DE102006023563B4 - Photovoltaic system - Google Patents
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Abstract
Photovoltaik-Anlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an eine gemeinsame Wechselrichterbrücke angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß über Schaltelemente (S1, S2, S11, S12, S21, S22) beeinflußt, zumindest ein DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings (ST1, ST2, ST3) sowie zumindest eines weiteren Strings (ST1, ST2, ST3) beaufschlagbar ist.Photovoltaic system with several strings each comprising several solar cell modules, each of which is assigned a DC / DC converter, the DC / DC converters being connected on the output side to a common inverter bridge, characterized in that switching elements (S1, S2, S11, S12, S21, S22) affects at least one DC / DC converter (DCW1, DCW2, DCW3) on the input side with the total output voltage of a series connection of the string assigned to it (ST1, ST2, ST3) and at least one further string (ST1, ST2, ST3 ) can be acted upon.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an eine gemeinsame Wechselrichterbrücke angeschlossen sind.The present invention relates to a photovoltaic system with several strings each comprising several solar cell modules, each of which is assigned a DC / DC converter, the DC / DC converters being connected on the output side to a common inverter bridge.
Photovoltaik-Anlagen dienen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die beispielsweise zur autonomen Versorgung eines Hauses oder zur Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz vorgesehen sein kann. Als Ausgangsspannung einer Photovoltaik-Anlage ist daher zumeist eine Wechselspannung in Höhe der üblichen Netzspannung und mit der üblichen Netzfrequenz erwünscht.Photovoltaic systems are used to convert solar energy into electrical energy, which can be provided, for example, for the autonomous supply of a house or for feeding into a public power grid. The output voltage of a photovoltaic system is therefore usually an alternating voltage at the level of the usual line voltage and with the usual line frequency.
Die Solarzellenmodule zum Betrieb einer Photovoltaik-Anlage sind üblicherweise miteinander in Reihe zu mehreren sogenannten Strings verschaltet. Diese Strings liefern jeweils eine Gleichspannung, die durch Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler, im folgenden kurz als DC/DC-Wandler bezeichnet, in ihrer Spannungshöhe angepaßt und durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgesetzt wird.The solar cell modules for operating a photovoltaic system are usually connected to one another in series to form several so-called strings. These strings each deliver a direct voltage, the voltage level of which is adjusted by direct voltage / direct voltage converters, hereinafter referred to as DC / DC converters, and converted into alternating voltage by an inverter.
In der deutschen Offenlegungsschrift
Vorteilhaft daran ist, daß jeder String einzeln geregelt werden kann. Dagegen ist nachteilig, daß die Spannungen an den einzelnen Eingängen der DC/DC-Wandler je nach Beschaltung oft zu gering sind und teilweise stark hochgesetzt werden müssen. Ein solcher Betrieb ist für den Wirkungsgrad ungünstig.The advantage of this is that each string can be regulated individually. On the other hand, it is disadvantageous that the voltages at the individual inputs of the DC / DC converter are often too low, depending on the wiring, and sometimes have to be increased significantly. Such an operation is unfavorable for the efficiency.
Problematisch ist zudem, daß die von den Strings erzeugte Spannung von der Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur abhängen und daher zeitlich nicht konstant ist. Darüber hinaus können sich zu einem gegebenen Zeitpunkt die elektrischen Ausgangsgrößen von Strings auch aufgrund unterschiedlicher Anordnung, beispielsweise an verschiedenen Seiten eines Hauses, voneinander unterscheiden.Another problem is that the voltage generated by the strings depends on solar radiation and ambient temperature and is therefore not constant over time. In addition, the electrical output variables of strings can also differ from one another at a given point in time due to their different arrangement, for example on different sides of a house.
