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DyConPV - Hochdynamische Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern, Teilvorhaben: Entwicklung und Implementierung modellprädiktiver Regelungsalgorithmen für netzgekoppelte Wechselrichter

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer hochdynamischen Regelungstechnik für den Einsatz hochfrequent taktender Einspeisewechselrichter auf Basis von Siliziumcarbid(SiC) -Halbleitern. Innerhalb des Vorhabens wird ein netzgekoppelter Wechselrichterdemonstrator mit schnellschaltenden SiC -Halbleitern und einem neuartigen modellbasierten Regelansatz entwickelt. Der Demonstrator soll in der Lage sein, sowohl aktuelle als auch zukünftige Vorgaben hinsichtlich Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Regeldynamik bzw. Regelgüte zu erfüllen und somit auch eine flexible Lösung für Anforderungen bieten, die sich im Rahmen der Energiewende durch die Veränderung des Versorgungsnetzes ergeben.

MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

KMU-innovativ - Ressourceneffizienz: MagnetoRec - Recycling von Altmagneten mittels Feststoffchlorierung, Teilvorhaben 2: Verfahrensoptimierung und Reaktorentwicklung

Teilvorhaben: effizientes Laden für PKW (Luftstrom-ELP), Teilvorhaben: Auslegungsmethodik luftgekühlter Ladegeräte

Das Teilprojekt des Instituts für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) beschäftigt sich mit der Untersuchung und dem Vergleich von luftgekühlten Ladegeräten für Elektrofahrzeuge. Bei der Auslegung von luftgekühlten leistungselektronischen Systemen gibt es komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Systemkenngrößen: Leistung, Gewicht, Halbleitertechnologie, Kosten, Topologie und Geräuschemission. Eine umfassende analytische und simulationsbasierte Betrachtung macht die Abhängigkeiten sichtbar und führt zu einer Methodik, die eine optimale Auslegung der luftgekühlten Leistungselektronik im Betriebsbereich erlaubt. Diese grundlegende Methodik ist zusätzlich auch für andere Anwendungsgebiete außerhalb der Automobiltechnik von Nutzen. Es werden Ladeprofile für aktive und passive Luftkühlung untersucht und miteinander verglichen. In diesem Teilprojekt werden neuartige 'Wide-Band-Gap' (WBG)-Leistungshalbleiter aus Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) betrachtet. WBG-Leistungshalbleiter mit geeignetem Gehäuse erlauben den Betrieb bei erhöhter Sperrschichttemperatur. Nachteilig bei diesem Betrieb ist, dass mit zunehmender Sperrschichttemperatur auch die Durchlass- und Schaltverluste steigen. Denkbar ist ein langsamer Ladevorgang mit reduzierter Leistung und geräuschloser passiver Luftkühlung. Für schnelle Ladevorgänge wird ein Betrieb mit aktiver Luftkühlung bei höheren Verlusten betrachtet. Die Bearbeitung des Teilprojektes erfolgt in fünf Arbeitspaketen: Zunächst werden Schnittstellen und Spezifikationen mit den anderen Projektpartnern definiert. Im darauffolgenden Arbeitspaket geht es um Ladeprofile und Geräuschemissionen. Vergleich von Laden mit aktiver und passiver Luftkühlung. Das nächste Arbeitspaket beschäftigt sich mit Netzrückwirkungen und der Auslegung von geeigneten Filtersystemen. Anschließend werden in den letzten beiden Arbeitspaketen Wandlertopologien verglichen und eine geeignete Auslegungsmethodik entwickelt.

