Die Reduzierung der CO2-Emissionen erfordert hohe Anstrengungen seitens der Industrie- und Schwel­lenländer. Der weltweite Anteil an Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wächst beständig. Einen großen Teil dieser elektrischen Energie erzeugen bereits heute Photovoltaikanlagen. Wenn der gesamte Energiekreislauf auf der Gewinnung von Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen basieren soll, ist folglich auch die Photovoltaik auszubauen.

Bild 1: PV-Anlagen werden immer größer – dabei wachsen die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten.

Bild 1: PV-Anlagen werden immer größer – dabei wachsen die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. maroke@shutterstock

Für ihren internen Energiebedarf benötigen PV-Anlagen Stromversorgungen. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten der Versorgung: die AC- und die DC-Versorgung aus dem String. Sind die Stromversorgungen durch die üblichen 1- oder 3-phasigen AC-Netze gespeist, lassen sich handels­übliche Netzteile aus dem Industriebereich problemlos einsetzen. Kommt als speisende Quelle für die Strom­versorgungen jedoch die viel höhere DC-Spannung zum Einsatz, die bis zu 1500 VDC betragen kann und direkt aus den Solarpanels erzeugt wird, ist ein Umdenken im Bereich der elektrischen Sicherheit und der Isolationskoordination der verwendeten Komponenten erforderlich. Hier sind DC/DC-Wandler nötig, die diesen hohen Anforderungen entsprechen.

Netzunabhängige Solarstromversorgung

Eck-Daten

Teilentladungen (TE) sind Entladungen, die nur einen Teil der Isolationsstrecke betreffen und nicht sofort zum Durchschlag der gesamten Isolation führen. Ursachen für die Teilentladungen sind die lokalen Feldstärke-überhöhungen (zum Beispiel an leitfähigen Spitzen oder durch Feldstärkeüberhöhungen) oder lokale Minderungen der elektrischen Festigkeit (zum Beispiel durch gasgefüllte Hohlräume). Spezielle DC/DC-Wandler sollen die geforderten Normen erfüllen und Schäden verringern.

Die Einsatzgebiete für direkt an photovoltaischen Generatoren betriebene DC/DC-Wandler sind vielfältig. Einer der häufigsten Anwendungs­fälle für den DC/DC-Wandler vom Typ Trio Power ist der Einsatz innerhalb von Generatoranschlusskästen (GAK). Diese – auch als Combiner Box bezeichneten Geräte – benötigen für die integrierte Überwachungs- und Kommunikationselektronik, die über den Zustand und die Leistungsfähigkeit der PV-Anlage infor­miert, eine Spannung von 24 VDC. Außerdem kommen die DC/DC-Wandler auch innerhalb der PV-Inverter zur Erzeugung der benötigten Hilfsspannungs­versorgung zum Einsatz. Damit ist eine direkte 24-VDC-Versorgung aus dem PV-Generator möglich.

Die Anzahl der oben erwähnten 1- und 3-phasigen AC-Zuleitungen sowie der AC-Verteilungssysteme lässt sich auf diese Weise reduzieren – was die Kosten senkt. Der DC/DC-Wandler Trio Power für 1500 V ermöglicht den Betrieb als netzunabhängige Stromversorgung für die Solarindustrie. Der Wandler erlaubt den Einsatz des Zentralwechsel­richters sowie das autonome Starten ohne Netzver­sorgung. PV-Kraftwerke lassen sich somit autark und unabhängig von der Wechselspannungsversorgung betreiben. So entstehen auch weitere Optionen wie Netzbildung und Inselbetrieb oder ein Black Start der Anlage. Mit der Parallelschaltbarkeit des DC/DC-Wandlers erweitert sich dessen Leistungs­bereich und im Falle eines Netzausfalls ist der Zentralwechselrichter auf diese Weise weiter versorgt.

Anforderungen an die elektrische Sicherheit

Bild 2: Eingangsspannungen von 500 bis 1.650 V DC ermöglichen eine direkte 24 V DC-Versorgung aus der Combiner Box über die Signalleitung (Signal Line) - ohne zusätzliche AC-Versorgungsleitung (Supply Line).

