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.

Karl Jäger, Senior-Entwicklungsingenieur, und Tobias Herrmann, Field Application Engineer & Marketing Manager bei Finepower stellen hierzu in ihrem Fachbeitrag, der in der aktuellen Ausgabe der Markt und Technik (01-02/2020) veröffentlicht wurde, die H-Brücken-Multi-Level-Topologie, kurz CHB (Cascaded H-Bridge Converter) vor.

Kaskadierte H-Brücken-Multi-Level-Topologie

Heutzutage werden bei den gängigsten Batteriespeichersysteme 3-Phasen-Wechselrichter basierend auf der aktiv geschalteten B6-Topologie oder 3-Level-Inverter eingesetzt. Solche Batteriespeichersysteme erzielen aufgrund großer DC Spannungen mit hohen Frequenzen und anschließender Filterung Wirkungsgrade von etwa 97 Prozent. Batteriespeichersysteme, welche jedoch als Grundlage kaskadierte H-Brücken-Multi-Level-Topologie kurz CHB (Cascaded H-Bridge Converter) nutzen weißen hingegen Wirkungsgrade von bis zu 99,4 Prozent auf.

Ein klarer Vorteil eines Batteriespeichersystems mit einem kaskadierten, modularen Aufbau der Umrichtermodule bezieht sich auf den Ausfall eines Umrichters oder Batteriepacks. Das System kann mit minimal reduzierter DC Spannung weiter betrieben werden. Die Batteriespannung liegt pro Modul bei unter 60 V DC wodurch eine Reparatur ohne lebensgefährliche Spannung durchgeführt werden kann.

Vorteile eines Batteriespeichersystems mit einem CHB (Cascaded H-Bridge Converter)

Geht man bei einem Batteriespeichersystem von zwei Einzelumrichtermodulen gegenüber einem klassischen Umrichter, also einem einphasigen Vollbrücken-Umrichters aus, muss bei gleicher effektiven Schaltfrequenz jedes Modul nur noch halb so schnell getaktet werden, wenn es um 180 grad phasenversetzt angesteuert wird.

Weitere Vorteile eines Cascaded H-Bridge Converter:

  • Verdopplung der resultierenden Taktfrequenz
  • Halbierung der Schaltverluste
  • Schaltverluste werden nochmals um etwa den Faktor 4 verringert

Die jeweiligen Vorteile der Batteriespeichersysteme hängen in den jeweiligen Spannungsklassen von den verfügbaren MOSFET-Schaltern ab. Der größte Vorteil der h-brücken-multi-level-topologie (CHB) ergibt sich jedoch durch das eingeschränkt redundante System, da es bei einem Modulausfall mit geringfügig reduzierter Leistung weiterbetrieben werden kann. Außerdem lassen sich die H-Brücken räumlich eng mit den Batteriepacks platzieren, sodass durch die Pulsströme eine hohe Störabstrahlung erheblich verringert wird.

Nachteile eines Batteriespeichersystems mit der H-Brücken-Multi-Level-Topologie

Der auffälligste Nachteil eines Batteriespeichersystems mit CHB liegt in der hohen Zahl an Schalttransistoren. Diese hängen natürlich von den eingesetzten Modulen ab. Würde man also ein Gerät mit gleicher Leistung etwa mit einer B6-Brücke umsetzen, so würde man auf SiC-Module zurückgreifen wodurch sich auf den ersten Blick kein wesentlicher Kostenvorteil erkennen lässt. Der tatsächliche Kostenvorteil wird erst deutlich, wenn der hohe ansteuerungsaufwand und die Überwachung beim Multi-Level-Inverter in die Kalkulation miteinbezogen wird.

Die H-Brücken-Multi-Level-Topologie in der Praxis

Wie bereits erwähnt, verfügt die H-Brücken-Multi-Level-Topologie über unvergleichbare Vorteile, welche sich mit dem Faktor der verwendeten Modul-Zahl multiplizieren. Man sollte jedoch nicht den damit verbundenen Aufwand außer Acht lassen, welcher sich ebenfalls multipliziert. Daher lässt sich, wie fast immer, auch hier keine allgemeingültige Empfehlung aussprechen.

Ob sich also der Einsatz einer H-Brücken-Multi-Level-Topologie in einem Batteriespeichersystem lohnt, hängt von verschiedenen Faktoren ab wie etwa:

  • der gewünschten Leistung
  • Art der verwendeten Batteriepacks
  • verwendete Spannungsklasse

Diese und weitere Faktoren sowie den vollständigen ausführlichen Beitrag aus der Markt und Technik können Sie hier als PDF-Version oder online auf smarterworld.de lesen.