Nur eine umfangreiche Leistungselektronik und Transformatoren sorgen dafür, dass die Kraft der Sonne für den Verbraucher nutzbaren Strom erzeugt. Eine Entwicklung aus Freiburg könnte nun dazu beitragen, den Weg der erneuerbaren Energien in Deutschlands Stromnetzen deutlich zu verkürzen.

Am Fraunhofer ISE entwickelter 250-kVA-Wechselrichterstack mit 3,3-kV-SiC-Transistoren.

Die wichtigsten elektronischen Komponenten, um den in Photovoltaikanlagen erzeugten Strom nutzbar zu machen, sind sogenannte Wechselrichter. Sie wandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und speisen ihn in das Niederspannungsnetz ein. Über große 50-Hz-Transformatoren werden sie dann an das Mittelspannungsnetz angekoppelt. Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg (Fraunhofer ISE) ist es nun gelungen, diesen Ansatz zu vereinfachen. Im Rahmen des Projektes „SiC-MSBat – Mittelspannungsumrichter mit Hochspannungs-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemfreundliche Verteilnetze“ wurde ein kompakter Wechselrichter zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz entwickelt und erfolgreich eingesetzt gemeinsam mit Partnern im Breisgau in Betrieb genommen.

Die direkte Einspeisung in das Mittelspannungsnetz wird durch den Einsatz neuartiger Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) ermöglicht. Durch ihre hohe Regeldynamik können SiC-Wechselrichter netzstabilisierende Aufgaben übernehmen und beispielsweise als Netzfilter zur Kompensation von Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz fungieren. Zudem erreichen Sie deutlich höhere Leistungsdichten als mit herkömmlichen Wechselrichtern. Dies führt zu einem kompakten Aufbau, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn Anlagen im innerstädtischen Bereich errichtet oder bestehende Altanlagen nachgerüstet werden sollen. Neben den reinen Systemkosten spielen vor allem im urbanen Raum auch die Bau- und Infrastrukturkosten eine große Rolle.

Die zukünftigen Anwendungsgebiete für den Einsatz hochblockierender SiC-Bauteile im Mittelspannungsbereich sind vielfältig: „Gerade bei großen Photovoltaik-Kraftwerken geht der Trend zu immer höheren Spannungen“, sagt Andreas Hensel, Teamleiter Leistungselektronik Mittelspannungsbereich Spannung am Fraunhofer ISE. „Mit der seit einigen Jahren verfügbaren 1.500-V-PV-Technologie ist die Niederspannungsrichtlinie bereits vollständig ausgeschöpft. Der nächste Schritt wird hier der Übergang zur Einspeisung auf Mittelspannungsebene sein, was weitere Einspar- und Verbesserungspotenziale im Systemkonzept von PV-Kraftwerken bringt“, ist der Experte überzeugt. Weitere Anwendungsgebiete der Mittelspannungs-Leistungselektronik sind nicht nur regenerative Kraftwerke und große Batteriespeicher, sondern auch Antriebssysteme und Bahntechnik.

Der im Rahmen des Projekts gemeinsam mit den Firmenpartnern Semikron Elektronik und STS Spezial-Transformatoren Stockach entwickelte Umrichter ist ein 250 kW Wechselrichter-Stack zur Einspeisung in 3 kV AC-Netze. Die neuen 3,3-kV-SiC-Transistoren überzeugen durch ihre deutlich geringere Verlustleistung als vergleichbare Silizium-Transistoren. Somit kann der Wechselrichterstack mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz getaktet werden. Laut den Freiburger Forschern seien in dieser Spannungsklasse mit modernsten Silizium-Transistoren bisher nur etwa zehnmal niedrigere Schaltfrequenzen möglich. Positiver Effekt: Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht Einsparungen bei den passiven Komponenten, da diese kleiner dimensioniert werden können.

Eine weitere Besonderheit des Wechselrichters ist seine aktive Flüssigkeitskühlung mit einem synthetischen Ester als Kühlmedium. Dieser wird durch den Wechselrichter gepumpt und kühlt sowohl die Transistoren über einen Flüssigkeitskühlkörper als auch die Filterdrosseln, die in einem geschlossenen Tank untergebracht sind. Gleichzeitig dient das Kühlmedium als elektrisches Isolationsmedium für die Filterdrosseln, wodurch die Filterdrosseln noch kompakter gebaut werden können.

In den Labors von Europas größtem Solarforschungsinstitut wurde der Wechselrichter bereits erfolgreich installiert und getestet. Laut Fraunhofer ISE erreichte es bei Nennleistung einen Wirkungsgrad von 98,4 %. Der Aufbau des Gerätes erlaubt die modulare Verschaltung mehrerer Wechselrichter-Stacks, um Systemleistungen von mehreren Megawatt zu erreichen. Unter Berücksichtigung von zusätzlichem Bauraum für Schalt- und Kühlgerät kann das Wechselrichtersystem im Vergleich zu handelsüblichen Wechselrichtersystemen dieser Spannungsklasse bis zu 40 % Volumen einsparen.

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