Umrichter – Die richtige Spannung
Erneuerbare Energien müssen qualitativ hochwertigen Strom liefern, wenn sie eine geeignete Alternative zu fossilen Energieträgern werden sollen.
Der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien muss sanft und idealerweise nahtlos und für den Endverbraucher transparent erfolgen. Beide Arten müssen koexistieren können.
Stromqualität und Energieeffizienz
Stromerzeuger, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, müssen den Strom zumindest mit der richtigen Spannung und Frequenz für die Versorgung des Netzes bereitstellen. Es gibt einige bekannte Herausforderungen für erneuerbare Energiequellen, die gegenwärtig in die Netze einspeisen: PV-Zellen erzeugen eine sehr niedrige Ausgangsgleichspannung, während der Ausgang eines Turbinengenerators Frequenzschwankungen und Oberschwingungen enthalten kann.
Diese ungleichmäßigen Energiequellen müssen mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad in netzkonformen Strom umgewandelt werden und gleichzeitig alle geltenden Normen für an das Netz angeschlossene Geräte erfüllen. Außerdem müssen die an das Netz angeschlossenen Geräte die von der zuständigen Behörde, z. B. dem nationalen Netzbetreiber, festgelegten Grid Codes erfüllen.
Die Topologie des Power-Conditioning-Systems hat einen wesentlichen Einfluss auf die Energieeffizienz und die Einhaltung der Grid-Codes.
Konditionierung von Solarstrom
Ein PV-Modulfeld kann von kleinen Hausanlagen bis hin zu großen Solarparks mit mehreren Megawatt Leistung reichen. Die Konditionierung des Gleichstrom-Ausgangs des PV-Moduls, einschließlich Leistungspunktnachführung, kann als eigenständiger DC/DC-Wandler oder als integraler Bestandteil des Wechselrichters implementiert werden, der den Übergang von Gleichstrom zu Wechselstrom für den Anschluss an das Netz übernimmt. Die Wechselrichterimplementierung kann als Mikro-Wechselrichter auf Modulebene oder über mehrere Module erfolgen, die einen String-Wechselrichter versorgen. Die Implementierung eines Zentralwechselrichters ist eine weitere Alternative.
Die optimale Lösung kann von Faktoren wie der Nennleistung, den Sollkosten und eventuellen Plänen zur zukünftigen Skalierung der Installation abhängen. Mikro-Wechselrichter ermöglichen eine einfache Skalierung, wenngleich der Aufwand mit einem Wechselrichter pro Panel relativ hoch sein kann. Ein zentraler Wechselrichter hingegen stellt einen Single Point of Failure im System dar und die Übertragung von Gleichstrom durch die Anlage birgt Brand- und Sicherheitsrisiken.
Windturbinen-Topologien im Wandel
Zu den typischen Topologien, die bei Windturbinen verwendet werden, gehören doppelt gespeiste (DF) Generatoren und Vollumrichter-Topologien (FC). DF-Generatoren werden häufig in Onshore-Anlagen eingesetzt. Die Generatoren haben einen Stator, der direkt mit dem Netz verbunden ist, und einen Rotor, der über ein Umrichter-/Wechselrichter-Netzwerk verbunden ist. Bei dieser Anordnung stimmt die Ausgangsfrequenz des Generators mit der des Netzes überein. Außerdem durchläuft nur etwa ein Drittel der erzeugten Leistung den Umrichter/Wechselrichter. Dies sorgt für geringe Energieverluste und ermöglicht es, die Anlage kleiner und kostengünstiger zu gestalten. Sie eignen sich für Installationen bis zu etwa 6 MW.
Im FC-Fall wird der Generator mit Hilfe eines Umrichters/Wechselrichters, der die volle erzeugte Leistung überträgt, vollständig vom Netz entkoppelt. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist der Schutz des Generators vor Störungen im Netz. Das FC-System eignet sich für die modernsten Fehlertoleranz-Anforderungen wie Low Voltage und High Voltage Ride-Through (LVRT, HVRT).
Bei diesen Systemen muss der Generator bei Störungen, die durch das Zu- und Abschalten großer Lasten verursacht werden und zu erheblichen Schwankungen der Netzspannung führen, verbunden bleiben. Sie eignen sich für Anwendungen bis in den 10 MW-Bereich.
In der Vergangenheit durften sich Windgeneratoren während solcher Ereignisse vom Netz abkoppeln und versuchen, sich zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu verbinden. Da die Energieversorgung immer abhängiger vom Wind wird, ist dies nicht gewünscht und könnte zu Blackouts führen. Es wird erwartet, dass Vollumrichtersysteme, die die neuesten Ride-Through-Anforderungen erfüllen, in großem Umfang für Windenergie sowohl in Onshore- als auch in Offshore-Anlagen eingesetzt werden.
SiC und GaN sorgen für Effizienz und Robustheit
Nach der optimalen Topologie ist die Systemeffizienz ein entscheidendes Kriterium. Durch die kommerzielle Verfügbarkeit von Leistungshalbleitern mit breiter Bandlücke, wie z. B.:-
haben die Entwickler zusätzliche Freiheiten, um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Leistungsdichte zu erhöhen.
Die CoolSiC-MOSFETs von Infineon umfassen Bauelemente mit einer Nennspannung von bis zu 1200 V, die eine hohe Schaltfrequenz zulassen und von eine hohe Störfestigkeit gegen parasitäres Einschalten bieten. Die EiceDRIVER Gate-Treiber-ICs von Infineon vereinfachen die Erzeugung der für diese Bauelemente erforderlichen asymmetrischen Schaltsignale.
Module vereinfachen das Design mit SiC und GaN
Es sind Module erhältlich, die SiC-MOSFETs mit SiC-Schottky-Barrier-Dioden in verschiedenen Konfigurationen kombinieren, z. B. CoolSiC-Module von Infineon und Halbbrückenmodule von Rohm Semiconductor.
Sie vereinfachen das Design und reduzieren die Schaltverluste im Vergleich zu Silizium-IGBT-Modulen mit vergleichbarer Leistung erheblich.
Das LMG341xR050 von Texas Instruments ist eine integrierte GaN-Leistungsstufe, die einen 600-V-MOSFET, einen Treiber sowie Schutzfunktionen in einem einzigen Modul vereint, was das Schaltungsdesign und die Layoutanforderungen vereinfacht. Im Gegensatz zu konventionellen MOSFETs haben GaN-Bauelemente keine eigene Body-Diode, was die Energieverluste während der Rückleitung drastisch reduziert. Die geringe Eingangs- und Ausgangskapazität verbessert zudem die Schaltleistung. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die geringe EMI.
Zusammenfassung
Die Erzeugung von nutzbarem Strom aus erneuerbaren Energiequellen hängt entscheidend von der richtigen Spannung ab und diese muss so effizient wie möglich gewährleistet werden. Dabei müssen auch die etablierten Standards für die Netzqualität und die Leistung der netzgekoppelten Geräte erfüllt werden. Im Zuge der Revolution der erneuerbaren Energien ändern sich diese Vorgaben, und Entwickler müssen mit den neuesten Anforderungen und den verfügbaren Technologien zur Erfüllung dieser Anforderungen Schritt halten.
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