EP2601719A2 - Verfahren zur steuerung einzelner photovoltaik-module einer photovoltaik-anlage und steuereinrichtung - Google Patents

Verfahren zur steuerung einzelner photovoltaik-module einer photovoltaik-anlage und steuereinrichtung

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Publication number
EP2601719A2
EP2601719A2 EP11769768.0A EP11769768A EP2601719A2 EP 2601719 A2 EP2601719 A2 EP 2601719A2 EP 11769768 A EP11769768 A EP 11769768A EP 2601719 A2 EP2601719 A2 EP 2601719A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
module
voltage
control unit
current
strand
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11769768.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Willer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Newtos AG
Original Assignee
Newtos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Newtos AG filed Critical Newtos AG
Publication of EP2601719A2 publication Critical patent/EP2601719A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/02—Mechanical actuation
    • G08B13/14—Mechanical actuation by lifting or attempted removal of hand-portable articles
    • G08B13/1409—Mechanical actuation by lifting or attempted removal of hand-portable articles for removal detection of electrical appliances by detecting their physical disconnection from an electrical system, e.g. using a switch incorporated in the plug connector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/95—Circuit arrangements
    • H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
    • H10F77/955—Circuit arrangements for devices having potential barriers for photovoltaic devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method by which the photovoltaic modules (PV modules) of a PV system in case of danger or service work by means of appropriate control devices of a control unit can be switched to a safe state, without causing damage to the PV modules or the inverter to take. If all PV modules are provided with such control units, then the PV generator (the PV system) is switched to a non-human condition at any point in the event of danger.
  • the control devices use the existing wiring of the PV system, so there is no additional effort in this regard in the assembly of the PV modules required.
  • the photovoltaic generator has the disadvantage that the thermal switch (which need not always occur in fires) only triggers when there is a rise in temperature in its immediate vicinity, and reopens as soon as the temperature drops (for example when extinguishing water is used). From the outside, it is impossible to tell whether the modules are de-energized, nor can the system be de-energized manually.
  • the external pressure control lines and mechanical pressure actuators are relatively vulnerable due to the moving parts.
  • the solar module is In addition, the PV modules are statically short-circuited, which can damage the individual PV modules and the inverter. Another disadvantage is that in addition to the wiring of the solar system additional control lines are required.
  • the object of the invention is to find a method by means of which photovoltaic modules of a PV system can be switched to a safe state in the event of danger (ie in case of fire) or during service work, without damaging the PV modules or the inverter ,
  • the control device should be able to be operated exclusively with the already existing wiring of the PV system.
  • a separate control unit is assigned to each (to be controlled) PV module in at least one (consisting of several such PV modules) strand of the PV system (preferably in each strand) for controlling the individual PV modules.
  • the control units monitor the voltage profile and / or the current of the PV module to which they are assigned.
  • the control unit of the relevant PV module is activated (ie the control unit triggers the intended action, see below). So that short-term, harmless voltage peaks (or voltage dips) can not cause activation of the control unit, the control unit is activated only when a voltage increase (voltage drop) on the PV module for a defined period of time exceeds a predetermined critical value.
  • a control unit monitors the current through the PV module, the control unit is activated as soon as the current drops below a reference value (eg 100 mA).
  • a reference value eg 100 mA.
  • the control unit is activated, in a first variant the PV module on at least one connection side thereof is separated from the associated line. The resulting, at least one separation point, however, a capacitor remains connected in parallel, ie, the PV modules remain connected to each other even after separation via the capacitors. DC currents through the string are thus inhibited, but alternating currents (and pulsed DC signals) can still flow.
  • a low-impedance load is switched in parallel with the PV module in parallel, i. that is, the low-resistance load is alternately connected in parallel with and disconnected from the PV module for a certain time. Due to the clocked parallel connection, the effective voltage (time average) of the PV module decreases.
  • the timing is varied during the connection of the low-impedance load such that the mean value of the time in which the load is parallel to the PV module is switched, steadily increasing and finally reaches a constant value.
  • the mean value decreases accordingly and finally becomes zero.
  • the clocking is selected such that microcontrollers contained in the control units are just supplied with their minimum permissible operating voltage by the effective voltage (residual voltage) delivered by the PV module.
  • the total voltage of the at least one strand drops to a safe level for people.
  • the at least one PV module, the load switched clocked in parallel and the at least one PV module associated microcontroller is supplied with at least its minimum operating voltage or the PV module is separated on at least one side of the strand (first or second variant) to reset all activated control units of the at least one strand, an electrical pulse or an electrical pulse train are sent via the lines of the at least one strand.
  • the microcontrollers in the controllers are programmed to detect the electrical pulse or sequence and reset the activated controllers.
  • the control device comprises a plurality of control units, which are used in conjunction with a respective PV module.
  • each PV module of the PV system is provided with a control unit.
