WO2011138319A1 - Verfahren zur begrenzung der generatorspannung einer photovoltaischen anlage im gefahrenfall und photovoltaische anlage - Google Patents

Verfahren zur begrenzung der generatorspannung einer photovoltaischen anlage im gefahrenfall und photovoltaische anlage Download PDF

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Matthias Victor
Gerd Bettenwort
Frank Greizer
Adrian Häring
Joachim Laschinski
Bernd Engel
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Photovoltaic system with a device for limiting the voltage in a hazardous situation.
  • the invention relates to a device with which it can be ensured that voltages or
  • the invention relates to a method to limit a generator voltage in case of danger.
  • Tripping devices can make impossible. As a result, for example, extinguishing measures on the roof of a burning house can not be made if the Possibility exists that firefighters by high
  • DE 102005018173 proposes a device with which the generator of the system is short-circuited by means of a protection device installed close to the generator.
  • the disadvantage of this design is the fact that no
  • Energy is released into the building and thus via a connected to the generator inverter in a network is more possible.
  • Document DE 102006060815 discloses a respective switching element assigned to a PV module, which is arranged such that in the activated state of the
  • Switching element the associated module is de-energized.
  • the switching element is activated by means of a modulated on the DC voltage supply high frequency signal.
  • the photovoltaic system according to the invention has an inverter for feeding the electrical energy generated by a generator of the system into a network
  • the generator is divided into a number of substrings which are controlled by a control device via a control
  • the photovoltaic system also includes an over the
  • Control device controlled parallel switching device by means of which the individual substrings can be connected in parallel.
  • the photovoltaic system is set up so that in case of danger a
  • the substrings each have a number of modules or individual solar cells that are configured so that the no-load voltage of each substring has a value that does not exceed a hazard limit, for example, as determined by law. In case of danger causes the series switching device that the electric
  • a substring usually consists of series-connected modules, which in turn comprise series-connected solar cells.
  • the voltage of the module may already be so high that, if two modules are connected in series, the danger threshold
  • a substring can also consist of a single module. Likewise, a
  • Sub-string also consist of a parallel connection of several strings whose voltage does not exceed the hazard limit.
  • the danger limit can be regionally divided
  • the generator connected to the inverter has at least three partial strings to be switched in series by the series switching device.
  • the total generator voltage at the optimum operating point of the generator has a value greater than the peak voltage of the grid (for example 350 V), which makes it possible to feed into the grid without the use of a step-up converter in the inverter.
  • the peak voltage of the grid for example 350 V
  • partial strings often require the generator to be operated above a voltage at which the electrical power of the generator is at a maximum to exceed the peak voltage of the network. Therefore, it may be advantageous to connect at least four partial strings in series, whereby it is possible to use the generator in the
  • Operate operating point of maximum power, with the no-load voltage of the individual substrings can remain below a hazard threshold of 120 V. In the case of other hazard thresholds, a different number of partial strings results from which this effect can be achieved.
  • the series switching device can have a number of switches which can be controlled via a control device in such a way that they form an electrical connection in an operating state of the photovoltaic system
  • the parallel switching device as well as the series switching device may comprise a number of switches.
  • the switches in the series switching device and in the parallel switching device can hereby
  • mechanical switches for example relays, or semiconductors, in particular power semiconductors such as MOSFETs, IGBTs or thyristors.
  • Inverter on the one hand, a particularly simple installation of the safety measure is achieved. At the same time the reliability of the release of the
  • Safety measure significantly increased in case of danger, in particular if all associated components are arranged in the housing of the inverter, where they at least a considerable period of time from damage by smoke and heat, but also in front of the generator
  • Parallel switching device may be arranged on the generator, wherein the switching elements of the series switching device and / or the parallel switching device either in a common unit or in separate units to the
  • Partial strings or between the substrings can be arranged.
  • An arrangement on the generator offers over the arrangement in the inverter the advantage that the
  • Wiring may be considerably reduced if necessary.
  • the series switching device and / or the parallel switching device can also be accommodated in a separate box, both
  • inverter close as generator close, as well as between generator and inverter can be placed.
  • inverter makes it possible to find a good compromise between protection of the
  • Communication technology such as powerline communication or wireless technologies such as Bluetooth, ZigBee or similar. equipped with a remote data exchange
  • Trigger signal to secure a variety of photovoltaic systems, resulting in a significant time savings in case of danger.
  • the shunt device is typically actuated when the series shifter has disconnected the electrical connection between adjacent sub-strings. In this state, it is also ensured that the voltages occurring in the system or
  • the feed can be continued if longer maintenance work in the region of the generator must be carried out, since a risk for the people performing the maintenance can be sufficiently reduced by the reduction of the generator voltage.
  • the continuation of the feed can also help in the occurrence of false alarms, unnecessary loss of the
  • the short-circuit function can also be achieved by an additional short-circuit device, which is arranged between the electrical supply lines between the series switching device and the inverter.
  • the inverter and generator can be separated by a DC separator.
  • Short-circuiting device and the DC separator can also switch from those in the context of
  • photovoltaic system optionally includes
  • closed state connect at least one connection of at least one of the substring with ground.
  • Grounding device may in this case comprise switches of the types listed in the context of the series switching device, their possible arrangement in units in
  • Inverter at the generator or between the generator and inverter that of the series switching device or the parallel switching device corresponds.
  • the earthing device is typically actuated when the series switching device has disconnected the electrical connection between adjacent substrings. In this condition, depending on the presence or absence of grounding of parts of the photovoltaic system occurring voltages at the substrings to earth exceed the danger limit. This is going through
  • the earth-closing device can also be installed in
  • the series switching device, the parallel switching device, the earth-closing device, the short-circuiting device and the DC separator are provided by a central
  • control device can be set up
  • a transmission of Signals to the controller can be made by means of an electrical control line, a wireless connection or by means of a transmission over the existing DC or AC power lines to the controller.
  • a wireless connection come here on the one hand wireless connections in question, but also other ways wireless signal transmission such
  • the system is initially operated at a voltage of the generator above the danger threshold. In this operating state, the system typically works very efficiently. As soon as a hazard is detected, the system is reduced to a generator voltage that is below the danger threshold.
  • a dangerous situation or a danger case can
  • an island grid situation that is, when the inverter is disconnected from the grid, or the grid is switched off when an arc or a ground fault in electrical connections of the
  • photovoltaic system is detected or if a
  • Danger situation or a danger situation can likewise be present if a manual emergency shut-off device is actuated, if danger-typical fluctuations in electrical parameters of the photovoltaic system are recognized or if external sensors such as
  • Hazardous situation signal can also be transmitted from one plant to the next, so that the plants
  • a continuation of the supply of electrical power in a network to which the photovoltaic system is connected, despite reduction of the generator voltage can be achieved by the to a value below a
  • Danger threshold reduced generator voltage is first raised by means of a boost converter to a sufficiently high DC voltage value, with a
  • Inverter bridge generates the AC voltage for feeding into the grid.
  • the boost converter may have a generator voltage less than 120 V on one
  • the individual partial strings of the generator are operated during operation of the photovoltaic system above the danger threshold in a series circuit, for example, by the above
  • Series switching device can be ensured, while the reduced generator voltage is achieved in that the substrings are operated in a parallel circuit, for example, by the above
  • the detection of the danger case between series connection and parallel connection of the substrings is changed.
  • the method can additionally be extended by a method step in which, in response to the detection of the danger case, an electrical connection of at least one connection of at least one of the substrings to ground is established, whereby a defined potential of this connection with respect to ground is produced.
