ที่มา:ise.fraunhofer.de
เมื่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงานดำเนินไป การขยายตัวของโครงข่ายไฟฟ้าก็มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนและระบบจัดเก็บไฟฟ้ากำลังเชื่อมต่อกับกริดมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีบทบาทชี้ขาด เนื่องจากจำเป็นต้องเชื่อมต่อระบบเหล่านี้กับกริด อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากการป้อนเข้าหรือป้อนกลับของพลังงานไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังยังต้องทำงานอื่น ๆ ที่สนับสนุนกริดด้วย ใน"SiC-MSBat" โครงการ นักวิจัยจากสถาบัน Fraunhofer สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ISE ร่วมกับพันธมิตร ได้พัฒนาและประสบความสำเร็จในการว่าจ้างอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดสูงสำหรับการป้อนโดยตรงไปยังกริดแรงดันปานกลาง
ปัจจุบันอินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่ป้อนเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าแรงต่ำ จากนั้นจะต่อเข้ากับกริดแรงดันปานกลางผ่านหม้อแปลง 50 Hz ขนาดใหญ่ การใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ชนิดใหม่ที่มีแรงดันไฟฟ้าบล็อกสูงมากทำให้สามารถเชื่อมต่ออินเวอร์เตอร์โดยตรงกับกริดแรงดันไฟฟ้าปานกลางได้ ด้วยไดนามิกการควบคุมสูงของอินเวอร์เตอร์ SiC พวกเขาสามารถทำงานที่มีเสถียรภาพของกริดและตัวอย่างเช่นทำหน้าที่เป็นตัวกรองพลังงานที่ใช้งานอยู่เพื่อชดเชยฮาร์โมนิกในกริดแรงดันปานกลาง นอกจากนี้ อินเวอร์เตอร์ SiC ยังสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าอินเวอร์เตอร์ทั่วไป ส่งผลให้มีการออกแบบที่กะทัดรัด ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบโดยเฉพาะเมื่อต้องสร้างโรงงานในเขตเมืองชั้นในหรือต้องปรับปรุงโรงงานเก่าที่มีอยู่เดิม นอกจากต้นทุนของระบบเพียงอย่างเดียวแล้ว ต้นทุนการก่อสร้างและโครงสร้างพื้นฐานก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะในเขตเมือง เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ"SiC-MSBat - อินเวอร์เตอร์แรงดันปานกลางพร้อมโมดูลพลังงาน SiC แรงดันสูงสำหรับการจัดเก็บขนาดใหญ่และกริดการกระจายที่ให้บริการระบบ" อินเวอร์เตอร์สแต็คขนาด 250 กิโลวัตต์ได้รับการพัฒนา สำหรับป้อนเข้ากริด AC 3-kV ที่นี่ใช้ทรานซิสเตอร์ SiC 3.3-kV แบบใหม่ สิ่งเหล่านี้มีการสูญเสียพลังงานต่ำกว่าทรานซิสเตอร์ซิลิกอนที่เปรียบเทียบได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้สามารถใช้งานอินเวอร์เตอร์สแต็คด้วยความถี่สวิตชิ่ง 16 kHz ได้ ด้วยทรานซิสเตอร์ซิลิกอนที่ล้ำสมัย ทำให้ความถี่สวิตชิ่งต่ำลงได้เพียง 10 เท่าเท่านั้นในระดับแรงดันไฟฟ้านี้ ความถี่สวิตชิ่งที่สูงช่วยประหยัดส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เนื่องจากสามารถปรับขนาดเหล่านี้ให้มีขนาดเล็กลงได้ คุณสมบัติพิเศษอีกประการของอินเวอร์เตอร์คือการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแอคทีฟโดยมีเอสเทอร์สังเคราะห์เป็นตัวกลางในการทำความเย็น สื่อนี้ถูกสูบผ่านอินเวอร์เตอร์และทำให้ทรานซิสเตอร์เย็นลงโดยใช้ฮีตซิงก์เหลวและโช้กตัวกรอง ซึ่งติดตั้งอยู่ในถังปิด ในเวลาเดียวกัน ตัวกลางทำความเย็นสำหรับโช้กของตัวกรองทำหน้าที่เป็นตัวกลางของฉนวนไฟฟ้า ทำให้โช้กของตัวกรองมีขนาดกระทัดรัดยิ่งขึ้น อินเวอร์เตอร์ถูกสร้างขึ้นและทดสอบในห้องปฏิบัติการของ Fraunhofer ISE' บรรลุอัตราประสิทธิภาพที่สูงมากที่ 98.4 เปอร์เซ็นต์ที่กำลังไฟพิกัด การออกแบบอุปกรณ์ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อระหว่างกันแบบโมดูลของอินเวอร์เตอร์หลายสแต็ค เพื่อให้ได้เอาต์พุตของระบบหลายเมกะวัตต์ โดยคำนึงถึงพื้นที่ในการติดตั้งเพิ่มเติมสำหรับสวิตช์เกียร์และหน่วยทำความเย็น สามารถลดระดับเสียงของระบบอินเวอร์เตอร์ได้มากถึง 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับระบบอินเวอร์เตอร์เชิงพาณิชย์ที่มีระดับแรงดันไฟฟ้านี้ โครงการนี้ได้รับทุนจากกระทรวงเศรษฐกิจและพลังงานแห่งสหพันธรัฐเยอรมัน (BMWi) โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการวิจัยพลังงานครั้งที่ 6 ภายใต้หัวข้อย่อย"การบูรณาการระบบพลังงานหมุนเวียนและการจัดหาพลังงานหมุนเวียน" พันธมิตรโครงการคือ Semikron Elektronik GmbH& Co. KG และ STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH Semikron รับผิดชอบในการพัฒนาโมดูล SiC 3.3 kV ในโครงการ STS รับผิดชอบส่วนประกอบอุปนัยเป็นหลัก Fraunhofer ISE มองเห็นการใช้งานที่เป็นไปได้มากมายสำหรับการใช้อุปกรณ์ SiC ที่มีการปิดกั้นสูงในช่วงแรงดันไฟฟ้าปานกลาง"โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ แนวโน้มไปสู่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและสูงขึ้น" Andreas Hensel หัวหน้าทีมอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงปานกลางที่ Fraunhofer ISE กล่าว"ด้วยเทคโนโลยี 1500 V PV ที่ใช้งานได้ไม่กี่ปี คำสั่งแรงดันต่ำจึงถูกใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการเปลี่ยนไปใช้ feed-in ที่ระดับแรงดันปานกลาง ซึ่งจะช่วยเพิ่มศักยภาพในการประหยัดและปรับปรุงแนวคิดระบบของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์" นอกเหนือจากโรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนและระบบจัดเก็บแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ การใช้งานด้านอื่นๆ สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแรงปานกลาง ได้แก่ ระบบขับเคลื่อนและเทคโนโลยีราง สำหรับการทดสอบระบบดังกล่าว Fraunhofer ISE มีห้องปฏิบัติการหลายเมกะวัตต์ ซึ่งเปิดตัวในกลางปี 2019 ช่วยให้การทำงานของระบบแรงดันปานกลางที่มีกำลังสูงถึง 20 MVAดีไซน์กะทัดรัดเนื่องจากมีความถี่สวิตชิ่งสูง
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในอนาคตที่ระดับแรงดันปานกลาง
