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Hocheffizienter Umrichter für Batteriespeichersysteme

13. Januar 2020, 13:30 Uhr | Von Karl Jäger, Senior-Entwicklungsingenieur, und Tobias Herrmann, Field Application Engineer & Marketing Manager, Finepower

Mit kaskadierten Umrichtersystemen können hocheffiziente und berührsichere Batteriespeichersysteme aufgebaut werden, beispielsweise zur Eigenversorgung von Häusern

Um die Klimaziele zu erreichen, wird verstärkt auf regenerative Energien gesetzt. Strom aus Wind, Wasser und Sonne steht nicht kontinuierlich zur Verfügung, was eine Zwischenspeicherung etwa in Batterien erforderlich macht.

Bei Speicherung und Wiedereinspeisung soll natürlich so wenig Energie wie möglich verloren gehen.

In heutigen Batteriespeichersystemen werden häufig 3-Phasen-Wechselrichter basierend auf der aktiv geschalteten B6-Topologie oder 3-Level-Inverter eingesetzt. Doch das Schalten großer DC-Spannungen mit hohen Frequenzen und anschließender Filterung erfordert dort nicht nur die Verwendung von entsprechend spannungsfesten Bauteilen, sondern führt auch zu Verlusten. Dadurch sind die Wirkungsgrade im Lade- als auch Entladebetrieb auf Werte von etwa 97 Prozent limitiert. Durch das schnelle Schalten hoher Spannungen entstehen hohe EMV-Abstrahlungen, die mit viel Filteraufwand limitiert werden müssen.

Im Rahmen des von der Bayerischen Forschungsstiftung (https://www.forschungsstiftung.de) geförderten Projekts »Mbatt« (Multi- Level-Umrichter für Batteriespeichersysteme) wurde daher untersucht, wie die Leistungselektronik der Batteriespeicher bezüglich Zuverlässigkeit, EMV, Wirkungsgrad und Kosten weiter optimiert werden können.

Mit der hier beschriebenen kaskadierten H-Brücken-Multi-Level-Topologie, kurz CHB (Cascaded H-Bridge-Converter), wird ein Wirkungsgrad von bis zu 99,4 Prozent erreicht. Ermöglicht wird dies, indem lediglich geringe DC-Spannungen stufenweise mit niedriger Frequenz geschaltet werden. Durch den kaskadierten, modularen Aufbau der Umrichtermodule ergibt sich ein weiterer wichtiger Vorteil: Bei Ausfall eines Umrichters oder Batteriepacks kann das System bei geringfügig reduzierter Leistung weiterbetrieben werden. Pro Modul wurde die Batteriespannung auf <60 V DC festgelegt, um im Reparatur- oder Service-Fall nicht mit lebensgefährlichen Spannungen konfrontiert zu werden, sobald das Modul vom System genommen wurde.

CHB – das Verfahren

Wie im Prinzipschaltbild in Bild 1 zu sehen, besteht der Umrichter aus n Stück H-Brücken inklusive eines Batteriepacks. In unserem Beispiel besteht das System aus neun Umrichtern pro Phase, die eine Gesamtleistung von 3 × 25 kW liefern oder speichern können. Die einzelnen Phasenstränge sind per Y-Schaltung an das Drehstromnetz geschaltet. Als Regelungsverfahren wird eine für dreiphasige Umrichter übliche Vektorregelung eingesetzt, deren Vorteile auch bei diesem System zur Geltung kommen. Zum aufwändigsten Teil der Regelung gehört dabei die richtige Ansteuerung und Überwachung der einzelnen Module, um im Störungsfall die richtigen Maßnahmen bis hin zur kontrollierten Abschaltung zu treffen.

Ansteuerung eines klassischen Umrichters

Würde das System nur aus einem einzigen Modul bestehen, hätten wir den klassischen Anwendungsfall eines einphasigen Vollbrücken-Umrichters, so wie er in Bild 2 dargestellt ist. Mindestens eine der beiden Halbbrücken wird mit einem geregelten PWM-Signal angesteuert, um einen sinusförmigen Strom zu erzeugen. Entweder wird die andere Halbbrücke diagonal dazu mit demselben PWM-Signal getaktet oder sie wird lediglich als Polwender im Netzfrequenz-Takt umgesteuert. Bild 3 zeigt die entsprechenden Signalverläufe. Der Polwender hat den Vorteil eines besseren Wirkungsgrades, da an dieser Halbbrücke kaum Schaltverluste auftreten. Nachteilig dabei ist, dass induktive oder kapazitive Ströme nur möglich sind, wenn die Ansteuerung der kommutierenden Halbbrücke auf die entsprechende Phasenverschiebung eingestellt ist. Im Inselbetrieb, wo beliebige Verbraucher mit unbekanntem Leistungsfaktor daran angeschlossen werden sollen, würde dieses Verfahren Kommutierungsprobleme hervorrufen.

Gehen wir nun davon aus, wir hätten zwei Einzelumrichtermodule miteinander wie in Bild 4 verschaltet. Durch die Erweiterung des Single-Modul-Prinzips ist das Ansteuerprinzip auch hier anwendbar. Zusätzlich wird das Prinzip der Phase-Shift-Ansteuerung verwendet, das heißt, Modul 2 wird gegenüber Modul 1 phasenverschoben getaktet.