De senaste standarderna för nätanslutna solcellsomriktare innebär att det krävs elektromagnetiska reläer med hög prestanda som är särskilt utformade för nätskydd. Steve Drumm, Omron Europe beskriver här problem och lösningar.

I takt med att konsumenternas beroende av el fortsätter att öka och myndigheterna försöker uppnå koldioxidminskningsmålen genom att öka användningen av förnybara energikällor förväntas alltfler små solcellsanläggningar förse elnätet med energi. Dessa utgörs av olika sorters decentraliserade generatorer, från mikrogeneratorer under 3 kW till små och medelstora installationer inom intervallet 3 kW till 18kW och upp till mycket stora installationer upp till 40 kW.

Generatorerna kommer att användas i såväl bostadsområden som företagsområden, däribland jordbruk Den centrala kraftgenereringen förväntas också i allt högre grad bli beroende av solenergi som fångas in med stora centrala solcellsgeneratorer med flera strängar på omkring 45 kW och uppåt.

Under 2015 förväntas den installerade kapaciteten överskrida 35 000 MW. Av dessa förväntas system på upp till 10 kW i bostadsområden och små system i företagsområden i intervallet 10 kW till 100 kW stå för omkring 15 000 MW.

Det ökade beroendet av distribuerade nätanslutna system, såväl mycket små som mycket stora, samt centrala omriktare innebär att det krävs mer kunskaper och förbättrad prestanda för att bibehålla personsäkerheten, utrustningens tillförlitlighet och kraftkvaliteten. Framför allt är konstruktionen vad gäller omriktarens nätanslutning ytterst viktig. Dessutom utrustas alltfler nätanslutna solcellssystem med batterilagring i takt med att förbrukningen på platsen blir allt viktigare.

Ett resultat av detta är att omriktaren för en typisk konsument eller ett kommersiellt genereringssystem har kommit att bli ett avancerat energihanteringssystem som kan balansera energiflödet i realtid. Den kan exempelvis reglera solcellssystemet som svar på signaler om minskad efterfrågan från nätverksoperatören, vilket kan motverka överbelastning i nätet, eller för att tillfälligt koppla från systemet från nätet för att skydda utrustningen och garantera säkerheten. I fig 1 visas de huvudsakliga funktionerna för en typisk omriktare utan transformator vid nätansluten användning.

Fig 1. Diagram över funktionsblockering i en modern nätansluten omriktare (klicka för större bild )

Några exempel på händelser som kan kräva att omriktaren kopplas från är kortslutning i generatorn, tillfälliga transienter i nätet och andra fel såsom kraftigt urladdat lokalt batteri som kan orsaka oacceptabelt slitage på nätet. I takt med att nätverksoperatörerna utvecklar s k nätkoder för att kunna hantera det ökade antalet små distribuerade generatorer som är anslutna till nätet ökar behovet av kontrollprogramvara för omriktaren för att säkerställa att omriktaren alltid uppnår den nivå som krävs.

Reläer för nätskydd
För att möjliggöra programstyrd anslutning och återanslutning av omriktaren krävs effektiva, tåliga och hållbara elektromagnetiska reläer som uppfyller gällande standarder för övervakning av nät. Exempel på dessa är den tyska standarden VDE 0126-1-1, som även används i många andra områden i Europa och övriga världen, RD1663/ 2000 i Spanien, ER G83/1 i Storbritannien, DK5940 2.2 och CEI 0.21 för Italien, samt den internationella standarden IEC 62109-2. Elektromagnetiska reläer är nödvändiga för nätskydd för växelström i omriktare för utan transformatorer. System utan transformatorer innebär besparingar av såväl kostnader som utrymme, men kräver ytterligare komponenter för galvanisk isolering. Detta är inte möjligt med halvledaromkopplare såsom solid state-relä eller MOSFET.

Det elektromagnetiska reläets inre konstruktion är av yttersta vikt för att säkerställa tillräcklig säkerhetsisolering, felsäker drift, låg kraftförbrukning och tillförlitlig prestanda vid varmstart.

Reläer för nätskydd används i linjen, neutralt eller båda anslutningarna, vilket visas i fig 2. För att överensstämma med standarder såsom IEC 62109-2 och VDE0126-1-1måste två omkopplare i rad användas för att ge redundans om ett fel uppstår. Därför kan upp till fyra reläer krävas i en enfasomriktare, medan sex eller åtta kan behövas i ett trefassystem. Om det är ett viktigt krav att uppnå minsta möjliga övergripande storlek kan de som utformar systemet använda ett fyrpoligt relä, exempelvis Omrons G7J eller G7Z eller ett tvåpoligt relä såsom G7L-PV. Å andra sidan föredrar vissa tillverkare att använda två eller flera enpoliga reläer såsom G8P för att förenkla testningen. De reläer som används bör alltid vara monostabila och normalt öppna reläer för att säkerställa felsäker drift när ingen kraft är ansluten. Detta är ett annat krav som halvledaromkopplare inte kan uppfylla utan ytterligare kretssystem för övervakning. Risken för fel i stängt läge kan inte accepteras.

