Uitdagingen bij het ontwerp oplossen bij fotovoltaïsche systemen van 1500 VDC

Energieopwekking met zonnestroom is alleen financieel haalbaar met hogere energie-efficiëntie. Met een overstap op langere ketens van zonnecellen kunnen hogere operationele fotovoltaïsche gelijkstroomspanningen worden opgewekt, wat I²R-verliezen en implementatiekosten omlaag kan brengen. Het brengt echter ook uitdagingen met zich mee voor het ontwerp van de ondersteunende voeding voor de bewakings- en besturingscircuits.

Duidelijke groeimarkt: zonne-energie

Overheidssubsidies voor zonne-energie komen en gaan even snel als wolken op een winderige dag. Desondanks blijft de geïnstalleerde capaciteit groeien. De cijfers zijn duidelijk zonnig: met 178 GW in 2014 als basis is de voorspelling dat de wereldwijde capaciteit in 2019 zo'n 540 GW zal zijn. Het grootste deel hiervan staat in Europa, met 158 GW in 2019. In andere landen, zoals China en de Verenigde Staten, is de groei echter hoger: voor dezelfde periode wordt een groei voorspeld van 400%, respectievelijk 300%. Een succesvolle zonnesector is ook economisch gezien goed nieuws: in 2014 werkten er zo'n 55 miljoen mensen.

Om ervoor te zorgen dat fotovoltaïsche stroomopwekking de voorspellingen waar kan maken en verder kan blijven groeien, moeten de kosten in $ per Watt steeds lager blijven worden. Een van de drempels hiervoor is de algemeen lage efficiency van zonnepanelen. De meest efficiënte monokristallijne cellen van nu behalen een rendement van zo'n 25%, en dat benadert het theoretische maximum van de technologie al behoorlijk dicht.

Operationele spanning verhogen om energie te besparen

Iedere joule die wordt 'geoogst' uit zonnestralen is waardevol. Zuinig energiebeheer is essentieel om de verliezen in ieder onderdeel van het systeem te minimaliseren, van de DC-output van de zonnemodules tot aan de AC-voeding naar het net (afbeelding 1). Door verschillende modules in serie aan te sluiten om een DC-uitgang met hoogspanning te genereren, wordt de stroom lager en gaan ook de I²R-verliezen tussen de PV-arrays en de omvormer omlaag. Het is niet ongebruikelijk dat systemen met een netaansluiting werken met 1000 V_DC. Een typisch systeem bevat 22 modules, in serie aangesloten tot een keten. Iedere module bevat 90 cellen, voor een uitgangsspanning van zo'n 45 V. Een dergelijke keten heeft een piekproductie van ongeveer 5,5 kW, zodat bijvoorbeeld een installatie van 15 MW kan worden geconfigureerd met 2727 ketens.

Afbeelding 1: Belangrijkste functies van een multi-MW PV-generator met netaansluiting. (Bron afbeelding: CUI, Inc.)

Met een hoger aantal modules per keten om de uitgangsspanning omhoog te brengen naar 1500 V_DC, kan de maximale stroom die binnenkomt bij iedere combiner verder worden teruggebracht tot 66,6% van de waarde bij 1000 V_DC. De weerstandsverliezen in de kabels worden zelfs nog lager, met slechts 44,4% van de oorspronkelijke waarde. Hiermee krijgen systeemontwerpers meer flexibiliteit om de energie-efficiëntie te verhogen en de kosten voor de installatie te verlagen, door gebruik te maken van kleinere kabels en connectors. Bovendien zijn er minder ketens nodig om een bepaalde output te behalen, en dat betekent ook minder combiner-boxen. Een rekenvoorbeeld: als iedere doos 20 ketens verwerkt, zijn er voor een 15 MW-installatie bij 1500 V DC slechts 94 combiner-boxen nodig. In een installatie van 1000 V_DC zijn 137 boxen vereist, dus de hogere spanning levert een besparing van 31%. De besparingen kunnen aanzienlijk oplopen: als een installatie van 10 MW wordt ontworpen voor een operationele spanning van 1500 V_DC, vermindert dit de implementatiekosten met zo'n 400.000 dollar in vergelijking met een systeem van 1000 V_DC (afbeelding 2).

