Solarwechselrichter und Batteriespeichersystemarchitektur und -lösungen

In der aktuellen Welle der Förderung des Energiewandels und der Erreichung der Kohlenstoffneutralität spielen Solarwechselrichter und Batteriespeichersysteme (BESS) eine zentrale Rolle. Solarwechselrichter sind dafür verantwortlich, den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln, der von Haushalten, Industrien und dem Netz genutzt werden kann. Unterdessen können Energiespeichersysteme überschüssigen Strom effektiv speichern und Funktionen wie Lastregelung, Spitzenlastkappung, Talfüllung und Notstromversorgung ermöglichen. Dieser Artikel untersucht die architektonische Zusammensetzung von Solarwechselrichtern und Batteriespeichersystemen sowie die verwandten Lösungen, die von Littelfuse angeboten werden. 

Solarwechselrichter und Batteriespeichersysteme sind heute wichtige alternative Energielösungen geworden. Architektonisch können sie in AC-gekoppelte Solarsysteme und DC-gekoppelte Solarsysteme unterteilt werden. AC-gekoppelte Solarsysteme verwenden doppelte Wechselrichter, die aus einem bidirektionalen Wechselrichter mit Batterien und einem Solarwechselrichter bestehen, was eine höhere Flexibilität und einfachere Installation bietet, insbesondere geeignet für Nachrüstprojekte, während netzgekoppelte Wechselrichter beibehalten werden. Ihre Effizienz ist jedoch geringer, da die von den Batterien genutzte Energie mehrere Umwandlungen erfordert und mehrere Komponenten wie mehrere Mittelspannungstransformatoren und Wechselrichter benötigt werden. Für bestehende Photovoltaik (PV)-Systeme sind sie kosteneffektiv.

Gleichstrom-gekoppelte Solarsysteme verwenden einen einzigen Wechselrichter, um die Last zu versorgen, und sind für Nachrüstprojekte ungeeignet, da sie den Austausch vorhandener Wechselrichter erfordern und in vielen Fällen eine Neukonfiguration der PV-Array-Verkabelung notwendig ist. Ihre Effizienz ist jedoch höher, da die Energie keine mehrfachen Umwandlungen erfordert, weniger Komponenten benötigt werden, und die kurzen Kabel zwischen dem BESS und dem PV-System Verluste reduzieren. Ihre Kosten sind jedoch höher, und die Installation in bestehenden PV-Systemen ist komplex.

Solarwechselrichter-Topologien können in Mikro-Wechselrichter, Stringwechselrichter, Multi-String-Wechselrichter und Zentralwechselrichter unterteilt werden. Mikro-Wechselrichter haben eine Nennleistung von bis zu 300 W und werden hauptsächlich in Wohngebäuden eingesetzt, mit einer Ausgangsspannung von 230 VAC, einphasig, und verfügen über Selbstverbrauchsmerkmale. Stringwechselrichter haben eine Nennleistung von 1 kW bis 10 kW, primär für den Wohnbereich, können aber auch netzgekoppelt sein, mit einer Ausgangsspannung von 230 VAC, einphasig. Wenn Leistungsoptimierer oder DC-Optimierer - DC-DC-Wandler mit Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Funktionalität - in Kombination mit Stringwechselrichtern verwendet werden, kann die Gesamteffizienz des Solarsystems verbessert werden. Die MPPT-Funktionalität wird auf der Ebene des einzelnen PV-Panels durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle PV-Module an ihrem maximalen Leistungspunkt arbeiten.

Multi-String-Wechselrichter haben eine Nennleistung von 30 kW bis 200 kW, hauptsächlich für gewerbliche, industrielle und Versorgungsanwendungen, mit einer Ausgangsspannung von 400 VAC, dreiphasig, mit Eigenverbrauch und Verteilnetzanbindung. Zentrale Wechselrichter haben eine Nennleistung von bis zu mehreren Megawatt, die hauptsächlich in Mittelspannungsnetzen und PV-Kraftwerken eingesetzt werden, mit einer Ausgangsspannung von 400 VAC bis 690 VAC, dreiphasig.

