Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE han desarrollado y puesto en marcha con éxito un inversor para inyección directa en la red de media tensión de 10 kV que puede regular corrientes de potencia hasta diez veces más altas que los inversores de silicio normales.
El inversor trifásico de Fraunhofer utiliza transistores de carburo de silicio de alta tensión (SiC), lo que permite que el inversor se conecte a la red de media tensión sin la necesidad de un transformador adicional. Al regular la potencia reactiva y filtrar los armónicos indeseables en la red eléctrica, el inversor contribuye a la estabilización de las redes eléctricas con una gran proporción de energías renovables. Si bien existen otros medios para el filtrado de armónicos, se dice que las aplicaciones de alto voltaje como esta son más efectivas que aquellas que trabajan a voltajes más bajos y que requieren un transformador de 50Hz.
Actualmente, la electrónica de potencia está acoplada a la red eléctrica principalmente en un rango de bajo voltaje. Para la estabilización de la red, se utilizan convertidores de potencia electrónica, los denominados STATCOM (Compensador síncrono estático), que proporcionan potencia reactiva infinitamente inductiva. El acoplamiento a la red de media tensión se realiza a través de un transformador de 50 Hz.
El producto de Fraunhofer puede alimentar directamente a la red de media tensión sin transformador, debido al uso de transistores de alta tensión hechos de carburo de silicio (SiC). Para ello, se utilizaron prototipos de componentes con una tensión de bloqueo de 15 kV.
Los transistores de silicio disponibles comercialmente tienen una tensión de bloqueo de 6,5 kV, lo que requiere estructuras de componentes más complicadas con un mayor número de componentes y una mayor complejidad arquitectónica, con más puntos débiles como resultado.
Otra ventaja de la nueva tecnología es que los transistores pueden funcionar con frecuencias más altas, debido a requisitos de energía de conmutación más bajos, y a pérdidas de potencia inferiores a las de los transistores de silicio normales, lo que da como resultado una mejor dinámica de control del inversor. Debido a la frecuencia más alta, el inversor puede actuar como un filtro activo para compensar los armónicos en la red de media tensión. Con STATCOMS esto solo es posible en una medida limitada, debido al efecto de paso bajo del transformador de 50 Hz.
"El uso de transistores de SiC de alto bloqueo, sin embargo, también nos presenta nuevos desafíos", dice Dirk Kranzer, director del proyecto. "Los transistores cambian muy rápido. La velocidad extremadamente pronunciada del aumento de voltaje durante la conmutación puede causar fallos o provocar descargas parciales o progresivas en el aislamiento. Al desarrollar los circuitos, se deben realizar grandes esfuerzos para minimizar estos efectos indeseables. Antes de que la implementación comercial sea posible, se necesitan más desarrollos tecnológicos, por ejemplo, en los módulos de potencia o en los componentes inductivos y capacitivos ".
El demostrador para la alimentación a la red de 10 kV tiene una potencia de 100 kVA. La frecuencia es de 16 kHz, aproximadamente diez veces mayor que en los convertidores de voltaje medio basados en semiconductores de silicio. Se usaron MOSFET de potencia de carburo de silicio de alta tensión (15 kV / 10 A) para los transistores. Los componentes inductivos fueron desarrollados por la empresa y el socio del proyecto Spezial-Transformatoren-Stockach GmbH (STS).
Además de estabilizar la red de media tensión, existen otras aplicaciones posibles para los componentes de carburo de silicio de alta tensión. "Para la electrónica de potencia, vemos un gran potencial para aplicaciones futuras en el rango de media tensión", dice el profesor Bruno Burger, director del Grupo de Nuevos Componentes y Tecnologías en Fraunhofer ISE. "En el futuro, son concebibles arquitecturas de sistemas totalmente nuevas para plantas de energía renovable, por ejemplo, grandes plantas fotovoltaicas o parques eólicos en el rango de megavatios. La nueva tecnología también promete aplicaciones en la industria ferroviaria o en grandes bancos de almacenamiento en baterías".
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