SEK | EUR | USD

Övervinna designutmaningar i 1 500 VDC fotoelektriska system

By David Carroll, Director of Product Management på CUI Inc.

Högre energieffektivitet är viktigt för att kunna säkerställa ekonomisk lönsamhet vid fotoelektrisk kraftgenerering. Att övergå till större strängar av solceller för att höja DC-driftspänningen kan minska I2R-förlusterna och distribueringskostnaderna, men innebär utmaningar vid design av strömförsörjningen till hjälputrustning, såsom övervaknings- och reglerkretsar.

Växande solcellsmarknad

Installation av fotoelektriska system för kraftgenerering (PV-system) subventioneras periodvis, men den installerade kapaciteten ökar stadigt. Från en installerad bas på 178 GW 2014 beräknas kapaciteten nå 540 GW under 2019. Europa står för den största andelen och beräknas få en kapacitet på 158 GW under 2019, men tillväxten är snabbare i andra länder, exempelvis Kina och USA, där den installerade kapaciteten förväntas öka fyrfaldigt respektive trefaldigt under samma period. En framgångsrik solcellsindustri är bra också i ekonomiskt hänseende – 2014 arbetade fler än 55 miljoner personer i branschen.

Om fotoelektrisk kraftgenerering ska leva upp till förväntningarna och växa ytterligare, måste kostnaden, räknat i dollar per watt, fortsätta att minska. Ett hinder är den generellt låga effektiviteten hos solpanelerna. Den effektivaste sorten på den moderna marknaden är monokristallina celler med en verkningsgrad på omkring 25 %, vilket är nära den teoretiska gränsen för tekniken i fråga.

Högre driftspänning för att spara energi

Varje joule som kan utvinnas från solstrålarna är dyrbar. Noggrann energihantering är en förutsättning för att minimera förlusterna i varje del av systemet, från solpanelernas DC-utgång till AC-matningen och vidare till nätet (figur 1). Skapar man en DC-högspänningsutgång genom att seriekoppla flera moduler, minskar strömmen och därmed I2R-förlusterna mellan solpanelerna och växelriktaren. Nätanslutna system drivs ofta vid 1 000 VDC. Ett typiskt system består av 22 seriekopplade moduler, vilket motsvarar en sträng, där varje modul innehåller 90 celler och ger en utgångsspänning på ca 45 V. En sådan sträng kan generera en toppeffekt på 5,5 kW. Vill man ha t.ex. en 15 MW-installation kan den alltså byggas genom att kombinera 2 727 strängar.

Bild av huvudfunktioner för PV-generator ansluten till multimegawattsnät

Figur 1: Huvudfunktioner i nätansluten PV-generator i system för flera megawatt. (Bildkälla: CUI, Inc.)

Ökar du antalet moduler per sträng, för att öka utspänningen till 1 500 VDC, kan maximal ström in i varje combiner minska ytterligare, till 66,6 % av värdet vid 1 000 VDC. De resistiva kabelförlusterna blir ännu lägre – bara 44,4 % av det tidigare värdet. Systemet ger konstruktörerna mer flexibilitet att öka energieffektiviteten och minska installationskostnaderna genom att välja mindre kabelstorlekar och mindre kontaktdon. Dessutom behövs det färre strängar för att uppnå en given uteffekt, vilket innebär att det krävs färre combinerboxar. Om man antar att varje box hanterar 20 strängar krävs det endast 94 boxar för en 15 MW-installation, jämfört med 137 boxar vid 1 000 VDC: Det är en minskning på 31 %. Enligt GTM Researchs beräkningar kan man, genom att utforma en 10 MW-anläggning för drift vid 1 500 VDC, minska distributionskostnaderna med ca 400 000 dollar, jämfört med 1 000 VDC-system (figur 2).

Bild av potentiella distributionsbesparingar vid 10 MW, vid en övergång från 1000 V till 1 500 V

Figur 2: Potentiella distributionsbesparingar vid 10 MW om man övergår från 1 000 V till 1 500 V. (Bildkälla: CUI, Inc.)

Designutmaningar vid 1 500 V

Sådana potentiella kostnadsbesparingar och effektivitetsvinster är fördelaktiga, men isoleringen måste uppgraderas i hela systemet, och combinerboxarna och växelriktaren måste klara den högre spänningen. Lyckligtvis finns det redan lämpliga växelriktare på marknaden, och vissa av produkterna baseras på de senaste sortens halvledare med brett bandgap, vilket ger högre effektivitet än de kiselbaserade alternativen.

En annan viktig aspekt vid konstruktion av 1 500 VDC-system är att combinerboxarna och växelriktarna behöver en egen lågspänningskälla från 1 500 VDC-ledningen, för övervaknings- och regleringsfunktionerna. Små DC-DC-omvandlare som används för detta, brukar inte ha tillräckligt brett inspänningsområde för drift vid 1 500 VDC och saknar oftast kapacitet för att klara spänningsdippar ner till 200 VDC. För detta krävs ett inspänningsområde på minst 7,5:1, vilket inte är en särskilt vanlig specifikation.

Figur 3 är en bild av kraftarkitekturen för en combiner-enhet i ett solcellssystem. Combinern innehåller en DC-DC-omvandlare med brett ingångsområde och 24 VDC-utgång, som används för att försörja kommunikations- och bearbetnings-/avkänningsmoduler via isolerade och oisolerade omvandlare. För huvud-DC-DC-omvandlaren krävs fullständig säkerhetsisolering, specificerad för 4 000 VAC.

