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Hocheffiziente Netzkonverter für die Anwendung im Energieversorgungsbereich

Im elektrischen Energieversorgungsnetz bedarf es einer Vielzahl an Spannungsumformungen, wofür
vielfach leistungselektronische Systeme eingesetzt werden. Neue Leistungshalbleiter (SiC, GaNbasierend)
ermöglichen eine wesentliche Steigerung des Umwandlungswirkungsgrades, sodass
Einsparungen bis zu 10% des Gesamtstromverbrauches realistisch sind. Im geplanten „Sondierungs-
Vorhaben“ wird analysiert, inwieweit ein auf einer Patenteinreichung der FH JOANNEUM beruhendes
Wechselrichterkonzept auf Netz-wechselrichter im höheren Leistungsbereich übertragen werden kann.
Energieversorgung (PV, Wind) und Speicherung (Li-Ion Speicher) sind dafür die wichtigsten Zielmärkte.
Im geplanten Sondierungsprojekt wird auf Basis von Simulationen und Analysen ein umfassendes
Konzept für modulare Hochleistungs-Netzwechselrichter (1MVA und darüber) ausgearbeitet, das eine
Entscheidungsgrundlage für ein mögliches anschließenden Entwicklungsprojekt bildet.

Ausgangssituation

Basierend auf den Vorkenntnissen sowie der Hardware aus dem COMPISO Projekt (Ultra Compact
Bidirectional Multi Purpose Inverter With Sinusoidal Output) soll eine Optimierung des Wirkungsgrades
respektive Effizienz durchgeführt werden. Hauptansatz ist der Ersatz der IGBT-Module durch aktuell
verfügbare leistungsfähigere Module, sowie das Design einer darauf angepassten gekoppelten
Induktivität. Ausgangspunkt für die Entwicklung des modularen Konzeptes sind die aus dem COMPISO
Projekt entwickelten DCDC Converter Module, welche durch entsprechende Verschaltung als
Netzwechselrichter operieren. Im Sinne der angestrebten Systemleistung von 1MVA werden mehrere
COMPISO miteinander verknüpft, parallel geschalten. Im Hinblick auf diesen Leistungsbereich und die
Komplexität des Systems kann eine Verbesserung der Effizienz einen wesentlichen Beitrag zur
Reduzierung des Volumens sowie Gewichtes und damit auch Kosten beitragen.
Der Zweite Schwerpunkt, neben der Effizienzsteigerung, galt der Entwicklung und Evaluierung von
benötigten Regelstrukturen im Zusammenhang mit dem Netzwechselrichter. Für diesen Zweck wird die
Spannungsorientierte Regelung sowie die Phasendetektierung welche zur Synchronisierung zum Netz
benötigt wird, eingeführt. Die komplette Entwicklung basiert auf einem modelbasierten
Entwicklungsprozess, welcher es ermöglicht die Systemdynamik und Interaktion zwischen den
verschiedenen Komponenten zu analysieren.

Projektverlauf

Die Schwerpunkte des Projektes können grundsätzlich durch die Definition der Arbeitspakete des
Projektes identifiziert werden, siehe dazu auch 2.5. Folgende Kernthemen können zusammengefasst
werden. Mittels den Grundstrukturen der Invertertechnologien werden der Optimierungsprozess und
dessen möglichen Potentiale näher beschrieben, welche als Grundlage für die Optimierung der passiven
Komponenten sowie für die Verifizierung mittels der Simulationsmodelle dienen soll. Anhand der
Analyse der Grundstrukturen wird die Wichtigkeit der Standards und Normen verdeutlicht, welche einen

Einfluss auf die Auslegung des zu entwickelnden Netzwechselrichters haben. Dabei sind insbesondere
Anforderungen an die gelieferte Spannungsform (vom Wechselrichter) von Bedeutung, da sie die
Erfordernisse hinsichtlich des Ausgangsfilters definieren. Eine Übersicht über international geltende
Normen und Standards wird erstellt.
Die Durchführung einer Markstudie im Hinblick auf neu verfügbare Halbleitermodule soll als
Entscheidungsgrundlage für die Auswahl der einzusetzenden Halbleitermodule dienen.
Ein Konzept für einen Netzwechselrichter mit einer Systemleistung von 1MVA soll erstellt werden. Dabei
wird ausgehend von den Grundeinheiten ein modulares System erstellt, welches durch entsprechende
Verschaltung der Komponenten den angestrebten Leistungsbereich ermöglicht.
Einer der wesentlichen Schwerpunkte des Projektes ist die Entwicklung des Regelalgorithmus zur
Anwendung als Netzwechselrichter. Die Herausforderung in diesem Zusammenhang ist der geringe
Induktivitätswert des Wechselrichters (inductor less) sowie der Wegfall einer Kopplungsinduktivität,
welche den Anspruch an den Regelalgorithmus verschärfen. Im Zuge des Projektes werden
dahingehend verschiedene Konfigurationen, mit oder ohne Koppelinduktivität, sowie Variationen in
Bezug auf die Filterkondensatoren analysiert.
Durch die angedachte Erhöhung der Leistungsdichte soll eine Optimierung der passiven Komponenten,
wie Induktivitäten und Kondensatoren, durchgeführt werden. Als letzter Punkt wird das Konzept durch
die Aufbautechnik konkretisiert sowie ein Ausblick auf zu erwartende Kosten eines solchen Systems
gemacht.

Steckbrief

Projektnummer
843789
Koordinator
FH JOANNEUM Gesellschaft mbH
Projektleitung
Alfred Steinhuber, alfred.steinhuber@fh-joanneum.at
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
01.2014 - 12.2014
Budget
243.140 €