Forschung : Wechselrichter für Mittelspannungsnetz

Mit voranschreitender Energiewende wird der Ausbau der Stromnetze zunehmend wichtiger. Immer mehr regenerative Erzeugungsanlagen sowie elektrische Speicher werden an das Netz angeschlossen. Dadurch kommt der Leistungselektronik eine entscheidende Rolle zu, weil sie zur Ankopplung dieser Systeme an das Netz notwendig ist. Neben der reinen Einspeisung bzw. Rückspeisung von elektrischer Energie muss die Leistungselektronik aber noch weitere netzstützende Aufgaben übernehmen.

Aktuell speisen Wechselrichter meist in das Niederspannungsnetz ein. Über große 50-Hz-Transformatoren werden sie dann an das Mittelspannungsnetz gekoppelt. Der Einsatz neuartiger Transistoren aus Siliciumkarbid (SiC) mit sehr hohen Sperrspannungen ermöglicht nun auch eine direkte Anbindung der Wechselrichter an das Mittelspannungsnetz.

Durch die hohe Regeldynamik von SiC-Wechselrichtern können sie netzstabilisierende Aufgaben übernehmen und beispielsweise als Netzfilter fungieren, um Oberwellen im Mittelspannungsnetz zu kompensieren.

Des Weiteren können SiC-Wechselrichter viel höhere Leistungsdichten als herkömmliche Wechselrichter erzielen. Dies führt zu einem kompakten Aufbau, was vor allem dann ein Vorteil ist, wenn Anlagen im innerstädtischen Bereich gebaut oder bestehende Altanlagen nachgerüstet werden sollen. Neben den reinen Systemkosten spielen gerade in Stadtgebieten auch die Bau- und Infrastrukturkosten eine sehr große Rolle.

Das Fraunhofer ISE sieht viele potenzielle Anwendungsgebiete für den Einsatz von hochsperrenden SiC-Bauelementen im Bereich der Mittelspannung. »Gerade bei großen Photovoltaikkraftwerken geht der Trend zu immer höheren Spannungen«, so Andreas Hensel, Teamleiter Leistungselektronik für die Mittelspannung am Fraunhofer ISE. »Mit der seit wenigen Jahren verfügbaren 1500-V-PV-Technologie wird die Niederspannungsrichtlinie bereits voll ausgereizt. Der nächste Schritt wird hier der Übergang zur Einspeisung auf Mittelspannungsebene sein, welcher weitere Einspar- und Verbesserungspotenziale im Systemkonzept von PV-Kraftwerken mit sich bringen wird.« Weitere Anwendungsgebiete von Mittelspannungsleistungselektronik sind neben regenerativen Kraftwerken und großen Batteriespeicheranlagen auch Antriebssysteme und die Bahntechnik.