Inverter compatto in media tensione, Fraunhofer svela SiC

Inverter compatto in media tensione, Fraunhofer svela SiC

Nell’ambito del progetto "SiC-MSBat", i ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, insieme ai partner, hanno sviluppato e messo in funzione con successo un inverter altamente compatto per l’immissione diretta nella rete a media tensione.

Attualmente gli inverter alimentano per lo più la rete a bassa tensione. Sono poi accoppiati alla rete a media tensione tramite grandi trasformatori da 50 Hz. L’uso di nuovi tipi di transistor al carburo di silicio (SiC) con tensioni di blocco molto alte permette di collegare gli inverter direttamente alla rete di media tensione.

Grazie all’elevata dinamica di controllo degli inverter SiC, essi possono assumere compiti di stabilizzazione della rete e, per esempio, agire come filtri di potenza attivi 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. Il design è compatto, che rappresenta un vantaggio quando gli impianti devono essere costruiti in aree urbane o i vecchi impianti esistenti e devono essere adattati.

Caratteristiche tecniche

Nell’ambito del progetto è stato sviluppato uno stack di inverter da 250 kW per l’alimentazione in reti AC da 3 kV. Vengono utilizzati nuovi transistor SiC da 3,3 kV, con perdite di potenza significativamente inferiori rispetto ai transistor al silicio comparabili. Questo rende possibile il funzionamento dello stack di inverter con una frequenza di commutazione di 16 kHz. Con i transistor al silicio di ultima generazione, in questa classe di tensione sono possibili solo frequenze di commutazione circa 10 volte inferiori. L’alta frequenza di commutazione permette di risparmiare sui componenti passivi, poiché questi possono essere dimensionati in un formato più piccolo.

Un’altra caratteristica speciale dell'inverter è il suo raffreddamento a liquido attivo con un estere sintetico come mezzo di raffreddamento: esso viene pompato attraverso l’inverter e raffredda sia i transistor attraverso un dissipatore di calore liquido sia le bobine del filtro, che sono alloggiate in un serbatoio chiuso.

Allo stesso tempo, il mezzo di raffreddamento per le bobine di filtraggio serve come mezzo di isolamento elettrico, permettendo di rendere le bobine ancora più compatte.

L'inverter è stato costruito e testato nei laboratori del Fraunhofer ISE, raggiungendo un tasso di efficienza molto elevato: il 98,4% alla potenza nominale. Il design del dispositivo permette l’interconnessione modulare di più stack di inverter per raggiungere potenze di sistema di diversi megawatt. Tenendo conto dello spazio di installazione aggiuntivo per il quadro e l’unità di raffreddamento, è possibile ottenere un risparmio di volume del sistema di inverter fino al 40% rispetto ai sistemi di inverter commerciali di questa classe di tensione.

Inverter compatto in media tensione, Fraunhofer svela SiC

Il futuro

Fraunhofer ISE vede molte applicazioni potenziali per l’uso di dispositivi SiC ad alto bloccaggio nella gamma di media tensione.

Andreas Hensel, capo del Team Medium Voltage Power Electronics al Fraunhofer ISE
Soprattutto per le grandi centrali fotovoltaiche, la tendenza è verso tensioni sempre più alte. Con la tecnologia fotovoltaica a 1500 V, disponibile da qualche anno, la direttiva sulla bassa tensione è già stata sfruttata appieno. Il prossimo passo 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 delle centrali fotovoltaiche.

Oltre alle centrali elettriche rigenerative e ai grandi sistemi di stoccaggio delle batterie, altri campi di applicazione dell’elettronica di potenza a media tensione sono i sistemi di azionamento e la tecnologia ferroviaria.

Per testare questi sistemi, Fraunhofer ISE ha a disposizione il laboratorio multi-megawatt, inaugurato a metà 2019, che permette il funzionamento di sistemi a media tensione con una potenza fino a 20 MVA.

Finanziamento e partner

Il progetto è stato finanziato dal Ministero federale tedesco per l’economia e l’energia (BMWi) come parte del 6° programma di ricerca sull’energia nella sottoarea "Integrazione di Energie rinnovabili e sistemi di approvvigionamento energetico rigenerativi". 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, mentre STS era principalmente responsabile dei componenti induttivi.