Für den geplanten Ausbau der Photovoltaik werden große Mengen an Rohstoffen benötigt, unter anderem Kupfer und Aluminium für Kabel und Transformatoren. Ein Forschungsteam am Fraunhofer ISE hat im Projekt »MS-LeiKra« einen Stringwechselrichter entwickelt, der eine deutlich höhere Ausgangsspannung aufweist. Hierdurch können große Mengen an Ressourcen gespart werden. Denn aus der höheren Spannung resultieren ein kleinerer Strom und damit geringere Kabelquerschnitte. Zusätzlich wurde im Rahmen dieses Vorhabens ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von Groß-PV-Kraftwerken entwickelt.

Heutige Stringwechselrichter nutzen Ausgangsspannungen (Leiter-Leiter) zwischen 400 VAC und 800 VAC. Diese Spannung wurde in der Vergangenheit mit den steigenden Leistungen der Stringwechselrichter immer weiter angehoben. Durch die höhere Spannung sinkt bei gleicher Leistung der Strom und damit die stromabhängigen Verluste. In den letzten Jahren gab es allerdings keine weitere Anhebung der Spannung trotz weiter steigender Leistungen. Hierfür gibt es zwei Gründe: 1. die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter für höhere Spannungen auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen; 2. die heute vorhandenen PV-spezifischen Normen gelten nur für den Bereich der Niederspannung. Dieser endet bei 1.500 VDC bzw. 1.000 VAC.

Die Einsparpotenziale, die durch eine weitere Erhöhung der Spannung erzielt werden könnten, zeigt das Bild unten links. Zugrunde liegt hier die Annahme eines Stringwechselrichters mit einer Leistung von 250 kVA. Bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 VAC wird nach DIN VDE 0298-4, Tabelle 9.2 ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² benötigt. Wird die Spannung auf 1 500 VAC erhöht, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 mm². Bei einer Erhöhung auf 5.000 VAC bleiben nur noch 4 mm² erforderlicher Kupferquerschnitt. Da in einem PV-Großkraftwerk Kabellängen im zweistelligen Kilometerbereich verbaut werden, können also enorme Materialmengen eingespart werden.

Um die genannten Hürden zu überwinden, haben Forschende des Fraunhofer ISE den weltweit ersten Mittelspannungs-Stringwechselrichter entwickelt und erfolgreich am Netz in Betrieb genommen. Der Wechselrichter hat eine Ausgangsspannung von 1.500 VAC bei einer Leistung von 250 kVA. Er ist zweistufig aufgebaut. Der Hochsetzsteller mit einer PV-Eingangsspannung von 1,7 kV bis 2,4 kV basiert auf 3,3 kV Siliciumcarbid-(SiC)-Halbleitern. Der Wechselrichterteil wurde mit hybriden ANPC-Modulen aufgebaut. Hier kommen vier Silicium- und zwei SiC-Halbleiter zum Einsatz. Durch diese Topologie können bei nur minimal höheren Kosten die großen Vorteile von SiC genutzt werden. Mit dem Demonstrator konnte gezeigt werden, dass höhere Spannungen technisch umsetzbar sind und nun an einer Anpassung der Normen gearbeitet werden muss.

Die Ladeleistung von Elektrofahrzeugen steigt ständig. Deshalb müssen Ladestationen an Autobahnen oder in Parkhäusern künftig ein Vielfaches an Leistung liefern und können nicht ohne Weiteres wie bisher an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden.

Das Projekt zielt auf die Entwicklung einer leistungselektronischen Mittelspannungs-Systemtechnik für Elektrotankstellen und Parkhäuser ab und trägt somit zur Entwicklung und Produktion von Infrastruktur-Komponenten sowie zur Integration der Elektromobilität in das Energiesystem bei. Das Kernstück der Entwicklung ist ein kompaktes leistungselektronisches Modul mit 2 kV SiC Leistungshalbleitern und einem MF-Transformator mit einer Leistung von 175 kW.

Der Übergang zu mehr Elektrofahrzeugen geht einher mit dem Aufbau der notwendigen Ladeinfrastruktur. Derzeit steigt die Zahl der Elektrofahrzeuge in Deutschland rapide an. Wie bei den heutigen Benzin- und Dieselfahrzeugen wird es einen Bedarf an Elektroladestationen geben, an denen mehrere Fahrzeuge ihre Antriebsbatterien schnell und mit hoher Leistung aufladen können. Dies ist insbesondere auf Autobahnen, aber auch in Städten notwendig. Durchschnitt beträgt die für die Schnellladung eines Fahrzeugs erforderliche Leistung etwa 150 kW. Für die Zukunft wird eine weitere Steigerung der Ladekapazität erwartet.