  • the control units are in each case provided with at least one measuring device which serves for detecting the voltage profile of the PV module (or the current flowing through the PV module), a microcontroller for monitoring the voltage profile of the PV module (or of the PV module). Module flowing current) and either at least one module disconnect switch, which serves for separating at least one side of the control unit associated with the PV module from the strand, or a circuit which is used for the clocked parallel connection of a low-load to the associated PV module ,
  • the measuring device for detecting the current flowing through the PV module comprises, for example, a low-impedance shunt resistor, which is in each case connected in series between the PV module with the associated microcontroller and an adjacent PV module of the same line; an operational amplifier, with which the voltage dropping across the shunt resistor is detected, amplified and compared with voltage reference values; and a temperature compensation circuit providing temperature dependent voltage reference values for the operational amplifier.
  • the control units which, when activated, switch a low-resistance load in parallel with the associated PV module have, for example, a switch (electronic, mechanical or a combination of both) and a resistor (low-resistance load) for limiting the current, the switch and the resistor are connected in series.
  • the series connection of the resistor and the switch is connected in parallel to the associated PV module.
  • the control units are usually integrated in the connection boxes of the PV modules, mounted on the connection boxes or arranged in the immediate vicinity of the connection boxes.
  • the control device is inexpensive to produce, since it can be implemented with standard electronic components and in addition to the already existing wiring of the solar system no additional control lines are required.
  • control device in conjunction with a monitoring device for PV systems with a supply part, a current sensor which detects the current through the at least one strand, a generator with capacity-voltage converter, which serves for theft detection, a microcontroller, which serves to evaluate the current values supplied by the current sensor and the voltage values supplied by the capacitance-voltage converter, an uncoupling element for decoupling the at least one string from at least the capacitors of the inverter, a reset device for the control units of the control device, an alarm reset Device and an interface with galvanic isolation, which serves for the transmission of alarms to an external alarm center operated.
  • Fig. 3 a series circuit of three control units, which when activated the
  • Fig. 4 a series circuit of three control units, which when activated the
  • a PV system in which a plurality of PV modules 1 are connected in series parallel to a strand 2, wherein for implementing the method according to the invention parallel to each of the PV modules 1, a respective control unit 3 is arranged.
  • the DC voltage generated by the PV modules is converted via the inverter 4 of the PV system into the mains voltage.
  • the monitoring device 5 is connected, which monitors the PV system for theft and on the formation of arcing (voltage flashovers).
  • the control units 3 together form the control device according to the invention.
  • the lines of the connected strand 2 are looped through the decoupling element 6, which serves as a capacity separation, to the inverter 4.
  • the AC line voltage is converted by the supply part 7 in low voltage.
  • the microcontroller 8 (monitoring microcontroller), the generator with capacitance voltage converter 9, the current sensor 10 and the light emitting diode 13 are supplied with voltage.
  • the microcontroller 8 detects the output signals of the generator with capacitance / voltage converter 9 and of the current sensor 10. When a reverse current or an arc occurs in the connected line 2, the current sensor 10 outputs a characteristic voltage curve, which is detected by the microcontroller 8 and (as a malfunction) is detected.
  • the decoupling element 6 serves as a capacity separation, so that the capacitances of the capacitors in the inverter 4 are not measured.
  • FIG. 3 shows a series connection of three PV modules 1, each of which is equipped with a control unit 3.
  • the control units 3 detect the current flowing through the respective PV module 1 or the voltage of the PV module. 1
  • the PV module 1 associated control unit 3 is framed with a dashed line (dot-dash line).
  • the microcontroller 14 (control microcontroller), the voltage converter 15, the switch 16, the load 17 and the voltage divider 18 are housed.
  • the microcontroller 14 is powered by the voltage converter 15, which receives its input voltage via the terminals 1 .1 and 1 .2 of the PV module 1, with voltage. As long as the voltage at the PV module 1 is above the voltage required for the operation of the microcontroller 14, the voltage converter 15 supplies the supply voltage of the microcontroller 14.
  • the microcontroller 14 detects via the voltage divider 18, which consists of the resistors connected in series 18.1 and 18.2, the voltage of the PV module 1. As soon as the voltage detected by the microcontroller 14 exceeds a certain value, the microcontroller 14 sends a signal to the switch 16.
  • the switch 16 then switches the load 17 clocked in parallel with the terminals 1 .1 and 1 .2. Since the load 17 has a very low ohmic resistance, a high current flows through the load 17, whereby the voltage between the terminals 1 .1 and 1 .2 drops sharply.
  • the microcontroller 14 determines a clock rate at which the switch 16 must be switched so that the voltage between the terminals 1 .1 and 1 .2 not below the minimum required supply voltage of the voltage converter 15 for the microcontroller 14 falls (defined control loop). This operating state is maintained until the microcontroller 14 is reset and no longer activates or opens the switch 16.
  • the current measuring device consists of the low-impedance shunt resistor 24, which is connected in series between the PV module 1 and the adjacent PV module 1 (of the same strand 2); the operational amplifier 25, with which determines the voltage drop across the shunt resistor 24, amplified and compared with voltage reference values; and the temperature compensation circuit 26, which provides temperature dependent voltage reference values for the operational amplifier 25.
