Überstrom- und Überspannungsschutz für 1.500V DC PV-Systeme

Alle Normen und Anforderungen erfüllt

Die staatliche Förderung und die angestrebte Unabhängigkeit von traditioneller Energieerzeugung aus Kohle, Öl und Erdgas führen dazu, dass in einigen Industrie- und Schwellenländern Photovoltaik- und Windkraftanlagen schon heute die am stärksten wachsenden Energieträger sind. In Deutschland waren Ende 2017 PV Module mit einer Nennleistung von 43GWp installiert, die sich auf etwa 1,6Mio. Anlagen verteilen. Laut Solar Power Europe Association wird für 2018 in Europa eine Zunahme von 45 Prozent angenommen und für 2019 sogar 58 Prozent vorhergesagt. Deutschland, Frankreich und die Türkei sind hier die führenden Solarmärkte bis 2022.

In diesem 280 MW-Solarkraftwerk in Kalifornien sind 127 SMA-Zentral-Wechselrichter Sunny Central 2200-US im Einsatz. (Bild: SMA Solar Technology AG)

Die überwiegende Anzahl der existierenden PV-Anlagen arbeitet auf der Gleichstromseite mit einer maximalen Leerlaufspannung von 1.000V DC. Es sind aber Werte bis zu 1.500V DC möglich. Führende Anlagen- und Komponentenhersteller erwarten, dass sich für Neuinvestitionen in große kommerzielle Anlagen 1.500V DC durchsetzen wird. Eine erhöhte Systemspannung auf der DC-Seite setzt voraus, dass die Module auch für 1.500V ausgelegt sind, viele haben eine maximale Systemspannung von 1.000V. Ist diese Voraussetzung gegeben, können bei einem 40V-Modultyp 37 Module in Reihe geschaltet werden. In diesem Fall erhöht sich die Leistung bei gleichem Strangstrom um 50 Prozent. Die höhere DC-Systemspannung hat einige klare Vorteile für den Investor und den Betreiber, stellt jedoch auch neue Anforderungen an die elektrische Ausrüstung, wie den Wechselrichter und die Überstrom- und Überspannungsschutzeinrichtungen. Der Trend hin zu Leerlaufspannungen von 1.500V DC führt zwangsläufig auch zu höheren Nennspannungen auf der AC-Seite (690V, maximal bis zu 800V), also sind auch dort entsprechend angepasste Schutzmaßnahmen notwendig.

Überspannungsschutz von Mersen auf DIN-Schienen für den AC-, DC- und Signalleitungsschutz (Bild: Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH)

Die neuen Wechselrichter

Grundsätzlich gelten die Effekte der Kosteneinsparungen durch längere PV-Strings für PV-Systeme mit String- ebenso wie mit Zentralwechselrichtern. Durch die höhere Anzahl von Modulen pro String werden die benötigten Kabelquerschnitte bei beiden Anlagentypen geringer. Außerdem führt eine höhere Wechselrichterleistung zwangsläufig zu einer spezifischen Reduzierung der benötigten AC-Komponenten, wie dem MV-Trafo und der Mittelspannungsschaltanlage. Zentralwechselrichter haben aber gegenüber Stringwechselrichtern einige entscheidende Vorteile:

• • Bei gleicher Leistung werden spezifisch pro MW weniger Komponenten benötigt. Jede Komponente hat eine potentielle Ausfallwahrscheinlichkeit, eine verbreitete Maßeinheit hierfür ist die MTBF, die mittlere störungsfreie Zeit. Je länger MTBF ist, desto zuverlässiger ist das Produkt. Mit einer geringeren Anzahl von verbauten Komponenten steigt die Betriebssicherheit der Anlage insgesamt.
• • Eine höhere Überlastfähigkeit. An einigen Zentralwechselrichtern von SMA kann durch eine spezielle Stack-Topologie bis zu 250 Prozent mehr PV-Generatorleistung angeschlossen werden*. Damit wird eine bessere Ausnutzung des Wechselrichters und eine kontinuierlichere Energieeinspeisung erreicht. Beispiele sind der Sunny Central 2.500EV ‚Extended Voltage‘ = PV-Systeme mit einer zulässigen Leerlaufspannung von 1.500V DC, 2.750EV und 3.000EV (von 2.500kVA bis 3.000kVA).
• • Es ist eine DC-seitige Kopplung von Batterien möglich, die ein Laden der Batterien ohne den Einsatz weiterer Komponenten und damit ohne Umwandlungsverluste ermöglicht. Überschüssige Clipping Energie kann gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt entnommen werden, um die Volllaststunden des Wechselrichters zu erhöhen. Hierzu werden bereits Systemlösungen angeboten, bei denen am Zentralwechselrichter bis zu 6 DC-Eingänge für Batterien genutzt werden können.
• • Angaben von SMA. (Nennleistungsverhältnis = DC Peak Leistung des PV-Generators/max. AC Ausgangsleistung des WR)

