Bron:ise.fraunhofer.de
Naarmate de energietransitie vordert, wordt de uitbreiding van de elektriciteitsnetten steeds belangrijker. Steeds meer installaties voor duurzame opwekking en elektrische opslagsystemen worden aangesloten op het net. Hierdoor krijgt vermogenselektronica een doorslaggevende rol, omdat het essentieel is om deze systemen op het net aan te sluiten. Maar naast het louter terugleveren of terugkoppelen van elektrische energie, moet de vermogenselektronica ook andere netondersteunende taken vervullen. In het"SiC-MSBat" project hebben onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, samen met partners, nu een zeer compacte omvormer ontwikkeld en met succes in gebruik genomen voor directe voeding aan het middenspanningsnet.
Momenteel leveren omvormers vooral terug aan het laagspanningsnet. Vervolgens worden ze via grote transformatoren van 50 Hz aan het middenspanningsnet gekoppeld. Door het gebruik van nieuwe typen siliciumcarbide (SiC)-transistoren met zeer hoge blokkeerspanningen is het nu ook mogelijk om de omvormers rechtstreeks op het middenspanningsnet aan te sluiten. Dankzij de hoge regeldynamiek van SiC-omvormers kunnen ze netstabiliserende taken op zich nemen en bijvoorbeeld fungeren als actieve vermogensfilters om harmonischen in het middenspanningsnet te compenseren. Bovendien kunnen SiC-omvormers veel hogere vermogensdichtheden bereiken dan conventionele omvormers. Dit resulteert in een compact ontwerp, wat vooral een voordeel is wanneer installaties in binnenstedelijke gebieden moeten worden gebouwd of bestaande oude installaties achteraf moeten worden ingebouwd. Naast de loutere systeemkosten spelen vooral in stedelijke gebieden ook bouw- en infrastructuurkosten een zeer belangrijke rol. Als onderdeel van het project"SiC-MSBat - middenspanningsomvormers met hoogspannings SiC-vermogensmodules voor grootschalige opslag- en systeembedienende distributienetten", is een omvormerstack van 250 kW ontwikkeld voor voeding in 3-kV AC-netten. Hier worden nieuwe 3,3-kV SiC-transistoren gebruikt. Deze hebben aanzienlijk lagere vermogensverliezen dan vergelijkbare siliciumtransistors. Dit maakt het mogelijk om de inverter stack te laten werken met een schakelfrequentie van 16 kHz. Met state-of-the-art siliciumtransistors zijn in deze spanningsklasse slechts ongeveer 10 keer lagere schakelfrequenties mogelijk. De hoge schakelfrequentie zorgt voor een besparing op de passieve componenten, omdat deze in een kleiner formaat gedimensioneerd kunnen worden. Een ander bijzonder kenmerk van de inverter is de actieve vloeistofkoeling met een synthetische ester als koelmedium. Dit medium wordt door de inverter gepompt en koelt zowel de transistoren via een vloeistofkoellichaam als de filterspoelen, die in een gesloten tank zijn ondergebracht. Tegelijkertijd dient het koelmedium voor de filtersmoorspoelen als elektrisch isolatiemedium, waardoor de filtersmoorspoelen nog compacter kunnen worden gemaakt. De omvormer is gebouwd en getest in de laboratoria van Fraunhofer ISE', waarbij een zeer hoog rendement van 98,4 procent bij nominaal vermogen werd behaald. Het ontwerp van het apparaat maakt modulaire onderlinge koppeling van meerdere inverter-stacks mogelijk om systeemuitgangen van meerdere megawatts te bereiken. Rekening houdend met extra installatieruimte voor schakelapparatuur en koeleenheid, kan een volumebesparing van het invertersysteem tot 40 procent worden bereikt in vergelijking met commerciële invertersystemen van deze spanningsklasse. Het project werd gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) als onderdeel van het 6e energieonderzoeksprogramma onder het deelgebied"Integratie van hernieuwbare energiebronnen en regeneratieve energievoorzieningssystemen". Projectpartners waren Semikron Elektronik GmbH& Co. KG en STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Semikron was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de 3,3 kV SiC-modules in het project, STS was voornamelijk verantwoordelijk voor de inductieve componenten. Fraunhofer ISE ziet veel potentiële toepassingen voor het gebruik van hoogblokkerende SiC-apparaten in het middenspanningsbereik."Vooral voor grote fotovoltaïsche centrales is de trend naar steeds hogere spanningen," zegt Andreas Hensel, hoofd van Team Medium Voltage Power Electronics bij Fraunhofer ISE."Met de 1500 V PV-technologie die al een paar jaar beschikbaar is, wordt de laagspanningsrichtlijn al volop benut. De volgende stap hier is de overgang naar teruglevering op middenspanningsniveau, wat verdere besparings- en verbeteringspotentieel met zich meebrengt in het systeemconcept van PV-centrales." Naast regeneratieve energiecentrales en grote batterijopslagsystemen, zijn andere toepassingsgebieden voor middenspannings-vermogenselektronica aandrijfsystemen en railtechnologie. Voor het testen van dergelijke systemen beschikt Fraunhofer ISE over het multi-megawatt-laboratorium, dat medio 2019 werd geopend. Dit maakt het gebruik van middenspanningsinstallaties met een vermogen tot 20 MVA mogelijk.Compact ontwerp door hoge schakelfrequentie
Toekomstige vermogenselektronica op middenspanningsniveau
