Fonte:ise.fraunhofer.de
Con il progredire della transizione energetica, l'espansione delle reti elettriche sta diventando sempre più importante. Sempre più impianti di generazione rinnovabile e sistemi di accumulo elettrico vengono collegati alla rete. Questo conferisce all'elettronica di potenza un ruolo decisivo, perché è fondamentale connettere questi sistemi alla rete. Tuttavia, oltre alla semplice immissione o retroazione di energia elettrica, l'elettronica di potenza deve svolgere anche altri compiti di supporto alla rete. Nel"SiC-MSBat" progetto, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, insieme ai partner, hanno ora sviluppato e messo in servizio con successo un inverter estremamente compatto per l'alimentazione diretta nella rete di media tensione.
Attualmente, gli inverter immettono principalmente nella rete a bassa tensione. Vengono poi collegati alla rete di media tensione tramite grossi trasformatori da 50 Hz. L'utilizzo di nuovi tipi di transistor al carburo di silicio (SiC) con tensioni di blocco molto elevate consente ora anche di collegare gli inverter direttamente alla rete di media tensione. Grazie all'elevata dinamica di controllo degli inverter SiC, possono svolgere compiti di stabilizzazione della rete e, ad esempio, fungere da filtri di potenza attiva per compensare le armoniche nella rete di media tensione. Inoltre, gli inverter SiC possono raggiungere densità di potenza molto più elevate rispetto agli inverter convenzionali. Ciò si traduce in un design compatto, che è un vantaggio particolare quando gli impianti devono essere costruiti in aree urbane o devono essere adattati vecchi impianti esistenti. Oltre ai meri costi di sistema, giocano un ruolo molto importante anche i costi di costruzione e di infrastruttura, soprattutto nelle aree urbane. Nell'ambito del progetto"SiC-MSBat - inverter di media tensione con moduli di potenza SiC ad alta tensione per grandi reti di accumulo e di distribuzione a servizio del sistema", è stato sviluppato uno stack di inverter da 250 kW per l'immissione in reti da 3 kV AC. Qui vengono utilizzati nuovi transistor SiC da 3,3 kV. Questi hanno perdite di potenza significativamente inferiori rispetto ai transistor al silicio comparabili. Ciò consente di far funzionare lo stack di inverter con una frequenza di commutazione di 16 kHz. Con i moderni transistor al silicio, in questa classe di tensione sono possibili solo frequenze di commutazione circa 10 volte inferiori. L'elevata frequenza di commutazione consente di risparmiare sui componenti passivi, in quanto questi possono essere dimensionati in un formato più piccolo. Un'altra particolarità dell'inverter è il suo raffreddamento a liquido attivo con un estere sintetico come mezzo di raffreddamento. Questo mezzo viene pompato attraverso l'inverter e raffredda sia i transistor tramite un dissipatore di calore a liquido che le induttanze del filtro, che sono alloggiate in un serbatoio chiuso. Allo stesso tempo, il mezzo di raffreddamento per le induttanze del filtro funge da mezzo di isolamento elettrico, consentendo di rendere le induttanze del filtro ancora più compatte. L'inverter è stato costruito e testato nei laboratori Fraunhofer ISE's, raggiungendo un tasso di efficienza molto elevato del 98,4% alla potenza nominale. Il design del dispositivo consente l'interconnessione modulare di più stack di inverter per ottenere potenze di sistema di diversi megawatt. Tenendo conto dello spazio di installazione aggiuntivo per il quadro elettrico e l'unità di raffreddamento, è possibile ottenere un risparmio di volume del sistema inverter fino al 40 percento rispetto ai sistemi inverter commerciali di questa classe di tensione. Il progetto è stato finanziato dal Ministero Federale Tedesco per gli Affari Economici e l'Energia (BMWi) nell'ambito del 6° Programma di Ricerca Energetica nell'ambito della sotto-area"Integrazione di Energie Rinnovabili e Sistemi di Fornitura di Energia Rigenerativa". I partner del progetto erano Semikron Elektronik GmbH& Co. KG e STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Semikron era responsabile dello sviluppo dei moduli SiC da 3,3 kV nel progetto, STS era principalmente responsabile dei componenti induttivi. Fraunhofer ISE vede molte potenziali applicazioni per l'uso di dispositivi SiC ad alto blocco nella gamma di media tensione."Soprattutto per i grandi impianti fotovoltaici, la tendenza è verso tensioni sempre più elevate," afferma Andreas Hensel, capo del team di elettronica di potenza a media tensione presso Fraunhofer ISE."Con la tecnologia FV da 1500 V, disponibile da alcuni anni, la direttiva sulla bassa tensione è già pienamente sfruttata. Il prossimo passo qui sarà il passaggio all'immissione in rete a livello di media tensione, che porterà un ulteriore potenziale di risparmio e miglioramenti nel concetto di sistema degli impianti fotovoltaici." Oltre alle centrali rigenerative e ai grandi sistemi di accumulo a batteria, altri campi di applicazione dell'elettronica di potenza a media tensione includono i sistemi di azionamento e la tecnologia ferroviaria. Per testare tali sistemi, Fraunhofer ISE dispone del laboratorio multi-megawatt, inaugurato a metà del 2019. Ciò consente il funzionamento di impianti di media tensione con una potenza fino a 20 MVA.Design compatto grazie all'elevata frequenza di commutazione
Elettronica di potenza del futuro a livello di media tensione