Bild 2: Eingangsspannungen von 500 bis 1.650 V DC ermöglichen eine direkte 24 V DC-Versorgung aus der Combiner Box über die Signalleitung (Signal Line) – ohne zusätzliche AC-Versorgungsleitung (Supply Line). Phoenix Contact

Der DC/DC-Wandler Trio Power soll als Langzeitlösung für die Spannungsebene bis 1500 VDC dienen. Durch umfangreiche Sicherheitsfunktionen sowie durch eine sichere Schaltungstopologie für unter­schiedliche Erdungskonzepte erlaubt der Wandler einen sicheren Betrieb der PV-Anlage auch bei kurzzeitigen Überspannungen bis hinauf zu 1800 VDC. Außerdem versorgt die geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung auch sensible Verbraucher.

Das Gerät bietet laut Hersteller eine hohe Effizienz und Ausfallsicherheit – der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) liegt bei 800.000 Stunden. Das Schaltungs-Design in Verbindung mit dem robusten Metallgehäuse soll für eine hohe elektromagnetische Immunität sorgen und die Schaltungstopologie soll Teilentladungen in der trennenden Isolation verhindern. Außerdem ermöglicht die Topologie eine hohe Lebensdauer der Isolation und einen sicheren Betrieb an Hochvolt-Anlagen. Umfangreiche Sicherheitsfunktionen und eine hohe Stoßspannungsfestigkeit sollen dabei die erforderliche Betriebssicherheit ermöglichen.

Langzeitbeständigkeit des Isolationsmaterials

Bild 3: DC/DC-Wandler Trio Power 1.500 V: Das neue Gerät besitzt spezielle Isolationen und erfüllt als einziges Gerät am Markt die entsprechende Norm.

Bild 3: DC/DC-Wandler Trio Power 1.500 V: Das neue Gerät besitzt spezielle Isolationen und erfüllt als einziges Gerät am Markt die entsprechende Norm. Phoenix Contact

Die hohe speisende DC-Spannung sowie die sichere galvanische Trennung erfordern die Ausrichtung des Wandlers an einer Norm für die elektrische Sicherheit. Die Norm 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 sind unter anderem die Anforderungen hinsichtlich der Teilentladungsprüfung beschrie­ben. Im Zusammenhang mit den Anforderungen an die elektrische Sicherheit haben die Teilentladungs­prüfungen einen hohen Stellenwert.

Teilentladungen treten vor allem bei häufig wiederkehrenden Entladungs- und Stoßspannungen auf. Dabei kommt es zur Erosion an organischen Isolierstoffen, was die Lebensdauer oft reduziert. Die Teilentladungsmessungen sind dementsprechend ein wesentliches Kriterium für die Beurteilung der Isolationsqualität und der damit verbundenen elektrischen Sicherheit. Hier gibt die Norm 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 V und die Spannungsbeanspruchung der Isolierung größer als 1 kV/mm 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 lassen sich dabei durch unterschiedliche Faktoren stark beeinflussen. 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.

Konsequenzen in der Praxis

Bild 4: Teilentladungsprüfplatz: Bei Phoenix Contact Power Supplies in Paderborn erfolgt die Teilentladungsprüfung als Typ- und Stückprüfung.

Bild 4: Teilentladungsprüfplatz: Bei Phoenix Contact Power Supplies in Paderborn erfolgt die Teilentladungsprüfung als Typ- und Stückprüfung. Phoenix Contact

Für die Praxis bedeuten diese Erkenntnisse, dass Komponenten und Materialien mit doppelter oder verstärkter Isolation hinsichtlich der Teilent­ladungsfestigkeit auszulegen sind. Zu diesen Komponenten gehören trennende Transforma­toren oder Optokoppler für die Primär-Sekundär-Trennung. Diese Anforderungen stellen Entwickler vor große Herausforderungen bei der Material- und Komponentenauswahl sowie bei der Leiterplatten-Topologie.

Der DC/DC-Wandler Trio Power soll hier eine langlebige PV-Infrastruktur ermöglichen. Die schnelle Hutschienenmontage sowie die werkzeuglose Installation mittels Push-in-Anschluss vereinfachen die Installation. Vorteilhaft ist auch die unkomplizierte Handha­bung des Wandlers – durch eine LED mit der Bezeichnung DC OK und einen Relais-Ausgang lässt sich die Funktion permanent überwachen.