  • Fig. 4 is also a series connection of three PV modules 1 with control units 3 (the first of the three PV modules 1 associated control unit 3 is indicated by the dashed line), in the event of an accident, the total voltage of the strand 2, not as in the previous example by clocked parallel switching a low-resistance load 17, but by electrically separating the individual PV modules 1 from the respective strand 2, to a harmless value (eg., Below a predetermined limit) is lowered.
  • the separation of the individual PV modules 1 from each other is effected by the module disconnector 21, designed as a semiconductor switch or relay.
  • the base load resistor 23 is required for the operation of a semiconductor switch.
  • a capacitor 22 is connected in parallel with the module disconnector 21 (with the module disconnector 21 open, the individual PV modules still remain connected via a respective capacitor 22), so that the control units 3 are reset via the existing wiring of the PV - Plant AC signals or pulse trains can be sent to the control units 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Photovoltaik-Module (PV-Module) einer PV-Anlage im Gefahrenfall in einen sicheren Zustand geschaltet werden können. Mittels Steuereinheiten (3), die jeweils einem PV-Modul zugeordnet sind, wird der Spannungsverlauf und/oder der Strom jedes PV-Moduls (1) gemessen. Sobald sich die Spannung eines PV-Moduls (1) von der Betriebsspannung auf die Leerlaufspannung erhöht oder die Spannung von der Leerlaufspannung auf die Betriebsspannung absinkt bzw. der Strom im Strang (2) unter einen Referenzwert sinkt, wird die dem PV-Modul (1) zugeordnete Steuereinheit (3) aktiviert. Bei der Aktivierung der Steuereinheit (3) wird entweder das PV-Modul (1) auf mindestens einer Anschlussseite (1.1, 1.2) vom Strang (2) getrennt, wobei der hierdurch entstehenden mindestens einen Trennstelle ein Kondensator (22) parallel geschaltet bleibt, oder dem PV-Modul (1) wird eine niederohmige Last (17) getaktet parallel geschaltet.

Description

Verfahren zur Steuerung einzelner Photovoltaik-Module einer Photovoltaik- Anlage und Steuereinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die Photovoltaik-Module (PV-Module) einer PV-Anlage im Gefahrenfall oder bei Servicearbeiten mittels entsprechender Steuereinrichtungen einer Steuereinheit in einen sicheren Zustand geschaltet werden können, ohne dass dabei die PV-Module oder der Wechselrichter Schaden nehmen. Sind alle PV-Module mit solchen Steuereinheiten versehen, dann wird der PV- Generator (die PV-Anlage) im Gefahrenfall an jedem Punkt in einen für Menschen ungefährlichen Zustand geschaltet. Die Steuereinrichtungen nutzen die bereits bestehende Verkabelung der PVAnlage, es ist somit diesbezüglich kein zusätzlicher Aufwand bei der Montage der PV-Module erforderlich.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen bekannt, mit denen PV- Anlagen automatisch in für Menschen ungefährliche Zustände geschaltet werden können.
Aus DE 10 2005 017 835 B3 ist ein Photovoltaikgenerator mit einem Thermoschalter bekannt, der bei einer Temperaturzunahme anspricht und die PV-Module kurzschließt.
Der Photovoltaikgenerator hat jedoch den Nachteil, dass der Thermoschalter (was bei Bränden nicht immer eintreten muss) nur bei einem Temperaturanstieg in seiner unmittelbaren Nähe auslöst, und sich wieder öffnet, sobald die Temperatur (z.B. beim Einsatz von Löschwasser) sinkt. Von außen ist weder zu erkennen, ob die Module spannungsfrei geschaltet sind, noch kann die Anlage manuell spannungsfrei geschaltet werden.
In DE 10 2008 052 037 B3 wird ein Solarmodul beschrieben, bei dem mittels externer Druck-Steuerleitungen und mechanischer Druck-Aktivatoren eine Reihe von Solarzellen niederohmig überbrückt werden kann.
Die externe Druck-Steuerleitungen und mechanische Druck-Aktuatoren sind jedoch in Folge der bewegten Teile vergleichsweise anfällig. Beim Solarmodul werden au- ßerdem die PV-Module statisch kurzgeschlossen, wodurch die einzelnen PV-Module und der Wechselrichter geschädigt werden können. Nachteilig ist zudem, dass neben der Verkabelung der Solaranlage zusätzliche Steuerleitungen erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, mit dem Photovoltaik-Module einer PV-Anlage im Gefahrenfall (d.h. z.B. im Brandfall) oder bei Servicearbeiten in einen sicheren Zustand geschaltet werden können, ohne dass dabei die PV-Module oder der Wechselrichter Schaden nehmen. Die Steuereinrichtung soll ausschließlich mit der bereits bestehenden Verkabelung der PV-Anlage betrieben werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 bis 1 1 .
Nach Maßgabe der Erfindung wird zur Steuerung der einzelnen PV-Module in mindesten einem (aus mehreren solcher PV-Module bestehenden) Strang der PV- Anlage (bevorzugt in jedem Strang) jedem (zu steuernden) PV-Modul eine separate Steuereinheit zugeordnet. Die Steuereinheiten überwachen den Spannungsverlauf und/oder den Strom des PV-Moduls, dem sie zugeordnet sind.
