Überwindung der Herausforderungen bei der Auslegung von Energiesystemen in Photovoltaiksystemen für 1500 V DC

Die Erhöhung der Energieeffizienz ist zur Sicherung der finanziellen Rentabilität der Stromerzeugung mit Photovoltaik-Anlagen unverzichtbar. Durch den Übergang zu lägeren Ketten zur Erhöhung der Betriebsgleichspannung können die I²R-Verluste reduziert und Bereitstellungskosten eingespart werden, aber dadurch entstehen Konstruktionsprobleme bei der Hilfsstromversorgung für die Überwachungs- und Steuerungsschaltungen.

Das Wachstum des Markts für Solarenergie steigern

Obwohl die Zuschüsse der Regierung für die Stromerzeugung mit Photovoltaik-Anlagen (PV) kommen und gehen, wächst die installierte Kapazität ständig. Ausgehend von 178 Gigawatt im Jahre 2014 wird für das Jahr 2019 eine globale Kapazität von 540 Gigawatt erwartet. Europa hat daran mit 158 Gigawatt bis 2019 den größten Anteil, aber in Ländern wie China und USA wird für denselben Zeitraum ein drei- bzw. vierfaches Wachstum erwartet. Eine erfolgreiche Solarindustrie ist auch von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus vorteilhaft. Im Jahre 2014 waren dort 55 Millionen Personen direkt beschäftigt.

Wenn die Stromerzeugung mit Photovoltaik diese Erwartungen erfüllt und weiter wächst, sinken die Kosten pro Watt zwangsläufig. Eine Barriere stellt der generell niedrige Wirkungsgrad der Panels selbst dar. Die effizientesten monokristallinen Zellen von heute arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 25%, und dies liegt bereits nahe dem theoretischen Maximum für diese Technologie.

Erhöhung der Betriebsspannung zur Energieeinsparung

Jedes aus Sonnenstrahlen geerntete Joule ist kostbar. Zur Minimierung der Verluste in allen Teilen des Systems von der Ausgangs-Gleichspannung der Solarmodule bis zur Einspeisung von Wechselstrom in das Netz ist eine Form von Energieverwaltung erforderlich (Abbildung 1). Die Reihenschaltung mehrerer Module zur Erzielung einer höheren Ausgangs-Gleichspannung trägt durch Reduzierung der Stromstärke und dadurch auch der I²R-Verluste zwischen den Photovoltaik-Arrays und dem Inverter bei. Netzgekoppelte Systeme werden normalerweise mit 1000 V_DC betrieben. Ein typisches System umfasst 22 als Kette in Reihe geschaltete Module, wobei jedes Modul aus 90 Zellen besteht und eine Ausgangsspannung von etwa 45 V produziert. Eine derartige Kette könnte eine maximale Leistung von 5,5 kW erzeugen, sodass z. B. mithilfe von 2727 Strings eine 15 Megawatt-Installation konfiguriert werden könnte.

Abbildung 1: Die wichtigsten Funktionen einer netzgekoppelten PV-Anlage mit mehreren Megawatt. (Bildquelle: CUI, Inc.)

Durch Erhöhung der Anzahl der Module pro Kette zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf 1500 V_DC kann die maximale Stromstärke für jedes Anschlussgehäuse auf 66,6 % des Werts bei 1000 V_DC reduziert werden. Die Widerstandsverluste würden sogar auf 44,4 % des bisherigen Werts verringert werden. Dies gibt den Systementwicklern die Flexibilität, die Energieeffizienz zu erhöhen sowie die Installationskosten durch Reduzierung der Stärke der Kabel und der Spezifikation von kleineren Steckverbindern zu verringern. Darüber hinaus werden für eine gegebene Ausgangsleistung weniger Ketten benötigt. Dadurch verringert sich auch die Anzahl der benötigten Anschlussgehäuse. Unter der Voraussetzung, dass jedes Gehäuse für 20 Ketten zuständig ist, wären für eine 15 Megawatt-Installation nur 94 Gehäuse erforderlich. Dies bedeutet eine Verringerung von 31 % verglichen mit den bei 1000 V_DC erforderlichen 137 Gehäusen. GTM hat errechnet, dass die Konstruktion einer mit 1500 V_DC betriebenen 10 Megawatt-Anlage zu einer Einsparung von Bereitstellungskosten in Höhe von etwa 400.000 US-Dollar relativ zu einem 1000 V_DC-System führt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Mögliche Einsparung bei der Bereitstellung einer 10 Megawatt-Anlage beim Übergang von 1000 V zu 1500 V. (Bildquelle: CUI, Inc.)

