WO2010079112A2 - Stromversorgungssystem und photovoltaik-einrichtung dafür - Google Patents

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WO2010079112A2 PCT/EP2009/068021 EP2009068021W WO2010079112A2 WO 2010079112 A2 WO2010079112 A2 WO 2010079112A2 EP 2009068021 W EP2009068021 W EP 2009068021W WO 2010079112 A2 WO2010079112 A2 WO 2010079112A2
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a power supply system according to the preamble of claim 1 and a dedicated photovoltaic device according to the preamble of the independent claim.
  • the invention relates to a power supply system or a photovoltaic device which is suitable for the power supply of consumers located in the near or near distance to the photovoltaic Ein ⁇ .
  • Photovoltaic devices or systems are increasingly being used in so-called photovoltaic power plants, which are primarily intended to be operated in sunny regions and to generate electricity centrally for the existing and often remote consumer power supply networks.
  • These systems verden au ⁇ h as " ⁇ ⁇ JE y Le owned Scale Photovoltaic Systems", ⁇ -uick VLS-PV SysLeme, and, for example, in the article "Very Large Scale from dr.
  • PV modules have been proposed, although this is not described in more detail below, and various transport techniques have been proposed for the transfer of eleltricity, including the high-speed direct current transfer (HGU).
  • HGU high-speed direct current transfer
  • both generator and generator are as well a conversion of the elel t ⁇ scnen Erergxe eiioro rlich ⁇ , ie a total of: a triple Umfo ⁇ rnu r g This in turn eifordeiL mebiere ⁇ / Jechselricnt ° i and insbesondeie a reaeri tig, ie before the feed m the HGU route, installed central forming station. This is associated with high investment costs. In addition, electrical energy losses are associated with each conversion of the electrical voltage.
  • the photovoltaic device should be designed such that the electrical energy generated by it can be transmitted very efficiently and with the least possible technical effort via a high-voltage direct-current transmission link to the consumer side.
  • the photovoltaic modules be connected to each other in parallel and / or series connection to produce a DC voltage which exceeds the withstand voltage of the photovoltaic modules and is suitable for high-voltage DC transmission
  • the current-carrying amplifier S / scem has a power supply Hecz vecbmd crystal conversion circuit arranged for the consumer and comprises a high voltage CI eichstrom- UI SL tragungss trecl e, in order to the / cn the Photc / ltaikmung generated DC voltage in the high voltage Transfer area ⁇ u dei ümformst ⁇ t ion skombmation
  • this Mer ⁇ ma] is already generated erzeug p -r record at the location of the photovoltaic Emtechnisch a sufficiently high DC voltage which is fed directly treks in a Hochspannunqs-Gleichstiom- S Ubertragungss and towards the consumer side ubei At the end of the HGU process is
  • the photovoltaic Em ⁇ chtung is designed so that "in each case a first number of photovoltaic modules are connected to form a module block, which is isolated via Isolieiungs-0 elements, such as ceramic or KunststoffIsolatoren, against the ground potential, and each one The second number of module blocks form a module string which supplies at least a partial voltage of the generated DC voltage.
  • Isolieiungs-0 elements such as ceramic or KunststoffIsolatoren
  • the high voltage required for HCU transmission is generated to all 0 by corresponding series and Pai allel circuit of PV modules It is also advantageous if the each to a module block strigot photovoltaic modules m mounted on a autgestanderten frame construction are, it being provided that the frame structure via a potential connection to the lowest, a middle or the highest potential level of the module -Blocks connected 3 st.
  • a potential connection to the lowest or highest potential of a PV block is expedient if the number of PV modules connected in series is set on a block so that on a PV block the sum voltage Upvb is below the voltage stability of the individual PV modules remains With dielectric strength, the max.
  • a positive or negative potential difference between the inner cell trings of the modules and the module frames or the frame construction can be set by the Alt of the potential connection. This may be necessary to avoid any degradation effects of the modules or to comply with the manufacturer's recommendations or specifications.
  • a Potentialanbmdung to the mid-potential of a PV block is particularly useful if the series connection of the PV modules on a PV block is designed at least as long that on the eir individual PV blocks Summenspannurigen Upvb occur, which is above the dielectric strength of the individual (eg of 1 KV), it is possible that only a potential difference between the individual PV modules and the stand-alone unit can occur, which corresponds to half the soannuriq generated by the respective PV block. In this way it can be on a Pv-Blcck twice the maximum permissible voltage of a single module he eugt Fs can also be advantageous if the frame construction is formed flat (eg by a conductive grid). As a result, the earth potential is shielded from the modules and it falls to these only the Potentlaidifferenz to the frame construction.
  • each case at least two of the module strands are connected in series and several of the series-connected module strands are connected in parallel in order to testify to the DC voltage to be transmitted in the low-voltage range.
  • the interconnection of the module strands has a first busbar and a second busbar, so that the generated DC voltage can be tapped off via these busbars.
  • the conversion station at the end of the DC transmission link has an inverter for the conversion of the transmitted DC voltage m an AC voltage, wherein the forming station with a control circuit for a so-called "MPP Trackmg"
  • Operating point of the inverter is set so that the maximum possible power from the PV device can be removed and converted for feeding into the consumer network.
  • the system and the HGU-Strceke itself can also be single-pole, so that only one busbar or cable (feeder cable or cable) is installed.
  • the hGU route can be designed both for long distances, preferably over overhead lines, as well as for long distances, preferably via cables.
  • Fig. 1 shows in scheraaticiani representation of the structure of a erfmdungsgedorfen power supply system
  • Fig. 2 shows the schematic structure of a erfmdungsgeBacken
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a power supply system SYS according to the invention.