Fig 2. Reläer för nätskydd används i rad för att uppnå redundans och placeras i linjen, i linjeanslutning eller neutral anslutning
(klicka för större bild )

Spolens fasthållande kraft
En eventuell nackdel med att använda normalt öppna reläer är att kraften måste appliceras kontinuerligt i reläets krets för att hålla kontakterna stängda under normala driftsvillkor. Detta ökar systemets energiförbrukning, vilket inte är önskvärt vid användning av solenergi. Dessutom kan den kombinerade effekten av kraftförlusten i så mycket som åtta reläspolar i ett trefassystem uppskattas.

För att minimera denna förlust har vissa tillverkare av omriktare använt sig av låsreläer. Den reella säkerheten kan dock inte garanteras och extra kretssystem krävs för att säkerställa felsäker drift. I praktiken är denna metod inte särskilt vanlig. Kontrollsignalen som tillämpas för det normalt öppna reläets spole kan optimeras för att spara kraftförbrukning. För att uppnå detta med ett 12 V relä med likströmsspole kan en hög första puls på omkring 18–22 V tillämpas under en kort period på upp till omkring 500 millisekunder för att stänga reläkontakterna när omriktaren måste anslutas till nätet. Den första pulsen kan sedan sänkas till omkring 4,5 V för att upprätthålla en effektiv fasthållande kraft hos spolen. Signalen kan även vara pulsbreddsmodulerad för att ytterligare minska den totala kraft som förslösas i kretsen.

Varmstartsprestanda
Vid utformning av kretsen bör omsorg ägnas åt att säkerställa tillförlitlig drift vid varmstart för att återansluta omriktaren när så krävs. Omriktaren kan utsättas för höga temperaturer, framför allt vid användning utomhus i varmt klimat. Dessutom kan uppvärmning med I2R bidra till att reläets driftstemperatur höjs. Temperaturhöjningar orsakar en linjär ökning av spolresistansen och driftsspänningen, termisk expansion i kontaktmekanismens komponenter samt ökad koppar- och järnförlust vid förhöjda temperaturer. Temperaturkoefficienten för koppartråds resistans är omkring 0,4% per 1 °C och spolresistansen ökar i samma takt. Värdena för driftsspänning i reläets specifikation ges normalt vid 20 °C. Eftersom dessa värden inte kan uppnås vid varmstart eller om den omgivande temperaturen är över 20 °C bör korrekt drift bekräftas i de förhållanden där reläet faktiskt kommer att användas.

Samtidigt rekommenderas ett relä som är utformat för nätskydd vid växelström – hellre än ett vanligt relä som förefaller ha lämplig spänning och ström – för att säkerställa tillförlitlig varmstart med minsta möjliga förslösning av kraft. Omron har utifrån sin erfarenhet av att optimera magnetisering av reläspole uppnått en mycket effektiv magnetiseringskrets med bästa möjliga fasthållande kraft och omkopplingsprestanda i reläet G7L med nätskydd. Denna tvåpoliga enhet fungerar för närvarande som norm för solcellsomriktaranvändning där det endast krävs 320 mW (160 mW per kontakt) i fasthållande kraft.

Livslång och aktuell klassificering
Dessutom bör konstruktörerna beakta reläets hållbarhet. Under en normal livslängd för en nätansluten solcellsomriktare utan transformator, dvs. absolut minst sju år och normalt upp till femton år, kan det vara nödvändigt att reläerna kopplar bort omriktaren från nätet vid omkring 500 tillfällen på grund av exceptionella omständigheter. G7L har visat sig vara överlägsen i belastningstester och uppnått 30 000 användningstillfällen. Detta är klart över det antal användningstillfällen som en solcellsomriktare förväntas klara.

Det är även viktigt att konstruktörer beaktar nettovärdet av daglig ström som passerar genom reläet. I ett litet bostadssystem som normalt består av omkring 7–8 paneler solcellspaneler med en likströmsspänning på omkring 3-4 A kan omriktaren ha en växelströmsbelastning på omkring 3,5 A och reläet behöver endast avbryta det fullständiga belastningsflödet mitt på dagen. Om omriktaren använder sig av en funktion för mjukstart och mjukstopp som bryter belastningen elektroniskt och sedan får reläet att öppna eller stänga dess kontakter ökar den elektriska livslängden  avsevärt eftersom reläets enda arbetscykel är dess transporterade ström, och några hundra milliampere kretsström uppnås. Å andra sidan kan likströmsspänningen i en medelstor eller mycket stor generator där flera strängar med paneler matar en enda omriktare mer än fördubblas och växelströmmen normalt vara omkring 10–12 A eller mycket mer, vilket innebär att det krävs ett relä med högre klassificering. Olika kombinationer av strängar i både parallellkoppling och seriekoppling kan leda till stora direkta strömflöden som måste omriktas. Reläer som används med gränssnittet för nätskydd vid växelström måste ha rätt klassificering för att hantera typiska generatorer och omriktningsperioder med hög effekt.