Wünschenswert wäre daher eine Photovoltaikanlage, die die variierenden Spannungs- und Leistungsabgaben der Strings automatisch berücksichtigt. Zu vielen Zeitpunkten könnte man die einzelnen Strings in Reihe schalten, da die angeschalteten Strings häufig etwa gleichgroße Ströme liefern. Bei stark unterschiedlichen Strömen sollte auf eine Reihenschaltung verzichtet werden. Ein weiterer Grund, auf die Reihenschaltung zu verzichten, sind sehr hohe Spannungen im Leerlauf, die einen Wechselrichter zerstören können.A photovoltaic system that automatically takes into account the varying voltage and power outputs of the strings would therefore be desirable. The individual strings could be connected in series at many times, since the connected strings often deliver currents of roughly the same size. Series connection should not be used if the currents are very different. Another reason for not connecting in series are very high voltages when idling, which can destroy an inverter.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Schaltung zu entwickeln, die sich flexibel und automatisch an die anliegenden Stringspannungen anpaßt und einen besonders günstigen Betrieb einer Photovoltaik-Anlage ermöglicht.The task is therefore to develop a circuit that adapts flexibly and automatically to the string voltages that are present and enables particularly favorable operation of a photovoltaic system.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß über Schaltelemente beeinflußt, zumindest ein DC/DC-Wandler eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings sowie zumindest eines weiteren Strings beaufschlagbar ist.The object is achieved in that, influenced by switching elements, at least one DC / DC converter can be supplied on the input side with the total output voltage of a series connection of the string assigned to it and at least one further string.
Im Detail besteht die Lösung darin, daß einerseits zwischen den verschiedenen DC/DC-Wandlern Schaltelemente zur Kopplung angeordnet sind, andererseits in die DC/DC-Wandler Schaltelemente eingebaut sind, die es ermöglichen, den einzelne DC/DC-Wandler mit der Masse vom Zwischenkreis des Wechselrichters zu trennen.In detail, the solution is that on the one hand switching elements for coupling are arranged between the various DC / DC converters, and on the other hand switching elements are built into the DC / DC converters that allow the individual DC / DC converters to be connected to the ground Disconnect the intermediate circuit of the inverter.
Eine solche Schaltung kann den Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage unter vielen Betriebsbedingungen deutlich erhöhen und die Verlustleistung verringern. Vorteilhafterweise ist es damit auch möglich, die Kühlkörper der Wechselrichter und damit die zur Photovoltaik-Anlage gehörende Wandleranlage erheblich kleiner zu dimensionieren und so erhebliche Kosten einzusparen.Such a circuit can significantly increase the efficiency of a photovoltaic system under many operating conditions and reduce the power loss. It is thus advantageously also possible to dimension the heat sinks of the inverters and thus the converter system belonging to the photovoltaic system to be considerably smaller and thus to save considerable costs.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.Further advantageous refinements and developments of a photovoltaic system according to the invention are listed in the dependent claims.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger schematischer Schaltbilder dargestellt und näher erläutert.The invention is illustrated and explained in more detail below with the aid of a few schematic circuit diagrams.
Es zeigen
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1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage, -
2 einige vorteilhafte Ausführungsvarianten der in der1 dargestellten Schaltelemente.
-
1 a schematic diagram of a photovoltaic system according to the invention, -
2 some advantageous variants of the in the1 switching elements shown.