  • the system SYS essentially comprises a photovoltaic device PVE, which is constructed on the generator side at a central location, preferably in a sunny region, and supplies energy for feeding into a high-voltage DC transmission link HGUE. Due to its special design, the photovoltaic device PVE generates a DC voltage Udc, which can be in the high voltage range of several hundred kV and can be fed directly into the high-voltage direct-current transmission link HGUE.
  • the HGUE intersection can be hundreds or even thousands of kilometers long and ends at a central forming station UFS. However, it may also be realized a short distance, in which case the HGU track is preferably felt via a cable.
  • the forming station UFS has an inverter WR and essentially converts the transmitted direct current voltage Udc, m a desired alternating voltage Uac, in order then to convert this into a local, eg local, voltage.
  • Feed SvM For direct generation of a high-voltage CI Eichc voltage Udc, for example, 500 kV, the photovoltaic device PVE includes several serially and / or parallel connected Photovol tail «-Strange PVS, each of which in turn comprise a plurality of PV modules.
  • FIG. 2 the structure of a photovoltaic strand PVS nearj is shown in detail.
  • a erfnidungsgefane arrangement of several PV modules PVM in the form of module blocks PVB proposed for each strand P / S, which are each mounted on a insulated against earth andddingtons tanderten frame structure RK.
  • the insulation allows the PV modules PVM to be raised to a very high electrical potential.
  • Ceramic or plastic insulators IS used for insulation.
  • a parallel and serial connection of N modules PVM per block Pv 7 B and a preferably serial connection of M blocks results in one string PVS with a total of NxM modules.
  • the photovoltaic circuits PVS are in turn connected in series and in parallel.
  • the photovoltaic circuits PVS are in turn connected in series and in parallel.
  • two Strange PVS m series connected and connected by power diodes D and T] nschal ter TS with ⁇ - in the upper busbar S + and ran a lower bus bar S- connected.
  • Several Stiarje PVS connected in this series are connected in parallel and connected to the busbars ST and S-, in order to finally deliver on the output side a track voltage in the desired high voltage range.
  • a total of Y ⁇ NxM modules PCM are interconnected in the device PVE.
  • short circuit breakers KS are also provided for short-circuiting the busbars S +, S- and DC power switchgies GSLS for enabling the high-voltage common-mode transmission link (HGUE).
  • On the upper busbar S + is thus a potential of mav. +500 KV against earth potential EP.
  • On the lower rail S- there is a negative potential ⁇ 7on max. -500 KV (max refers to the amount of voltage) to earth potential EP. All strands together can be max. 850 A to supply power to the HGU line.
  • the DC voltage Udc * generated by the photovoltaic device PVE which in this case amounts to approximately 1000 kV, is tapped and switched directly to the high-voltage DC transmission line HGUE.
  • This arrangement already becomes on the generator side and / or in the transmission line HG JL a considerable saving in the area of system technology is sufficient.
  • the converters and transformers which are required in customary systems, as well as the energy-efficient substation at the entrance to the HGUE-StLeCtC, are eliminated.
  • a central Umioimstation UFS On the Veroraucherseite at the end of the HGUE Ubertragungsumble is a central Umioimstation UFS, which essentially has a DC / AC inverter, which converts the ube ⁇ Lragenc DC voltage Udc 'm a desired Kirsoaniiung 1 JaC
  • the Umfoimstation UFS also has a control - or Uberwachungsemcardi, which is aligned to control the module field on the operating point of maximum power hm (so-called MPP Trackmg).
  • MPP Trackmg maximum power hm
  • each strand PVS comprises a plurality of modules, for example -Block PVB, which in turn comprise a plurality of modules PVM, each block PVB is located on a frame structure RK and IS isolated by isolators IS against Eidunqspotential ISL.Through di p Ver circuit and Aufstardtechnik can Sien located on dtm Pahmen R / modules PVM and The voltage drop across each module block PvB here amounts to zE 2 Kv.
  • the potential of the module blocks increases the pseudo-clipping of the module blocks. For example, 250 blocks a 2 Kv are added to it 500 KV interconnected (c ee AuCN FIG. 1).
  • ISL connects the frame on Lion LM FK to a potential level of the module block PvB via a potential connection MP, in order to set the potential level of the reinforcement or the frame construction to this potential of one block of PVB.
  • the potential connection MP can be connected to the lowest, a middle or the highest potential level of the module block.
  • a potential connection to the lowest or highest potential of a FV block is expedient if the number of PV modules connected in series is arranged on a block such that on a PV block the sum voltage Upvb is below the dielectric strength of the individual PV modules. Module remains.
  • a positive or negative potential difference between the internal cell positions of the modules and the module frame or the frame construction can be set by the type of potential connection. This may be necessary to avoid degradation effects of the modules if necessary or to comply with the manufacturer's recommendations or specifications.
  • a Potentialanbmdung to the mid-potential of a PV-Blooks is particularly useful if the series connection of the PV modules on a PV block is designed at least as long that on the individual PV blocks sum voltages Upvb occur, which is above thepolsfestigkcit the individual PV Modules (of eg 1 KV) are 1-onnen.
  • the photovoltaic modules PVM used here are preferably identical in construction and have approximately the same dielectric strength. If modules with different dielectric strengths were used, it could happen that the voltage Udc ⁇ exceeds the dielectric strength of all PVM modules used. ib
  • the described here Scromersssystem can also be configured so that at several locally different points m an HGU route or line fed and taken at several locally different points energy can be 20 (so-called multi-point connection).
  • the invention is characterized in particular by a cost-effective system technology, which concerns both the investment costs as well as the operating costs.
