Die Einspeisung elektrischer Energie aus Photovoltaik- und Windenergieanlagen in das Netz erfolgt über leistungselektronische Stellglieder. In diesem Beitrag werden die wichtigen Schaltungstopologien zur Netzeinspeisung für Anwendungen im MW-Leistungsbereich und die sich daraus ergebenen Anforderungen an Leistungshalbleiter diskutiert.
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Umrichtertechnik für die dezentrale Energieeinspeisung
1 Niederspannungsumrichter
Bild 1: Verluste im Zweipunktumrichter
Für die Einspeisung von Photovoltaik und Windenergie sind Niederspannungsumrichter Stand der Technik. Kostengünstige Leistungshalbleiter und Standard-Schaltgeräte sprechen ebenso dafür wie im Vergleich zur Mittelspannung geringere Anforderungen an die Sicherheit und die Ausbildung des Personals für Montage und Wartung. Wichtigster Nachteil sind die hohen Ströme, die zu hohen Leitungsquerschnitten und Verlustleistungen führen.
1.1 Halbleiterverluste im Zweipunktumrichter
Umrichter für 400 V oder 690 V Netzspannung werden üblicherweise in Zweipunkttechnik ausgeführt. Maßgeblich für die Auslegung des netzseitigen Umrichters und dessen Filters sind die Oberschwingungsanforderungen der Netzbetreiber, die z. B. in [1] für das Mittelspannungsnetz definiert sind. Aus dem Sprung in den zulässigen Oberschwingungsströmen bei der Ordnungszahl 40 ergibt sich eine vorteilhafte Schaltfrequenz von gut 2 kHz [2].
Für die für 400 V-Netze verwendeten 1200 V IGBT stellt dies noch eine sehr moderate Schaltfrequenz dar, so dass auch bei auf niedrigen Durchlass optimierten IGBT noch die Durchlassverluste dominieren .
Die für 690 V-Netze verwendeten 1700 V IGBTs zeigen ein anderes Bild. Lediglich 40 % der Gesamtverluste sind Durchlassverluste, 60 % sind Schaltverluste im IGBT und Reverse-Recovery Verluste in der Diode. Dabei machen die Ausschaltverluste des IGBT nur 1/3 der Schaltverluste aus, 2/3 sind die während der Kommutierung von der Diode auf den IGBT auftretende Verluste und sind damit unmittelbar vom Reverse-Recovery Verhalten der Diode abhängig.
1.2 Potenzial von SiC-Leistungshalbleitern
Die Verlustaufteilung zeigt das Potential für den Einsatz von SiC Schottky- oder MPS-Dioden in der 1700 V Spannungsklasse. Die Reverse-Recovery Verluste der Diode entfallen praktisch vollständig, lediglich die Sperrschichtkapazität muss noch umgeladen werden. Zudem lässt sich der IGBT deutlich schneller einschalten, eine Reduktion der Einschaltverluste auf weniger als die Hälfte ist realistisch. Damit lassen sich die Gesamtschaltverluste halbieren und die gesamten Leistungshalbleiterverluste auf 70 % reduzieren. Die Reduktion der Schaltverluste lässt sich in zwei Richtungen nutzen. Entweder kann der Ausgangsstrom des Umrichters um gut 20 % erhöht und dabei gleichzeitig der Wirkungsgrad um 0,4 % verbessert werden. Alternativ kann die Schaltfrequenz verdoppelt und damit der Filteraufwand reduziert werden.
1.3 Zuverlässigkeit von 690 V Umrichtern
Wie aus einer linearen Umrechnung der Spannungswerte zu erkennen ist, führt die Verwendung von 1700 V IGBT für 690 V Umrichter zu einer spannungsmäßig deutlich knapperen Auslegung als die von 1200 V IGBT für 400 V Umrichter.
Für die erforderliche Zwischenkreisspannung des Umrichters ist neben der Netzspannungstoleranz vor allem die einzustellende Blindleistung und die AC-seitige Drossel bzw. Transformatorstreuung entscheidend. Die Netzanschlussbedingungen schreiben vor, dass übererregter Betrieb mit einem cos φ von 0,95 möglich sein muss. Die erforderliche Kurzschlussspannung der Ausgangsdrossel oder des Transformators ergibt sich aus den Anforderungen an die Stromoberschwingungen und an die Strombegrenzung im Fehlerfall [3].
Üblich ist für Umrichter dieser Spannungsklasse eine Zwischenkreisspannung von 1100 V. Bei reiner Wirkleistungslieferung und Nennspannung im Netz lassen sich die erforderlichen uK noch gut erreichen. Um – wie in den Grid Codes gefordert – auch bei Netzüberspannung noch übererregten Betrieb fahren zu können, ist selbst bei einem uK von nur 10 % eine Zwischenkreisspannung von 1200 V erforderlich.