  • a compound with earth can be, for example, by the above
  • the generator voltage can be determined by the voltage or
  • the regulation of the generator voltage to a value below the danger threshold is achieved in that at least one sub-string of the generator is short-circuited, possibly also over ground. This shorting of at least a part of the generator can also be done as an additional measure after the
  • generator voltage may increase to values above the hazard threshold without short circuiting.
  • the short-circuiting can be triggered, for example, if an island grid situation of
  • Fig. 1 shows an inventive
  • Fig. 2 shows a further inventive
  • photovoltaic system with an additional DC disconnecting device, an additional short-circuiting device and an additional earth-closing device,
  • Fig. 3 shows a further inventive
  • Fig. 4 shows a further inventive
  • Fig. 5 shows a further inventive
  • Photovoltaic system in which the switching elements are arranged in separate units between two partial strings
  • Fig. 6 shows a further inventive
  • FIG. 7 shows a further inventive
  • FIG. 8 shows a method according to the invention for
  • Fig. 1 shows a structure according to the invention
  • photovoltaic system 1 with an inverter 20, the AC side to a network 30, for example, a public AC power network is connected. On the DC side of the inverter 20, this is connected by means of connecting lines 120, 130 with a generator 70.
  • the generator 70 is divided into two sub-strings 70a, 70b, which are connected by a switch of a
  • Series switching device 50 can be connected in series with each other.
  • a parallel switching device 60 the individual substrings can also be connected in parallel.
  • control of the series switching device 50 and the parallel switching device 60 takes place via a control device 40 such that in normal operation of the
  • the control device 40 controls the series switching device 50 so that it separates the electrical connection of the two partial strings 70a, 70b. In this way it is achieved that the voltages or
  • the generator 70 may continue
  • the inverter 20 feed electrical power through the inverter 20 in the network 30.
  • the inverter 20 receives electrical power through the inverter 20 in the network 30.
  • boost converter (not shown), which is the operating voltage of the parallel-connected
  • Sub-strings 70a, 70b can convert into a sufficiently high voltage for feeding power into the network 30.
  • Short-circuiting device 110 may be arranged, which is also controlled by the control device 40, and which can be used in case of danger to connect the connecting line 120 to the connecting line 130.
  • the photovoltaic system may include a DC separator 80 in the connection lines 120, 130, which
  • controller 40 is also controlled by the controller 40 to disconnect the generator 70 from the inverter 20.
  • the control device 40 is set up for this purpose
  • the signals for example, from an emergency stop switch or from a
  • Monitoring component of the photovoltaic system When detecting an operating state that is assigned to a hazard, or when receiving a Signals, which is assigned to a hazard, by the controller 40 solves this one corresponding
  • Short-circuiting device 110 and the DC separator 80 from.
  • Figure 2 shows a further embodiment of the
  • the generator 70 consists of three partial strings 70a, 70b, 70c, which can be connected to each other by means of a series switching device 50 in series.
  • a parallel switching device 60 By means of a parallel switching device 60, the individual partial strings 70a, 70b, 70c can be connected in parallel.
  • connections of the substrings can continue to be connected to ground.
  • Control device 40 is controlled. In this way it is achieved that in normal operation of the photovoltaic system 1, the operating voltages of the partial strings 70a, 70b, 70c can be added to a value above the
  • the photovoltaic system can continue to deliver power to the grid at the same time.
  • the inverter 20 typically has this one
  • Substrings defined potentials are available to Earth. This can be done by operating the appropriate switch as a subset of the switches shown in Figure 2
  • Grounding device 140 can be accomplished. It is obvious that when connecting both terminals of a substring to ground, it can be effectively short-circuited. In the embodiment according to FIG. 2, all switches of the earth-closing device are connected via a
  • each switch of the earth-closing device may each be individually connected to ground.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of FIG
  • Parallel switching device 60 and the earth-closing device 140 are each arranged in a common unit. In the embodiment according to FIG. 3, however, the series switching device 50, the parallel switching device 60, the earth-closing device 140, are now
  • Short-circuiting device 110, the DC separator 80 and the controller 40 within a Inverter housing 150 is arranged, whereby the
  • FIG. 4 shows a further embodiment variant of FIG
  • Parallel switching device 60 and the earth-closing device 140 are each arranged in a common unit. In the embodiment according to FIG. 4, however, the series switching device 50, the parallel switching device 60, the earth-closing device 140, are now
  • Photovoltaic Analage in particular for the wiring between the generator 70 and inverter 20, compared to the embodiment of Figure 3 reduced.
  • Figure 5 shows a further embodiment of the
  • FIG. 5 also shows that variants of the device according to the invention exist in which not all connections of all
  • Sub-strings can be connected to earth through the optional ground-locking device.
  • FIG. 6 shows a further embodiment variant of FIG
  • the switching elements are components of the generator 70.
  • the switching elements of the series switching device, the parallel switching device and the Erdschong shark shark are now arranged in separate, each one of the sub-strings 70a, 70b, 70c associated units 170a, 170b, 170c, that is, each unit is connected to two terminals of a sub-string.
  • Parallel switching device are designed here using triple switches, with which, depending on
  • Switch position a series connection, a separation of the series connection or a parallel connection of the partial strings 70a, 70b, 70c can be realized.
  • the three-way switch and interconnections of two simple on-off switches can be used.
  • Figure 7 shows a further embodiment of the
  • the switching elements are components of the generator 70, that is arranged on the generator and in which the switching elements of the
  • each one of the sub-strings 70a, 70b, 70c associated units 170a, 170b, 170c are arranged, that is, each unit is connected to both terminals of a sub-string.
  • the series switching device, the parallel switching device and the earth-closing device are here with particularly low Expenses performed using triple switches.
  • this embodiment
  • Substrings 70a, 70b, 70c or a parallel connection of the partial strings 70a, 70b, 70c or a connection of the terminals of the substrings 70a, 70b, 70c with earth is present.
  • This limitation can also be achieved by using multiple on-off switches instead of the switches
  • Embodiments result. Furthermore, partial strings connected in series through a series switching device can also be connected in parallel again, as a result of which a device according to the invention also has several
  • Series sequencers parallel switching devices, earth-closing devices, short-circuiting devices and DC separation devices may have.
  • FIG. 8 shows a flow chart corresponding to FIG
  • a first step 200 the photovoltaic system is operated at a voltage of the generator 70, which is above a
  • the regulation of the generator voltage can be achieved by switching the series arrangement of partial strings 70a, 70b, 70c of the
  • Parallel switching device 60 done.
  • the control of the generator voltage can also be done by means of suitable control of a boost converter, which is part of an inverter, which for feeding the from
  • Generator 70 generated energy is provided in a network 30.
  • an electrical connection of at least one connection of at least one of the partial strings 70a, 70b, 70c to ground can be established.
  • FIG. 9 shows the profile of two power characteristics of a photovoltaic system as a function of the generator voltage U.
  • a first curve 340 shows the profile of the power P of a generator in the case where the partial strings are connected in series. The maximum power will be at one
  • Generator voltage is below the hazard limit U GG .
  • Such an operating point is the short-circuit point 320, which can be achieved by short-circuiting the generator.