Das Schaltungsprinzip einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage zeigt die
Die DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) sind eingangsseitig jeweils mit einem, aus mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaikelementen bestehenden String (ST1, ST2, ST3) verbunden. Die einzelnen DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) sind hier als einfache Aufwärts-Schaltwandler ausgeführt, die nach einen bekannten Funktionsprinzip arbeiten. Durch eine getaktete Ansteuerung eines Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) liegt die Eingangsspannung des Schaltwandlers periodisch an einer Speicherdrossel (L1, L2, L3) an. Die in den Einschaltphasen des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) in der Speicherdrossel (L1, L2, L3) gespeicherte elektrische Energie wird in den Sperrphasen des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) über eine Diode (D1, D2, D3) auf einen Ausgangskondensator (C) übertragen. Die Ausgangsspannung des Schaltwandlers steigt dabei in Abhängigkeit vom Tastverhältnis bei der Ansteuerung des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) auf einen Wert an, der höher als der Wert der Eingangsspannung ist.The DC / DC converters (DCW1, DCW2, DCW3) are each connected on the input side to a string (ST1, ST2, ST3) consisting of several photovoltaic elements connected in series. The individual DC / DC converters (DCW1, DCW2, DCW3) are designed here as simple step-up switching converters that work according to a known functional principle. With a clocked control of a circuit breaker (LS1, LS2, LS2), the input voltage of the switching converter is periodically applied to a storage choke (L1, L2, L3). The electrical energy stored in the storage choke (L1, L2, L3) in the switch-on phases of the circuit breaker (LS1, LS2, LS2) is used in the blocking phases of the circuit breaker (LS1, LS2, LS2) via a diode (D1, D2, D3) an output capacitor (C). The output voltage of the switching converter increases depending on the duty cycle when the power switch (LS1, LS2, LS2) is activated to a value that is higher than the value of the input voltage.
Die Ansteuerung der Leistungsschalter (LS1, LS2, LS2) erfolgt durch eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von elektrischen Größen, und zwar insbesondere den an den DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) anliegenden Eingangsspannungen, die Leistungsschalter steuert. Die Steuereinrichtung dient darüber hinaus zur Erfassung der Eingangsströme der DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3), sowie zur Ansteuerung der nachfolgend beschriebenen Schaltelemente. Besonders einfach und vorteilhaft kann eine solche Steuereinrichtung durch eine einen Microcontroller beinhaltende Schaltungsanordnung ausgeführt sein.The circuit breakers (LS1, LS2, LS2) are controlled by a control device, not shown here, which controls the circuit breakers as a function of electrical parameters, in particular the input voltages applied to the DC / DC converters (DCW1, DCW2, DCW3) . The control device is also used to record the input currents of the DC / DC converters (DCW1, DCW2, DCW3) and to control the switching elements described below. Such a control device can be designed in a particularly simple and advantageous manner by a circuit arrangement containing a microcontroller.
Die erwähnten Schaltelemente (S11, S12, S21, S22), die durch die Steuereinrichtung betätigt werden können, sind in der
Es sei zunächst angenommen, die Schaltelemente S11 und S21 seien geschlossen und die Schaltelemente S12 und S22 seien geöffnet. In diesem Fall arbeiten die drei DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) unabhängig voneinander, wobei deren Ausgangsspannungen parallel an den Zwischenkreisleitungen (
Ist dies nicht der Fall, so ist es vorteilhafter, einen Betrieb mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Strings (ST1, ST2 , ST3) vorzusehen. Angenommen der erste und der zweite String (ST1, ST2) liefert jeweils eine Spannung, die sich nicht mit einem guten Wirkungsgrad in die Zwischenkreisspannung (UZK) wandeln läßt, während die Summe der beiden Spannungen einen diesbezüglich ausreichenden Wert ergäbe. In diesem Fall ist es günstig, die beiden String (ST1, ST2) zueinander in Reihe zu schalten und mit deren Ausgangsspannung eingangsseitig einen der DC/DC-Wandler (DCW1) zu beaufschlagen.If this is not the case, it is more advantageous to provide for operation with at least two strings (ST1, ST2, ST3) connected in series. Assuming the first and the second string (ST1, ST2) each deliver a voltage that cannot be converted into the intermediate circuit voltage (UZK) with good efficiency, while the sum of the two voltages would result in a sufficient value in this regard. In this case it is beneficial to connect the two strings (ST1, ST2) in series with one another and to apply their output voltage to one of the DC / DC converters (DCW1) on the input side.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Steuereinrichtung das Schaltelement S11 öffnet und das Schaltelement S12 schließt. Dadurch sind die an den DC/DC-Wandlern DCW1 und DCW2 anliegenden Strings ST1 und ST2 in Reihe geschaltet, wobei deren positives Potential über die Plusleitung des DC/DC-Wandlers DCW1, also die Speicherdrossel L1 und die Diode D1 an die Plusleitung (
Da der Leistungsschalter LS1 des DC/DC-Wandlers DCW1 ebenfalls mit der Masseleitung (
Diese Betriebsart ist vorteilhaft, wenn die an den DC/DC-Wandlern anliegende Stringspannungen gering sind und daher nur mit einen relativ schlechten Wirkungsgrad in die Zwischenkreisspannung (UZK) gewandelt werden können. Durch diese Schaltung müssen die Spannungen der einzelnen Strings weniger hoch gesetzt werden als ohne Reihenschaltung. Der Wechselrichter arbeitet mit deutlich besserem Wirkungsgrad, erzeugt weniger Wärme, regelt daher weniger häufig ab, und kann so wirtschaftlicher arbeiten.This operating mode is advantageous if the string voltages applied to the DC / DC converters are low and can therefore only be converted into the intermediate circuit voltage (UZK) with a relatively poor degree of efficiency. With this connection, the voltages of the individual strings do not have to be set as high as without a series connection. The inverter works with significantly better efficiency, generates less heat and therefore regulates less frequently, and can therefore work more economically.