Littelfuse bietet eine breite Palette von Produktlinien für Solarwechselrichter und Batteriespeichersysteme (BESS) an, einschließlich Eingangs-Schutzkomponenten wie Sicherungen, Metalloxid-Varistoren (MOV), Überspannungsschutzgeräte (SPD) und Erdschlussschutzrelais; Komponenten für DC-DC-Wandler wie MOSFETs, Gate-Treiber, Transientenspannungsschutz-Dioden (TVS) und Temperatursensoren; Komponenten für DC-AC-Wechselrichter wie IGBT-Module, Gate-Treiber, TVS-Dioden und Temperaturanzeigen.

Darüber hinaus gibt es Komponenten für den Ausgangsschutz wie Sicherungen, MOVs, Überspannungsschutz und AC-Fehlerstromrelais; Komponenten für Hilfsstromversorgungen wie MOSFETs, Gatetreiber und TVS-Dioden; und Komponenten für BESS wie Sicherungen, TVS-Dioden, TVS-Diodenarrays, Lichtbogenblitzrelais, SPDs und Fehlerstromrelais sowie Komponenten für Kommunikationsschnittstellen wie TVS-Diodenarrays und mehrschichtige Varistoren (MLV). Die Produktvielfalt ist recht vielfältig.

Wenn nach Wechselrichtertyp kategorisiert, umfassen die potenziellen Produkte von Littelfuse für Mikro-Wechselrichter MOSFETs (Trench Gate Gen2, Ultra-junction X2) oder IGBTs (600-650 V Trench), TVS-Dioden (SMCJ, SMDJ, SMBJ), NTC-Thermistoren (RA, RB, KR), Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Dioden (650V Dioden), MOVs (TMOV, UltraMOV, LA), Sicherungen (215), Gate-Treiber (IXD_6xxSI), TVS-Dioden-Arrays (SP3130, SP712, SP2555NUTG) oder MLVs (MLA, MHS) usw.

Zu den potenziellen Produkten von Littelfuse für Leistungsoptimierer gehören MOSFETs (Trench Gate Gen2), TVS-Dioden (SMCJ, SMDJ, 1.5SMC, SMBJ), NTC-Thermistoren (RA, RB, KR), Gate-Treiber (IXD_6xxSI), TVS-Diodenarrays (SP3130, SP712, SP2555NUTG, SM712) oder MLVs (MLA, MHS).

Zu den potenziellen Produkten von Littelfuse für Stringwechselrichter gehören MOVs (UltraMOV, LA, SM20, TMOV), MOSFETs (Trench Gate Gen2, Ultra-junction X2), TVS-Dioden (SMCJ, SMDJ, SMBJ), SiC-Schottky-Dioden (650-V-Dioden), NTC-Thermistoren (RA, RB, KR), IGBTs (600-650 V Trench), Sicherungen (Class J, Class RK5, KLKD), Gate-Treiber (IXD_6xxSI, IX4351NE), TVS-Diodenarrays (SP3130, SP712, SM712, SP2555NUTG), MLVs (MLA, MHS) usw.

Zu den potenziellen Produkten von Littelfuse für Multi-String-Wechselrichter gehören Sicherungen (SPF, SPFI, SPXV, SPXI, Class T, Class J), SPDs (SPD2 PV, SPD type 2), SiC MOSFETs (LSIC1MO120E0120, LSIC1MO170E1000), MOSFETs (Hochvolt-Serie), SiC Dioden (1200 V Dioden), IGBT Module (MIXA, MIXG), Hochgeschwindigkeits-Sicherungen (L75QS), TVS Dioden (SMBJ, SMF), MOVs (UltraMOV, LA, SM7), Gate-Treiber (IX4351NE), TVS Dioden Arrays (SP3130, SP712, SM712, SP2555NUTG), MLVs (MLA, MHS).