Eine herkömmliche Tankstelle hat in der Regel acht Zapfsäulen. Die Betankung dauert etwa 5 bis 8 Minuten. Da die elektrische Aufladung langsamer ist, kann davon ausgegangen werden, dass mehr Ladestationen als herkömmliche Zapfsäulen benötigt werden, um einen vergleichbaren Fahrzeugdurchsatz zu erreichen. Geht man von 15 bis 25 Parkplätzen für gleichzeitiges Schnellladen aus, würde die Gesamtleistung der Elektroladestation etwa 1,5 bis 3,5 MVA betragen.

Daraus ergeben sich zwei wichtige Punkte. Erstens können Elektroladestationen in Zukunft nicht an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden, da der durchschnittliche Leistungsbedarf selbst bei geringer Auslastung der Anlage 300 kVA übersteigen würde. Auch wenn die Elektroladestation an die Mittelspannung angeschlossen ist, darf die Verteilung innerhalb der Anlage nicht auf Niederspannung erfolgen. Die großen Kabellängen und die hohen Leistungen führen zu hohen Installationskosten bzw. zu hohen Verlusten in den Kabeln.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer leistungselektronischen Mittelspannungs-Systemtechnik für Elektroladestationen. Diese basiert auf einem Mittelspannungsnetz, das durch einen Gleichrichter auf eine Spannung von 1,5 kVDC gleichgerichtet wird. 1,5 kVDC wurde gewählt, da dies die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das DC-Verteilernetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Spannungen der Fahrzeugbatterie reichen von 200 - 950 VDC. Die Leistung eines DC-Wandlers beträgt 175 kW. Sie sind so konzipiert, dass sie im System problemlos parallelgeschaltet werden können. Dieses modulare Konzept ermöglicht es, sowohl Ladestationen mit geringerer Leistung für Pkws als auch Stationen mit höherer Leistung für Transporter und Lkws durch Parallelschaltung zu bauen.

Unser zukünftiges Stromnetz wird einen erheblichen Zuwachs an Leistungselektronik erfahren. Mit unseren Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in unserem Labor leisten wir einen Beitrag zur Sicherstellung der Netzstabilität. Im TestLab Power Electronics vermessen wir PV-Wechselrichter, Batterieumrichter, Gleichrichter, Blockheizkraftwerke, DC/DC-Wandler, DC-Schnelladesäulen sowie Leistungselektronik für Brennstoffzellen und Elektrolyseure von einigen Watt bis in den Multi-Megawatt-Bereich.

Wir führen akkreditierte Vermessung nach verschiedenen Netzanschlussrichtlinien durch, zum Beispiel nach der FGW TR3 und messen Wirkungsgrade u.a. nach EN 50530. Im Rahmen unserer Forschungstätigkeit haben wir akkreditierte Verfahren, zum Beispiel zur Wirkungsgradbestimmung bidirektionaler Umrichter oder zur differenziellen Impedanzspektroskopie abgeleitet. Außerdem unterstützen wir unsere Kundinnen und Kunden bei individuellen Fragestellungen, zum Beispiel bei der Fehlersuche und -behebung im Labor oder im Feld, beim temperaturabhängigen Derating der Leistung oder bei qualitätssichernden Vermessungen vor der Produkteinführung.

Für die Systementwicklung sind detaillierte Simulationen leistungselektronischer Komponenten heutzutage unabdingbar. Wir bieten Ihnen Dienstleistungen und Hilfestellungen im Bereich der Simulation und Modellierung von einzelnen Erzeugungseinheiten wie PV-Wechselrichtern oder BHKWs, aber auch beispielsweise von kompletten PV-Kraftwerken.

• Eigener Anschluss ans 110-kV-Netz (20 kV / 40 MVA Trafo)
• PV-Simulator (2000 V / 1,4 MW)
• Bidirektionaler Batteriesimulator (1500 V / 1 MW)
• Hochdynamischer, rückspeisefähiger Netzsimulator (1 MVA)
• bidirektionale DC-Quelle (12MW) – In Planung
• Netzsimulator (10 MVA) – In Planung
• UVRT- und OVRT-Testeinrichtung für Prüflinge bis 10 MVA
• Anti-Islanding-Prüfstand (400 kVA)
• Klimakammer für Großgeräte bis 2,5 MVA (-30 °C bis +80 °C)