Wird der Spannungsverlauf überwacht und zeigt sich eine Erhöhung der Spannung des PV-Moduls von der Betriebsspannung auf die Leerlaufspannung (oder sinkt alternativ die Spannung von der Leerlaufspannung auf die Betriebsspannung ab), dann wird die Steuereinheit des betreffenden PV-Moduls aktiviert (d. h. die Steuereinheit löst die jeweils vorgesehene Aktion aus, siehe unten). Damit kurzzeitige, ungefährliche Spannungsspitzen (oder Spannungseinbrüche) keine Aktivierung der Steuereinheit bewirken können, wird die Steuereinheit erst dann aktiviert, wenn eine Spannungserhöhung (Spannungsabsenkung) am PV-Modul für eine definierte Zeitspanne einen vorgegebenen kritischen Wert überschreitet.
Überwacht eine Steuereinheit den Strom durch das PV-Modul, dann wird die Steuereinheit aktiviert, sobald der Strom unter einen Referenzwert (z. B. 100 mA) sinkt. Bei der Aktivierung der Steuereinheit wird in einer ersten Variante das PV-Modul auf mindestens einer Anschlussseite davon vom zugehörigen Strang getrennt. Der hierdurch entstehenden, mindestens einen Trennstelle bleibt jedoch ein Kondensator parallel geschaltet, d. h., die PV-Module bleiben auch nach dem Abtrennen über die Kondensatoren miteinander verbunden. Gleichströme durch den Strang werden somit unterbunden, Wechselströme (und pulsförmige Gleichstromsignale) können jedoch nach wie vor fließen.
In einer zweiten Variante wird dem PV-Modul eine niederohmige Last getaktet parallel geschaltet, d. h., die niederohmige Last wird abwechselnd dem PV-Modul für eine bestimmte Zeit parallel geschaltet und wieder von diesem getrennt. Durch die getaktete Parallelschaltung sinkt die Effektivspannung (zeitlicher Mittelwert) des PV- Moduls.
Um zu verhindern, dass der Wechselrichter der PV-Anlage oder das mindestens eine PV-Modul durch Stromspitzen Schaden nimmt, wird während des Zuschaltens der niederohmigen Last die Taktung derart variiert, dass der Mittelwert der Zeit, in dem die Last zum PV-Modul parallel geschaltet ist, stetig zunimmt und schließlich einen konstanten Wert erreicht. Beim Wegschalten der niederohmigen Last nimmt entsprechend der Mittelwert stetig ab und wird schließlich zu Null.
In einer vorteilhaften Ausführung der zweiten Variante wird die Taktung derart gewählt, dass in den Steuereinheiten enthaltene MikroController durch die vom PV- Modul gelieferte Effektivspannung (Restspannung) gerade noch mit ihrer minimal zulässigen Betriebsspannung versorgt werden.
Werden alle Steuereinheiten in einem Strang aktiviert (entweder entsprechend der ersten Variante durch Trennen eines entsprechenden PV-Moduls vom Strang oder entsprechend der zweiten Variante durch getaktetes Parallelschalten einer niederohmigen Last), sinkt die Gesamtspannung des mindestens einen Stranges auf einen für Menschen ungefährlichen Wert ab.
Um die PV-Anlage wieder in Betrieb zu nehmen (durch Zurücksetzen aller aktivierten Steuereinheiten), wird, sofern bei der Aktivierung der Steuereinheiten den PV- Modulen eine Last getaktet parallel geschaltet wird und während der getakteten Parallelschaltung der dem mindestens einen PV-Modul zugeordnete Mikrocontroller mit mindestens seiner minimalen Betriebsspannung versorgt wird, der mindestens eine Strang für etwa 2 Sekunden kurzgeschlossen. Die Betriebsspannung der Mikrocontroller bricht innerhalb der 2 Sekunden zusammen und der Mikrocontroller wird zurückgesetzt (neu gestartet).
Alternativ dazu kann, wenn entweder dem mindestens einen PV-Modul die Last getaktet parallel geschaltet und der dem mindestens einen PV-Modul zugeordnete Mikrocontroller mit mindestens seiner minimalen Betriebsspannung versorgt wird oder das PV-Modul auf mindestens einer Seite vom Strang getrennt ist (erste oder zweite Variante), um alle aktivierten Steuereinheiten des mindestens einen Stranges zurückzusetzen, ein elektrischer Impuls oder eine elektrische Impulsfolge über die Leitungen des mindestens einen Strangs gesendet werden. Die Mikrocontroller in den Steuereinheiten sind so programmiert, dass sie den elektrischen Impuls bzw. die elektrische Impulsfolge erkennen und die aktivierten Steuereinheiten zurücksetzen.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung umfasst mehrere Steuereinheiten, die in Verbindung mit einem jeweiligen PV-Modul eingesetzt sind. Bevorzugt wird jedes PV- Modul der PV-Anlage mit einer Steuereinheit versehen.