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Abstract

Die photovoltaische Anlage mit einem an einen Wechselrichter (20) angeschlossenen, eine Anzahl Teilstrings (70a, 70b, 70c) umfassenden Generator (70) weist eine Steuereinrichtung (40), eine Reihenschalteinrichtung (50) zur Reihenverschaltung der Teilstrings und eine Parallelschalteinrichtung (60) zur Parallelverschaltung der Teilstrings auf, wobei die Reihenschalteinrichtung (50) über die Steuereinrichtung (40) derart angesteuert wird, dass sie im Gefahrenfall die Reihenverschaltung der Teilstrings auftrennt, und die Parallelschalteinrichtung (60) über die Steuereinrichtung (40) derart angesteuert wird, dass sie im Gefahrenfall die Teilstrings (70a, 70b, 70c) parallel schaltet. Das Verfahren zur Begrenzung einer Spannung eines Generators (70) einer photovoltaischen Anlage im Gefahrenfall ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die photovoltaische Anlage bei einer Generatorspannung oberhalb eines Gefahrengrenzwertes betrieben wird. In Reaktion auf eine Detektion eines Gefahrenfalles wird die Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes geregelt.

Description

Verfahren zur Begrenzung der Generatorspannung einer photovoltaischen Anlage im Gefahrenfall und photovoltaische Anlage
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
photovoltaische Anlage mit einer Vorrichtung zur Begrenzung der Spannung in einem Gefahrenfall. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, mit der sicher gestellt werden kann, dass Spannungen bzw.
Spannungsdifferenzen in einer solchen Anlage einen
Gefahrengrenzwert nicht übersteigen, wenn eine Gefahr für Menschen oder Sachwerte besteht oder bestehen kann.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, um eine Generatorspannung im Gefahrenfall zu begrenzen.
Mit der weiten Verbreitung von dezentralen
Energieeinspeisern, insbesondere von Solaranlagen, die auf Hausdächern, Gewerbegebäuden oder im Freiland installiert sind, rückt das Problem immer mehr ins Bewusstsein, dass im Gefahrenfall wie Brand und Sturm oder bei Wartungsarbeiten eine zuverlässige Sicherung der spannungsführenden Teile dieser Anlagen jederzeit möglich sein muss. Dabei ist die Zugänglichkeit der Abschaltvorrichtungen sowie deren
Wirksamkeit gerade im Gefahrenfall dadurch beeinträchtigt, dass bereits eingetretene Vorschäden wie Hitze- und
Raucheinwirkung ein zuverlässiges und dauerhaftes Auslösen der Sicherungsmaßnahme oder ein Erreichen der
Auslöseeinrichtungen unmöglich machen können. Als Folge können zum Beispiel Löschmaßnahmen am Dachstuhl eines brennenden Hauses nicht vorgenommen werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass Feuerwehrmänner durch hohe
Gleichspannungen einer möglicherweise noch betriebsfähigen photovoltaischen Anlage verletzt werden können.
Zum Schutz von Menschen und zur Vermeidung von Sachschäden durch hohe Gleichspannungen einer photovoltaischen Anlage schlägt DE 102005018173 eine Vorrichtung vor, mit der mittels einer generatornah installierten Schutzvorrichtung der Generator der Anlage kurzgeschlossen wird. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die Tatsache, dass keine
Energieabgabe in das Gebäude und somit über einen an den Generator angeschlossenen Wechselrichter in ein Netz mehr möglich ist.
Die Druckschrift DE 102006060815 offenbart ein jeweils einem PV-Modul zugeordnetes Schaltelement, das derart angeordnet ist, dass im aktivierten Zustand des
Schaltelements das zugeordnete Modul spannungslos ist. Das Schaltelement wird mittels eines auf die Gleichspannungs- Zuleitung aufmodulierten Hochfrequenzsignales aktiviert. Auch bei den in der DE 102006060815 dargestellten Lösungen ist keine Energieabgabe über einen Wechselrichter in ein Netz mehr möglich, da der Generator in allen offenbarten Ausführungsformen spannungsfrei geschaltet wird. Darüber hinaus erfordert das Anordnen eines Schaltelementes an jedem Modul innerhalb eines von gegebenenfalls mehreren Strings einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand.
Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das zuverlässig und mit vertretbarem Aufwand die Möglichkeit eröffnet, in einem potenziellen Gefahrenfall die durch Generatoren einer photovoltaischen Anlage entstehenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den elektrischen Leitungen der Anlage auf ein Maß zu begrenzen, das Maßnahmen zur Bekämpfung der Gefahr ermöglicht, ohne für die im Einsatz befindlichen Rettungskräfte ein
Schadensrisiko darzustellen. Dabei soll es möglich sein, bei reduzierter Spannung weiterhin Energie über einen an den Generator angeschlossenen Wechselrichter in ein Netz einspeisen zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine photovoltaische Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. In den auf diese
Ansprüche zurück bezogenen Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die erfindungsgemäße photovoltaische Anlage weist einen Wechselrichter zum Einspeisen der von einem Generator der Anlage erzeugten elektrischen Energie in ein Netz,
insbesondere ein Wechselstromnetz auf. Hierbei wird der Generator in eine Anzahl von Teilstrings aufgeteilt, die durch eine über eine Steuereinrichtung angesteuerte
Reihenschalteinrichtung in Serie geschaltet werden können. Die photovoltaische Anlage umfasst weiter eine über die
Steuereinrichtung angesteuerte Parallelschalteinrichtung, mittels derer die einzelnen Teilstrings parallel zueinander geschaltet werden können. Die photovoltaische Anlage ist derart eingerichtet, dass im Gefahrenfall eine
Reihenschaltung der Teilstrings aufgetrennt wird und die Teilstrings parallel geschaltet werden.
Die Teilstrings weisen jeweils eine Anzahl von Modulen oder einzelnen Solarzellen auf, die so konfiguriert sind, dass die LeerlaufSpannung eines jeden Teilstrings einen Wert aufweist, der einen zum Beispiel vom Gesetzgeber bestimmten Gefahrengrenzwert nicht übersteigt. Im Gefahrenfall bewirkt die Reihenschalteinrichtung, dass die elektrische
Verbindung zwischen den Teilstrings aufgetrennt wird, so dass Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den
elektrischen Verbindungen zwischen dem Wechselrichter und den Teilstrings den Gefahrengrenzwert nicht mehr
übersteigen können.
Ein Teilstring besteht dabei üblicherweise aus in Reihe geschalteten Modulen, die wiederum in Reihe geschaltete Solarzellen umfassen. Je nach verwendetem Modultyp kann die Spannung des Moduls bereits so groß sein, dass bei einer Reihenschaltung zweier Module der Gefahrengrenzwert
überschritten wird. In diesem Fall kann ein Teilstring auch aus einem einzelnen Modul bestehen. Ebenso kann ein
Teilstring auch aus einer Parallelverschaltung mehrerer Strings bestehen, deren Spannung den Gefahrengrenzwert nicht überschreitet.