  • Inverter inverter (with MPP control) 0 SVN power supply network (consumer side

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Abstract

Vorgeschlagen werden ein Stromversorgungssystem (SYS) und eine dafür vorgesehene Photovoltaik-Einrichtung (PVE), die mehrere Gleichspannungs-erzeugende Photovoltaik-Module (PVM) umfasst, wobei die Photovoltaik-Module (PVM) zur Erzeugung einer die Spannungsfestigkeit (Umodmax) der Photovoltaik-Module (PVM) übersteigenden und zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeigneten Gleichspannung (Udc*) in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei das Stromversorgungssystem (SYS) eine mit einem für Verbraucher eingerichtetes Stromversorgungsnetz (SVN) verbindbare Umformstation (UFS) aufweist und eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke (HGUE) umfasst, um die von der Photovoltaik-Einrichtung (PVE) erzeugte Gleichspannung (Udc*) im Hochspannungs-Bereich zu der Umformstation (UFS) zu übertragen.

Description

Stromversorgungssystem und Photovoltaik-Emrxchtung dafür
Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine dafür vorgesehene Photovoltaik-Emrichtung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Stromversorgungssystem bzw. eine Photovoltaik- Einrichtung, die für die Stromversorgung von sich in weiter oder auch naher Entfernung zur Photovoltaik-Einπ chtung befindlichen Verbrauchern geeignet ist.
Photovoltcti k-Emrichtungen bzw. -Anlagen kommen zunehmend zum Einsatz m sogenannten Photovoltaik-Kra ftwerLen, die vornehmlich in sonnenreichen Regionen mstaJ ] iert v/erden und zentral Strom fui die vorhandenen und häufig weit entfernten verbrauche rseitigen Stromversorgungsnetze erzengen sollen. Solche Photovoltail- -Einrieb tungen weiden bevorzugt großflächig angelegt und beispielsweise in Wustengemeren mstallieit, um maßgeblich einen Beitrag zur Stromgewmnjng aus Solaienerαie zu leisten. Diese Anlagen verden au^h als „\Je-~y Le ige Scale Photovoltaic Systems", ι-urz VLS-PV-SysLeme, bezeichnet und beispielsweise m dem Artikel „Very Large Scale
Figure imgf000004_0001
von Dr. Rudolf Minder in dem Themenheft „FvS-Themen 2002" auf den Seiten 67 bis 70 vorgestellt (Veröffentlichung vom Forschungsveibund Sonnenenergie, Berlin, Deutschland, im Internet unter der UKL: wwu f-7-bonnei1ene1g3e.de) . Dort wird ein modularer Aufbau mehrerer PV-Module vorgeschlagen, wobei dieser nicht naher beschrieben wird. Zur Übertragung dei gewonnenen Eleltrizitat weiden verschiedene Transport-Techniken, u.a. auch die Hochspcinnungs-Cleichstrom-Ubertragung, kurz HGU genannt, vorgeschlagen .
Es ist also bekannt, in Stromversorgungssystemen, die große zentrale, Strom erzeugende Photovoltaik-Kraftwerke umfassen, den erzeugten Strom mittels einer Hochspannungs-Gleichstrom- Ubertragung (HGU) über weite Strecken effizient zu den entfernten Verbrauchern hm bzw. zu verbraucherseitigen Stromnetzen zu transportieren. Dazu wird die erzeugersei tig von PV-Modulen erzeugte Gleichspannung zunächst über einen Wechselrichter m eine Wechselspannung umgewandelt und dann über einen Transformator auf eine hohe Wechselspannung transformiert (1. Umformung) . Eine erzeugersei cig installierte zentrale Umformstation wandelt diese hohe Wechselspannung (Wechselstrom-Hochspannung) in eine Gleichstrom-Hochspannung um (2. Umformung) und speist diese dorm in die HCU-Strecke ein. An deren Ende wiederum befindet sich ii der Nahe der Verbraucher eine weitere zentrale Umfo πns tatxθr> zur Ruckwandlung d-r Gleichstrom-Hochspannung m c.ne Wechsel-Hochspannung (3. Umformung) . Diese ist geeignet, m /eibraucherseirig vorhandene Stromnetze eingespeist zu werden. Demnach ist sowohl erzeugerscj rig wie
Figure imgf000004_0002
eine Umwandlung der elel tπscnen Erergxe eiioroαrlich, d.h. insgesamt: einer dreifache Umfoιrnurg erfordeil eh. Dies wiederum eifordeiL mebiere ι/Jechselricnt°i und insbesondeie eine erzeugersei tig, also vor der Einspeisung m die HGU-Strecke, installierte zentrale Umformstation. Damit sind hohe Investitionskosten verbunden. Außerdem sind mit jeder Umwandlung der elektiischen Spannung elektrische Energieverluste verbunden.
Es ist demnach Aufgabe dei voi Liegenden Erfindung, ein Stronversoigungs-Systern der eingangs genannten Art sowie eine dafür vorgesehene Photovol taik-Emrichcung zu schaffen, bei der die eingangs genannten Nachteile m vorteilhafter Weise überwunden werden. Insbesondere soll die Photovoltaik- Emrichtung so gestaltet sein, dass die von ihr erzeugte elektrische Eneigie sehr effizient und mit möglichst geringem technischen Aufwand über eine Hochspannungs-Gleichstrom- Ubertragungsstrecke zu der Verbraucherseite übertragen werden kann .
Gelost wird die oben genannte Aufgabe durch ein S tromveisorgungs-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Photovoltaik-Emrichtung mit den Merl malen des nebengeordneten Anspruchs.