Die Steuereinheiten sind jeweils mit mindestens einer Messeinrichtung, die zur Erfassung des Spannungsverlaufes des PV-Moduls (bzw. des durch das PV-Modul fließenden Stroms) dient, einem Mikrocontroller zur Überwachung des Spannungsverlaufes des PV-Moduls (bzw. des durch das PV-Modul fließenden Stroms) sowie entweder mindestens einem Modul-Trennschalter, der zum Trennen von mindestens einer Seite des der Steuereinheit zugeordneten PV-Moduls vom Strang dient, oder einer Schaltung ausgestattet, die zur getakteten Parallelschaltung einer niederohmi- gen Last zum zugehörigen PV-Modul dient.
Die Messeinrichtung für die Erfassung des durch das PV-Modul fließenden Stroms umfasst als Beispiel einen niederohmigen Shunt-Widerstand, der jeweils seriell zwischen das PV-Modul mit dem zugeordneten Mikrocontroller und ein benachbartes PV-Modul desselben Strangs geschaltet ist; einen Operationsverstärker, mit dem die über dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung ermittelt, verstärkt und mit Spannungsreferenzwerten verglichen wird; und eine TemperaturKompensationsschaltung, die von der Temperatur abhängige Spannungsreferenzwerte für den Operationsverstärker bereitstellt.
Die Steuereinheiten, die bei ihrer Aktivierung dem zugehörigen PV-Modul getaktet eine niederohmige Last parallel schalten, weisen als Beispiel einen Schalter (elektronisch, mechanisch oder als Kombination aus beidem ausgeführt) und einen Widerstand (niederohmige Last) zur Strombegrenzung auf, wobei der Schalter und der Widerstand seriell geschaltet sind. Die Serienschaltung aus dem Widerstand und dem Schalter ist zum zugehörigen PV-Modul parallel geschaltet.
Die Steuereinheiten werden üblicherweise in den Verbindungsboxen der PV-Module integriert, an den Verbindungsboxen montiert oder in unmittelbarer Nähe der Verbindungsboxen angeordnet.
Damit schnell erkannt werden kann, welche der Stränge in einen sicheren Betriebszustand geschaltet sind (für Menschen ungefährliche Gesamtspannung), ist vorgesehen, die Steuereinheiten mit LEDs auszustatten, die aufleuchten, wenn die jeweilige Steuereinheit aktiviert ist.
Die Steuereinrichtung ist kostengünstig herstellbar, da sie sich mit Standard- Elektronikbauteilen realisieren lässt und neben der ohnehin vorhandenen Verkabelung der Solaranlage keine zusätzlichen Steuerleitungen erforderlich sind.
Besonders vorteilhaft kann die Steuereinrichtung in Verbindung mit einer Überwachungseinrichtung für PV-Anlagen mit einem Versorgungsteil, einem Stromsensor, der den Strom durch den mindestens einen Strang erfasst, einem Generator mit Ka- pazitäts-Spannungsumsetzer, der zur Diebstahlerkennung dient, einem Mikrocontrol- ler, der zur Auswertung der vom Stromsensor gelieferten Strom- und der vom Kapa- zitäts-Spannungsumsetzer gelieferten Spannungswerte dient, einem Entkoppe- lungselement zur Entkoppelung des mindestens einen Strangs zumindest von den Kondensatoren des Wechselrichters, einer Rücksetzeinrichtung für die Steuereinheiten der Steuereinrichtung, einer Alarm-Reset-Einrichtung und einer Schnittstelle mit galvanischer Trennung, die zur Übermittlung von Alarmen an eine externe Alarmzentrale dient, betrieben werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen in Blockschaltbildern:
Fig. 1 : eine mit einer Steuer- und einer Überwachungseinrichtung ausgestatteten Photovoltaikanlage,
Fig. 2: eine Überwachungseinrichtung,
Fig. 3: eine Reihenschaltung dreier Steuereinheiten, die bei Aktivierung die
PV-Module getaktet schalten,
Fig. 4: eine Reihenschaltung dreier Steuereinheiten, die bei Aktivierung die
PV-Module vom Strang trennen.
In Fig. 1 ist eine PV-Anlage dargestellt, bei der mehrere PV-Module 1 seriell-parallel zu einem Strang 2 zusammengeschaltet sind, wobei zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens parallel zu jedem der PV-Module 1 eine jeweilige Steuereinheit 3 angeordnet ist. Die von den PV-Modulen erzeugte Gleichspannung wird über den Wechselrichter 4 der PV-Anlage in die Netzspannung umgeformt. Zwischen Wechselrichter und Strang 2 ist die Überwachungseinrichtung 5 geschaltet, die die PV-Anlage auf Diebstahl und auf die Bildung von Lichtbögen (Spannungsüberschlägen) überwacht. Die Steuereinheiten 3 bilden zusammen die erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
In der in Fig. 2 dargestellten Überwachungseinrichtung 5, die mit Netzwechselspannung betrieben wird, werden die Leitungen des angeschlossenen Strangs 2 über das Entkoppelungselement 6, das als Kapazitäts-Trennung dient, zum Wechselrichter 4 durchgeschleift. Die Netzwechselspannung wird vom Versorgungsteil 7 in Niederspannung gewandelt. Mit dieser Niederspannung werden der Mikrocontroller 8 (Über- wachungs-Mikrocontroller), der Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer 9, der Stromsensor 10 sowie die Leuchtdiode 13 mit Spannung versorgt. Der Mikrocontroller 8 erfasst die Ausgangssignale des Generators mit Kapazi- täts/Spannungsumsetzer 9 und des Stromsensors 10. Bei Auftreten eines Rückstromes oder eines Lichtbogens im angeschlossen Strang 2 gibt der Stromsensor 10 einen charakteristischen Spannungsverlauf aus, der vom MikroController 8 erfasst und (als Fehlfunktion) erkannt wird. Dieser öffnet daraufhin das Entkoppelungsele- ment 6 und/oder er sendet ein Signal an die Alarmsignal-Schnittstelle 1 1 ; der Alarm wird an die Alarmzentrale 12 weitergegeben. Außerdem wird der Fehler über die entsprechende Leuchtdiode 13 an der Überwachungseinrichtung 5 angezeigt.