Der Gefahrengrenzwert kann regional einen
unterschiedlichen, vorgeschriebenen Wert aufweisen, zum Beispiel eine Spannung von 120 V, es können aber auch abweichende Werte im Bereich zwischen 60 V und 150 V, also zum Beispiel 100 V, als Grenzwert vorgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der an den Wechselrichter angeschlossene Generator mindestens drei durch die Reihenschalteinrichtung in Serie zu schaltende Teilstrings auf. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die gesamte Generatorspannung im optimalen Betriebspunkt des Generators einen Wert größer als die Scheitelspannung des Netzes aufweist (z.B. 350 V), wodurch die Einspeisung in das Netz ohne den Einsatz eines Hochsetzstellers im Wechselrichter möglich wird. Gleichzeitig kann die
LeerlaufSpannung der einzelnen Teilstrings unter dem oben angegebenen Gefahrengrenzwert verbleiben. Bei drei
Teilstrings ist es allerdings häufig erforderlich, den Generator oberhalb einer Spannung zu betreiben, bei der die elektrische Leistung des Generators maximal ist, um die Scheitelspannung des Netzes zu überschreiten. Daher kann es vorteilhaft sein, mindestens vier Teilstrings in Serie zu schalten, wodurch es möglich ist, den Generator im
Arbeitspunkt maximaler Leistung zu betreiben, wobei die LeerlaufSpannung der einzelnen Teilstrings unterhalb eines Gefahrengrenzwertes von 120 V verbleiben kann. Bei anderen Gefahrengrenzwerten ergibt sich entsprechend eine andere Anzahl von Teilstrings, ab der dieser Effekt erreicht werden kann.
Die Reihenschalteinrichtung kann hierbei eine Anzahl von Schaltern aufweisen, die über eine Steuereinrichtung derart ansteuerbar sind, dass sie in einem Betriebszustand der photovoltaischen Anlage eine elektrische Verbindung
zwischen benachbarten Teilstrings herstellen, und im potenziell gefährlichen Zustand diese Verbindung
auftrennen. Die Parallelschalteinrichtung kann ebenso wie die Reihenschalteinrichtung eine Anzahl von Schaltern aufweisen. Die Schalter in der der Reihenschalteinrichtung und in der Parallelschalteinrichtung können hierbei
mechanische Schalter, zum Beispiel Relais, oder Halbleiter, insbesondere Leistungs-Halbleiter wie MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren sein.
Durch eine Integration der Reihenschalteinrichtung und der Parallelschalteinrichtung in ein Gehäuse des
Wechselrichters wird zum einen eine besonders einfache Installation der Sicherungsmaßnahme erreicht. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit der Auslösung der
Sicherungsmaßnahme im Gefahrenfall deutlich erhöht, insbesondere wenn alle zugehörigen Komponenten im Gehäuse des Wechselrichters angeordnet sind, wo sie zumindest eine erhebliche Zeitdauer vor Beschädigung durch Rauch- und Hitzeeinwirkung, aber auch vor den in Generatornähe
typischen Witterungseinflüssen geschützt sind. Ebensogut können die Reihenschalteinrichtung und/oder die
Parallelschalteinrichtung am Generator angeordnet sein, wobei die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung und/oder der Parallelschalteinrichtung entweder in einer gemeinsamen Einheit oder in separaten Einheiten an den
Teilstrings oder auch zwischen den Teilstrings angeordnet sein können. Eine Anordnung am Generator bietet gegenüber der Anordnung im Wechselrichter den Vorteil, dass der
Verkabelungsaufwand gegebenenfalls erheblich reduziert ist. Selbstverständlich können die Reihenschalteinrichtung und/oder die Parallelschalteinrichtung ebenso in einer separaten Box untergebracht sein, die sowohl
wechselrichternah, als auch generatornah, als auch zwischen Generator und Wechselrichter platzierbar ist. Die
Platzierung an geeigneter Stelle zwischen Generator und
Wechselrichter ermöglicht dabei gegebenenfalls das Finden eines guten Kompromisses zwischen Schutz der
Schalteinrichtung einerseits und Verkabelungsaufwand andererseits. Ferner wird hierdurch die Nach-, Auf- oder Umrüstung einer bestehenden Anlage ermöglicht.
Da viele photovoltaische Anlagen bereits mit
Kommunikationstechnologie wie Powerline-Communication oder Funktechniken wie Bluetooth, ZigBee o.ä. ausgestattet sind, die einen Datenaustausch mit entfernten
Kommunikationseinheiten herstellen können, ist auch die Erreichbarkeit der Steuer- und Auslöseeinrichtung, sowie die Rückmeldung der erfolgreichen Auslösung der Sicherungsmaßnahme in vorteilhafter Weise gewährleistet. Gleichzeitig ist es so möglich, mit einem einzigen
Auslösesignal eine Vielzahl von photovoltaischen Anlagen zu sichern, was eine erhebliche Zeiteinsparung im Gefahrenfall zur Folge hat.
Die Parallelschalteinrichtung wird typischerweise betätigt, wenn die Reihenschalteinrichtung die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings aufgetrennt hat. In diesem Zustand ist ebenfalls sichergestellt, dass die in der Anlage auftretenden Spannungen bzw.
Spannungsdifferenzen den Gefahrengrenzwert nicht
übersteigen. Zusätzlich ist es in diesem Zustand möglich, auf einem niedrigeren Spannungsniveau des Generators weiterhin elektrische Leistung mittels des Wechselrichters in das Netz einzuspeisen. In diesem Fall ist es zur
Einspeisung in das Netz notwendig, die Generatorspannung zunächst mittels eines Hochsetzstellers auf eine
ausreichend hohe Gleichspannung umzusetzen. Beispielsweise kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Einspeisung fortgesetzt werden kann, wenn längere Wartungsarbeiten im Bereich des Generators durchgeführt werden müssen, da ein Risiko für die die Wartung ausführenden Menschen durch die Reduktion der Generatorspannung ausreichend herabgesetzt werden kann. Die Fortführung der Einspeisung kann auch beim Auftreten von Fehlalarmen helfen, unnötige Einbußen der
Energieausbeute der photovoltaischen Anlage zu vermeiden. Selbst im Brandfall würde eine erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage bei fortgeführter Einspeisung keine Gefahr für Rettungspersonal darstellen. Es ist ebenfalls denkbar, die Schalter der
Reihenschalteinrichtung und der Parallelschalteinrichtung gleichzeitig zu schließen, so dass die angeschlossenen Teilstrings in diesem Zustand kurzgeschlossen sind, wodurch ebenfalls eine Gefährdung durch die Generatorspannung ausgeschlossen ist.
Alternativ kann die Kurzschlussfunktion auch durch eine zusätzliche Kurzschließeinrichtung, die zwischen den elektrischen Zuleitungen zwischen Reihenschalteinrichtung und Wechselrichter angeordnet ist, erreicht werden.
Zusätzlich können Wechselrichter und Generator durch eine DC-Trenneinrichtung voneinander getrennt werden. Die
Kurzschließeinrichtung und die DC-Trenneinrichtung können hierbei ebenfalls Schalter von den im Rahmen der
Reihenschalteinrichtung aufgezählten Typen aufweisen.
Weiterhin kann die photovoltaische Anlage optional
zusätzlich eine Erdschließeinrichtung umfassen, die ebenso wie die Reihenschalteinrichtung und die
Parallelschalteinrichtung eine Anzahl von Schaltern
aufweist, die derart konfiguriert sind, dass sie im
geschlossenen Zustand mindestens einen Anschluss mindestens eines der Teilstrings mit Erde verbinden. Die
Erdschließeinrichtung kann hierbei Schalter von den im Rahmen der Reihenschalteinrichtung aufgezählten Typen aufweisen, deren mögliche Anordnung in Einheiten im
Wechselrichter, am Generator oder zwischen Generator und Wechselrichter derjenigen der Reihenschalteinrichtung oder der Parallelschalteinrichtung entspricht.
Die Erdschließeinrichtung wird typischerweise betätigt, wenn die Reihenschalteinrichtung die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings aufgetrennt hat. In diesem Zustand könnten je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Erdung von Teilen der photovoltaischen Anlage auftretende Spannungen an den Teilstrings gegenüber Erde den Gefahrengrenzwert übersteigen. Dies wird durch
Herstellen eines definierten Potenzials an einem Anschluss der Teilstrings mittels der Erdschließeinrichtung
verhindert. Die Erdschließeinrichtung kann auch in
Verbindung mit der Parallelschließeinrichtung aktiviert sein .
