Výkonová elektronika budoucnosti
Němečtí výzkumníci vyvinuli inovativní měnič pro přímé připojení k síti vysokého napětí. Měnič umožňuje díky vysoké spínací frekvenci využít velmi kompaktní design, který nabízí zcela nové možnosti v řešení energetických sítí.
S postupem energetické transformace je rozšiřování elektrických sítí stále důležitější, jelikož je k síti připojeno více zdrojů na výrobu obnovitelné energie a také systémy elektrického skladování. Klíčovou roli má v tomto procesu výkonová elektronika.
V současné době se měniče většinou napojují do nízkonapěťové (NN) sítě a poté jsou připojeny k síti vysokého napětí (VN) pomocí velkých 50Hz transformátorů. Použití nových typů tranzistorů z karbidu křemíku (SiC) s velmi vysokým blokovacím napětím nyní umožňuje také přímé připojení měničů k VN síti.
SiC místo křemíku
V rámci programu „Integrace obnovitelných energií a systémů zásobování regenerativní energií“ vědci z Fraunhoferova institutu pro solární energetické systémy (Fraunhofer ISE) společně s průmyslovými partnery vyvinuli a úspěšně uvedli do provozu vysoce kompaktní měnič pro přímé napájení do sítě vysokého napětí. Výzkumníkům se podařilo dosáhnout velmi vysoké míry účinnosti 98,4 % při jmenovitém výkonu, přičemž konstrukce zařízení umožňuje modulární propojení více invertorových bloků pro dosažení systémových výstupů několika megawattů.
Novinka je výsledkem výzkumného projektu SiC-MSBat – měniče středního napětí s vysokonapěťovými SiC výkonovými moduly pro velkokapacitní úložiště a distribuční soustavy obsluhující systém. Nově vyvinutý měnič 250 kW pro napájení do 3kV střídavých sítí využívá nové tranzistory SiC 3,3 kV, které mají výrazně nižší ztráty energie než srovnatelné křemíkové tranzistory. To umožňuje provozovat měnič se spínací frekvencí 16 kHz, zatímco u nejmodernějších křemíkových tranzistorů jsou v této napěťové třídě možné pouze asi 10krát nižší spínací frekvence.
Díky vysoké dynamice řízení tak měniče SiC mohou převzít úkoly stabilizace sítě a působit např. jako filtry aktivního výkonu pro kompenzaci harmonických v síti vysokého napětí. Kromě toho mohou dosáhnout mnohem vyšších hustot výkonu než běžné měniče. Výsledkem je kompaktní design (vysoká spínací frekvence poskytuje i úspory pasivních komponent, protože je lze dimenzovat v menším formátu), což je zvlášť důležité, pokud mají být elektrárny postaveny v centrech měst nebo mají být dovybaveny stávající staré elektrárny. Kromě samotných nákladů na systém hrají velmi důležitou roli i náklady na stavbu a infrastrukturu, zejména v městských oblastech.
Aktivní chlazení a izolátor v jednom
Další specialitou měniče je aktivní kapalinové chlazení, které využívá jako chladicí médium syntetický ester. Toto médium je čerpáno přes invertor a chladí jak tranzistory kapalinovým chladičem, tak i tlumivky filtru, umístěné v uzavřené nádrži. Chladicí médium pro filtrační tlumivky zároveň slouží jako elektrický izolant, což umožňuje, aby byly ještě kompaktnější. S přihlédnutím k dodatečnému instalačnímu prostoru pro rozvaděč a chladicí jednotku lze ve srovnání s komerčními invertorovými systémy této třídy napětí dosáhnout úspory objemu invertorového systému až o 40 %.
Výzkumníci vidí pro použití vysoce blokujících SiC zařízení v rozsahu vysokého napětí mnoho potenciálních aplikací. „Zejména u velkých fotovoltaických elektráren směřuje trend k vyšším napětím. Díky 1500V fotovoltaické technologii, která je k dispozici již několik let, se již plně využívá směrnice o nízkém napětí. Dalším krokem bude přechod na napájení na úrovni vysokého napětí, což přinese další potenciál pro úspory a zlepšení koncepce systému fotovoltaických elektráren,“ říká Andreas Hensel, vedoucí týmu výkonové elektroniky pro střední napětí ve Fraunhofer ISE.
Kromě regenerativních elektráren a velkých systémů pro skladování baterií však podle vědců existují i další významné oblasti použití – napěťová výkonová elektronika je klíčová např. i pro hnací systémy a železniční techniku.
140
