Photovoltaikanlagen werden heute in Spannungsebenen von bis zu 1.500 Volt DC betrieben. Daraus resultieren neue Herausforderungen an die Technik im Allgemeinen sowie an die DC/DC-Wandler im Besonderen. So können beispielsweise durch Teilentladung irreparable Schäden an Isolationen innerhalb des Systems entstehen.
Der DC/DC-Wandler Trio Power von Phoenix Contact wurde speziell für dieses Einsatzgebiet entwickelt – und erfüllt jetzt die Norm für den Einsatz im Spannungsbereich bis 1.500 Volt DC.
Die Reduzierung der CO2-Emissionen erfordert hohe Anstrengungen seitens der Industrie- und Schwellenländer. Der weltweite Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wächst beständig.
Ein großer Teil dieser elektrischen Energie wird bereits heute durch Photovoltaikanlagen erzeugt. Wenn der gesamte Energiekreislauf auf der Gewinnung von Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen basieren soll, muss auch die Photovoltaik ausgebaut werden.
Interne Versorgung mit Strom
Für ihren eigenen Energiebedarf benötigen Photovoltaikanlagen interne Stromversorgungen. Dabei werden zwei Möglichkeiten unterschieden: die AC- und die DC-Versorgung aus dem String. Werden die Stromversorgungen durch die üblichen ein- oder dreiphasigen AC-Netze gespeist, können handelsübliche Netzteile aus dem Industriebereich problemlos eingesetzt werden.
Verwendet man als speisende Quelle jedoch die viel höhere DC-Spannung, die bis zu 1.500 Volt DC betragen kann und direkt aus den Solarpanels erzeugt wird, ist ein Umdenken bei der elektrischen Sicherheit und der Isolationskoordination der verwendeten Komponenten erforderlich. Benötigt werden hier DC/DC-Wandler, die diesen hohen Anforderungen entsprechen.
Die Einsatzfälle für DC/DC-Wandler, die direkt an photovoltaischen Generatoren betrieben werden, sind vielfältig. Eine der häufigsten Anwendungen für den DC/DC-Wandler vom Typ Trio Power von Phoenix Contact ist der Einsatz innerhalb von Generatoranschlusskästen (GAK).
Foto: Phoenix Contact Power Supplies
Foto: Phoenix Contact Power Supplies
Unabhängig vom Netz
Diese auch als Combiner Box bezeichneten Geräte benötigen für die integrierte Überwachungs- und Kommunikationselektronik, die über den Zustand und die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage informiert, eine Spannung von 24 Volt DC.
Außerdem werden die DC/DC-Wandler auch innerhalb der Solarinverter zur Erzeugung der benötigten Hilfsspannungsversorgung eingesetzt. Damit wird eine direkte DC-Versorgung mit 24 Volt aus dem Solargenerator möglich. Die Anzahl der oben erwähnten ein- und dreiphasigen AC-Zuleitungen sowie der AC-Verteilungssysteme wird auf diese Weise reduziert – was die Kosten senkt.
AC-Leitungen reduzieren
Der DC/DC-Wandler Trio Power für 1.500 Volt ermöglicht jetzt den Betrieb als netzunabhängige Stromversorgung für die Solarsysteme. Der Wandler erlaubt den Einsatz des Zentralwechselrichters sowie das autonome Starten ohne Netzversorgung. Solarkraftwerke werden somit autark und unabhängig von der Wechselspannungsversorgung betrieben. So entstehen auch weitere Optionen wie Netzbildung und Inselbetrieb oder Schwarzstart der Anlage.
Mit der Parallelschaltbarkeit des DC/DC-Wandlers Trio Power erweitert sich dessen Leistungsbereich. Bei Netzausfall wird der Zentralwechselrichter auf diese Weise sicher weiterversorgt.
Elektrische Sicherheit erhöhen
Mit dem neuen DC/DC-Wandler Trio Power bietet Phoenix Contact erstmals eine Langzeitlösung für die Spannungsebene bis 1.500 Volt DC. Durch umfangreiche Sicherheitsfunktionen sowie eine sichere Schaltungstopologie für unterschiedliche Erdungskonzepte meistert der Wandler einen sicheren Betrieb der Photovoltaikanlage auch bei kurzzeitigen Überspannungen bis hinauf zu 1.800 Volt DC. Dank der geringen Restwelligkeit der Ausgangsspannung werden auch sensible Verbraucher zuverlässig versorgt.
Das Gerät bietet hohe Effizienz und Ausfallsicherheit – der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) liegt bei 800.000 Stunden. Ein innovatives Schaltungsdesign in Verbindung mit dem robusten Metallgehäuse sorgt für eine hohe elektromagnetische Immunität. Und die neuartige Schaltungstopologie verhindert Teilentladungen in der trennenden Isolation.