Es ist ebenfalls denkbar, über die Schalter der
Erdschließeinrichtung jeweils beide Anschlüsse der
Teilstrings gleichzeitig mit Erde zu verbinden, so dass die angeschlossenen Teilstrings in diesem Zustand über Erde kurzgeschlossen sind, wodurch ebenfalls eine Gefährdung durch die Generatorspannung ausgeschlossen ist. Ebenso kann ein sicherer Zustand durch Herstellen einer Verbindung mit Erde zwischen allen Teilstrings erreicht werden.
Die Reihenschalteinrichtung, die Parallelschalteinrichtung, die Erdschließeinrichtung, die Kurzschließeinrichtung und die DC-Trenneinrichtung werden von einer zentralen
Steuereinrichtung abhängig vom Vorliegen eines
Betriebszustandes oder Signals, welche einer
Gefahrensituation zugeordnet sind, gesteuert. Hierzu kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein,
Betriebszustände der photovoltaischen Anlage, die einem Gefahrenfall zugeordnet sind, beispielsweise
gefahrentypische Schwankungen in den elektrischen
Kenngrößen der photovoltaischen Anlage, zu erkennen. Sie kann aber auch zum Empfang eines einem Gefahrenfall
zugeordneten Signals eingerichtet sein, das beispielsweise vom Wechselrichter erzeugt wird, zum Beispiel wenn der Wechselrichter eine Inselnetz-Situation erkennt, oder auch von einer separaten Sensoreinrichtung oder durch eine manuelle Notabschalteinrichtung. Eine Übertragung des Signals zur Steuereinrichtung kann mittels einer elektrischen Steuerleitung, einer drahtlosen Verbindung oder auch mittels einer Übertragung über die vorhandenen Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleitungen an die Steuereinrichtung erfolgen. Als drahtlose Verbindung kommen hier einerseits Funkverbindungen in Frage, aber auch andere Möglichkeiten drahtloser Signalübertragung wie
beispielsweise Infrarot, Schall, Ultraschall, mechanische Wirkübertrager, hydraulische Wirkübertrager oder
pneumatische Wirkübertrager.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anlage zunächst bei einer Spannung des Generators oberhalb des Gefahrengrenzwertes betrieben. In diesem Betriebszustand arbeitet die Anlage typischerweise besonders effizient. Sobald ein Gefahrenfall detektiert wird, wird die Anlage auf eine Generatorspannung reduziert, die unterhalb des Gefahrengrenzwertes liegt.
Eine Gefahrensituation bzw. ein Gefahrenfall kann
vorliegen, wenn eine Inselnetz-Situation eintritt, das heißt wenn der Wechselrichter vom Netz getrennt wird, oder das Netz abgeschaltet ist, wenn ein Lichtbogen oder ein Erdschluss in elektrischen Verbindungen der
photovoltaischen Anlage erkannt wird oder wenn eine
Generatortrenneinrichtung am Wechselrichter ausgelöst wird, z.B. ein sogenannter Electronic Solar Switch. Eine
Gefahrensituation bzw. ein Gefahrenfall kann ebenfalls vorliegen, wenn eine manuelle Notabschalteinrichtung betätigt wird, wenn gefahrentypische Schwankungen in elektrischen Kenngrößen der photovoltaischen Anlage erkannt werden oder wenn externe Sensoren wie beispielsweise
Temperaturfühler, Rauchmelder oder Infrarotdetektoren ansprechen. Sofern die photovoltaische Anlage in einer Datenverbindung zu benachbarten, weiteren photovoltaischen Anlagen oder Wechselrichtern oder zu anderen
Kommunikationseinheiten steht, kann ein einer
Gefahrensituation zugeordnetes Signal auch von einer Anlage zur nächsten übertragen werden, so dass die Anlagen
gemeinsam auf die Gefahrensituation reagieren können.
Eine Fortführung der Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, an das die photovoltaische Anlage angeschlossen ist, kann trotz Reduktion der Generatorspannung erreicht werden, indem die auf einen Wert unterhalb eines
Gefahrengrenzwertes reduzierte Generatorspannung mittels eines Hochsetzstellers zunächst auf einen ausreichend hohen Gleichspannungswert angehoben wird, mit dem eine
Wechselrichterbrücke die Wechselspannung zur Einspeisung in das Netz erzeugt. Zum Beispiel kann der Hochsetzsteller eine Generatorspannung kleiner 120 V auf eine
Zwischenkreisspannung größer 325 V anheben, so dass die direkte Einspeisung elektrischer Leistung in ein
öffentliches Netz möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die einzelnen Teilstrings des Generators beim Betrieb der photovoltaischen Anlage oberhalb des Gefahrengrenzwertes in einer Reihenschaltung betrieben, die beispielsweise durch die vorbeschriebene
Reihenschalteinrichtung gewährleistet werden kann, während die reduzierte Generatorspannung dadurch erreicht wird, dass die Teilstrings in einer Parallelschaltung betrieben werden, die beispielsweise durch die vorbeschriebene
Parallelschalteinrichtung gewährleistet werden kann.
Hierbei wird bei Detektion des Gefahrenfalles zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung der Teilstrings gewechselt . Optional kann das Verfahren zusätzlich um einen Verfahrensschritt erweitert sein, in dem in Reaktion auf die Detektion des Gefahrenfalles eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mindestens eines Anschlusses mindestens eines der Teilstrings mit Erde erfolgt, wodurch ein definiertes Potenzial dieses Anschlusses gegenüber Erde hergestellt wird. Eine solche Verbindung mit Erde kann beispielsweise durch die vorbeschriebene
Erdschließeinrichtung gewährleistet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Generatorspannung durch die Spannungs- oder
Stromregelung eines Wechselrichters auf eine Spannung unterhalb des Gefahrengrenzwertes geregelt werden.
In einer mit erwogenen Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes dadurch erreicht, dass zumindest ein Teilstring des Generators kurzgeschlossen wird, gegebenenfalls auch über Erde. Dieses Kurzschließen von zumindest einem Teil des Generators kann auch als zusätzliche Maßnahme erfolgen, nachdem die
Generatorspannung zunächst auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes reduziert wurde, zum Beispiel wenn ein weiteres Einspeisen elektrischer Leistung in ein Netz nicht mehr möglich ist. In diesem Fall würde die
Generatorspannung ohne ein Kurzschließen andernfalls möglicherweise auf Werte oberhalb des Gefahrengrenzwertes ansteigen. Das Kurzschließen kann hierbei zum Beispiel ausgelöst werden, wenn eine Inselnetz-Situation vom
Wechselrichter detektiert wird. Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt hierbei eine erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage mit einer zusätzlichen DC- Trenneinrichtung und einer zusätzlichen
Kurz schließeinrichtung,
Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage mit einer zusätzlichen DC- Trenneinrichtung, einer zusätzlichen Kurzschließeinrichtung und einer zusätzlichen Erdschließeinrichtung,
Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage, bei der die Schaltelemente in gemeinsamen Einheiten im Wechselrichter angeordnet sind,
Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage, bei der die Schaltelemente in gemeinsamen Einheiten am Generator angeordnet sind,
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage, bei der die Schaltelemente in separaten Einheiten zwischen jeweils zwei Teilstrings angeordnet sind,
Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage, bei der die Schaltelemente in separaten, jeweils einem Teilstring zugeordneten Einheiten angeordnet sind, Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
photovoltaische Anlage, bei der die Schaltelemente in separaten, jeweils einem Teilstring zugeordneten Einheiten angeordnet sind, Fig. 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur
Begrenzung der Generatorspannung im Gefahrenfall und
Fig. 9 zeigt beispielhafte Verläufe von
Leistungskennlinien zur Illustration von
Arbeitspunktverschiebungen.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau einer
photovoltaischen Anlage 1 mit einem Wechselrichter 20, der wechselspannungsseitig an ein Netz 30, zum Beispiel ein öffentliches Wechselstromnetz angeschlossen ist. Auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 20 ist dieser mittels Verbindungsleitungen 120, 130 mit einem Generator 70 verbunden. Der Generator 70 ist in zwei Teilstrings 70a, 70b unterteilt, die durch einen Schalter einer
Reihenschalteinrichtung 50 miteinander in Reihe geschaltet werden können. Mittels einer Parallelschalteinrichtung 60 können die einzelnen Teilstrings zudem auch parallel zueinander geschaltet werden.