Zu den potenziellen Produkten von Littelfuse für zentrale Wechselrichter gehören Inline-Sicherungen, Sicherungen, Überspannungsschutzgeräte, DC-Trennschalter, SiC-MOSFETs, MOSFETs (Hochspannungsreihe), SiC-Dioden, IGBT-Module, Hochgeschwindigkeitssicherungen, TVS-Dioden, Wechselstrom-Erdschlussrelais, Gleichstrom-Erdschlussrelais, Gate-Treiber, TVS-Diodenarrays, MLVs.

Zu den potenziellen Produkten von Littelfuse für BESS gehören Sicherungen (501A, 881, TLS, JLLN, CNN, 885, Class J, Class RK5, Class L), TVS-Dioden (TPSMC, SZ1SMC, SZ1.5SMC, TPSMB, SZ1SMB, SZP6SMB, TPSMA6L, SZ1SMA, TPSMB), Temperatursensoren (USP16673, RB), SMD- oder Inline-Sicherungen (438A, 441A, 521, 483A), TVS-Diodenarrays (AQ05C, AQ24CAN), Hochgeschwindigkeitssicherungen (PSR, PSX, ESR), MOSFETs (X3 Class), Gate-Treiber (IXD_6xxSI), Hochspannungs-Gleichstrom-Schützrelais (DCNxx), Lichtbogen-Schutzeinrichtungen (AF0100), Gleichstrom-Trennschalter (LS7xx, LS6xx), SPDs (Gleichstromverbindung/Wechselstromverbindung) (SPD Typ 2), Erdschlussrelais (SE-601), IGBT-Module (MIXA, MIXG).

Solarwechselrichter und Batteriespeichersysteme (BESS) unterliegen zahlreichen Sicherheitsstandards, einschließlich IEC 61683 - Stromrichter - Verfahren zur Effizienzmessung, das Richtlinien zur Messung der Effizienz von Stromrichtern beschreibt, die in eigenständigen und netzinteraktiven PV-Systemen verwendet werden. IEC 62109-1- Sicherheit von Stromrichtern für photovoltaische Energiesysteme - Teil 1: Allgemeine Anforderungen. Dieser Teil der IEC 62109 gilt für Stromumwandlungsausrüstung (PCE), die in PV-Systemen verwendet wird und einheitliche Sicherheitsniveaus erfordert. Dieser Standard legt die Mindestanforderungen für die Konstruktion und Herstellung von PCE fest, um Gefahren wie Feuer, Energie, elektrischen Schlag, mechanische und andere Risiken zu schützen. IEC 62109-2 - Sicherheit von Stromrichtern für photovoltaische Energiesysteme - Teil 2: Besondere Anforderungen für Wechselrichter. Teil 2 der IEC 62109 behandelt besondere Sicherheitsanforderungen für DC-AC-Wechselrichterprodukte, die in PV-Systemen verwendet werden. Diese drei Standards gelten weltweit.

UL 1741 - Wechselrichter, Umrichter, Regler und Anschlussanlagen für den Einsatz mit verteilten Energiequellen. Diese Anforderungen decken Wechselrichter, Umrichter, Laderegler und Anschlussanlagen (ISE) für eigenständige oder netzgekoppelte Energiesysteme ab. UL 9540A - Standard für das Testverfahren zur Bewertung der thermischen Durchlauf-Brandvermehrung in Batteriespeichersystemen. Dieses Dokument bewertet die Brandmerkmale von Batteriespeichersystemen, die einen thermischen Durchlauf erfahren. Diese beiden Standards gelten für Nordamerika.