Afbeelding2 : Potentiële besparingen bij 10 MW door een overstap van 1000 V naar 1500 V. (Afbeeldingsbron: CUI, Inc.)

Uitdagingen bij het ontwerp met 1500 V

Deze potentiële kostenbesparingen en hogere efficiency zijn absoluut aantrekkelijk. Maar het gehele systeem vereist sterkere isolatie, en de combiner-boxen en de omvormer moeten ook geschikt zijn voor de hogere spanning. Gelukkig zijn er al geschikte omvormers op de markt. Sommige hiervan zijn gebaseerd op de meest recente wide bandgap-halfgeleiders, die efficiënter werken dan de alternatieven op siliconenbasis.

Er is echter nog een ander belangrijk aspect bij het ontwerp van 1500 V_DC-systemen: de combiners en omvormers van het PV-systeem moeten hun eigen laagspanningsbron afleiden van de 1500 V_DC-leiding, als voeding voor de bewakings- en besturingscircuits. Kleine DC-DC-omzetters die hiertoe in staat zijn, zijn niet direct beschikbaar met een afdoende bereik voor de ingangsspanning om met 1500 V_DC te werken, waarbij ze dan ook nog schommelingen moeten kunnen verwerken in de output-spanning, die soms tot 200 V_DC zakt. Het vereiste ingangsbereik is minimaal 7,5:1, en dat is geen gangbare specificatie.

Afbeelding 3 is een schematische weergave van de architectuur van een PV-combiner met een DC-DC-omzetter met groot ingangsbereik en een output van 24 V_DC, die via extra geïsoleerde en ongeïsoleerde omzetters wordt gebruikt voor de voeding van de communicatie-, processor- en sensormodules. Voor de hoofdconverter (de DC-DC-hoogspanningsomzetter) is volledig versterkte veiligheidsisolatie vereist, meestal met een specificatie van 4000 V_AC.

Afbeelding 3: De interne stroomarchitectuur van een PV-combiner. (Bron afbeelding: CUI, Inc.)

Veiligheidsoverwegingen

De toepasbare veiligheidsnorm is IEC 62109-1, "Veiligheid van vermogensomzetters gebruikt in foto-elektrische vermogenssystemen". Deze norm is relevant voor systemen tot 1500 V_DC. Deel 1 van de norm legt algemene vereisten vast, deel 2 bepaalt de specifieke vereisten voor omvormers. IEC 62109-1 dekt ook ontwerp- en bouwmethodes af om bescherming te garanderen tegen elektrische schokken, mechanische gevaren, hoge temperaturen, brand, chemische gevaren en andere potentiële risico's.

De norm verwijst ook naar IEC 60664, "Coördinatie van isolatie voor inrichtingen binnen laagspanningssystemen". Eén punt hierin is voor DC-DC-omzetters bijzonder van belang: de vereiste dat ze worden getest om te bevestigen dat er geen deelontlading plaatsvindt, die kan optreden als microleegtes in de isolatie kapot gaan onder hoogspanning, wat leidt tot degradatie en uiteindelijk volledige uitval. Testen is erg relevant voor operationele spanningen van 1500 V_DC en vereist een speciale constructie van de isolatiebarrière van de DC-DC-omzetter.

De vereiste isolatie conform IEC 62109-1 is afhankelijk van de systeemspanning, de overspanningscategorie van de installatie en de vervuilingsgraad van de omgeving (vaak afgekort tot PD, voor het Engelse 'pollution degree'). De overspanningscategorie II wordt gebruikt voor de zonnepaneelcircuits in systemen met een 1500 V_DC-bus, met een minimale nominale stoothoudspanning (Uimp) van 6000 V. Voor de omvormer met netaansluiting wordt overspanningscategorie III toegepast en is de vereiste stoothoudspanning 8000 V.

Als een industriële toepassing met enige milieubescherming valt de apparatuur onder PD 2. Hierbij is alleen niet-geleidende vervuiling toegestaan, met zo nu en dan condensatie. IEC 62109-1 bevat nog veel meer specificaties waarmee rekening moet worden gehouden.