Entsprechend können auch die Strings (ST2, ST3) der DC/DC-Wandler DCW2 und DCW3 zeitweise in Reihe geschaltet werden oder auch alle drei Strings (ST1, ST2, ST3) gemeinsam.Correspondingly, the strings (ST2, ST3) of the DC / DC converters DCW2 and DCW3 can also be connected in series at times, or all three strings (ST1, ST2, ST3) together.
Der Vorgang zum Umschalten kann so ausgeführt werden, daß der Wechselrichter jeweils mit den einzelnen DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) getrennt anläuft. Nachdem die Leerlaufspannung verlassen wurde und eine niedrigere Spannung an jedem DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) erreicht wurde, kann umgeschaltet werden. Bei Umschalten während des Betriebs ist darauf zu achten, daß zunächst der „untere“, d. h. näher an Masse liegende DC/DC-Wandler nicht mehr getaktet wird und anschließend schnell umgeschaltet wird.The switching process can be carried out in such a way that the inverter is connected to the individual DC / DC converters (DCW1, DCW2, DCW3) starts up separately. After the open circuit voltage has been exited and a lower voltage has been reached at each DC / DC converter (DCW1, DCW2, DCW3), you can switch over. When switching over during operation, make sure that initially the "lower" DC / DC converter, ie closer to ground, is no longer clocked and is then switched over quickly.
Ein sinnvolles Kriterium für das Umschalten von Einzelbetrieb auf Reihenschaltung ist, daß etwa gleichgroße Ströme durch die zu schaltenden Strings (ST1, ST2, ST3) fließen und daß die Summe der einzelnen Spannungen kleiner ist als die maximal zulässige Spannung.A useful criterion for switching from individual operation to series connection is that currents of approximately the same size flow through the strings to be switched (ST1, ST2, ST3) and that the sum of the individual voltages is less than the maximum permissible voltage.
Besonders vorteilhaft ist, wenn für jeden String (ST1, ST2, ST3) die Betriebsdaten, wie Eingangsspannung, Ausgangsstrom bzw. Ausgangsleistung, einzeln abgetastet werden können, insbesondere auch bei Reihenschaltung der Strings. Dazu können die Stromwerte direkt, die Spannungswerte durch einfache Subtraktion der einzelnen Spannungswerte ermittelt werden. Außerdem ist es dadurch möglich, den optimalen Arbeitspunkt jedes String auch in einer Reihenschaltung einzeln zu überwachen. Somit kann bei Reihenschaltung auf einfache Weise präzise erkannt werden, ob Einzelbetrieb sinnvoller und wirtschaftlicher ist. Bei Bedarf kann also schnell reagiert werden. Solche Situationen treten in der Regel bei einer Teilverschattung der Photovoltaik-Strings auf.It is particularly advantageous if the operating data, such as input voltage, output current or output power, can be scanned individually for each string (ST1, ST2, ST3), especially when the strings are connected in series. For this purpose, the current values can be determined directly, the voltage values by simply subtracting the individual voltage values. This also makes it possible to individually monitor the optimal working point of each string in a series connection. In this way, when connected in series, it can be precisely identified in a simple manner whether individual operation is more sensible and economical. If necessary, you can react quickly. Such situations usually occur when the photovoltaic strings are partially shaded.
