiberversorgung. Fraunhofer ISE

Neues Systemdesign möglich

Allerdings sei noch viel Entwicklungsarbeit notwendig, bis die Wechselrichter marktfähig sind. „Für einen kommerziellen Einsatz sind zukünftig noch Weiterentwicklungen in unterschiedlichen Technologiebereichen notwendig, etwa bei den Leistungsmodulen oder den induktiven und kapazitiven Bauelementen“, sagt Dirk Kranzer, Projektleiter am Fraunhofer ISE. „Wir sehen aber ein großes Potenzial bei zukünftigen Anwendungsgebieten für Leistungselektronik in der Mittelspannung“, stellt Bruno Burger, Gruppenleiter „Neue Bauelemente und Technologien“, in Aussicht. „Denkbar sind völlig neue Systemarchitekturen bei regenerativen Kraftwerken, wie etwa großen Photovoltaikanlagen im Megawattbereich oder Windparks. Aber auch für die Bahnindustrie oder große Batteriespeicheranlagen ist die neue Technik sehr vielversprechend.“ (Sven Ullrich)