Minsta tillåtna luftöppning
Även om systemkonstruktörer uppmanas att minimera omriktarens mått och tillhörande kontrollkrets för solceller bör de vara försiktiga med att göra komponenter såsom reläet för nätskydd alltför små. I de tillämpliga standarderna IEC 62109-2 och VDE0126-1-1 anges minsta tillåtna luftöppning då reläet är öppet. Isoleringen är alltså nödvändig för att garantera användarsäkerhet och förhindra oönskad frekvens eller alltför kraftig kortsluten ström i nätet samtidigt som omriktaren skyddas mot potentiellt skadliga villkor på nätsidan.

Luftöppningen har angetts vara 1,5 mm men i de senaste IEC-standarderna har detta ökat till 1,8 mm. Alla nykonstruerade omriktare som är avsedda för den europeiska marknaden och i allt högre grad världsomspännande marknader måste uppfylla denna standard. I framtiden kan ytterligare lagförändringar leda till att luftöppningarna blir ännu större. Även om komponentleverantörerna försöker att leverera så små komponenter på marknaden som möjligt är det viktigt att beakta att en förstoring av luftöppningen innebär att även andra inre mått, såsom kontaktens följavstånd, måste utökas. En förstoring av luftöppningen samtidigt som totalstorleken ska minska innebär att det krävs en skicklighet som kanske inte återspeglas i specifikationerna.

Tabell 1. Genom ett relä med 3 mm kontaktöppning kan omriktaren användas säkert på höga höjder över havet.

Dessutom bör konstruktörerna, vid utformning av större omriktare för central användning, beakta effekten av höjden på luftöppningen som krävs för att bibehålla lägsta isolering. På högre höjder krävs en större luftöppning. I tabell 1 beskrivs vilken luftöppning som krävs för att bibehålla minimikraven på isolering i takt med att höjden över havet ökar, enligt de korrigeringsfaktorer som anges i IEC60664-2 2011. För att säkerställa tillförlitlig och säker drift vid alla praktiska höjder erbjuder Omron reläer med en luftöppning som är minst 3,0 mm vid användning av solcellsomriktare med nätskydd.

Tillförlitlighet vid hög temperatur
Slutligen påpekas att effekterna av hög temperatur under lång tid på komponenternas tillförlitlighet och brandsäkerhet i omriktarsystemet bör beaktas. Tester av brandfördröjande egenskaper, exempelvis glödtrådstester som utförs på komponenter i vitvaror, har ännu inte utformats för solcellsutrustning. Den ökade användningen av mycket små och medelstora generatorer kan emellertid leda till krav på strängare tester och standarder när det gäller brandsäkerhet. I nuläget kan utrustningskonstruktörerna förvänta sig att komponentleverantörerna erbjuder enheter vars värmetolerans är högre än hos mer generella produkter, såsom isolering klass F samt flamfördröjande plasthöljen av typen UL94 V-0. I framtiden kan komponentbaser och andra beståndsdelar bli föremål för obligatoriska bestämmelser angående brandfördröjning.

Vissa tillverkare av omriktarsystem använder en fläkt för att se till att komponenterna håller en jämn temperatur under kraftigt varierande driftsförhållanden. En fläkt i variabel hastighet kan bidra till att minimera effekten på systemets kraftförbrukning. Dock är långsiktighet på komponentnivå i allmänhet en mer tillfredsställande lösning. Samtidigt som reläer av hög kvalitet kan ge visst skydd mot de försämrings- och korrosionseffekter som kan drabba billigare alternativ bör utrustningskonstruktörerna även beakta det slitage som andra komponenter i systemet kan utsättas för vid användning i hög temperatur under längre tid.

Framtiden när det gäller reläer för nätskydd
Eftersom omriktaren i allt högre grad kommer att omfatta kontroll- och belastningsbalansering eller Balance of System (BOS) i solkraftsgeneratorer, framför allt inom de flesta system med förnybar energi för bostadssystem, är det oundvikligt att det kommer att krävas att den kan anslutas till och kopplas från enheter som är direkt eller indirekt anslutna till nätet. Dessa kan omfatta exempelvis uppvärmningsenheter, vitvaror, batteribanker för lokal lagring samt el- eller hybridelfordon (EV/HEV). Därför kan kravet på högre isolering och ökade isoleringsegenskaper hos reläet förväntas öka.

Slutsats
Relativt små nätanslutna solgeneratorer förväntas tillhandahålla en ökad andel installerad kapacitet i framtiden. Eftersom många av dessa anläggningar är anslutna till distributionsnätet måste de omriktare som ger anslutning till nätet utvecklas från att vara enkla omvandlingsenheter till att bli avancerade energihanteringssystem. Det krävs ett tillförlitligt sätt att koppla ifrån och återansluta systemet till nätet för att skydda användarna och utrustningen mot potentiella risker. För att driften ska bli tillförlitlig under alla tänkbara omständigheter kräver den nya generationens omriktare elektromagnetiska reläer för nätskydd som är särskilt utformade just för detta, och som erbjuder lämplig prestanda vid varmstart, låg effektförbrukning med normalt öppen drift, hög elektrisk isolering och lång hållbarhet.

Filed under: Stromforsorjning