Außerdem ermöglicht die Topologie eine hohe Lebensdauer der Isolation und einen sicheren Betrieb an Hochvoltanlagen. Umfangreiche Sicherheitsfunktionen und eine hohe Stoßspannungsfestigkeit bieten dabei die erforderliche Betriebssicherheit.
Isolation sehr lange beständig
Die hohe speisende DC-Spannung sowie die sichere galvanische Trennung erfordern die Ausrichtung des Wandlers an einer Norm für die elektrische Sicherheit. Die DIN EN 62109-1 (Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen) legt die Mindestanforderungen für die Auslegung und Herstellung von Leistungsumrichtern und Zubehör fest – für den Schutz gegen elektrischen Schlag, elektrische Energie, Brand, mechanische und sonstige Gefahren.
Darin werden unter anderem die Anforderungen hinsichtlich der Teilentladungsprüfung beschrieben. Im Zusammenhang mit den Anforderungen an die elektrische Sicherheit haben die Teilentladungsprüfungen einen hohen Stellenwert.
Schutz gegen Teilentladungen
Teilentladungen sind Entladungen, die nur einen Teil der Isolationsstrecke betreffen und nicht sofort zum Durchschlag der gesamten Isolation führen. Ursachen für die Teilentladungen sind lokale Überhöhungen der Feldstärke (zum Beispiel an leitfähigen Spitzen) oder lokale Minderungen der elektrischen Festigkeit (zum Beispiel durch gasgefüllte Hohlräume).
Die Teilentladungen treten vor allem bei häufig wiederkehrenden Entladungs- und Stoßspannungen auf. Dabei kommt es zur Erosion an organischen Isolierstoffen, was die Lebensdauer oft drastisch reduziert. Die Teilentladungsmessungen sind dementsprechend ein wesentliches Kriterium für die Beurteilung der Isolationsqualität und der damit verbundenen elektrischen Sicherheit.
Vorgaben der EN 62109
Hier gibt die EN 62109 vor, dass die doppelte und verstärkte Isolierung die Teilentladungsprüfung bestehen muss, wenn der periodische Scheitelwert der Betriebsspannung über der Isolierung größer als 700 Volt und die Spannungsbeanspruchung der Isolierung größer als ein Kilovolt je Millimeter ist.
Die am häufigsten auftretende Form der Teilentladung in der Schaltnetzteiltechnik ist die innere Teilentladung innerhalb der festen Isolation der Transformatoren. Die Teilentladungseigenschaften eines Transformators werden dabei durch unterschiedliche Faktoren stark beeinflusst.
Grafik: Phoenix Contact Power Supplies
Konsequenzen für die Praxis
Dazu gehören etwa die Art des Isolationsmaterials, der mechanische Aufbau der Isolation sowie der Wicklungsaufbau. Auch Geometrie, Schachtelung der Wicklungen, Drahtdurchmesser und Biegeradien spielen dabei eine Rolle.
Für die Praxis bedeuten diese Erkenntnisse, dass Komponenten und Materialien mit doppelter oder verstärkter Isolation hinsichtlich der Teilentladungsfestigkeit ausgelegt werden müssen. Zu diesen Komponenten gehören trennende Transformatoren oder Optokoppler für die Primär-Sekundär-Trennung. Diese Anforderungen stellen die Entwickler vor große Herausforderungen bei der Auswahl von Materialien und Komponenten sowie der Topologie der Leiterplatten.
Dieser Herausforderung hat sich Phoenix Contact bei der Konzeption des DC/DC-Wandlers Trio Power gestellt: Topologie, Materialauswahl und konstruktive Maßnahmen stellen die Teilentladungsfreiheit des Gerätes für den Einsatz in der Spannungsebene bis 1.500 Volt sicher.
Foto: Phoenix Contact Power Supplies
Zulassung und Typprüfung
Dies wird durch die Zulassung nach UL62109-1 und durch die entsprechende Typprüfung während der Zulassung dokumentiert.
Alle trennenden Komponenten wie Transformatoren und Optokoppler werden in der Serie einer Teilentladungsprüfung unterzogen.
Sichere Überwachung
Die schnelle und bewährte Hutschienenmontage sowie die werkzeuglose Installation mittels Push-in-Anschluss vereinfachen die Installation im Modulfeld.
Vorteilhaft ist die unkomplizierte Handhabung des Wandlers: Durch eine LED mit der Bezeichnung „DC OK“ und einen Relaisausgang wird seine Funktion permanent und sicher überwacht.
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Foto: maroke@shutterstock