Wenn als Entkoppelungselement 6 ein Trennschalter eingesetzt ist, dient bei Tag eine Überwachung der von den PV-Modulen erzeugten Spannung als Diebstahlüberwachung; sinkt die Spannung auf eine festgelegte Solar-Mindestspannung, so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Diebstahl eines PV-Moduls 1 vor. Zur Überwachung der PV-Module 1 auf Diebstahl bei Nacht (oder bei Tag und Nacht, wenn als Entkoppelungselemente Stringdioden eingesetzt sind) wird von dem Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer 9 ein Rechteckimpuls (Spannungsimpuls) auf die Leitungen des Stranges 2 gegeben. Aus dem Spannungssignal, das sich als kapazitive Antwort des Strangs 2 auf den Rechteckimpuls einstellt, wird ermittelt, ob ein oder mehrere PV-Module 1 aus dem Strang 2 entfernt wurden oder ob Manipulationen durch Überbrücken von PV-Modulen vor einem beabsichtigten Diebstahl ausgeführt wurden; das Entkoppelungselement 6 dient als Kapazitäts-Trennung, damit die Kapazitäten der Kondensatoren im Wechselrichter 4 nicht mit gemessen werden.
In Fig. 3 ist eine Reihenschaltung von drei PV-Modulen 1 dargestellt, die jeweils mit einer Steuereinheit 3 ausgestattet sind. Die Steuereinheiten 3 erfassen den durch das jeweilige PV-Modul 1 fließenden Strom oder die Spannung des PV-Moduls 1 . Beim ersten der drei PV-Module 1 ist die dem PV-Modul 1 zugeordnete Steuereinheit 3 mit einer gestrichelten Linie (Punkt-Strich-Linie) eingerahmt.
In der Steuereinheit 3 sind der MikroController 14 (Steuer-Mikrocontroller), der Spannungswandler 15, der Schalter 16, die Last 17 und der Spannungsteiler 18 untergebracht. Der MikroController 14 wird über den Spannungswandler 15, der seine Eingangsspannung über die Klemmen 1 .1 und 1 .2 des PV-Moduls 1 bezieht, mit Spannung versorgt. Solange die Spannung am PV-Modul 1 über der zum Betrieb des Mik- rocontrollers 14 erforderlichen Spannung liegt, liefert der Spannungswandler 15 die Versorgungsspannung des MikroControllers 14. Der MikroController 14 erfasst über den Spannungsteiler 18, der aus den in Serie geschalteten Widerständen 18.1 und 18.2 besteht, die Spannung des PV-Moduls 1 . Sobald die von dem Mikrocontroller 14 erfasste Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, gibt der Mikrocontroller 14 ein Signal an den Schalter 16. Der Schalter 16 schaltet daraufhin die Last 17 getaktet parallel zu den Klemmen 1 .1 und 1 .2. Da die Last 17 einen sehr geringen ohmschen Widerstand hat, fließt ein hoher Strom über die Last 17, wodurch die Spannung zwischen den Klemmen 1 .1 und 1 .2 stark absinkt.
Sobald die Last 17 zugeschaltet ist, wird von dem Mikrocontroller 14 außerdem der Spannungsabfall über der Last 17 ermittelt. Aus den Spannungsabfällen über der Last 17 und dem Spannungsteiler 18 ermittelt der Mikrocontroller 14 eine Taktrate, mit der der Schalter 16 geschaltet werden muss, damit die Spannung zwischen den Klemmen 1 .1 und 1 .2 nicht unter die minimal nötige Versorgungsspannung des Spannungswandlers 15 für den Mikrocontroller 14 fällt (definierter Regelkreis). Dieser Betriebszustand wird so lange beibehalten, bis der Mikrocontroller 14 zurückgesetzt wird und den Schalter 16 nicht mehr ansteuert bzw. öffnet.