Dem steht jedoch die zu erwartende Ausfallrate durch Höhenstrahlung entgegen. Dieser Ausfallmechanismus ist in der Leistungselektronik seit über zwei Jahrzehnten prinzipiell bekannt. Quantitative Angaben zu den Ausfallraten sind dennoch für viele IGBT nicht frei zugänglich. Hier muss der Umrichterhersteller beim Leistungshalbleiterhersteller auf die Herausgabe der Daten drängen. Aus der allgemein zugänglichen Applikationsschrift [4] wurde die zu erwartende Ausfallrate für einen 1700 V IGBT ermittelt. Dabei ist zu beachten, dass es sich um einen exemplarischen IGBT handelt, für andere Module können die genauen Werte anders aussehen.
Bei 1100 V Zwischenkreisspannung, 125 °C Sperrschichttemperatur und Meereshöhe ist eine Ausfallrate von 200 FIT zu erwarten, bei 25 °C steigt sie auf inakzeptable 2.000 FIT an. Solch niedrige Sperrschichttemperaturen sind als Dauerbetriebspunkte durchaus praxisrelevant, wenn im Winter bei schwachem Wind oder geringer Sonneneinstrahlung Betrieb gemacht wird. Bei Wasserkühlung können durch eine Reduktion der Lüfterleistung des Rückkühlers solch niedrige Temperaturen vermieden werden.
Die Verwendung von 1700 V IGBT für 690 V Netze erfordert also eine sehr knappe Auslegung und eine gründliche Absicherung beim IGBT-Hersteller, ob die vorgesehenen IGBT für die vorgesehene Zwischenkreisspannung geeignet sind.
Insgesamt würde sich die Situation deutlich entspannen, wenn für diese Anwendung 2000 V IGBT zur Verfügung stehen würden, die dann mit 1250 V Zwischenkreisspannung betrieben würden. Dies würde einerseits für mehr Aussteuerreserve des Umrichters sorgen, andererseits wären die IGBT nicht so grenzwertig ausgelastet.
Wenn ein eigener Transformator zur Verfügung steht, wäre eine Absenkung der Netzspannung auf 600 V eine Alternative, die auch wieder eine solidere Auslegung ermöglichen würde.
Bild 2: NPC-Dreipunkt vs. Zweipunkt
1.4 Dreipunktumrichter für 690 V Netzspannung
Dreipunktumrichter sind seit mehreren Jahrzehnten Stand der Technik im Mittelspannungsbereich, wenn die Sperrfähigkeit der Leistungshalbleiter nicht für Zweipunktumrichter ausreicht. Ihr geringerer Oberschwingungsgehalt hat sie in den letzten Jahren aber auch für netzseitige Niederspannungsumrichter interessant gemacht. Die klassische Topologie ist dabei der mit Dioden gegen den Mittelpunkt des Zwischenkreises geklemmte Dreipunktumrichter.
Für das 690 V-Netz kommen 1200 V IGBT zum Einsatz. Auf den ersten Blick erscheint das spannungsmäßig weit überdimensioniert. Es besteht so jedoch die Möglichkeit, die spannungsmäßig sehr enge Auslegung von Zweipunktumrichtern mit 1700 V IGBT zu umgehen. Die Zwischenkreisspannung kann auf 1250 V gelegt werden und bietet so genügend Stellreserve auch bei übererregtem Betrieb und großen AC-seitigen Induktivitäten. Andererseits führt selbst eine deutliche Asymmetrie der Teilzwischenkreise noch nicht zu einer unverträglich hohen Sperrspannung der IGBT. Insgesamt ergibt sich so eine sehr robuste Umrichterauslegung.
Der Vergleich zwischen einem solchen Dreipunktumrichter mit 1200 V IGBT und einem Standard Zweipunktumrichter mit 1700 V IGBT zeigt geringere Verluste und eine geringere maximale Sperrschichttemperatur oberhalb einer Schaltfrequenz von etwa 2,5 kHz (Bild 2).
Im relevanten Bereich der Trägerfrequenz kann man daher mit dem ausgesprochen solide ausgelegten Dreipunktumrichter bei gleichem Halbleitereinsatz nahezu die gleiche Ausgangsleistung und den gleichen Wirkungsgrad wie beim extrem eng ausgelegten Zweipunktumrichter erreichen und zusätzlich von der geringeren Welligkeit des Ausgangsstroms profitieren.
