01/06/2018
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg hebben een omvormer voor directe koppeling in het 10 kV middenspanningsnet ontwikkeld. Door het gebruik van hoogspanningstransistoren uit siliciumcarbide (SiC) kan de koppeling met het middenspanningsnet zonder extra transformatoren gebeuren.
Bij de huidige stand der techniek vindt de koppeling van vermogenselektronica aan het stroomnet op laagspanningsniveau plaats. Voor de stabiliteit van het stroomnet worden omzetters uit vermogenselektronica (zogeheten Static Synchronous Compensator of STATCOM's) gebruikt, die traploos inductief of capaciteit blindvermogen verschaffen. De koppeling aan het middenspanningsnet vindt plaats met behulp van een 50 Hz-transformator.
De nu ontwikkelde omvormer kan dit net voeden zonder transformator. Dit is mogelijk door het gebruik van hoogspanningstransistoren op basis van siliciumcarbide (SiC). De eerste prototypen werken met sperspanningen tot 15 kV.
Eenvoudiger en dynamischer
Momenteel commercieel verkrijgbare transistoren uit silicium hebben sperspanningen tot 6,5 kV. Om een 10 kV of 20 kV middenspanningsnet te kunnen voeden, moet daarom complexe en dure meerpunts schakelingen worden opgebouwd. Bovendien zijn de energieverliezen van transistoren uit silicium hoog.
Door de hogere sperspanningen van SiC-halfgeleiders kan het aantal benodigde componenten in een omvormer worden teruggebracht, neemt het rendement toe en het bouwvolume af. Ook gebruiken de SiC-transistoren maar weinig schakelenergie, wat hoge schakelfrequenties in de omvormer mogelijk maakt. De passieve componenten kunnen daardoor kleiner worden gedimensioneerd, wat tot besparingen leidt. Een compacte omvormer zonder transformator maakt het bovendien middenspanningsinstallaties in stedelijke gebieden mogelijk.
Nog een voordeel van deze techniek is de hogere regeldynamiek van de omvormer. Door de hoge frequenties kan hij als actief filter worden gebruikt om hogere harmonischen in het middenspanningsnet te compenseren. Die is met STATCOM's volgens de huidige stand der techniek met 50 Hz Transformatoren maar beperkt mogelijk.
De toepassing van SiC-transistoren met hoge sperspanningen zorgt echter ook voor nieuwe uitdagingen. De transistoren schakelen zeer snel. De hoge spanningssteilheden (dV/dt) tijdens het schakelen kunnen storingen veroorzaken of tot deel- en glijontladingen in de isolatie leiden. Bij de ontwikkeling van schakelingen moet daarom veel aandacht worden besteed aan het minimaliseren van deze ongewenste effecten. Voor commerciële toepassing zijn in de toekomst nog verschillende verdere ontwikkelingen nodig, bijvoorbeeld bij vermogensmodules en inductieve en capacitieve componenten.
Toekomst van vermogenselektronica
Behalve voor de stabilisering van middenspanningsnetten voorzien de onderzoekers nog meer toepassingen voor hoogspannings SiC-componenten. Ze zien een groot potentieel in volledig nieuwe systeemarchitecturen bij regeneratieve centrales, zoals grote fotovoltaïsche installaties in het MW-bereik of windparken. Maar de techniek is ook veelbelovend voor de spoorwegindustrie of grote batterij-installaties.
Foto: Fraunhofer-ISE.