Daarnaast is in de Verenigde Staten de norm UL 1741 van toepassing. Deze norm is meer algemeen toepasbaar op decentrale energiebronnen en bevat ook vereisten voor omzetters en controllers.

Nieuwe topologie voor hulpstroom

Deze normen stellen specifieke eisen aan de DC-DC-omzetters voor ondersteunende toepassingen in deze omgeving. Voor standaard topologieën met flyback- of directe converter zijn het brede ingangsbereik en de hoge maximale ingangsspanning al snel problematisch. De componenten in het systeem worden belast door bijzonder hoge interne piekspanningen en -stromen, die kunnen optreden als de pulsbreedte wordt aangepast om de output te reguleren. Om die belasting te beperken is een meer complexe topologie nodig.

Ook beveiliging is extreem belangrijk om te garanderen dat de omvormers kunnen blijven werken, ondanks regelmatige spanningsvallen ("brown-outs"), waarbij de input onder de minimumwaarde komt als er te weinig lichtinval is of als de panelen in de schaduw komen. Schade aan de converters door deze foutbronnen die kunnen optreden in externe installaties moet worden voorkomen, net als overbelastingen, kortsluitingen of overspanningen. Daarnaast moeten de converters bestand zijn tegen hoge bedrijfstemperaturen, omdat PV-systemen logischerwijze bij voorkeur in de volle zon worden geplaatst voor maximale energieopwekking. En tot slot zijn ook de opgegeven nominale waarden van belang.

Al deze individuele uitdagingen bij elkaar opgeteld maken het bijzonder lastig om een DC-DC-omvormer met een groot ingangsbereik te ontwerpen voor PV-installaties met 1500 V_DC.

CUI is hier echter uitstekend in geslaagd: het bedrijf heeft onlangs zijn AE-serie op de markt gebracht met DC-DC-omzetters voor PV-installaties met 1500 V_DC (afbeelding 4). Ze zijn ontworpen om het ingangsbereik van 200 tot 1500 V_DC te verwerken dat nodig is voor toepassingen in hulpvoeding solarinstallaties en zijn verkrijgbaar met nominale vermogens van 5, 10, 15 en 40 W. De opties voor uitgangsspanning zijn 5, 9, 12, 15 of 24 V_DC. De converters zijn goedgekeurd conform EN 62109-1, de Europese versie van IEC 62109-1, met een isolatie van 4000 V_AC en een nominale bedrijfshoogte tot 5000 meter boven zeeniveau. Sommige modellen voldoen ook aan de Amerikaanse norm UL 1741. Er zijn omvormers voor montage met behuizing, op een chassis of op DIN-rail. Ze werken zonder functieverlies bij temperaturen tot 70 °C.

Afbeelding 4: de AE-serie met DC-DC-omzetters van CUI werkt met ingangsspanningen van 200 tot 1500 V_DC. (Bron afbeelding: CUI, Inc.)

Gebruiksklare hulpvoeding voor PV-systemen met 1500 V_DC

Bij het ontwerpen van industriële fotovoltaïsche systemen voor energieopwekking op GW-niveau is het maximaliseren van de efficiëntie bij de conversie een van de belangrijkste doelstellingen. Een goede methode hiervoor is om de uitgangsspanning van de zonne-arrays te verhogen tot 1500 V_DC, maar dit vereist uitgebreide bewaking en controle om de beste prestaties uit de installatie te halen. De hulpvoeding voor deze functies moet voldoen aan de normen voor betrouwbaarheid en veiligheid, en tegelijkertijd kunnen werken op een ingangsspanning die uiteen kan lopen van 200 V_DC tot 1500 V_DC. De nieuwste generatie DC-DC-omzetters van CUI is ontworpen om al deze uitdagingen op te lossen. Het is een gebruiksklare oplossing voor technici die PV-systemen ontwerpen en integreren. Ga voor meer informatie over de AE-serie van CUI naar de speciale productpagina van Digi-Key, DC-DC-omzetters voor toepassingen met hernieuwbare energie.