Die Ansteuerung der Reihenschalteinrichtung 50 und der Parallelschalteinrichtung 60 erfolgt hierbei über eine Steuereinrichtung 40 derart, dass im Normalbetrieb des
Wechselrichters die Teilstrings 70a, 70b des Generators 70 in Reihenschaltung mit dem Wechselrichter 20 verbunden sind. Im Gefahrenfall steuert die Steuereinrichtung 40 die Reihenschalteinrichtung 50 so an, dass sie die elektrische Verbindung der beiden Teilstrings 70a, 70b auftrennt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Spannungen bzw.
Spannungsdifferenzen in den Zuleitungen zum Generator 70 erheblich verringert werden, insbesondere dass bei
entsprechender Auslegung der beiden Teilstrings 70a, 70b ausgeschlossen werden kann, dass eine bei Berührung für den Menschen gefährliche Spannung bzw. Spannungsdifferenz in den elektrischen Verbindungen des Generators 70 auftritt. Weiter steuert im Gefahrenfall die Steuereinrichtung 40 die Parallelschalteinrichtung 60 so an, dass sie die beiden Teilstrings 70a, 70b parallel zueinander schaltet. Dadurch fließt auch im Gefahrenfall weiterhin Strom zum
Wechselrichter 20, allerdings auf einem niedrigeren
Spannungsniveau. Der Generator 70 kann weiterhin
elektrische Leistung über den Wechselrichter 20 in das Netz 30 einspeisen. Hierzu weist der Wechselrichter 20
typischerweise einen Hochsetzsteller (nicht gezeigt) auf, der die Betriebsspannung der parallel geschalteten
Teilstrings 70a, 70b in eine ausreichend hohe Spannung zum Einspeisen von Leistung in das Netz 30 umwandeln kann.
Optional kann, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gezeigt, zwischen den Verbindungsleitungen 120,130 eine
Kurzschließeinrichtung 110 angeordnet sein, die ebenfalls von der Steuereinrichtung 40 angesteuert wird, und die im Gefahrenfall benutzt werden kann, um die Verbindungsleitung 120 mit der Verbindungsleitung 130 zu verbinden. Weiterhin kann die photovoltaische Anlage eine DC-Trenneinrichtung 80 in den Verbindungsleitungen 120,130 aufweisen, die
ebenfalls von der Steuereinrichtung 40 gesteuert wird, um den Generator 70 von dem Wechselrichter 20 zu trennen.
Die Steuereinrichtung 40 ist dazu eingerichtet
Betriebszustände der photovoltaischen Anlage zu analysieren oder ein von innerhalb oder außerhalb der photovoltaischen Anlage an die Steuereinrichtung übertragenes Signal zu empfangen. Insbesondere können die Signale beispielsweise von einem Not-Ausschalter oder von einer
Überwachungskomponente der photovoltaischen Anlage erzeugt sein. Beim Erkennen eines Betriebszustandes, der einem Gefahrenfall zugeordnet ist, oder beim Empfang eines Signals, das einem Gefahrenfall zugeordnet ist, durch die Steuereinrichtung 40 löst diese eine entsprechende
Ansteuerung der Schalter in der Reihenschalteinrichtung 50, der Parallelschalteinrichtung 60, der
Kurzschließeinrichtung 110 und der DC-Trenneinrichtung 80 aus .
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier besteht der Generator 70 aus drei Teilstrings 70a, 70b, 70c, die mittels einer Reihenschalteinrichtung 50 miteinander in Serie geschaltet werden können. Mittels einer Parallelschalteinrichtung 60 können die einzelnen Teilstrings 70a, 70b, 70c parallel zueinander geschaltet werden. Mittels einer optionalen Erdschließeinrichtung 140 können Anschlüsse der Teilstrings weiterhin auch mit Erde verbunden werden. Die
Reihenschalteinrichtung 50, die Parallelschalteinrichtung 60 und die Erdschließeinrichtung 140 werden durch die
Steuereinrichtung 40 angesteuert. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich im Normalbetrieb der photovoltaischen Anlage 1 die Betriebsspannungen der Teilstrings 70a, 70b, 70c zu einem Wert addieren lassen, der oberhalb der
Scheitelspannung des an den Wechselrichter 20
angeschlossenen Netzes 30 liegt. Im Gefahrenfall kann durch ein Auftrennen der Reihenschaltung der Teilstrings 70a, 70b, 70c mittels der Reihenschalteinrichtung 50 und eine parallele Anordnung der Teilstrings 70a, 70b, 70c mittels der Parallelschalteinrichtung 60 erreicht werden, dass in den elektrischen Verbindungen zwischen dem Wechselrichter 20 und dem Generator 70 nur für den Menschen ungefährliche Spannungsdifferenzen auftreten können, und dass die
photovoltaische Anlage gleichzeitig weiterhin Leistung ins Netz abgeben kann. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erwähnt, weist der Wechselrichter 20 hierzu typischerweise einen
Hochsetzsteller (nicht gezeigt) auf, der die
Betriebsspannung der parallel geschalteten Teilstrings 70a, 70b, 70c in eine ausreichend hohe Spannung zum Einspeisen von Leistung in das Netz 30 umwandeln kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass die photovoltaische Anlage in einen berührungssicheren Zustand versetzt werden kann, ohne den Betrieb der Anlage vollständig einstellen zu müssen. Durch die Erdschließeinrichtung 140 kann dabei zusätzlich
sichergestellt werden, dass an den Anschlüssen der
Teilstrings definierte Potenziale gegenüber Erde vorliegen. Dies kann durch Betätigen der entsprechenden Schalter als Teilmenge der in Figur 2 gezeigten Schalter der
Erdschließeinrichtung 140 bewerkstelligt werden. Es ist hierbei offenkundig, dass bei Verbinden beider Anschlüsse eines Teilstrings mit Erde dieser effektiv kurzgeschlossen werden kann. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 sind alle Schalter der Erdschließeinrichtung über eine
gemeinsame Leitung mit Erde verbunden. Alternativ kann auch jeder Schalter der Erdschließeinrichtung jeweils einzeln mit Erde verbunden sein.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung 50, der
Parallelschalteinrichtung 60 und der Erdschließeinrichtung 140 jeweils in einer gemeinsamen Einheit angeordnet sind. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 sind jedoch jetzt die Reihenschalteinrichtung 50, die Parallelschalteinrichtung 60, die Erdschließeinrichtung 140, die
Kurzschließeinrichtung 110, die DC-Trenneinrichtung 80 und die Steuereinrichtung 40 innerhalb eines Wechselrichtergehäuses 150 angeordnet, wodurch die
Zuverlässigkeit der Funktion dieser Komponenten im
Gefahrenfall erheblich erhöht wird.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung 50, der
Parallelschalteinrichtung 60 und der Erdschließeinrichtung 140 jeweils in einer gemeinsamen Einheit angeordnet sind. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 sind jedoch jetzt die Reihenschalteinrichtung 50, die Parallelschalteinrichtung 60, die Erdschließeinrichtung 140, die
Kurzschließeinrichtung 110, die DC-Trenneinrichtung 80 und die Steuereinrichtung 40 am Generator angeordnet,
insbesondere sind sie Bestandteile des Generators 70.