Diagram över intern kraftarkitektur för combinerbox i solkraftssystem

Figur 3: Intern kraftarkitektur för combinerbox. (Bildkälla: CUI, Inc.)

Säkerhetsöverväganden

Tillämplig standard vad gäller säkerhet är IEC 62109-1 ”Safety of Power Converters for use in Photovoltaic Power Systems” (”Säkerhet för kraftomvandlare i fotoelektriska kraftsystem”), som är relevant för system upp till 1 500 VDC. I del 1 i standarden specificeras generella krav, och i del 2 definieras specifika krav för växelriktare. IEC 62109-1 handlar också om design- och konstruktionsmetoder för att säkerställa skydd mot elstötar, mekaniska faror, höga temperaturer, brand, kemiska faror och andra potentiella faror.

Standarden innehåller även en hänvisning till IEC 60664 ”Insulation Coordination for Equipment within Low-Voltage Systems” (”Samordnad isolering för utrustning i lågspänningssystem”). Särskilt relevant för DC-DC-omvandlare är kravet på att testa och verifiera frånvaro av partiell urladdning, som kan inträffa när mikrosmå hålrum i isoleringen går sönder vid höga temperaturer, vilket leder till nedbrytning och slutligen haveri. Testning är mycket viktigt för driftspänningar på 1 500 VDC, och kräver en särskild typ av isoleringsbarriär för DC-DC-omvandlaren.

Isoleringskraven enligt IEC 62109-1 beror på systemspänningen, installationens överspänningskategori och miljöns föroreningsgrad. Överspänningskategori II används för de fotoelektriska panelkretsarna i system med en 1 500 VDC-buss, för att klara pulser på minst 6 000 V. För den nätanslutna växelriktaren används överspänningskategori III, och delsystemet måste klara pulser på minst 8 000 V.

Som industriell anläggning med visst miljöskydd, motsvaras utrustningen av föroreningsgrad 2, vilket medger endast icke-ledande föroreningar med viss kondens. IEC 62109-1 innehåller många fler specifikationer som måste följas.

I USA tillämpas dessutom standarden UL 1741, som rör mer generell användning av ”distribuerade energiresurser” och innefattar krav för ”omvandlare och styrenheter”.

Ny topologi för hjälpenheter

I ovanstående standarder ställs specifika prestandakrav på DC-DC-omvandlare för hjälputrustning i miljön. Det extremt breda ingångsområdet och hög maximal inspänning, innebär en stor utmaning för konventionella omvandlartopologier av flyback- eller forwardtyp. Det krävs en mer komplex topologi för att begränsa påfrestningarna på komponenterna vid extremt höga interna toppspänningar och strömmar som kan uppstå när pulsbredden varieras för att reglera utmatningen.

En extremt viktig faktor är också skydd som säkerställer att omvandlarna fortsätter fungera även vid spänningsfall under minimivärdet, vid svagt solsken eller när panelerna är i skugga. Dessa och andra feltillstånd – exempelvis överlaster, kortslutningar eller överspänningar – som kan inträffa i en fjärrinstallation måste förhindras, så att de inte skadar omvandlaren. Omvandlarna måste också klara höga drifttemperaturer, eftersom PV-system vanligen är placerade där det är starkt solsken, så att man får ut så mycket energi som möjligt. Det är också viktigt att följa tillverkarnas och myndigheternas isoleringsspecifikationer.

Med tanke på de utmaningar som beskrivs ovan, är det ingen lätt sak att designa en DC-DC-omvandlare med brett ingångsområde och för 1 500 VDC-system i PV-tillämpningar.

CUI har nyligen släppt sin AE-serie av DC-DC-omvandlare för PV-tillämpningar med 1 500 VDC (figur 4). Omvandlarna är utformade för att klara ingångsområdet 200–1 500 VDC, som behövs för hjälputrustningen i solkraftssystem. Produkterna finns med märkeffekter på 5, 10, 15 och 40 W och för utspänningar på 5, 9, 12, 15 och 24 VDC. Omvandlarna är godkända i enlighet med EN 62109-1, dvs. den europeiska versionen av IEC 62109-1, med 4 000 VAC-isolering och för drifthöjder upp till 5 000 meter. Vissa modeller uppfyller även kraven enligt UL 1741. Man kan välja utförande för kapslad kortmontering, chassimontering eller format för DIN-skenor, och omvandlaren kan användas vid temperaturer upp till 70 °C utan reducering.

Bild av AE-seriens DC-DC-omvandlare från CUI

Figur 4: CUI:s DC-DC-omvandlare i AE-serien fungerar med inspänningar från 200 till 1 500 VDC. (Bildkälla: CUI, Inc.)

Extra kraft för hjälputrustning i PV-system för 1 500 VDC

Att maximera energiomvandlingsgraden är den viktigaste faktorn när man designar PV-system för installationer upp till GW-nivå. Genom att höja solpanelernas utspänning till 1 500 VDC kan man maximera omvandlingsgraden, men det behövs noggrann övervakning och reglering för att få bästa möjliga prestanda. Kraftförsörjningen för den hjälputrustning som behövs för sådana funktioner, måste överensstämma med tillförlitlighets- och säkerhetskraven enligt gällande standarder, och samtidigt kunna drivas med inspänning som kan variera inom ett brett område, från 200 VDC upp till 1 500 VDC. Den senaste generationens DC-DC-omvandlare från CUI klarar de här utmaningarna, och erbjuder systemutvecklarna och integratörerna en anslutningsklar lösning. För mer information om AE-serien från CUI, besök Digi-Keys produktsida för DC-DC-omvandlare för förnybar energi.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

David Carroll, Director of Product Management på CUI Inc.