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Die Wandlerserie PVxx-29Bxx vereinfacht das Verdrahtungsdesign und senkt somit im Vergleich zu AC-Leistungssystemen und Batteriesystemen die Kosten für Systemherstellung und Wartung. Die Umsetzer verfügen zudem über mehrere Schutzfunktionen, die bei einem Ausfall die Systemsicherheit sicherstellen.
«Grüne Energie»-Technologien fördern
Die globale Klimakonferenz von 2015 in Paris erzielte ein Abkommen über die Reduktion der Kohlenstoffemissionen, das für alle Teilnehmer Gesetzeskraft hat und anwendbar ist. Dieses Abkommen beschleunigt die Entwicklung und Popularität der «Grüne Energie»-Technologien, wie in der Fotovoltaikindustrie oder der Windenergie.
Das gemeinsame Ziel der globalen PV-Leistungsindustrie ist die Produktion einer sauberen Energie mit geringeren Kosten und höherer Effizienz. Gegenwärtig basieren PV-Leistungssystemdesigns auf einer Eingangsspannung von 1000 VDC. Aber die Leitungsverluste lassen sich dann senken, wenn das System höhere Eingangsspannungen akzeptieren kann. Das würde eine zusätzliche Effizienzverbesserung von 1,5 bis 2 % bedeuten.
Das Marktforschungsunternehmen GTM erwartet, dass 1500-VDC-PV-Anlagen in 2016 rund 9 Prozent des globalen Bedarfs abdecken werden, was in etwa 4,6 GW entspricht. Die 1500 VDC PV-Leistungssysteme erfahren somit einen unvermeidlich positiven Trend in der Energieindustrie.
Basisstruktur und Anforderungen an PV-Energieerzeugungssysteme
PV-Energieerzeugungssysteme bestehen aus den Solarpanels, dem Anschlusskasten, dem Gleichstromverteilerkasten, dem Inverter und dem Verstärkungstransformator (Bild 1). Um in diesen Systemen den Verdrahtungsaufwand zwischen den Solarpanelarrays und den Invertern zu senken, werden die Arrays in Gruppen zusammengefasst und parallel geschaltet. Vom Verteilerkasten kommt dann der Gleichstrom zum Solarinverter und von dort ins Stromnetz.
Die Ausgangsspannung der Solarpanel-anlagen schwankt beträchtlich, weil das Sonnenlicht je nach Region, Jahres- und Uhrzeit variiert. Und der Solaranschlusskasten muss für jede Gruppe der Solarpanelfelder die jeweilige Spannung, Strom, Leistung und Klima-bedingungen erfassen und die Funktionen Fehlerwarnung, Lokalisierung und Kommunikation wahrnehmen. Der Solarinverter muss die Spannungs- und Stromwerte erfassen und die Steuerungsplatine ansteuern, während er die Umsetzung von Gleich- auf Wechselstrom vornimmt.
Weil die Ausgangsspannung der Solarzellenfelder normalerweise höher als 1 kV ist, können herkömmliche Leistungsmodule diese Eingangsspannungen nicht verarbeiten. Sofern externe Stromversorgungen mehrere Detektionseinheiten für Solarkombinationen und Inverter mit Leistung versorgen sollen, können Probleme mit instabilen Betriebsspannungen, Verdrahtungen und Kurzschlüssen auftauchen und Ausfälle des gesamten Detektionssystems verursachen.
Spezifikationen für die PV-Stromversorung
Daher sollten für ein PV-Energiesystem die Spezifikationen der Stromversorgung folgendermassen aussehen:
- Eingangs- und Ausgangsspannung: 200 bis 1500 VDC Eingang und ein Standardausgang von 12, 15, 24 V
- Isolation zwischen Primär- und Sekundärseite: 4000 VAC
- Mehrfachschutz gegen: Eingangsunterspannung, Eingangsverpolung, Ausgangsüberstrom, Kurzschluss und Ausgangsüberspannung usw.
- hohe Zuverlässigkeit in rauer Umgebung
- Ausgangsspannungen: 12, 15, 24 V
Um den Anforderungen bei PV-Anlagen gerecht zu werden, stellte Mornsun eine Serie von DC/DC-Wandlern mit 200 bis 1500 VDC Eingangsspannung und 4000 VAC Isolationsspannung vor.
Leistungslösung für die Überwachungseinheit des PV-Anschlusskastens
Um die Zuverlässigkeit und einfache Handhabung zu verbessern, verfügt der PV-Anschlusskasten über ein Unwetterschutzmodul, eine Gleichstromsicherung, einen Schutzschalter und weitere Funktionsschaltungen für Steuerung, Verarbeitung, Funktionsüberwachung und Kommunikation.