Demnach wird vorgeschlagen, dass die Photo voltail -Module zur Erzeugung einer Gleichspannung, die die Spannungsfestigkeit der Photovoltail -Module übersteigt und iur eine Hochspannungs-Gleichsttom-Ubertragung geeignet ist, m Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet smd, und dass das Stromversoigungs-S/scem eine mit einem für Verbraucher eingerichtete Stromversorgungs-Hecz vecbmdoaie Umforrnsta cion aufweist und eine Hcchspannungs-Cl eichstrom- UI SL tragungss trecl e umfasst, um die /cn dei Photc /oltaik- Lmnchtung erzeugte Gleichspannung in den Hochspannungs- Bereich ^u dei ümformstαt ion zu übertragen Durch diese Mer}ma] skombmation wird bereits erzeugp-rseitig am Ort der Photovoltaik-Emrichtung eine ausreichend hohe Gleichspannung erzeugt, die direkt in eine Hochspannunqs-Gleichstiom- S Ubertragungss trecke eingespeist und zur Verbraucherseite hin ubei tragen werden kann Am Ende dei HGU-Strecl e ist dann lediglich eine Umsetzung
Figure imgf000006_0001
der übertragenen Gleichspannung m eine gewünschte Wechselspannung ej forderlich Inobesonαere werden die in den herkömmlichen Systemen ei zeugerseitig0 benotigten Wechselrichter und HGU-Gleichnchtci-Stdrionen eingespart Die von der Photovoltaik-Emπchtung erzeugte Gleichspannung kann die Spannungsfestigkeit der einzelnen Photovoltaik-Module, die gegenwartig bei etwa max 1 kV liegt, um e:n Vielfaches übersteigen und z B m einem5 Hochspannungs-Bereich von 1 kV bis 2 Mv* liegen
Vorzugsweise ist die Photovoltaik-Emπchtung so gestaltet, dass "jeweils eine erste Anzahl der Photovoltaik-Module zu einem Modul-Block verschaltet sind, der über Isolieiungs-0 elemente, beispielsweise Keramik- oder KunststoffIsolatoren, gegen das Erdpotential isoliert ist, und dass jeweils eine zweite Anzahl der Modulblocke einen Modul-Strang bilden, der zumindest eine Teilspannung dei erzeugten Gleichspannung liefert Hierdurch wird eine elektrisch isolierteb Aufstanderung von blockweise angeordneten PV-Modulen erreicht, so dass alle PV-Module, Teile dei / ufstanderung sowie deren nähere Umgebung auf ein beliebiges elektrxsches Pol entidl angehoben bzw aufgeladen werden Können Auch wird die für die HCU-Ubertragung erforderliche Hochspannung allem 0 durch entsprechende Reihen- und Pai allel Schaltung von PV- Modulen erzeugt Von Vorteil ist es auch, wenn die jeweils zu einem Modul- Block verschaUeten Photovol taik-Modulc m einer autgestanderten Rahmenkonstruktion montiert- sind, wobei vorgesehen sein kann, dass die Rahmenkonstruktion über eine Potentialanbindung mit dem geringsten, einem mittleren oder dem höchsten Potentialniveau des Modul-Blocks verbunden 3 st. Eine Potentialanbmdung an das geringste oder höchste Potential eines PV-Blocks ist sinnvoll, wenn die Anzahl der in Reihe geschalteten PV-Module auf einem Blocl- so angelegt ist, dass auf einem PV-Block die Summenspannung Upvb unterhalb der Spannungsfest ig] eit der einzelnen PV-Module bleibt Mit Spannungsfestigkeit wird hier die max. Spannung bezeichnet, die zwischen dem mneien Zellenstring und dem Moclulrahmen bzw. der näheren Umgebung des Moduls auftreten darf. Je nach T\p der eingesetzten PV-Module kann durch die Alt der Potentialanbmdung eine positive oder negative Potentialdifferenz zwischen den inneren Zellens trings der Module und den Modulrahmen bzw. der Rahmenkonstruktion eingestellt werden. Dies kann erforderlich werden, um ggf. Degradationseffekte der Module zu vermeiden oder um entsprechende Empfehlungen oder Vorgaben der Hersteller einzuhalten. Eine Potentialanbmdung an das Mittenpotential eines PV-Blocks ist dann besonders sinnvoll, wenn die Reihenschaltung der PV-Module auf einem PV-Block mindestens so lang ausgelegt ist, dass auf den eir zelnen PV-Blocken Summenspannurigen Upvb auftreten, die oberhalb der Spannungsfestigkeit der einzelnen
Figure imgf000007_0001
(von z.B. 1 KV) liegen können Hierdurcn v/ird erreicht, dass zwischen den einzelnen PV-Modulen und der Aufstanderunq nur nayimal eine Potentialdifferenz auttreten kann, die dd Hälfte der von dem jeweiligen PV-Block generierten Soannuriq entspricht. Auf diese Weise kann auf einem Pv-Blcck das Doppelte der max zulassigen Spannung eines Einzelmoduls er eugt werden Fs kann zudem vorteilhaft sein, wenn die Rahmenkonstruktion flächig ausgebildet wird (z.B. durch ein leitfahiges Gitternetz) . Dadurch wird das Erdpotential gegenüber den Modulen abgeschirmt und es fallt an diesen nur die Potentlaidifferenz zur Rahmenkonstruktion an.