Der Dreipunktumrichter mit 1200 V IGBT ist mit 1250 V Zwischenkreisspannung spannungsmäßig noch nicht an seiner Grenze. Auch bei 1400 V Zwischenkreisspannung ist, unter der Annahme einer etwas präziseren Spannungssymmetrierung der Teilzwischenkreise, eine solide Auslegung möglich. Wenn durch einen individuell auslegbaren Transformator der Freiheitsgrad besteht, kann die Netzspannung daher um gut 10 % angehoben und bei gleicher Leistung der Ausgangsstrom entsprechend abgesenkt werden. Der Vergleich zwischen Zweipunkt- und Dreipunktumrichter verschiebt sich dann zugunsten des Dreipunktumrichters.
2 Mittelspannungsumrichter
2.1 Dreipunktumrichter
Mit höherer Leistung werden die Leitungsquerschnitte und -verluste bei Niederspannungsumrichtern inakzeptabel groß. Für Leistungen oberhalb von einigen MW werden daher Mittelspannungsumrichter, die üblicherweise als NPC-Dreipunktumrichter ausgeführt werden, immer attraktiver. Die dafür verwendeten 3,3 kV, 4,5 kV und 6,5 kV IGBT haben mit zunehmender Spannung höhere spezifische Schaltverluste. Im gleichen Maße sinken die auf die Nennzwischenkreisspannung bezogenen Durchlassspannungen von IGBT und Diode und damit die Durchlassverluste (Bild 3).
Bild 3: IGBT Schaltverluste und Durchlassspannung
Die sinnvoll erreichbare Trägerfrequenz ist daher umgekehrt proportional zur IGBT-Sperrspannung. Entsprechend steigt bei höheren Spannungen der Filteraufwand. Der Anteil der durch das Rückwärtserholverhalten der Diode bestimmten Verluste liegt dabei bei allen Spannungsklassen zwischen 1700 V und 6500 V bei etwa 2/3 der gesamten Schaltverluste. Daher lassen sich auch bei den höheren Sperrspannungsklassen die Schaltverluste durch den Einsatz von SiC Dioden in etwa halbieren. Für 6500 V sind SiC PiN-Dioden geeignet [5], allerdings noch nicht in Serie verfügbar. Lange Zeit wurde die Stabilität bipolarer SiC Halbleiter kritisch beurteilt, problematisch für Anwendungen mit hoher Parallelschaltzahl ist zudem der stark negative Temperaturkoeffizient der Durchlassspannung. Für 3300 V Anwendungen stört zudem die hohe Diffusionsspannung von SiC, die daraus resultierende Schwellenspannung in der Durchlasskennlinie ist bereits so hoch wie die Durchlassspannung einer Si-PiN Diode bei Nennstrom.
2.2 Mehrpunktumrichter
Eine Schaltungstopologie, die mit deutlich mehr Ausgangsstufen bei gleicher Trägerfrequenz zu einem geringeren Oberwellengehalt der Spannung führt, ist der Modulare Multi-Level Umrichter [6]. Nach ersten Anwendungen in der Hochspannungs-Gleichstromübertragung wird er jetzt auch für Mittelspannungsumrichter verwendet.
Für Mittelspannungsanwendungen bieten sich dabei 1700 V IGBT für die Submodule und etwa 10 Stufen an. Die Trägerfrequenz wird so hoch gewählt, dass das Störstromspektrum oberhalb des durch die Grid-Codes normierten Bereichs liegt. Damit ist ein Betrieb ohne Filter möglich. Durch die hohe Stufenzahl kann die Schaltfrequenz pro Stufe relativ niedrig gewählt werden. In den Leistungshalbleitern dominieren daher die Durchlassverluste.
3 Zusammenfassung
Mehrpunktumrichter bieten interessante Perspektiven als netzseitige Umrichter dezentraler Energieerzeugungsanlagen. Besonders Dreipunktumrichter mit 1200 V IGBT erlauben ein robustes Umrichterdesign mit hinreichend Spannungsreserven für übererregten Betrieb im 690 V Netz auch bei Netzüberspannung. Alternativ könnten 2 kV IGBT eine solide Auslegung für 690 V-Zweipunktumrichter ermöglichen.
4 Literatur
[1] Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz; Ausgabe Juni 2008.
[2] U. Rädel, Beitrag zur Entwicklung leistungselektronischer Komponenten für Windkraft-anlagen, Dissertation, Ilmenau 2008.
[3] H.-G. Eckel, Leistungshalbleiter für die dezentrale Energieeinspeisung, VDE-Kongress 2013.
[4] N. Kaminski, A. Kopta, Failure Rates of HiPak Modules Due to Cosmic Rays, ABB Ap-plication Note 5SYA 2042-03, July 2009.
[5] W. Bartsch et al, Comparison of Si- and SiC-Powerdiodes in 100A-Modules, EPE 2007 Aalborg.
[6] R. Marquardt, A. Lesnicar, New Concept for High Voltage – Modular Multilevel Con-verter, PESC 2004.