Kriterium für das Aufheben der Reihenschaltung ist also, daß bei Einzelbetrieb je String mehr Energie erwirtschaftet werden kann. Dieses kann z. B. durch geeignete Algorithmen ermittelt werden. Die hier beschriebene Schaltung kann damit die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen deutlich erhöhen.The criterion for canceling the series connection is that more energy can be generated for each string in individual operation. This can e.g. B. be determined by suitable algorithms. The circuit described here can significantly increase the profitability of photovoltaic systems.
Die in der
Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltelemente sind in der
Eine besonders einfache Möglichkeit zur Realisierung der Schaltelemente zeigt die
Mit einem Schaltelement S2, welches einen zusätzlichen Umschaltkontakt aufweist (
Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht darin, die Schaltelemente (S1, S2) als Feldeffekttransistoren auszuführen (
Eine ausschließliche Verwendung von Relaiskontakten als Schaltelemente (S1, S2) sei ebenfalls erwähnt (
Zur Ausbildung der Schaltelemente kann auch eine Kombination eines Feldeffekttransistors und eines Relais vorgesehen werden, wobei der Feldeffekttransistor lediglich eine hohe Spannungsfestigkeit besitzen muß und den Strom nur für eine sehr kurze Zeit, typischerweise einige Millisekunden, führt. Umgekehrt muß das Relais nicht für hohe Schaltspannungen ausgelegt werden, sondern lediglich für die entsprechenden Ströme, da der Schaltvorgang selbst durch den Feldeffekttransistor oder durch eine Diode bewirkt wird. Damit wird zusätzlich das kostenintensive Schalten von Gleichspannungen über Relais stark vereinfacht.A combination of a field effect transistor and a relay can also be provided to form the switching elements, the field effect transistor only needing to have a high dielectric strength and only carry the current for a very short time, typically a few milliseconds. Conversely, the relay does not have to be designed for high switching voltages, but only for the corresponding currents, since the switching process itself is effected by the field effect transistor or by a diode. This also greatly simplifies the costly switching of direct voltages via relays.
Zum Umschalten ist es besonders vorteilhaft, wenn der Leistungsschalter des unteren DC/DC-Wandlers zunächst so getaktet wird, daß die Spannung des Strings gegen Null läuft. In diesem Fall sind die Schalter während des Schaltvorganges nur geringen Spannungen ausgesetzt.For switching, it is particularly advantageous if the power switch of the lower DC / DC converter is initially clocked so that the voltage of the string approaches zero. In this case, the switches are only exposed to low voltages during the switching process.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- CC.
- AusgangskondensatorOutput capacitor
- D1, D2, D3D1, D2, D3
- DiodenDiodes
- L1, L2, L3L1, L2, L3
- SpeicherdrosselnStorage chokes
- ST1, ST2, ST3ST1, ST2, ST3
- StringsStrings
- DCW1, DCW2, DCW3DCW1, DCW2, DCW3
- DC/DC-WandlerDC / DC converter
- LS1, LS2, LS3LS1, LS2, LS3
- LeistungsschalterCircuit breaker
- WRWR
- WechselrichterbrückeInverter bridge
- S1, S11, S21S1, S11, S21
- (erste) Schaltelemente(first) switching elements
- S2, S12, S22S2, S12, S22
- (zweite) Schaltelemente(second) switching elements
- UZKUCC
- ZwischenkreisspannungDC link voltage
- ZK -ZK -
- Zwischenkreisleitung (Masse)DC link line (ground)
- ZK +ZK +
- Zwischenkreisleitung (Plus)DC link line (plus)
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