Konstruktionsprobleme bei 1500 V

Diese potenziellen Kosteneinsparungen und Effizienzgewinne sind zwar attraktiv, aber dazu muss die Isolierung im gesamten System erhöht werden, und die Anschlussgehäuse und Inverter müssen ebenfalls mit höherer Spannung betrieben werden können. Zum Glück sind bereits geeignete Inverter auf dem Markt, und bei einigen dieser Produkte werden bereits die neuesten Halbleiter mit großer Bandlücke eingesetzt, die einen höheren Wirkungsgrad als Produkte auf Siliziumbasis haben.

Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Entwurf von 1500 V_DC-Systemen ist die Tatsache, dass die Anschlussgehäuse und Inverter für die PV-Anlagen ihre eigene Niederspannungsquelle zur Versorgung der Schaltung für die Überwachung und Steuerung von der 1500 V_DC-Leitung abzweigen müssen. Kleine, dafür geeignete DC/DC-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich für 1500 V_DC, die auch Einbrüche der Ausgangsspannung bis zu 200 V_DC bewältigen können, sind noch nicht verfügbar. Hierfür ist ein Eingangsspanungsbereich von mindestens 7,5:1 erforderlich. Dies ist keine verbreitete Spezifikation.

Abbildung 3 veranschaulicht die Architektur eines Solar-Anschlussgehäuses mit einem DC/DC-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich mit 24 V_DC-Ausgang, mit dem die Kommunikation und die Verarbeitungs- und Sensormodule über zusätzliche isolierte und nicht isolierte Wandler versorgt werden. Für den Hochspannungs-DC/DC-Hauptwandler ist eine typischerweise für 4000 V_AC spezifizierte verstärkte Sicherheitsisolierung erforderlich.

Abbildung 3: Innere Architektur eines Solar-Anschlussgehäuses. (Bildquelle: CUI, Inc.)

Sicherheitsüberlegungen

Was die Sicherheit betrifft, so ist der zuständige Standard IEC 62109-1 „Safety of Power Converters for use in Photovoltaic Power Systems (Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen)“, der für Systeme bis zu 1500 V_DC relevant ist. Teil 1 des Standards spezifiziert die allgemeinen Anforderungen, und Teil 2 definiert die speziellen Anforderungen für Inverter. Der Gültigkeitsbereich von IEC 62109-1 umfasst Entwicklung und Konstruktionsmethoden, die den Schutz vor elektrischen Schlägen, mechanischen Gefahren, hohen Temperaturen, Feuer, chemischen und anderen möglichen Gefahren sicherstellen sollen.

Der Standard enthält auch einen Verweis auf IEC 60664 „Insulation Coordination for Equipment within Low-Voltage Systems (Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen)“. Von besonderer Wichtigkeit für DC/DC-Wandler ist die Verpflichtung zu Tests, um partielle Entladungen auszuschließen, die auftreten können, wenn Mikroporen in der Isolierung bei hohen Spannungen zusammenbrechen und zu Verlusten und schließlich zu einem vollständigem Ausfall führen können. Tests sind für Betriebsspannungen von 1500 V_DC von großer Wichtigkeit, und es ist eine spezielle Konstruktion der Isolierbarriere des DC/DC-Wandlers erforderlich.

Die Isoliervorschriften von IEC 62109-1 hängen von der Systemspannung, der Überspannungskategorie (OV) und dem Verschmutzungsgrad (PD) der Umgebung ab. OV-Kategorie II wird auf Schaltungen von Photovoltaik-Panels in Systemen mit einem 1500 V_DC-Bus angewendet, mit einer minimalen Stoßspannungsfestigkeit von 6000 V. Auf die netzgekoppelte Inverterstufe wird OV III mit einer geforderten Stoßspannungsfestigkeit von 8000 V angewendet.

Als industrielle Anwendung mit geringem Umweltschutz unterliegt die Anlage PD 2. Dieser Standard lässt nur eine nicht leitende Verschmutzung mit gelegentlicher Kondensation zu. IEC 62109-1 enthält viele weitere Bestimmungen, die beachtet werden müssen.

