Πηγή: ise.fraunhofer.de
Καθώς η ενεργειακή μετάβαση εξελίσσεται, η επέκταση των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία. Όλο και περισσότερες μονάδες παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και ηλεκτρικά συστήματα αποθήκευσης συνδέονται με το δίκτυο. Αυτό δίνει στα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος αποφασιστικό ρόλο, διότι είναι σημαντικό να συνδεθούν αυτά τα συστήματα στο δίκτυο. Ωστόσο, εκτός από την απλή τροφοδοσία ή την τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας, τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος πρέπει επίσης να εκτελούν και άλλες εργασίες υποστήριξης του δικτύου. Στο έργο "SiC-MSBat", οι ερευνητές του Ινστιτούτου Συστημάτων Ηλιακής Ενέργειας Fraunhofer ISE, μαζί με εταίρους, έχουν πλέον αναπτύξει και αναθέσει με επιτυχία έναν εξαιρετικά συμπαγή μετατροπέα για άμεση τροφοδοσία στο δίκτυο μέσης τάσης.
Επί του παρόντος, οι μετατροπείς τρέφονται κυρίως με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Στη συνέχεια συνδέονται με το δίκτυο μέσης τάσης μέσω μεγάλων μετασχηματιστών 50 Hz. Η χρήση νέων τύπων τρανζίστορ καρβιδίου του πυριτίου (SiC) με πολύ υψηλές τάσεις αποκλεισμού τώρα καθιστά επίσης δυνατή τη σύνδεση των μετατροπέων απευθείας στο δίκτυο μέσης τάσης. Χάρη στην υψηλή δυναμική ελέγχου των μετατροπέων SiC, μπορούν να αναλάβουν εργασίες σταθεροποίησης του δικτύου και, για παράδειγμα, να λειτουργήσουν ως ενεργά φίλτρα ισχύος για να αντισταθμίσουν τις αρμονικές στο δίκτυο μέσης τάσης. Επιπλέον, οι μετατροπείς SiC μπορούν να επιτύχουν πολύ υψηλότερες πυκνότητες ισχύος από τους συμβατικούς μετατροπείς. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα συμπαγές σχέδιο, το οποίο είναι ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα όταν τα φυτά πρόκειται να κατασκευαστούν σε περιοχές στο κέντρο της πόλης ή σε υπάρχουσες παλιές εγκαταστάσεις πρόκειται να εξοπλιστούν εκ των υστέρων. Εκτός από το απλό κόστος του συστήματος, το κόστος κατασκευής και υποδομής διαδραματίζει επίσης πολύ σημαντικό ρόλο, ιδίως στις αστικές περιοχές. Στο πλαίσιο του έργου "SiC-MSBat - μετατροπείς μέσης τάσης με μονάδες ισχύος SiC υψηλής τάσης για μεγάλης κλίμακας δίκτυα αποθήκευσης και διανομής συστημάτων", αναπτύχθηκε μια στοίβα μετατροπέων 250 kW για τροφοδοσία σε πλέγματα εναλλασσόμενου ρεύματος 3 kV. Εδώ, χρησιμοποιούνται νέα τρανζίστορ SiC 3,3 kV. Αυτά έχουν σημαντικά χαμηλότερες απώλειες ισχύος από τα συγκρίσιμα τρανζίστορ πυριτίου. Αυτό καθιστά δυνατή τη λειτουργία της στοίβας μετατροπέα με συχνότητα μεταγωγής 16 kHz. Με υπερσύγχρονα τρανζίστορ πυριτίου, μόνο περίπου 10 φορές χαμηλότερες συχνότητες μεταγωγής είναι δυνατές σε αυτή την κατηγορία τάσης. Η υψηλή συχνότητα μεταγωγής παρέχει εξοικονόμηση στα παθητικά στοιχεία, καθώς αυτά μπορούν να διασταθούν σε μικρότερη μορφή. Ένα άλλο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του