Vorzugsweise werden jeweils mindestens zwei der Modul-Strange m Reihe geschaltet und mehrere der in Reihe geschalteten Modul-Strange parallel geschaltet, um die im llochspannungs- Bereich zu übertragende Gleichspannung zu ei zeugen. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Verschaltung der Modul-Strange eine erste Sammelschiene und eine zweite Sammelschiene aufweist, so dass die erzeugte Gleichspannung über diese Sammelschienen abgreifbar ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Umformstation am Ende der Gleichspannungs-Ubertragungsstrecke einen Wechselrichter für die Umwandlung der übertragenen Gleichspannung m eine Wechselspannung aufweist, wobei die Umformstation auch mit einer Regelungs-Schaltung für ein sogenanntes „MPP-Trackmg"
(MPP: Maximum Power Point) ausgestattet ist. Damit wird der
Arbeitspunkt des Wechselrichters so eingestellt, dass die maximal mögliche Leistung aus der PV-Einrichtung entnommen und zur Emspeisung in das verbrauchersei t ige Netz umgeformt werden kann.
Das System und die HGU-Strceke selbst Können auch einpolig ausgeführt sein, so dass nur eine Sammelschiene sov/ie Leitung (Fieileitung oder Kabel) installiert werden. Die hGU-Strecke kann sowohl für große Entfernungen, vorzugsweise über Freileitungen, wie auch für l<ur_e Entfex nunqen, vorzugsweise über Kabel, ausgelegt sein. Die Erfindung und die sich daiaus ergebenden Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beilegenden Zeichnungen naher beschrieben, wobei :
Fig. 1 in scheraatischei Darstellung den Aufbau eines erfmdungsgemaßen Stromversorgungssystems zeigt; und
Fig. 2 den schematischen Aufbau einer erfmdungsgemaßen
PhoLovoltaik-Lmrichtung zeigt .
In Figur 1 ist der schematische Aufbau eines Stromversorgungssystems SYS gemäß der Erfindung dargestellt. Das System SYS umfasst im wesentlichen eine Photovoltaik- Einnchtung PVE, die erzeugerseitig an einer zentralen Stelle, vorzugsweise in einer sonnenreichen Region, aufgebaut ist und Energie zur Emspeisung in eine Hochspannungs- Gleichspannungs-Ubertragungss trecke HGUE liefert. Die Photovoltaik-Emrichtung PVE erzeugt aufgrund ihrer besonderen Konzeption eine Gleichspannung Udc, die im Hochspannungsbereich von mehreren Hundert kV liegen kann und direkt m die Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke HGUE eingespeist werden kann. Die Uberrragungsst recke HGUE kann durchaus Hunderte oder gar Tausende von Kilometer umfassen und endet vcrbrauchcrseitig an einer zentralen Umformstation UFS. Es 1 ann aber auch eine kurze Entfernung realisiert sein, wobei dann die HGU-Strecke vorzugsweise über ein Kabel gefühlt wird. Die Umformstation UFS weist einen Wechselrichter WR auf und wandelt im wesentlichen die übertragene Gleichspannung Udc, m eine gewünschte Wechselspannung Uac um, um diese dann m ein dortiges, z.B. örtliches,
Figure imgf000009_0001
SvM einzuspeisen. Zur direkten Erzeugung einer Hochspannungs-Cl eichspannung Udc von beispielsweise 500 kV, umrasst die Photovoltaik- Emπchtung PVE mehrere seriell und/oder paiallel verschaltete Photovol tail« -Strange PVS, die jeweils wiederum mehrere PV-Module umfassen.
Anhand der Fi gur 2 ist der Aufbau eines Photovoltail -Strangs PVS nahej im Detail dargestellt. Wie dort zu sehen ist, wird für jeden Strang P/S eine erfnidungsgemaße Anordnung von mehreren PV-Modulen PVM in Form von Modul-Blöcken PVB vorgeschlagen, die jeweils auf einer gegen Erde isolierten und aufges tanderten Rahmenkonstruktion RK montiert sind. Durch die Isolierung können die PV-Module PVM auf ein sehr hohes elektrisches Potential angehoben werden. Zur Isolierung werden z.B. Keramik- oder Kunststoff-Isolatoren IS eingesetzt .
Durch eine parallele und serielle Verschaltung von jeweils N Modulen PVM je Block Pv7B und eine vorzugsweise serielle Verschaltung von M Blocken ergibt sich ein Strang PVS mit insgesamt NxM Modulen.
Wie die Fig. 1 zeigt, sind in der Anlage bzw. Einrichtung PVE dann die PhoLovolatik-S^iangc PVS wiederum seriell und parallel verschaltet. Dabei sind z.B. jeweils zwei Strange PVS m Reihe geschaltet und durch Leistungsdioden D sowie T] ennschal ter TS mit <=-iner oberen Sammelschiene S+ sowie ran einer unteren Samm=l schiene S- verounden. Mehrere dieser m Reihe geschalteten Stiarje PVS sind parallel verschaltet und mit den Sammelschicnen ST bzw. S- verbunden, um schließlich ausgangsseitig eint im gewünschten Hochspannungsbereich befindliche Gleicnspannunα Hcic^ zu liefern. Für eine beispielsv/eise 600 MW starke PnI age smd etwa Y = 68 Modul- Strange erforderlich. Demnach sind also insgesamt Y^NxM Module PCM in der Einrichtung PVE miteinander verschaltet. Neben den Trennschaltern TS, sind auch noch Kurzschlussschalter KS zum Furzschliessen der Sammelschienen S+, S- sowie Gleichstrom-Leis tungsschaltei GSLS zum Freischalten der Hochspannungs-G] eichstrom-Uber tragungs- strecke (HGUE) vorgesehen.