Die Strom-Messeinrichtung besteht aus dem niederohmigen Shunt-Widerstand 24, der seriell zwischen das PV-Modul 1 sowie das benachbarte PV-Modul 1 (desselben Strangs 2) geschaltet ist; dem Operationsverstärker 25, mit dem die über dem Shunt- Widerstand 24 abfallende Spannung ermittelt, verstärkt und mit Spannungsreferenzwerten verglichen wird; und der Temperatur-Kompensationsschaltung 26, die von der Temperatur abhängige Spannungsreferenzwerte für den Operationsverstärker 25 bereitstellt.
In Fig. 4 ist ebenfalls eine Reihenschaltung von drei PV-Modulen 1 mit Steuereinheiten 3 (die zum ersten der drei PV-Module 1 zugeordnete Steuereinheit 3 ist mit der gestrichelten Linie gekennzeichnet) dargestellt, bei der im Havariefall die Gesamtspannung des Strangs 2, nicht wie beim vorherigen Beispiel durch getaktetes Parallelschalten einer niederohmigen Last 17, sondern durch elektrisches Trennen der einzelnen PV-Module 1 vom jeweiligen Strang 2, auf einen ungefährlichen Wert (z. B. unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts) abgesenkt wird. Die Trennung der einzelnen PV-Module 1 voneinander wird durch den Modul-Trennschalter 21 , ausgeführt als Halbleiterschalter oder Relais, bewirkt. Für den Betrieb eines Halbleiterschalters wird der Grundlastwiderstand 23 benötigt. Um ein unkompliziertes Zurücksetzen der Steuereinheiten 3 zu ermöglichen, ist zum Modul Trennschalter 21 ein Kondensator 22 parallel geschaltet (bei geöffnetem Modul-Trennschalter 21 bleiben die einzelnen PV-Module noch über jeweils einen Kondensator 22 miteinander verbunden), sodass zum Zurücksetzen der Steuereinheiten 3 über die bestehende Verkabelung der PV- Anlage Wechselstromsignale oder Pulsfolgen zu den Steuereinheiten 3 gesendet werden können.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 PV-Modul
1 .1 Klemme
1 .2 Klemme
2 Strang
3 Steuereinheit
4 Wechselrichter
5 Überwachungseinrichtung
6 Entkoppelungselement
7 Versorgungsteil
8 MikroController (Überwachungseinrichtung)
9 Generator mit Kapazitats-Spannungsumsetzer
10 Stromsensor
1 1 Alarmsignal-Schnittstelle mit galvanischer Trennung
12 Alarmzentrale
13 Leuchtdiode
14 MikroController (Steuereinheit)
15 Spannungswandler
16 Schalter
17 Last
18 Spannungsteiler
18.1 Widerstand
18.2 Widerstand
19 Reset-Signal-Alarme
20 Rücksetzeinrichtung für die Steuereinheiten
21 Modul-Trennschalter
22 Kondensator
23 Grundlastwiderstand
24 Shunt-Widerstand
25 Operationsverstärker
26 Temperatursensor/Temperatur-Kompensationsschaltung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Steuerung einzelner PV-Module (1 ) einer PV-Anlage, vorzugsweise zur Steuerung jedes einzelnen PV-Moduls (1 ) in mindestens einem Strang (2) der PV-Anlage, bei dem jedem PV-Modul (1 ) eine Steuereinheit (3) zugeordnet ist, wobei mittels der Steuereinheit (3) der Spannungsverlauf und/oder der Strom jedes PV-Moduls (1 ) gemessen wird, und, wenn sich die Spannung eines PV-Moduls (1 ) von der Betriebsspannung auf die Leerlaufspannung erhöht oder die Spannung von der Leerlaufspannung auf die Betriebsspannung absinkt bzw. der Strom im Strang (2) unter einen Referenzwert sinkt, die dem PV-Modul (1 ) zugeordnete Steuereinheit (3) aktiviert wird, wobei bei der Aktivierung der Steuereinheit (3) entweder das PV- Modul (1 ) auf mindestens einer Anschlussseite (1 .1 ,1 .2) vom Strang (2) getrennt wird, wobei der hierdurch entstehenden mindestens einen Trennstelle ein Kondensator (22) parallel geschaltet bleibt, oder dem PV-Modul (1 ) eine niederohmige getaktete Last (17) parallel geschaltet wird, wodurch bei der Aktivierung der Steuereinheit die Gesamtspannung des mindestens einen Stranges (2) auf einen für Menschen ungefährlichen Wert absinkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während der Zuschaltung der dem mindestens einen PV-Modul (1 ) parallel geschalteten Last (17) die Taktung derart variiert wird, dass der Mittelwert der Zeit, in der die Last (17) mit dem PV-Modul (1 ) verbunden ist, stetig zunimmt und schließlich einen konstanten Wert erreicht, und beim Wegschalten der Last (17) der Mittelwert stetig abnimmt und schließlich zu Null wird, wodurch verhindert wird, dass der Wechselrichter (4) oder das mindestens eine PV- Modul (1 ) durch Stromspitzen Schaden nimmt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn dem mindestens einen PV-Modul (1 ) die Last (17) parallel geschaltet ist, die Taktung derart gewählt wird, dass ein in der dem mindestens einen PV-Modul (1 ) zugeordneten Steuereinheit (3) enthaltener Mikrocontrol- ler (14) mit einer Spannung, die zumindest der minimalen Betriebsspannung des MikroControllers (14) entspricht, versorgt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, sofern bei der Aktivierung der Steuereinheiten (3) den PV-Modulen (1 ) die Last (17) getaktet parallel geschaltet und der dem mindestens einen PV- Modul (1 ) zugeordnete MikroController (14) mit mindestens seiner minimalen Betriebsspannung versorgt wird, um alle aktivierten Steuereinheiten (3) des mindestens einen Stranges (2) zurückzusetzen, der mindestens eine Strang (2) für etwa 2 Sekunden kurzgeschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn entweder dem mindestens einen PV-Modul (1 ) die Last (17) getaktet parallel geschaltet und der dem mindestens einen PV-Modul (1 ) zugeordnete MikroController (14) mit mindestens seiner minimalen Betriebsspannung versorgt wird, oder das PV-Modul (1 ) auf mindestens einer Seite
(1 .1 ,1 .2) vom Strang (2) getrennt ist, um alle aktivierten Steuereinheiten (3) des mindestens einen Stranges (2) zurückzusetzen, ein elektrischer Impuls oder eine elektrische Impulsfolge über die Leitungen des mindestens einen Strangs (2) gesendet wird, wobei der MikroController (14) einer jeweiligen Steuereinheit (3), die dem mindestens einen PV-Modul (1 ) zugeordnet ist, den elektrischen Impuls bzw. die elektrische Impulsfolge erkennt und die Steuereinheit (3) zurücksetzt.
6. Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Steuereinheiten (3) umfasst, die in Verbindung mit einem jeweiligen PV-Modul (1 ) eingesetzt sind, vorzugsweise mit jedem einzelnen PV-Modul (1 ) von mindestens einem Strang (2) einer PV-Anlage, wobei die Steuereinheiten (3) mindestens eine Messeinrichtung, die zur Erfassung des Spannungsverlaufes des entsprechenden PV-Moduls (1 ) und/oder des durch das PV-Modul fließenden Stroms dient, einen Mikro- controller (14) zur Überwachung des Spannungsverlaufes des PV-Moduls (1 ) bzw. des durch das PV-Modul fließenden Stroms sowie entweder mindestens einen Modul-Trennschalter (21 ), der zum Trennen mindestens einer Seite (1 .1 ,1 .2) des der Steuereinheit (3) zugeordneten PV-Moduls (1 ) von dem zugehörigen Strang dient, oder eine Schaltung, die der getakteten Pa- rallelschaltung einer niederohmigen Last (17) zum PV-Modul (1 ) dient, dem die Steuereinheit (3) zugeordnet ist, aufweisen.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheiten (3) jeweils eine Messeinrichtung, die zur Erfassung des durch das PV-Modul fließenden Stroms dient, umfassen, wobei die Messeinrichtung einen niederohmigen Shunt-Widerstand (24), der jeweils seriell zwischen das PV-Modul (1 ) mit dem zugeordneten MikroController (14) sowie ein benachbartes PV-Modul (1 ) desselben Strangs (2) geschaltet ist; einen Operationsverstärker (25), mit dem die über dem Shunt-Widerstand (24) abfallende Spannung ermittelt, verstärkt und mit Spannungsreferenzwerten verglichen wird; und eine Temperatur-Kompensationsschaltung (26) aufweist, die von der Temperatur abhängige Spannungsreferenzwerte für den Operationsverstärker (25) bereitstellt.
8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten jeweils eine Serienschaltung eines Schalters (16) und eines Widerstands (17) zur Strombegrenzung umfassen, wobei die Serienschaltung aus dem Widerstand und dem Schalter (16) jeweils zum PV-Modul (1 ), dem die Steuereinheit (3) zugeordnet ist, parallel geschaltet ist.
9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (3) in den Verbindungsboxen der PV-Module (1 ) integriert, an den Verbindungsboxen montiert oder in unmittelbarer Nähe der Verbindungsboxen angeordnet sind.
10. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (3) mit LEDs (13) ausgestattet sind, die anzeigen, ob die jeweilige Steuereinheit (3) aktiv geschaltet ist.
1 1 .Verwendung der Steuereinrichtung in Verbindung mit einer Überwachungseinrichtung (5) für PV-Anlagen mit einem Versorgungsteil (7); einem Stromsensor (10), der den Strom durch den mindestens einen Strang (2) erfasst; einem Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer (9), der zur Diebstahlerkennung dient; einem MikroController (8), der zur Auswertung der vom Stromsensor (10) gelieferten Strom- und der vom Kapazitäts- Spannungsumsetzer (9) gelieferten Spannungswerte dient; einem Entkoppe- lungselement (6) zur Entkoppelung des mindestens einen Strangs (2) zumindest von den Kondensatoren des Wechselrichters (4); einer Rücksetzeinrichtung (20) für die Steuereinheiten (3) der Steuereinrichtung; einer
Alarm-Reset-Einrichtung (19) und einer Schnittstelle mit galvanischer Trennung (1 1 ), die zur Übermittlung von Alarmen an eine externe Alarmzentrale (12) dient.
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