Hierdurch wird der Verkabelungsaufwand für die
photovoltaische Analage, insbesondere für die Verkabelung zwischen Generator 70 und Wechselrichter 20, gegenüber der Ausführungsvariante gemäß Figur 3 reduziert.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der, wie schon in Figur 4, die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung, der Parallelschalteinrichtung und der Erdschließeinrichtung sowie die Kurzschließeinrichtung 110, die DC- Trenneinrichtung 80 und die Steuereinrichtung 40 am
Generator angeordnet sind, insbesondere sind sie
Bestandteile des Generators 70. Die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung, der Parallelschalteinrichtung und der Erdschließeinrichtung sind jedoch nicht jeweils in einer gemeinsamen Einheit angeordnet, wie bei der
Ausführungsform in Figur 4, sondern in separaten Einheiten 160a, 160b zwischen jeweils zwei Teilstrings 70a, 70b, 70c, das heißt, jede separate Einheit ist mit je einem Anschluss benachbarter Teilstrings verbunden. Figur 5 zeigt auch, dass Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung existieren, bei denen nicht alle Anschlüsse aller
Teilstrings durch die optionale Erdschließeinrichtung mit Erde verbindbar sind.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Schaltelemente Bestandteile des Generators 70 sind. Die Schaltelemente der Reihenschalteinrichtung, der Parallelschalteinrichtung und der Erdschließeinrichtung sind jetzt in separaten, jeweils einem der Teilstrings 70a, 70b, 70c zugeordneten Einheiten 170a, 170b, 170c angeordnet, das heißt, jede Einheit ist mit beiden Anschlüssen jeweils eines Teilstrings verbunden. Die Reihenschalteinrichtung und die
Parallelschalteinrichtung sind hierbei unter Verwendung von Dreifachumschaltern ausgeführt, mit denen je nach
Schalterstellung eine Reihenverschaltung, ein Auftrennen der Reihenverschaltung oder eine Parallelverschaltung der Teilstrings 70a, 70b, 70c realisiert werden kann. Anstelle der Dreifachumschalter können auch Verschaltungen von jeweils zwei einfachen Ein-Aus-Schaltern verwendet werden.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Schaltelemente Bestandteile des Generators 70, das heißt am Generator angeordnet sind und bei der die Schaltelemente der
Reihenschalteinrichtung, der Parallelschalteinrichtung und der Erdschließeinrichtung in separaten, jeweils einem der Teilstrings 70a, 70b, 70c zugeordneten Einheiten 170a, 170b, 170c angeordnet sind, das heißt, jede Einheit ist mit beiden Anschlüssen jeweils eines Teilstrings verbunden. Die Reihenschalteinrichtung, die Parallelschalteinrichtung und die Erdschließeinrichtung sind hier mit besonders geringem Aufwand unter Verwendung von Dreifachumschaltern ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch
insgesamt weniger Schalt zustände möglich als bei den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen, da je nach
Schalterstellung entweder eine Reihenverschaltung der
Teilstrings 70a, 70b, 70c oder einer Parallelverschaltung der Teilstrings 70a, 70b, 70c oder eine Verbindung der Anschlüsse der Teilstrings 70a, 70b, 70c mit Erde vorliegt. Diese Einschränkung kann ebenfalls durch den Einsatz von mehreren Ein-Aus-Schaltern anstelle der Umschalter
überwunden werden.
Darüber hinaus sind viele weitere, hier nicht gezeigte Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, von denen sich die meisten in einfacher Weise durch Variation und/oder Kombination der Anordnungen von
Schaltern, Einheiten und Einrichtungen am Generator 70, im Wechselrichtergehäuse 150 oder zwischen Generator 70 und Wechselrichter 20 aus den zuvor aufgezeigten
Ausführungsbeispielen ergeben. Weiterhin können durch eine Reihenschalteinrichtung in Serie geschaltete Teilstrings auch wieder parallel geschaltet werden, wodurch eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere
Reihensehalteinrichtungen, Parallelschalteinrichtungen, Erdschließeinrichtungen, Kurzschließeinrichtungen und DC- Trenneinrichtungen aufweisen kann.
Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm entsprechend eines
erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird die photovoltaische Anlage bei einer Spannung des Generators 70 betrieben, die oberhalb eines
Gefahrengrenzwertes liegt. Sobald ein Gefahrenfall
detektiert wird (Schritt 210), wird die Spannung des
Generators 70 auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes geregelt (Schritt 220) . Die Regelung der Generatorspannung kann hierbei durch ein Umschalten der Reihenanordnung von Teilstrings 70a, 70b, 70c des
Generators 70 in eine parallele Anordnung, zum Beispiel mittels der Reihenschalteinrichtung 50 und der
Parallelschalteinrichtung 60, erfolgen. Alternativ kann die Regelung der Generatorspannung auch mittels geeigneter Ansteuerung eines Hochsetzstellers erfolgen, der Teil eines Wechselrichters ist, welcher zur Einspeisung der vom
Generator 70 erzeugten Energie in ein Netz 30 vorgesehen ist. Optional kann in einem weiteren Verfahrensschritt 230 eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mindestens eines Anschlusses mindestens eines der Teilstrings 70a, 70b, 70c mit Erde erfolgen. Figur 9 zeigt den Verlauf zweier Leistungskennlinien einer photovoltaischen Anlage als Funktion der Generatorspannung U. Eine erste Kurve 340 zeigt den Verlauf der Leistung P eines Generators in dem Fall, dass die Teilstrings in Serie geschaltet sind. Die maximale Leistung wird an einem
Arbeitspunkt 300 erreicht, bei dem die Generatorspannung einen Wert UMPP oberhalb eines Gefahrengrenzwertes UGG
aufweist. Wenn es aufgrund der Detektion einer
Gefahrensituation notwendig wird, die Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes UGG Z U
regeln, kann der Arbeitspunkt des Generators beispielsweise zu einem Arbeitspunkt 330 verschoben werden, der knapp unterhalb des Gefahrengrenzwertes UGG liegt, wobei die eingespeiste Leistung gegenüber der maximal möglichen
Leistung am Arbeitspunkt 300 reduziert ist. Wenn man die Teilstrings bei Detektion einer
Gefahrensituation von einer Reihenschaltung in eine
Parallelschaltung umkonfiguriert, ergibt sich eine zweite Leistungskennlinie 350, bei der die Generatorspannung in diesem Beispiel im gesamten Verlauf unterhalb des
Gefahrengrenzwertes UGG verbleibt. Hierdurch ist es
möglich, den Generator weiterhin im Punkt maximaler
Leistung 310 zu betreiben, so dass die Einspeisung
elektrischer Energie im Wesentlichen unverändert gegenüber der Reihenschaltung erfolgen kann.