Jedei Modul-Strang PVS kann eine raa/. Ausgangsspannung von U' de = 500 KV erzeugen und einen max. Strom bis zu 25 A liefern. Bei einer Systemkennlime mit einem Fullfaktor von ca. 70% entspricht dies einer maximalen Emzelleistung von 8,8 MW. Auf der oberen Sammelschiene S+ liegt somit ein Potential von mav . +500 KV gegenüber Erdpotential EP an. Auf der unteren Schiene S- wiederum liegt ein negatives Potential \7on max. -500 KV (max bezieht sich auf den Betrag der Spannung) gegenüber Erdpotential EP an. Alle Strange zusammen können etwa max. 850 A an Strom m die HGU-Strecke liefern. Über entsprechende Schalter TS und KS wird die von der Photovoltaik-Emrichtung PVE erzeugte Gleichspannung Udc* , die m diesem Falle etwa 1000 KV betragt, abgegriffen und direkt auf die Hochspannungs-Gleichs trom-Ubertragungs- Strccke HGUE geschaltet.. Durch diese Anordnung wird bereits auf der Erzeuqerseite und \/or Emspeisung m da e Ubertragungsleitung HG JL eine erhebliche Einsparung im Bereich der Systemtechnik ei reicht. Insbesondere entfallen die bei üblichen Systemen erfoiderl ichen Ummchter und Transformatoren sowie die eneugerseiLige Umspannstation am Eingang der HGUE-StLeCtC. Zusätzlich reduzieien sich auch die Verl dbelungsk osten im Modul reld, da fast ausschließlich geringe LeiterquerschniM e eingesetzt //erden können Als weiterer Vorteil erhohr sien dei Gesamtwiπ ungsgrad des Systems, da alle erzeugersertigen Wandlungs- und TransformationsVerluste entfallen.
Auf der Veroraucherseite am Ende der HGUE-Ubertragungsstrecke befindet sich eine zentrale Umioimstation UFS, die im wesentlichen einen DC/AC-Wechselrichter aufweist, welcher die ube± Lragenc Gleichspannung Udc ' m eine gewünschte Wechselsoaniiung 1JaC wandelt Daneben weist die Umfoimstation UFS auch eine Regelungs- bzw. Uberwachungsemrichtung auf, die zur Regelung des Modulfeldes auf den Arbeitspunkt maximaler Leistung hm (sogenanntes MPP-Trackmg) ausgerichtet ist. Dadurch wird in Abhängigkeit der aktuell von der Photovoltaik-Emrichtung PVE erzeugten und sich ändernden elektrischen Leistung eine Einstellung des Arbeitspunktes des Wechselrichters WR auf eine maximale Leistungsentnahme hm angepasst.
Um bei dem gezeigten System Si"S erzeugerseitig die direkte Emspeisung einer Hochspannung-Gleichspannung Udc zu erreichen ist neben der Verschaltung der Strange PVS msbesondeie auch der Aufbau eines jeden Strangs PVS wesentlich. Wie anhand der Figur 2 gezeigt, umfasst jeder Strang PVS mehrere beispielsweise Modul-Blocke PVB, die wiederum mehiere Module PVM umfassen, wobei jeder Block PVB sich auf einer Rahmenkonstruktion RK befindet und mittels Isolatoren IS gegen Eidunqspotential isoliert ISL. Durch dip Ver Schaltung und Aufstarderung können die sien jeweils auf dtm Pahmen R/ befindlichen Module PVM sowie auch deren nähere Umgeburg auf ein beliebiget elektrisches Potential auflaαen. Der Spannungsabfall über einen jeden Modulblock PvB betragt hier z.E 2 Kv. Das Potential der Modulblocke nimmt duren die Peihenscnaitung derselben zu Beispielsweise werden hiei 250 Blocke a 2 Kv zu
Figure imgf000012_0001
500 KV verschaltet (ciehe aucn Figur 1) . Zudem ISL die Rahmen^ onsrrul Lion FK über eine Potentialanbi ndung MP mit einem Potentialm^eau des Modul- Blocks PvB verbunden, um das Potentialniveau der Aufstanderung bzw. der Rahmenkonstruktion auf dieses Potent i almvedu eines ;jeden Blockes PVB zu legen. Die Potentialanbi ndung MP kann mit dem geringsten, einem mittleren oder dem höchsten Potentialniveau des Modul-Blocks verbunden sein. Eine Potentialanbmdung an das geringste oder höchste Potent ial eines FV-Blocks ist sinnvoll, wenn die Anzahl der in Reihe geschal Leten PV-Module auf einem Block so angelegt ist, dass auf einem PV-Block die Summenspannung Upvb unterhalb der Spannungsfestigkeit der einzelnen PV-Module bleibt. Je nach Typ der eingesetzten PV-Module kann durch die Art der Potentialanbmdung eine positive oder negative Potentlaidifferenz zwischen den inneren Zellenstnngs der Module und den Modulrahmen bzw. der Rahmenkonstruktion eingestellt werden. Dies kann erforderlich werden, um ggf. Degradationseifekte der Module zu vermeiden oder um entsprechende Empfehlungen oder Vorgaben der Hersteller einzuhalten. Eine Potentialanbmdung an das Mittenpotential eines PV-Blooks ist dann besonders sinnvoll, wenn die Reihenschaltung der PV-Module auf einem PV-Block mindestens so lang ausgelegt ist, dass auf den einzelnen PV-Blocken Summenspannungen Upvb auftreten, die oberhalb der Spannungsfestigkcit der einzelnen PV-Module (von z.B. 1 KV) liegen 1- onnen .
Mit Umodma* ^i Ld hiei die Spannungsfestigkeit eines Cmzelmoduls bcitiuhnet. Diese gibt die maximal zulässige Poter t aluiffeieti-7 an, die zwischen den dem inneren Zellenst r inπ und damit den elektrischen Anschlüssen des Mccluio und dem Modul rahmen bzw. der näheren Umgebung auftreten Harr . Mit Uraod wird hier die real existierende Spannung bzw. Potentialdifferenz zwischen inneren Zellenstring und damit den elektrischen Anschlüssen des Moduls und dem Modulrahmen 5 bzw. der näheren Umgebung bezeichnet. Umod ist für jedes Modul einer Reihenschaltung auf einem PVB unterschiedlich. Es muss stets Umod < Umodrna* gelten.