Bild 2 zeigt eine typische Überwachungseinheit des Anschlusskastens. Mit den Eigenschaften 200 bis 1500 VDC Eingang und 4000 VAC Isolation des PVxx-29B24 wird es wesentlich einfacher, die Leistung von den Solarpanel-Einheiten auf 24 VDC für die Überwachungseinheit umzusetzen. Der neue DC/DC-Wandler F0505S-1WR2 steuert den Hallsensor an, der zwischen den hohen und niedrigen Spannungen isoliert ist. Der DC/DC-Konverter B0503XT-2WR2 liefert die isolierte Spannung von 3,3 V für die MCU. Der Trans-ceiver TD501D485H wiederum integriert das isolierte serielle Kommunikationssignal und die isolierte Leistung und kann damit elektromagnetische und Erdschleifeninterferenzen unterdrücken. Diese einfache und zuverlässige Lösung entspricht den Anforderungen und bietet zudem Sicherheitsisolationen.
Leistungslösung für die Überwachungseinheit des PV-Inverters
Im Frontteil kombiniert der Anschlusskasten die Ströme und nach dem DC-Monitoring im Verteilerkasten wird die Gleichspannung vom Inverter in eine Wechselspannung umgesetzt. Der Umsetzungsprozess des Inverters muss ebenfalls überwacht, gesteuert und kommuniziert werden, damit die umgesetzte Spannung den Anforderungen entspricht. Die Überwachungseinheit hat vom Bus her einen Eingangsspannungsbereich von 200 bis 1500 VDC. Das Bild 3 zeigt, dass der PVxx-29B24 seine Versorgungsspannung vom Hochvoltbus erhält, die dann auf 24 VDC heruntergesetzt wird. Die «Low-Drop»-Regler K7805-500R3 und K7815-500R3 können die richtige Spannung mit hoher Effizienz für die dann folgenden Schaltungen liefern. Der B0503XT-2WR2 liefert eine isolierte Spannung von 3,3 V für die MCU. Der Transceiver TD501D485H integriert das isolierte serielle Kommunika-tionssignal und die isolierte Leistungszuführung, wodurch sich elektromagnetische und Erdschleifeninterferenzen vermeiden lassen. Der QP12W08S-37 ist ein isolierter und integrierter DC-DC IGBT-Treiber, der das Design vereinfacht und die Zuverlässigkeit verbessert.
Kurzbeschreibung des PVxx-29Bxx
Der PVxx-29Bxx ist ein sehr zuverlässiger DC/DC-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 200 bis 1500 VDC, 4000 VAC Isolation und mehreren integrierten Schutzfunktionen, der sich als stabile und zuverlässige Stromversorgung in den Bereichen PV-Energieerzeugung und HV-Invertern vorteilhaft verwenden lässt (Bild 4).
Einige der wichtigen technischen Eigenschaften der DC/DC-Wandler:
- weiter Eingangsspannungsbereich: 200 bis 1500 VDC
- industrieller Betriebstemperaturbereich: –40 bis +70 °C
- Isolationsspannung: 4000 VAC E/A
- hohe Effizienz und geringe Welligkeit und Störspannung
- Eingang mit Unterspannungs- und Verpolungsschutz, Schutz gegen Ausgangskurzschluss, Überstrom und Überspannung
- entspricht der EN62109-Norm, UL508 ist anhängig
- es sind eine PCB- und DIN-Rail-Halterung verfügbar
Hochvolt-Start-up-Technologie
Bei den Mornsun-DC/DC-Wandlern der Serie PVxx-29Bxx kommt eine Fly-Back-Topologie mit einem ausgereiften und zuverlässigen PWM-Steuer-IC zum Einsatz. Einbezogen ist ein Design mit Hochvolt-Dualtransistoren in Serie und isolierter Stromversorgung. Die Hochvolt-Start-up-Schaltung benutzt eine von Mornsun patentierte Hochvolt-Start-up-Technologie und verfügt über mehrere Schutzschaltungen für Eingangsunterspannungen, Ausgangsüberströme und Kurzschlüsse und erreicht damit eine hohe Zuverlässigkeit.
Fazit
Die PV-Energie ist ein vielversprechender Markt und Mornsun entwickelt die optimalen Produkte für die richtigen Applikationen dieser Industrie mit dem Ziel einer sauberen Energie. Das Unternehmen konzentriert sich auf die speziellen Anforderungen der 1500-VDC-PV-Systemüberwachung und bietet hierfür die Wandlerserie PVxx-29Bxx, die eine Eingangsspannung von 1500 VDC akzeptiert. Die Firma offeriert zudem zahlreiche Leistungslösungen, um das Design der Kunden zu vereinfachen, Kosten zu senken und die Systemzuverlässigkeit sicherzustellen.