Hochspannungskomponenten für die netzgebundene Energiespeicherung

Hochspannungskondensatoren und Dioden für die netzgebundene Energiespeicherung

Abstract

Netzspeicher sind die am schnellsten wachsende Hochspannungsanwendung in der Leistungselektronik, und ihre Umrichter sind nur so zuverlässig wie das umgebende passive Netz. Dieser Artikel erläutert die Funktionen von DC-Zwischenkreiskondensatoren, Snubber-Schaltungen, Schutzschaltungen und Spannungsteilern, die Belastung durch kontinuierliches Ein- und Ausschalten sowie die Auswahl von HVC-Kondensatoren, -Widerständen und -Dioden für Speicheranlagen im 24/7-Betrieb.

1. Anwendungskontext: Konverter jeder Größenordnung

Ein Energiespeicher wird über bidirektionale Wandler geladen und entladen. Jeder Wandler verfügt über einen Gleichstromzwischenkreis, der die gesamte Anlagenleistung führt, und der Zwischenkreiskondensator hält die Spannung konstant, während der Wechselrichter schaltet:

Der DC-Zwischenkreiskondensator absorbiert die Restwelligkeit der Schaltfrequenz und stellt dem Wechselrichter für jeden Impuls die benötigte Momentanenergie bereit. Er ist das am stärksten beanspruchte passive Bauteil im Umrichter und wird am häufigsten unterdimensioniert.

2. Technische Anforderungen

2.1 Bus-Welligkeitsstrom. Der Buskondensator trägt die Restwelligkeit des Wechselrichters; seine Strombelastbarkeit bestimmt seine Temperatur und Lebensdauer:

2.2 Busspannungsstabilität. Der Bus muss seine Spannung bei Lastsprüngen halten; der Kondensatorwert bestimmt den Spannungseinbruch:

2.3 Schutz und Sensorik. Transienten durch Netzereignisse müssen begrenzt und die Busspannung genau gemessen werden:

2.4 Einhaltung der Rasterbauordnung. Ein Speicherkraftwerk muss Netzstörungen überstehen, ohne sich vom Netz zu trennen, und seine Oberschwingungen müssen innerhalb der Netznormen bleiben:

Die Restwelligkeit im Gleichstromzwischenkreis wirkt sich direkt auf die Oberschwingungen der Wechselstromseite aus; ein Zwischenkreiskondensator, der unter Vorspannung an Kapazität verliert, erhöht den Klirrfaktor (THD) und kann dazu führen, dass die Anlage die zulässigen Grenzwerte nicht mehr einhält. Der Zwischenkreisfilter ist keine bloße Verbesserung der Netzqualität – er ist eine netzanschlussrechtliche Anforderung mit einem messbaren Wert.

Abb. 1 — Speicherwandler: DC-Busfilter, Wechselrichter mit Snubber, Netzanschluss.

3. Schwachstellen der Ingenieure (Feedback aus der Praxis)

4. Komponentenvergleich: Kondensator-Tastverhältnis

5. Auswahl und HVC-Lösung

6. Fallstudie im Ingenieurwesen

Die betreffende Anlage ist ein 20-MW-Batteriespeicher mit 1.5 kV Gleichstromzwischenkreis, der zweimal täglich zyklisch betrieben wird. Bisherige Ergebnisse: Alle zwölf Monate mussten die Kondensatoren im Zwischenkreis ausgetauscht werden, es gab fünf IGBT-Ausfälle und neun Fehlauslösungen pro Jahr. Die Hauptursache waren nur für die Spannung ausgelegte Zwischenkreiskondensatoren und ein Spannungsteiler, dessen Wert mit der Temperatur driftete. Im Zuge der Modernisierung wurden stromfeste N4700-Zwischenkreiskondensatoren, schnelle Hochspannungs-Entspannungsklemmen, abgestimmte Betäubungsregler und ein Spannungsteiler mit niedrigem Temperaturkoeffizienten (TCR) installiert.

Zwei Erkenntnisse waren wichtiger als der Komponententausch selbst. Erstens verursachten die Fehlauslösungen erhebliche Kosten – jede einzelne bedeutete ein verpasstes Ladefenster und eine Strafgebühr des Netzbetreibers – und sie alle ließen sich auf einen Spannungsteiler zurückführen, der zwischen Winter und Sommer um drei Prozent abwich. Das Netz mit niedrigem TCR-Wert eliminierte eine ganze Kategorie von Phantomalarmen. Zweitens wurde der Buskondensator durch die Spannungskurve der Batterie selbst unterbewertet: Bei vollem Ladezustand lag die Busspannung an ihrem Maximalwert, genau dort, wo der alte Kondensator unter Vorspannung den größten Kapazitätsverlust erlitt. Die Auslegung des Bauteils am ungünstigsten Punkt anstatt am Nennwert verdoppelte die nutzbare Reserve. Speicheranlagen laufen rund um die Uhr, daher entscheiden diese kleinen Reserven über die Lebensdauer eines fünfjährigen von einem zwölfmonatigen Bus, und die Anlagenbuchhaltung bemerkt dies als Erste.

7. Designüberlegungen

• Lebensdauer der Wellenströmung: Die Lebensdauer des Buskondensators wird durch seinen Restwelligkeitsstrom und seine Temperatur bestimmt; bemessen Sie ihn nach dem ungünstigsten Lade-/Entladeprofil, nicht nach dem Durchschnittswert.
• Ausdauerradfahren: Speicheranlagen laufen 20 Jahre lang täglich. Die Buskomponenten müssen für diese Zyklen ausgelegt sein, nicht für einen einzelnen Auslegungspunkt.
• Dämpfer- und Klemmeneinstellung: Netzereignisse und Schaltvorgänge erreichen die IGBT-Module; der Snubber und die Lawinenklemme werden auf die gemessene Wellenform abgestimmt.
• Trennwandstabilität: Eine sich mit der Temperatur verändernde Bus-Trennwand verursacht Fehlfahrten und Einnahmeverluste; Niedrig-TCR-Netzwerke halten die Messspannung über Jahre hinweg konstant.
• Sicherheitsentladung: Der Gleichstromzwischenkreis enthält lebensgefährliche Energie; Ableitwiderstände müssen diese innerhalb des zulässigen Betriebssicherheitsbereichs entladen.
• Thermisches Design: Die Temperatur des Buskondensatorgehäuses ist der Lebensdauerindikator – gestalten Sie den Luftstrom so, dass die heißeste Einheit innerhalb der Nennleistung bleibt.

8. Referenzen

• RW Erickson und D. Maksimovic, Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Auflage, Springer, 2020.
• N. Mohan, TM Undeland und WP Robbins, Leistungselektronik: Umrichter, Anwendungen und Design, 3. Auflage, Wiley, 2003.
• IEEE Std 519-2014, IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• Datenblatt für HVC-Hochspannungs-Keramikscheibenkondensatoren, HVC-Kondensator 2024.
• Datenblatt für HVC-Hochspannungswiderstände in Flachbauweise, HVC-Kondensatoren, 2024.

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