Fonte: ise.fraunhofer.de
À medida que a transição energética avança, a expansão das redes elétricas está se tornando cada vez mais importante. Cada vez mais usinas de geração renovável, bem como sistemas de armazenamento elétrico estão sendo conectados à rede. Isso dá à eletrônica de energia um papel decisivo, pois é essencial conectar esses sistemas à rede. No entanto, além do mero feed-in ou alimentação de energia elétrica, a eletrônica de energia também deve realizar outras tarefas de suporte à rede. No projeto "SiC-MSBat", pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar ISE, juntamente com parceiros, desenvolveram e encomendaram com sucesso um inversor altamente compacto para alimentação direta na rede de média tensão.
Atualmente, os inversores alimentam principalmente a grade de baixa tensão. Eles são então acoplado à rede de média tensão através de grandes transformadores de 50 Hz. O uso de novos tipos de transistores de carboneto de silício (SiC) com tensões de bloqueio muito altas agora também torna possível conectar os inversores diretamente à rede de média tensão. Graças à dinâmica de alto controle dos inversores SiC, eles podem assumir tarefas de estabilização de grade e, por exemplo, atuar como filtros de energia ativos para compensar os harmônicos na rede de média tensão. Além disso, os inversores sic podem alcançar densidades de energia muito maiores do que os inversores convencionais. Isso resulta em um design compacto, que é uma vantagem particular quando as plantas devem ser construídas em áreas do centro da cidade ou plantas antigas existentes devem ser adaptadas. Além dos meros custos do sistema, os custos de construção e infraestrutura também desempenham um papel muito importante, especialmente nas áreas urbanas. Como parte do projeto "SiC-MSBat - inversores de média tensão com módulos de energia SiC de alta tensão para redes de distribuição de armazenamento em larga escala e serviços do sistema", uma pilha de inversores de 250 kW foi desenvolvida para alimentação em redes CA de 3 kV. Aqui, novos transistores SiC de 3,3 kV são usados. Estes têm perdas de energia significativamente menores do que transistores de silício comparáveis. Isso permite operar a pilha de inversores com uma frequência de comutação de 16 kHz. Com transistores de silício de última geração, apenas cerca de 10 vezes mais frequências de comutação são possíveis nesta classe de tensão. A alta frequência de comutação proporciona economia nos componentes passivos, pois estes podem ser dimensionados em um formato menor. Outra característica especial do inversor é o seu resfriamento líquido ativo com um éster sintético como meio de resfriamento. Este meio é bombeado através do inversor e esfria tanto os transistores através de um dissipador de calor líquido quanto o filtro engasga, que estão alojados em um tanque fechado. Ao mesmo tempo, o meio de resfriamento para os engasgos do filtro serve como um meio de isolamento elétrico, permitindo que os engasgos do filtro sejam ainda mais compactos. O inversor foi construído e testado nos laboratórios da RSE de Fraunhofer, alcançando uma taxa de eficiência muito alta de 98,4% na potência nominal. O design do dispositivo permite a interconexão modular de múltiplas pilhas de inversores para alcançar saídas de sistemas de vários megawatts. Levando em conta espaço adicional de instalação para a unidade de refrigeração e resfriamento, uma economia de volume do sistema inversor de até 40% pode ser alcançada em comparação com sistemas de inversores comerciais desta classe de tensão. O projeto foi financiado pelo Ministério da Economia e Energia (BMWi) da Alemanha como parte do 6º Programa de Pesquisa Energética sob a subárea "Integração de Energias Renováveis e Sistemas regenerativos de Fornecimento de Energia". Os parceiros do projeto foram a Semikron Elektronik GmbH & Co. KG e a STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. A Semikron foi responsável pelo desenvolvimento dos módulos SiC de 3,3 kV no projeto, a STS foi a principal responsável pelos componentes indutivos. O Fraunhofer ISE vê muitas aplicações potenciais para o uso de dispositivos SiC de alto bloqueio na faixa de média tensão. "Especialmente para grandes usinas fotovoltaicas, a tendência é de tensões cada vez maiores", diz Andreas Hensel, Chefe da Equipe de Eletrônica de Energia de Média Tensão da Fraunhofer ISE. "Com a tecnologia PV 1500 V que está disponível há alguns anos, a diretiva de baixa tensão já está sendo totalmente explorada. O próximo passo aqui será a transição para alimentação em nível médio de tensão, o que trará ainda mais potencial para economia e melhorias no conceito de sistema de usinas fotovoltaicas." Além de usinas elétricas regenerativas e grandes sistemas de armazenamento de baterias, outras áreas de aplicação para eletrônicos de energia de média tensão incluem sistemas de acionamento e tecnologia ferroviária. Para testar tais sistemas, a Fraunhofer ISE possui o laboratório multi megawatt, inaugurado em meados de 2019. Isso permite o funcionamento de sistemas de média tensão com potência de até 20 MVA.Design compacto devido à alta frequência de comutação
Eletrônica de potência futura no nível de média tensão