Teilvorhaben: Entwicklung von Ag-Sintermaterialien für die Kontaktierung von SiC Dies und Bodenplatten/Kühlkörpern, Teilvorhaben: SiC-basierte Frequenzumrichter für die Medizintechnik

1. Vorhabenziel Gesamtziel des Vorhabens ist es, die Vorteile der SiC-Halbleiter für Hochstromanwendungen im höheren Leistungsbereich zu erschließen. Durch neuartige SiC-Leistungsmodule und, hierfür speziell zugeschnittene neue Wechselrichtersysteme, sollen die Kosten gesenkt, der Wirkungsgrad und die Energieeffizienz gesteigert, sowie Bauvolumen und Gewicht der Einheiten gesenkt werden. Gleichzeitig gilt es, die besonderen Applikationsanforderungen der Medizintechnik hinsichtlich Funktionalität, Wirkungsgrad und Lebensdauer sicherzustellen bzw. zu verbessern. Ziel im Teilvorhaben von Siemens Healthcare ist die Gewinnung von Erkenntnissen zur prinzipiellen Eignung, zu den Rahmenbedingungen und zum technisch-wirtschaftlichem Potential des SiC Einsatzes, bei Wechselrichtern in der Medizintechnik. Die Evaluierung wird an einem Demonstrator durchgeführt. Es soll der Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsnachweis der SiC-Hochstromtechnik für Wechselrichter in der Medizintechnik geführt, sowie erste Grundlagen für eine zukünftige technische Anwendung dieses Ansatzes gelegt werden. 2. Arbeitsplanung Es werden die Anforderungen aus der Medizintechnik definiert und optimale Leistungsmodule konzipiert. Für die von den Partnern realisierten niederinduktiven SiC-Hochstrommodule wird eine passende Wechselrichtertechnik entwickelt und evaluiert sowie ein Wechselrichter Demonstrator realisiert.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Fraunhofer ISE

Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungs-/energiebatterie an das Verteilnetz. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3-kV-SiC-MOSFETs genutzt. Mit diesen Bauelementen sollen SiC-Leistungsmodule zu 150 - 300 A entwickelt werden. Erst die Entwicklung von niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodulen schafft die Grundlage für die Entwicklung von Mittelspannungsumrichtern hoher Leistung. In einem 3,3-kV-Netz ergeben sich hierbei Umrichterleistungen von 250 - 1.000 kVA. Über die Mittelspannungsebene wird der Hochleistungsspeicher eingebunden, der dann in das 110-kV-Netz gekoppelt wird. Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Durch die Verbundpartner dieses Vorhabens ist die gesamte wirtschaftliche Wertschöpfungskette vom Komponentenhersteller, Leistungselektronikhersteller, Systemintegrator und Netzbetreiber dargestellt. Die Forschungsaspekte zu Bauelementen, Leistungselektronik, System- und Regelungstechnik werden durch das Fraunhofer ISE flankiert. Semikron wird die Entwicklung der niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodule durchführen. Die Entwicklung der induktiven Leistungsbauelemente und die Durchführung damit verbundener Studien werden von STS übernommen.

Teilvorhaben: Erforschung des human- und ökotoxikologisch relevanten Löslichkeits- und Reaktionsverhaltens von GaAs sowie verwandter Arsenide und Phosphide, Teilvorhaben: Erforschung innovativer Materialien und Prozesse für optoeletronische Bauelemente auf der Basis von GaAs und SiC

Die drei Forschungsinstitute FBH, HHI und IAF werden im Rahmen dieses Vorhabens gemeinsam die in der Literatur vorhandenen toxikologisch relevanten Materialdaten der als prioritär eingestuften Verbindungshalbleiter sichten. Das FBH ist dabei für GaAs und SiC zuständig. Die Ergebnisse werden in einer Literatur-Datenbank zusammentragen. Durch Prüfung der verfügbaren Daten werden Datenlücken identifiziert und an die Verbundpartner kommuniziert. Eine Kurzform der Ergebnisse wird dann in ein für den Datenaustausch mit EU-Institutionen kompatibles Datenbankformat übertragen. Nur auf diese Weise sind sie auch unmittelbar, z.B. für die Erstellung eines REACH Dossiers. An den Instituten HHI und FBH werden Freisetzungspotentiale von Stoffen in der Produktion und dessen Umfeld untersucht. Die Messstrategie für die einzelnen Herstellungsschritte wird am FBH exemplarisch für GaAs durchgeführt. Dabei wird analog zu allen einschlägigen Normen vorgegangen. Die Messkampagnen gliedern sich entlang der Prozessschritte. Sie erfolgen in der Zu- und Umluft sowie an potenziell gefährdeten Arbeitsplätzen. Prozessabwässer werden auf Bestandteile der Ausgangsstoffe untersucht und mit den jeweiligen Löslichkeiten korreliert.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik für SiC-Leistungshalbleiter zur Anwendung in Mittelspannungsumrichtern