Darüber hinaus ist in den USA der Standard UL 1741 relevant. Dieser umfasst die allgemeinere Anwendung von „verteilten Energieressourcen“ und enthält Bestimmungen für „Wandler und Controller“.

Neue Topologie für die Hilfsstromversorgung

Diese Standards stellen hohe Leistungsanforderungen an DC/DC-Wandler für die Hilfsstromversorgung in derartigen Umgebungen. Der sehr große Eingangsspannungsbereich und die hohe maximale Eingangsspannung stellen hohe Anforderungen an Standard-Flyback- und Vorwärtswandler-Topologien. Zur Begrenzung der Belastung von Komponenten durch sehr hohe Spannungs- und Stromspitzen, die auftreten können, wenn die Impulsbreite zur Regelung des Ausgangs variiert wird, ist eine komplexere Topologie erforderlich.

Auch ein Schutz ist extrem wichtig, um sicherzustellen, dass der Betrieb der Wandler trotz häufiger Spannungsabfälle („Brownouts“) aufrechterhalten werden kann, wenn die Eingangsspannung unter den Minimalwert abfällt, wenn die Lichtleistung gering ist oder wenn die Panels im Schatten liegen. Diese und weitere Fehlerbedingungen, die bei einer Installation vor Ort auftreten können, z. B. Überlastung, Kurzschlüsse oder Überspannungen, dürfen die Wandler nicht beschädigen. Die Wandler müssen darüber hinaus für hohe Betriebstemperaturen geeignet sein, da sich PV-Systeme vorzugsweise an Orten mit voller Sonneneinstrahlung befinden, um das Energieerntepotenzial zu maximieren. Es müssen auch behördlich angeordnete Isoliervorschriften beachtet werden.

Bei Beachtung der Gesamtwirkung aller dieser einzelnen Forderungen ist der Entwurf eines 1500 V_DC DC/DC-Wandlers mit breitem Eingangsspannungsbereich für PV-Anwendungen keine einfache Aufgabe.

CUI hat kürzlich die AE-Serie von DC/DC-Wandlern für PV-Anwendungen für den Betrieb bei 1500 V_DC herausgebracht (Abbildung 4). Diese Wandler eignen sich für den bei Solar-Hilfsstromversorgungen erforderlichen Eingangsspannungsbereich von 200 bis 1500 V_DC. Sie sind mit einer Nennleistung von 5, 10, 15 oder 40 W erhältlich. Die Optionen für die Ausgangsspannungen sind 5, 9, 12, 15 oder 24 V_DC. Die Wandler erfüllen EN 62109-1, die europäische Version von IEC 62109-1, mit einer Isolierung von 4000 V_AC und zugelassenem Betrieb bis zu einer Höhe von 5000 m. Einige Modelle erfüllen auch UL 1741. Es sind Formate für gekapselte Platinenmontage, Gehäusemontage und DIN-Schienen verfügbar. Die Wandler können ohne Verlust bei Betriebstemperaturen von bis zu 70° C betrieben werden.

Abbildung 4: Die DC/DC-Wandler der Serie AE von CUI können mit Eingangsspannungen von 200 bis zu 1500 V_DC betrieben werden. (Bildquelle: CUI, Inc.)

Drop-in-Hilfsstromversorgung für 1500 V_DC-PV-Systeme

Die Maximierung des Wirkungsgrads der Energiewandlung ist das wichtigste Ziel beim Entwurf von industriellen PV-Anlagen für Installationen bis hin zum Gigawatt-Bereich. Die Erhöhung der Ausgangsspannung von Solar-Arrays auf 1500 V_DC unterstützt dieses Ziel. Allerdings sind dabei zur Erzielung einer optimalen Leistung eine umfassende Steuerung und Überwachung erforderlich. Die Hilfsstromversorgungen, die zur Unterstützung dieser Funktionen eingesetzt werden, müssen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards erfüllen und dabei in der Lage sein, mit Eingangsspannungen aus dem breiten Bereich von nur 200 V_DC bis zu 1500 V_DC umzugehen. Die neueste Generation von DC/DC-Wandlern von CUI, die für diese Zwecke bestimmt ist, stellt eine Drop-in-Lösung für Entwickler und Integratoren von PV-Systemen dar. Mehr zur AE-Serie von CUI erfahren Sie auf der Digi-Key-Webseite mit Produktempfehlungen DC/DC-Wandler für den Einsatz für erneuerbare Energien.