EN 50524 - Datenblätter und Typenschilder für PV-Wechselrichter. Dieses Dokument soll wesentliche Informationen zur sicheren und optimalen Konfiguration von PV-Wechselrichtersystemen bereitstellen. EN 50530 - Gesamteffizienz von PV-Wechselrichtern. Diese Norm bietet ein Verfahren zur Messung der Genauigkeit der maximalen Leistungspunktverfolgung (MPPT) von Wechselrichtern, die in netzgekoppelten PV-Systemen verwendet werden. Diese beiden Normen gelten für Europa.

PSR-Hochgeschwindigkeitshalbleiter-Sicherungen mit quadratischem Gehäuse können die Kapazität von BESS erhöhen, wodurch die Betriebskosten der Versorgungsunternehmen gesenkt werden und eine längere Abhängigkeit von Batteriespeichersystemen zur Deckung der Spitzenlast ermöglicht wird. Um dies zu erreichen, können Integratoren ihrer BESS weitere Batteriebänke hinzufügen oder von Flussbatterielösungen auf Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Kapazität umstellen.

Allerdings kann die höhere Leistungsdichte in neuen BESS zu größeren Fehlerströmen führen. Bei hohen Leistungsniveaus kann ein Fehler katastrophale Schäden oder sogar Personenschäden verursachen. BESS erfordert höhere Ebenen des Schaltschutzes, was Konstruktionsherausforderungen mit sich bringt. Wenn Sicherungen mit höheren Kurzschlussstrom-Unterbrechungswerten als die derzeit in BESS verwendeten gefunden werden können, können dem BESS mehr Batterieeinheiten hinzugefügt werden. Darüber hinaus müssen die Sicherungen zum Schutz sensibler elektronischer Komponenten, die in BESS-Leistungswandlern verwendet werden, in der Lage sein, schnell zu unterbrechen.

Die Littelfuse PSR-Serie von Hochgeschwindigkeits-Halbleitersicherungen in Quaderform bietet die höchsten Kurzschlussstromwerte: 150 kA DC und 200 kA AC Unterbrechungswerte. Höhere Werte können auch die Anzahl der Kombinationsboxen reduzieren, was Kosten und Designkomplexität senkt. Die Sicherungen der PSR-Serie reagieren schneller und haben höhere Kurzschlussstromunterbrechungswerte. Weitere Vorteile der PSR-Serie sind flexible Formfaktoren und Installationsoptionen. Die Sicherungen der PSR-Serie können gängige Blockhülsenformfaktoren direkt ersetzen und so die Kosten größerer Designänderungen vermeiden. Um eingebettete PSR-Sicherungen an parallele Sammelschienenmontagekonfigurationen anzupassen, kann das L-Bügel-Design von Littelfuse verwendet werden.

Durch die Verwendung der Littelfuse PSR-Serie von Sicherungen kann die Anzahl der Combiner pro Container um eins reduziert werden, und zwei zusätzliche Batterieeinheiten können hinzugefügt werden. Dies erhöht die Kapazität des aktuellen BESS-Containers um 7 %, wodurch Versorgungsunternehmen länger auf Batteriespeichersysteme während Spitzenlastzeiten vertrauen können und die Betriebskosten gesenkt werden.

Die Integration von Solarwechselrichtern und Batteriespeichersystemen verbessert nicht nur die Energieeffizienznutzung, sondern bringt auch neue Chancen für das verteilte Energiemanagement, Netzstabilität und Energieautonomie. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Leistungselektronik, in Batterie-Management-Systemen (BMS), Kommunikationsprotokollen und künstlicher Intelligenz werden zukünftige Lösungen in Richtung höherer Effizienz, größerer Intelligenz und Modularität tendieren. Die in diesem Artikel vorgestellten Littelfuse Solarwechselrichter- und BESS-Lösungen können Kunden dabei helfen, hoch zuverlässige, leistungsstarke und kosteneffektive integrierte Solar- und Speichersysteme aufzubauen und so zur nachhaltigen Vision der grünen Energie beizutragen.