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Innerhalb des Vorhabens 'SiC-MSBat' werden neue leistungselektronische Konzepte basierend auf innovativen Halbleitertechnologien entwickelt, die die Systemkosten senken und damit eine schnellere, unkomplizierte und effiziente Integration von Speichern in Mittelspannungsnetze ermöglichen. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3 kV SiC MOSFETs und Dioden verwendet. Das Ziel im Teilvorhaben ist damit zuverlässige Leistungselektronikmodule zu konzipieren, die durch ihre Eigenschaften ein gutes Skalierungspotentialbieten. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf hohen Schaltfrequenzen die besondere Herausforderungen mit sich bringen. So muss das Layout der Modulschaltung zu niedrigen Induktivitäten hin optimiert werden, um Schaltverluste zu reduzieren und hohe Überspannungen zu vermeiden.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilprojekt: 'Hochstrom-Mittelspannungs-Drosseln für hohe Schaltfrequenzen'

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Im Teilprojekt STS sollen Lösungen für induktive Leistungsbauelemente für solche Umrichter erarbeitet werden. Dabei bestehen heute substanzielle Defizite im Verständnis elementarer Zusammenhänge bei der Dimensionierung und dem Betrieb solcher Bauteile. Die Aufklärung entsprechender Wirkgefüge und deren Verallgemeinerung und Abbildung in mathematische Modelle ist daher wesentlicher Bestandteil des Teil-Projekts, bevor konkrete technische Entwicklungen erfolgen. Auch neue Kühlkonzepte sind zu erarbeiten. Begonnen wird mit konzeptionellen Aspekten, wie Verfügbarkeitsanalysen oder allgemeine Simulationen. Darauf aufbauend erfolgen detaillierte Parameteranalysen und die Entwicklung neuer mathematischer Modelle für induktive Bauelemente. Entsprechend des Arbeitsfortschritts bei der Modellbildung erfolgt die Entwicklung und Charakterisierung von Mittelspannungsdrosseln. Die Inbetriebnahme und der Test des Demonstrators werden durch Teilentladungsmessungen unterstützt. Aus den Testläufen werden zudem Erkenntnisse abgeleitet, die in eine kontinuierliche Verifizierung der Simulationsmodelle und eine Optimierung der Drosseln einfließen.

PV-Kraftwerk2025 - Innovationen für die nächste Generation PV-Kraftwerke: Neue Bauelemente, Systemlösungen und Wechselrichter für eine kostengünstige und netzdienliche Stromversorgung, Teilvorhaben: Entwicklung niederinduktiver Hochstrom-Leistungsmodule mit erhöhter Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Das konkrete Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung voll funktionsfähiger, praxistauglicher, optimierter Systemlösungen für vollständige PV-Großkraftwerke, die alle vom jeweiligen Netz gestellten Anforderungen zuverlässig und vor allem auch kostengünstig erfüllen. Dies beinhaltet insbesondere angepasste Komponenten (insb. Wechselrichter), den Einsatz zusätzlicher Systembausteine (wie z.B. Energiespeichereinheiten), neuartige Steuerungs- und Regelungssysteme und Auslegungsverfahren sowie den wissenschaftlichen Nachweis der Funktionalität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit im Betrieb ebenso wie neuartige Halbleiter-Bauelemente auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) für eine neue Generation PV bezogener Leistungselektroniklösungen.

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