Aus den oben genannten Gründen empfiehlt SMA daher, auf eine Zentralwechselrichter-Lösung für PV-Kraftwerke zu setzen, wenn die Projektrahmenbedingungen dies zulassen. Kostenreduzierungen sind auch mit Stringwechselrichtern zu erreichen, wenn die Spannung erhöht wird. Obwohl dezentrale Anlagenarchitekturen höhere Servicekosten, Leitungsverluste und Investitionen hervorrufen, kann es Gründe für eine Projektrealisation mit Stringwechselrichtern geben. Beispiele sind ein sehr unebenes Gelände, eine kleinräumige Ausrichtung und Anlagenarchitektur oder die notwendige Integration in verschiedene Gebäudeteile. Auch ein schwieriger Zugang mit schwer passierbaren Zufahrtswegen für Schwertransporte, ein Standort in sehr abgelegenen Regionen oder ein Mangel an qualifiziertem Servicepersonal vor Ort kann zu dieser Entscheidung führen.

Mehrpoliges Überspannungsschutzgerät für die Montage auf DIN-Schienen, Typ 2 und Typ 1 + 2 (Bild: Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH)

Überstrom- und Überspannungsschutz

Die Mersen HelioProtection HP15NH3L Photovoltaik 1.500V DC Sicherungsserie wurde speziell für die Absicherung von PV-Systemen entwickelt. Es handelt sich um Sicherungen des Typs gPV. Sicherungseinsätze und Sicherungsgeräte wurden den neuesten Industrienormen entsprechend für den Einsatz in Photovoltaikanwendungen gestestet und zertifiziert. Sie erfüllen IEC60269 und UL 2579 Vorgaben für eine weltweite Zulassung. Ihre Bauweise sorgt durch geringe Leistungsverluste und hohes Ausschaltvermögen für höchste Zuverlässigkeit und einen guten Wirkungsgrad. Komponenten der Anlagen mit höherem Spannungsniveau benötigen auch spezielle Blitz- und Überspannungsschutzgeräte mit Nennspannungen bis 1.000V Wechselspannung (Effektivwert) und 1.500V Gleichspannung, welche die Anlagen gegen indirekte und direkte Auswirkungen von Blitzeinschlägen und anderen transienten Überspannungen schützen. Die HelioProtection Surge-Trap Blitz- und Überspannungsschutzgeräte werden auf der DC- und AC-Seite von Zentral- und Stringwechselrichtern, Combiner-Boxen und zum Schutz der Signale von Mess- und Kommunikationseinrichtungen verwendet. Es hängt von der Art der PV-Anlage ab, welche Belastung durch Blitzschläge und atmosphärische Entladungen auftreten können. Je nach Installation der PV-Anlage ist es sinnvoll, anstelle von Typ-2-Ableitern (indirekte Belastung 8/20 s), z.B. Surge-Trap STP T2 40K 1.000V YPV M, Kombiableiter Typ 1+2 (direkter Blitzeinschlag 10/350 s), z.B. STPT12-5K1.000V-YPVM, einzusetzen. Dies erhöht die Lebensdauer der Überspannungsschutzgeräte und gewährleistet den Schutz selbst unter härteren Bedingungen, z.B. in Gegenden mit einem erhöhten Einschlagrisiko. Unabhängig vom Typ der Überspannungsschutzeinrichtung ist keine Vorsicherung notwendig. Dafür sorgt Mersens optimiertes dynamisch-thermisches Trennsystem für PV-Gleichströme mit mindestens 10kA Kurzschlussfestigkeit. Auch auf der Wechselstromseite ist ein Überspannungsschutz für den Wechselrichter notwendig. Entweder am Wechselrichter selbst oder am Generatorenanschlusskasten wird der Gefahr durch Überspannungen durch den Einsatz von Standard Typ-2-Ableitern, z.B. Surge Trap STP T2 40 K 1.200 YPV M, Rechnung getragen. Je nach Netzform TN-S, IT- oder TT-Systems gibt es den passenden Überspannungsschutz. Hierfür hat Mersen spezielle 850V AC Überspannungsschutzgeräte entwickelt, die wiederholte nicht-transiente Spannungsspitzen bis zu 2,2kV tragen können. Außerdem werden, abhängig von der PV-Anlage, Typ 1+2 AC von den Entwicklern und Planern in bestimmten Fällen bevorzugt, um die Lebensdauer der Überspannungsschutzgeräte zu erhöhen sowie den Schutz der Anlage selbst unter härteren Bedingungen bei einem direkten Blitzeinschlag sicherzustellen. Das wird meistens in höher gelegenden Gegenden mit einem hohen Einschlagsrisiko der Fall sein.