Sofern der Generator in Reihenschaltung verbleibt, das heißt im Gefahrenfall im Arbeitspunkt 330 betrieben wird, ist es erforderlich, bei Trennung des Wechselrichters vom Netz, oder in anderen Fällen, in denen eine weitere
Einspeisung elektrischer Energie in das Netz nicht möglich ist, einen Arbeitspunkt zu erreichen, bei dem der Generator keine Leistung erzeugt und gleichzeitig die
Generatorspannung unterhalb des Gefahrengrenzwertes UGG liegt. Ein solcher Arbeitspunkt ist der Kurzschlusspunkt 320, der durch ein Kurzschließen des Generators erreicht werden kann.
Bezugs zeichenliste :
1 Photovoltaische Anlage
20 Wechselrichter
30 Netz
40 Steuereinrichtung
50 Reihenschalteinrichtung
60 Parallelschalteinrichtung
70 Generator
70a - 70c Teilstrings
80 DC-Trenneinrichtung
110 Kurz schließeinrichtung
120 Verbindungsleitung
130 Verbindungsleitung
140 Erdschließeinrichtung
150 Wechselrichtergehäuse
160a, 160b Einheiten zur Anordnung zwischen Teilstrings
170a - 170c Einheiten zur Anordnung an Teilstrings
200, 210, 220 Verfahrensschritte
230 Verfahrensschritt
300 Erster Arbeitspunkt maximaler Leistung
310 Zweiter Arbeitspunkt maximaler Leistung
320 Kurz Schlusspunkt
330 Dritter Arbeitspunkt
340 Erste Leistungskennlinie
350 Zweite Leistungskennlinie

Claims

Patentansprüche :
1. Photovoltaische Anlage (1) mit einem an einen
Wechselrichter (20) angeschlossenen, eine Anzahl
Teilstrings (70a, 70b, 70c) aufweisenden Generator (70), dadurch gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Anlage (1) eine Steuereinrichtung (40), eine Reihenschalteinrichtung (50) zur Reihenverschaltung der Teilstrings (70a, 70b, 70c) und eine
Parallelschalteinrichtung (60) zur Parallelverschaltung der Teilstrings (70a, 70b, 70c) aufweist, wobei die
Reihenschalteinrichtung (50) über die Steuereinrichtung (40) derart angesteuert wird, dass sie im Gefahrenfall die Reihenverschaltung der Teilstrings (70a, 70b,
70c) auftrennt , und die Parallelschalteinrichtung (60) über die Steuereinrichtung (40) derart angesteuert wird, dass sie im Gefahrenfall die Teilstrings (70a, 70b, 70c) parallel schaltet.
2. Photovoltaische Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die photovoltaische Anlage (1) weiterhin eine Erdschließeinrichtung (140) aufweist, die über die Steuereinrichtung (40) derart ansteuerbar ist, dass sie im Gefahrenfall mindestens einen Anschluss
mindestens eines der Teilstrings (70a, 70b, 70c) mit Erde verbinden kann.
3. Photovoltaische Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrings (70a, 70b, 70c) derart dimensioniert sind, dass deren maximale Spannung kleiner als 120 Volt ist.
4. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (70)
mindestens drei Teilstrings (70a, 70b, 70c) aufweist.
5. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Anlage (1) weiterhin eine Kurzschließeinrichtung (110) aufweist, die über die Steuereinrichtung (40) ansteuerbar ist.
6. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Anlage (1) weiterhin eine DC-Trenneinrichtung (80) aufweist, die über die Steuereinrichtung (40) ansteuerbar ist.
7. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente der
Reihenschalteinrichtung (50), der Parallelschalteinrichtung (60) und/oder der Erdschließeinrichtung (140) jeweils in einer gemeinsamen Einheit angeordnet sind.
8. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente der
Reihenschalteinrichtung (50), der Parallelschalteinrichtung (60) und/oder der Erdschließeinrichtung (140) in separaten Einheiten zwischen jeweils zwei Teilstrings (70a, 70b, 70c) angeordnet sind.
9. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente der
Reihenschalteinrichtung (50), der Parallelschalteinrichtung (60) und/oder der Erdschließeinrichtung (140) in separaten, jeweils einem der Teilstrings (70a, 70b, 70c) zugeordneten Einheiten angeordnet sind.
10. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element aus der Gruppe Reihenschalteinrichtung (50), DC- Trenneinrichtung (80), Kurzschließeinrichtung (110),
Parallelschalteinrichtung (60) und Erdschließeinrichtung (140) ein Relais aufweist.
11. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element aus der Gruppe Reihenschalteinrichtung (50), DC- Trenneinrichtung (80), Kurzschließeinrichtung (110),
Parallelschalteinrichtung (60) und Erdschließeinrichtung (140) einen Halbleiterschalter aufweist.
12. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) zur Erkennung eines einem Gefahrenfall zugeordneten
Betriebszustandes der photovoltaischen Anlage eingerichtet ist.
13. Photovoltaische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) zum Empfang eines einem Gefahrenfall zugeordneten Signals eingerichtet ist, das durch eine Steuerleitung, eine drahtlosen Verbindung oder durch Verbindungsleitungen (120, 130) zu den Teilstrings (70a, 70b, 70c) oder zu einem Netz (30) übertragen wird.
14. Verfahren zur Begrenzung einer Spannung eines
Generators (70) einer photovoltaischen Anlage im
Gefahrenfall, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: - Betrieb der photovoltaischen Anlage bei einer Generatorspannung oberhalb eines Gefahrengrenzwertes;
- Detektion eines Gefahrenfalles;
- Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes in Reaktion auf die Detektion des
Gefahrenfalles .
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes ein Umschalten einer
Reihenanordnung in eine Parallelanordnung von Teilstrings (70a, 70b, 70c) des Generators (70) umfasst.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mindestens eines Anschlusses mindestens eines Teilstrings (70a, 70b, 70c) mit Erde in Reaktion auf die Detektion des Gefahrenfalles umfasst.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes mittels eines Hochsetzstellers erfolgt, der die Generatorspannung auf einen vorgegebenen Eingangsspannungswert eines
Wechselrichters (20) umsetzt.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass einer der folgenden Gefahrenfälle detektiert wird:
- Eintreten einer Inselnetzsituation;
- Erkennung eines Lichtbogens in elektrischen Verbindungen der photovoltaischen Anlage (1); - Erkennung eines Erdschlusses in elektrischen Verbindungen der photovoltaischen Anlage (1);
- Auslösen einer Generatortrenneinrichtung;
- Auslösen einer manuellen Notabschalteinrichtung;
- Ansprechen einer externen Sensoreinrichtung;
- Erkennung gefahrentypischer Veränderungen in den
elektrischen Kenngrößen der photovoltaischen Anlage (1); und
- Empfang eines einem Gefahrenfall zugeordneten weiteren Signals von einer weiteren photovoltaischen Anlage oder einem weiteren Wechselrichter (20), mit der/dem die
photovoltaische Anlage in einer Datenverbindung steht.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrengrenzwert zwischen 60 Volt und 150 Volt liegt.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regelung der
Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des
Gefahrengrenzwertes die photovoltaische Anlage weiterhin eine Leistung in ein Netz (30) einspeist, an das die photovoltaische Anlage angeschlossen ist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes ein
Kurzschließen eines Teilstrings (70a, 70b, 70c) des
Generators (70) umfasst.
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