Fraunhofer ISE desarrolla un inversor muy compacto para la conexión directa a la red de media tensión

Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE), junto con otros socios, han desarrollado y puesto en marcha con éxito un inversor altamente compacto para la alimentación directa a la red de media tensión.

Actualmente, los inversores alimentan principalmente a la red de baja tensión. Luego se acoplan a la red de media tensión a través de grandes transformadores de 50 Hz. El uso de nuevos tipos de transistores de carburo de silicio (SiC) con voltajes de bloqueo muy altos ahora también permite conectar los inversores directamente a la red de media tensión.

Gracias a la alta dinámica de control de los inversores de SiC, pueden asumir tareas de estabilización de red y, por ejemplo, actuar como filtros de potencia activa para compensar armónicos en la red de media tensión.

Además, los inversores de SiC pueden alcanzar densidades de potencia mucho más altas que los inversores convencionales. Esto da como resultado un diseño compacto, que es una ventaja particular cuando las plantas se van a construir en áreas del centro de la ciudad o las plantas antiguas existentes se van a modernizar. Además de los simples costos del sistema, los costos de construcción e infraestructura también juegan un papel muy importante, especialmente en las áreas urbanas.

DISEÑO COMPACTO

Como parte del proyecto "SiC-MSBat: inversores de media tensión con módulos de potencia de SiC de alta tensión para redes de distribución de almacenamiento y servicio a gran escala", se desarrolló una pila de inversores de 250 kW para alimentar redes de CA de 3 kV. .

Aquí se utilizan nuevos transistores SiC de 3,3 kV. Estos tienen pérdidas de potencia significativamente menores que los transistores de silicio comparables. Esto hace posible operar la pila de inversores con una frecuencia de conmutación de 16 kHz. Con los transistores de silicio de última generación, solo son posibles unas frecuencias de conmutación 10 veces más bajas en esta clase de voltaje. La alta frecuencia de conmutación proporciona ahorros en los componentes pasivos, ya que estos se pueden dimensionar en un formato más pequeño.

Otra característica especial del inversor es su refrigeración líquida activa con un éster sintético como medio refrigerante. Este medio se bombea a través del inversor y enfría tanto los transistores a través de un disipador de calor líquido como los estranguladores de filtro, que se encuentran en un tanque cerrado. Al mismo tiempo, el medio refrigerante de las bobinas de filtro sirve como medio de aislamiento eléctrico, lo que permite que las bobinas de filtro se hagan aún más compactas.

El inversor fue construido y probado en los laboratorios de Fraunhofer ISE, logrando una tasa de eficiencia muy alta del 98,4 por ciento a la potencia nominal. El diseño del dispositivo permite la interconexión modular de múltiples pilas de inversores para lograr salidas del sistema de varios megavatios. Teniendo en cuenta el espacio de instalación adicional para la aparamenta y la unidad de refrigeración, se puede lograr un ahorro de volumen del sistema inversor de hasta un 40 por ciento en comparación con los sistemas inversores comerciales de esta clase de voltaje.

El proyecto fue financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania (BMWi) y en el mismo participaron como socios del proyecto Semikron Elektronik y STS Spezial-Transformatoren Stockach. Semikron fue responsable del desarrollo de los módulos de 3,3 kV SiC en el proyecto y STS fue el principal responsable de los componentes inductivos.

FUTURA ELECTRÓNICA DE POTENCIA A NIVEL DE MEDIA TENSIÓN

Fraunhofer ISE ve muchas aplicaciones potenciales para el uso de dispositivos de SiC de alto bloqueo en el rango de voltaje medio. "Especialmente para las grandes plantas de energía fotovoltaica, la tendencia es hacia voltajes cada vez más altos", dice Andreas Hensel, director del equipo de electrónica de potencia de voltaje medio en Fraunhofer ISE. "Con la tecnología fotovoltaica de 1500 V que ha estado disponible durante algunos años, la directiva de baja tensión ya se está explotando al máximo. El siguiente paso aquí será la transición a la alimentación a nivel de media tensión, que traerá más potencial por ahorros y mejoras en el concepto de sistema de plantas de energía fotovoltaica ".

Además de las plantas de energía regenerativa y los grandes sistemas de almacenamiento de baterías, otras áreas de aplicación de la electrónica de potencia de voltaje medio incluyen los sistemas de accionamiento y la tecnología ferroviaria.

Para probar dichos sistemas, Fraunhofer ISE cuenta con el laboratorio de varios megavatios, que se inauguró a mediados de 2019. Esto permite el funcionamiento de sistemas de media tensión con una potencia de hasta 20 MVA.