μετατροπέα είναι η ενεργή υγρή ψύξη του με συνθετικό εστέρα ως μέσο ψύξης. Αυτό το μέσο αντλείται μέσω του μετατροπέα και ψύχει τόσο τα τρανζίστορ μέσω ενός υγρού ψύκτη θερμότητας όσο και τα τσοκ φίλτρου, τα οποία στεγάζονται σε μια κλειστή δεξαμενή. Ταυτόχρονα, το μέσο ψύξης για τα τσοκ φίλτρου χρησιμεύει ως μέσο ηλεκτρικής μόνωσης, επιτρέποντας στα τσοκ φίλτρου να γίνουν ακόμα πιο συμπαγή. Ο μετατροπέας κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε στα εργαστήρια του Fraunhofer ISE, επιτυγχάνοντας πολύ υψηλό ποσοστό απόδοσης 98,4 τοις εκατό σε ονομαστική ισχύ. Ο σχεδιασμός της συσκευής επιτρέπει τη δομοστοιχειωτή διασύνδεση πολλαπλών στοιβών μετατροπέων για την επίτευξη εξόδων συστήματος αρκετών μεγαβάτ. Λαμβάνοντας υπόψη τον πρόσθετο χώρο εγκατάστασης για τους διακόπτες και τη μονάδα ψύξης, μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση όγκου του συστήματος μετατροπέα έως και 40 τοις εκατό σε σύγκριση με τα εμπορικά συστήματα μετατροπέα αυτής της κατηγορίας τάσης. Το έργο χρηματοδοτήθηκε από το Ομοσπονδιακό Υπουργείο Οικονομίας και Ενέργειας της Γερμανίας (BMWi) στο πλαίσιο του 6ου Προγράμματος Ενεργειακής Έρευνας στο πλαίσιο της υποπεριοχής "Ενσωμάτωση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Αναγεννητικών Συστημάτων Ενεργειακού Εφοδιασμού". Εταίροι του έργου ήταν η Semikron Elektronik GmbH & Co. KG και η STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Η Semikron ήταν υπεύθυνη για την ανάπτυξη των μονάδων SiC 3,3 kV στο έργο, η STS ήταν κυρίως υπεύθυνη για τα επαγωγικά εξαρτήματα. Το Fraunhofer ISE βλέπει πολλές πιθανές εφαρμογές για τη χρήση συσκευών SiC υψηλού αποκλεισμού στην περιοχή μέσης τάσης. «Ειδικά για τους μεγάλους φωτοβολταϊκούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, η τάση είναι προς υψηλότερες και υψηλότερες τάσεις», λέει ο Andreas Hensel, Επικεφαλής της Ομάδας Ηλεκτρονικών Ισχύος Μέσης Τάσης στο Fraunhofer ISE. "Με την τεχνολογία φωτοβολταϊκών 1500 V που είναι διαθέσιμη εδώ και μερικά χρόνια, η οδηγία χαμηλής τάσης αποτελεί ήδη αντικείμενο πλήρους εκμετάλλευσης. Το επόμενο βήμα εδώ θα είναι η μετάβαση στις ζωοτροφές σε επίπεδο μέσης τάσης, η οποία θα φέρει περαιτέρω δυνατότητες εξοικονόμησης και βελτίωσης της έννοιας του συστήματος των φωτοβολταϊκών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.» Εκτός από τους αναγεννητικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης μπαταριών, άλλοι τομείς εφαρμογής για ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος μέσης τάσης περιλαμβάνουν συστήματα κίνησης και τεχνολογία σιδηροδρόμων. Για τη δοκιμή τέτοιων συστημάτων, το Fraunhofer ISE διαθέτει το εργαστήριο πολλαπλών μεγαβάτ, το οποίο εγκαινιάστηκε στα μέσα του 2019. Αυτό επιτρέπει τη λειτουργία συστημάτων μέσης τάσης με ισχύ έως 20 MVA.Συμπαγής σχεδιασμός λόγω της υψηλής συχνότητας μεταγωγής
Μελλοντικά ηλεκτρονικά ισχύος σε επίπεδο μέσης τάσης