Die hier eingesetzten Photovoltaik-Module PVM sind 10 vorzugsweise baugleich und weisen in etwa die gleiche Spannungsfestigkeit auf. Wurden Module mit unterschiedlichen Spannungsfestigkeiten eingesetzt, konnte der Fall auftreten, dass die Spannung Udc^ die Spannungsfestigkeiten aller eingesetzten Module PVM überschreitet. Ib
Das hier beschriebene Scromversorgungssystem kann auch so ausgestaltet werden, dass an mehreren ortlich verschiedenen Punkten m eine HGU-Strecke bzw. -Leitung eingespeist und an mehreren örtlich verschiedenen Punkten Energie entnommen 20 werden kann (sog. Mehr-Punkt-Verbindung) .
Die ebenfalls hier beschriebene Möglichkeit der Parallelschaltung mehrerer Modulfelder kann auch so ausgestaltet werden, dasb an mehreren St eilen m die gleiche IIGU-Leitung
25 eingespeist wird. Die Ortlichkeiten der Modulfeldei können dabei ι/i;le Filcmeter auseinander liegen. Dabeα sollte dann beachtet werden, dass die verschiedenen Felder möglichst gleich ausgerichtet sind und auch naherungsweise dem gleichen Sonnens tard ausgesetzt sind. Deshalb wird die may. mögliche
30 Entfernung parallel geschalteter Felder wohl unterhalb von 500 km liegen. Die Möglich] eil, ein πehieren Stellen aus der HGÜ-Strecke bzw. -Leitung Energie ^u entnehmen, erfordert dann an i.edei dieser Stellen eine UmfOJ mstation mit Wechsel i ichter. Dies kann durchaus sinnvoll sein, wenn ohnehin entlang wcitei Transportwege mehrere Verbrauchszentien veisorgt v/eiden sollen. In diesem Fall sollte vorgesehen sein, dass alle Umlormstationen regelungstechnisch gekoppelt sind, um das Modulreld im Punkt" der maximalen Leistung zu betreiben Vorzugsweise übernimmt dabei eine der Stationen als „Mastei " die MPP-Pegelung und steuert alle weiteren Stationen aur entsprechend miteinander abgestimmte Arbeitspunkte, so dass sich m Summe der für das PV-KrafLwerk bestmögliche Arbeitspunkt ergibt.
Insgesamt ergibt sich mit der erfmdungsgemaßen Anordnung eine direkte und besonders kostengünstige Emspeisung der erzeugten Energie in eine Ilochspannungs-Gleichstrom- Ubertragungsstrecke . Auf der Verbraucherseite muß dann lediglich m einer zentralen Umformstation auf die dort gewünschte Spannung umgewandelt werden. Die Erfindung zeichnet sich besonders durch eine kostengünstige Systemtechnik aus, was sowohl die Investitionskosten wie auch die Betriebskosten anbelangt.
Bezugszeichβnliste
SYS Stromversorgungssystem PVE Pho covoltaik-Einrichtung PVS Phocovol taik-Strang (Modul-Strang; PVB Photovoltaik-Block (Modul-Block) PVM Photovol taik-Modul
TS Trennschalter 0 KS Kurzschlussschalter
GSLS Gleichstrom-Leistungssehalter
D Dioden (-paket)
EP Erdpotential
S+, S- Sammelschienen
HGUE HochSpannungs-Gleichstrom-Übertragungss trecke
UE'S Umformstation
WR Wechselrichter (mit MPP-Regelung) 0 SVN Stromversorgungsnetz (verbraucherseitigi
Udc* erzeugte und übertragene Gleichspannung im
Hochspannungs-Bereich
Udc' Teilspannung (erzeugerseitig, pro Strang PVS) 5 Umodmax Spannungsfestigkeit eines Einzelmoduls Umod real existierende Spannung bzw. Potentialdifferenz
(Umod < Umodmax)
Upvb Summenεpannung eines Modulblockes Uaic Wechsel spannnung (Verbraucher seitig) in
RF- Rahmenkonstruktion für Modul-Block IS Isolatoren für Aufständerung

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungssystem (S^S) mit einer Photovoltaik- Einπchtung (PVE), die mehrere Gleichspannungserzeugende Photovoltaik-Module (PVM) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module (PVM) m Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind und somit eine die Spannungsfestigkeit (Umodmax) der Photovoltaik-Module (PVM) übersteigende und zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeignete Gleichspannung (Udc*) erzeugen, und dass das Stromversorgungssystem (SYS) mindestens eine mit einem für Verbraucher eingerichtetes Stromversorgungsnetz (SVN) verbindbare Umformstation (UFS) aufweist und eine Hochspannungs-Gleichstrom- Ubertragungsstrecke (HGUE) umfasst, die die von der Photovoltaik-Emrichtung (PVE) erzeugte Gleichspannung
(Udc*) im Hochspannungs-Bereich zu der Umformstation (UFS) übertragt.
2. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Anzahl (N) der
Photovoltaik-Module (PVM) zu einem Modul-Block (PVB) verschaltet sind, der über Isolierungselemente (IS) gegen das Erdpotential (EP) isoliert ist, und dass jeweils eine zweite Anzahl (M) der Modul-Blocke (PVB) einen Modul-Strang (PVS) bilden, der zumindest eine
Teilspannung (Udc') der erzeugten Gleichspannung (Udc*; liefert .
3. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei der Modul- Strange (PVS) in Reihe geschaltet sind und mehrere der in Reihe geschalteten Modul-Strange (PVS) parallel geschaltet sind, um die zur Hochspannungs-Gleichstrom-
Ubertragung geeignete Gleichspannung (Udc*) zu erzeugen .
4. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der Modul-Strange
(PVS) eine erste Sammelschiene (S+) aufweist und eine zweite Sammelschiene (S-) aufweist, so dass die zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeignete Gleichspannung (Udc*) über die Sammelschienen (S+; S-) abgreifbar ist.
5. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Emrichtung (PVE) einen oder mehrere Kurzschlussschalter (KS) zum Kurzschliessen der Sammelschienen (S+, S-) aufweist.
6. Stromversorgungssystem (SYS) nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Emrichtung (PVE) oder das Stromversorgungssystem (SYS) einen oder mehrere
Gleichstrom-Leistungsschalter (GSLS) zum Treischalten der Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke (HGUE) aufweist.
7. Stromversorgungssystem (SYS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Gleichspannung (Udc*) die Spannungsfestigkeit (Umodmax) der Photovoltaik-Module (PVM) um ein Vielfaches übersteigt.
8. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Gleichspannung (Udc*) in einem Hochspannungs-Bereich von 1 kV bis 2 MV liegt.
9. Stromversorgungssystem (SYS) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zu einem Modul-Block (PVB) verschalteten Photovoltaik- Module (PVM) in einer aufgestanderten
Rahmenkonstruktion (RK) montiert sind.
10. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion (RK) über eine Potentialanbmdung (MP) mit dem geringsten, einem mittleren oder dem höchsten Potentialmveau des Modul- Blocks (PVB) verbunden ist, derart, dass die Potentlaidifferenz (Umod) zwischen den einzelnen Modulen und der Rahmenkonstruktion (RK) für keines der Photovoltaik-Module (PVM) auf einem Modul-Block (PVB) deren Spannungsfestigkeit (Umodmax) übersteigt.
11. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion flachig ausgebildet ist, insbesondere als ein leitfahiges Gitternetz ausgebildet ist.
12. Stromversorgungssystem (SYS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke
(HGUE) zumindest einpolig über mindestens eine Freileitung und/oder mindestens ein Kabel gefuhrt ist.
13. Stromversorgungssystem (SYS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformstation (UFS) einen Wechselrichter (WR) für die Umwandlung der erzeugten und übertragenen Gleichspannung (Udc*) m eine Wechselspannung (Uac) aufweist .
14. Stromversorgungssystem (SYS) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformstation (UFS) oder der Wechselrichter (WR) eine Regelungs-Schaltung aufweist, die in Abhängigkeit einer von der Photovoltaik- Einrichtung (PVE) erzeugten und sich ändernden elektrischen Leistung eine Einstellung des Arbeitspunktes des Wechselrichters (WR) auf eine maximale Leistungsentnahme hin anpasst.
15. Photovoltaik-Emπchtung (PVE), die mehrere Gleichspannungs-erzeugende Photovoltaik-Module (PVM) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module (PVM) in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind und somit eine die Spannungsfestigkeit (Umodmax) der Photovoltaik-Module (PVM) übersteigende und zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeignete Gleichspannung (Udc*) erzeugen.
16. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Anzahl
(N) der Photovoltaik-Module (PVM) zu einem Modul-Block (PVB) verschaltet sind, der über Isolierungselemente
(IS) gegen das Erdpotential (EP) isoliert ist, und dass jeweils eine zweite Anzahl (M) der Modul-Blocke (PVB) einen Modul-Strang (PVS) bilden, der zumindest eine Teilspannung (Udc' ) der erzeugten Gleichspannung (Udc*) liefert .
17. Photovoltaik-Einπchtung (PVE) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei der Modul-Strange (PVS) in Reihe geschaltet sind und mehrere der in Reihe geschalteten Modul-Strange (PVS) parallel geschaltet sind, um die zur Hochspannungs- Gleichstrom-Ubertragung geeignete Gleichspannung (Udc*) zu erzeugen.
18. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der Modul-Strange (PVS) eine erste Sammelschiene (S+) aufweist und eine zweite Sammelschiene (S-) aufweist, so dass die zur Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung geeignete Gleichspannung (Udc+) über die Sammelschienen (S+; S-) abgreifbar ist.
19. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik- Emrichtung (PVE) einen oder mehrere Kurzschlussschalter (KS) zum Kurzschliessen der Sammelschienen (S+, S-) aufweist.
20. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Emrichtung (PVE) einen oder mehrere Gleichstrom-Leistungsschalter (GSLS) zum Freischalten der Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke
(HGUE) aufweist.
21. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der Ansprüche
15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Gleichspannung (Udc*) die Spannungsfestigkeit (Umodraax) der Photovoltaik-Module (PVM) um ein Vielfaches übersteigt.
22. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Gleichspannung (Udc*) in einem Hochspannungs-Bereich von 1 kV bis 2 MV liegt.
23. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der Ansprüche
16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zu einem Modul-Block (PVB) verschalteten Photovoltaik- Module (PVM) in einer aufgestanderten
Rahmenkonstruktion (RK) montiert sind.
24. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion (RK) über eine Potentialanbmdung (MP) mit dem geringsten, einem mittleren oder dem höchsten Potentialniveau des Modul-Blocks (PVB) verbunden ist, derart, dass die Potentialdifferenz (Umod) zwischen den einzelnen Modulen und der Rahmenkonstruktion (RK) für keines der Photovoltaik-Module (PVM) auf einem Modul-
Block (PVB) deren Spannungsfestigkeit (Umodmax) übersteigt .
25. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion flachig ausgebildet ist, insbesondere als ein leitfahiges Gitternetz ausgebildet ist.
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