Steckbarer Überspannungsschutz für Leiterplatten, Typ 2 and Typ 1+2 DC & AC (Bild: Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH)

Mehrfachpol-Überspannungsschutz für Hochleistungs-Stringwechselrichter

Die meisten Mersen Überspannungsschutzgeräte erfüllen gleichermaßen die Vorschriften der UL und der IEC sowohl AC- als auch DC-seitig. Gleiches gilt ebenso für Sonderausführungen, wie den mehrpoligen DC-Überspannungsschutz für Wechselrichter mit Leistungsoptimierung (multiple maximum power-point trackers, MPPTs). Diese besonderen Konstruktionen sind speziell für die Ansprüche der OEM-Hersteller von Wechselrichtern entwickelt worden. Bei Stringwechselrichtern werden diese mit mehreren MPPTs gesteuert, das ermöglicht eine optimierte Leistung im Verhältnis zu den Kosten. Mehrfach-MPPTs sorgen dafür, dass der Umrichter mehrere unabhängige PV-Stränge mit maximalem Wirkungsgrad betreibt. Bei ungünstigen Verhältnissen, wie z. B. Beschattung, widrigen Sonnenständen oder Verschmutzung, kann so eine wesentliche Leistungssteigerung erreicht werden. Diese MPPTs sind der empfindliche Teil auf der DC-Seite des Wechselrichters und müssen gegen Spannungsspitzen geschützt werden. Bei Stringwechselrichtern sind gleichzeitig mehr Überspannungsschutzeinrichtungen notwendig, damit werden Platzbedarf und Kosten zu einer besonderen Herausforderung. Für die Systemauslegung hängt die Anzahl der Pole letztlich von der Zahl der MPPTs und von der Konstruktion des Stringwechselrichters ab. Die Forderung nach niedrigen Kosten und geringem Platzbedarf in der Leistungselektronik hat dazu geführt, dass die Hersteller von Wechselrichtern das Format der mehrpoligen Überspannungschutzgeräte von DIN-Schienenmontage auf Leiterplatteneinsatz ändern. Die beste Lösung ist, das Basiselement zusammen mit den anderen Komponenten der Leistungselektronik, in Form einer einpoligen lötbaren Buchse in einer beliebigen Netzwerkkonfiguration auf der Leiterplatte zu montieren. Mit dieser Lösung vermeidet man Kosten für die Verkabelung bei gleichzeitiger Platzersparnis. Mersen bietet hierfür eine neue PCB-montierbare Buchse, in die alle standardisierten DC und AC steckbaren Überspannungseinsätze von Mersen passen. Dies gilt für alle Ableiter Typ 1+2 und Typ 2 sowie alle Bemessungsspannungen.

Zusammenfassung

Kommerziele PV-Anlagen müssen gegen Überspannungen, Blitzeinschläge und Kurzschlüsse abgesichert werden. Mersen bietet mit dem HelioProtection Programm ein aufeinander abgestimmtes Portfolio von AC- und DC-Sicherungen sowie Überspannungsschutzeinrichtungen, das alle Normen und Anforderungen erfüllt. Die Produktreihe ist geeignet für 1.500V DC und bietet Lösungen für spezielle Probleme auf der DC-Seite, wie Mehrfach-MPPTs sowie auf der AC-Seite mit höheren Bemessungsspannungen. Die Komponenten enstprechen IEC- und UL-Vorschriften. Auf der DC-Seite ist keine Vorsicherung erforderlich.