DE102017107801A1 - Photovoltaic system, DC hybrid switching device, use and method for turning on and off a photovoltaic string - Google Patents
Photovoltaic system, DC hybrid switching device, use and method for turning on and off a photovoltaic string Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage (1) mit einer Schalteinrichtung (38) zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung zum benutzergesteuerten An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), die Verwendung eines Hybridschalters (S1) zum Schalten eines Photovoltaik-Strangs (10), sowie ein Verfahren zum Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) der Photovoltaik-Anlage (1). Die Photovoltaik-Anlage (1) umfasst:
zumindest einen Photovoltaik-Strang (10), wobei der zumindest eine Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung erzeugen,
eine Schalteinrichtung (38), welche seriell in die Strangleitung eingebaut ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten,
wobei die Schalteinrichtung (38) einen Hybridschalter (S1) mit einem Relais (54) und einer parallel zu dem Relais (54) geschalteten Halbleiterschalteinrichtung (50) mit zumindest einem Halbleiterschalter umfasst.
The invention relates to a photovoltaic system (1) with a switching device (38) for switching on and off at least one photovoltaic string (10), an electronically controlled DC hybrid switching device for user-controlled switching on and off of at least one photovoltaic string ( 10), the use of a hybrid switch (S1) for switching a photovoltaic string (10), and a method for switching off and on again at least one photovoltaic string (10) of the photovoltaic system (1). The photovoltaic system (1) comprises:
at least one photovoltaic string (10), wherein the at least one photovoltaic string is formed by photovoltaic modules (12), which are connected in series with one another by means of a string line and thus generate a string voltage,
a switching device (38), which is installed in series in the strand line, in order to switch on and off the at least one photovoltaic string with the switching device (38),
wherein the switching device (38) comprises a hybrid switch (S1) with a relay (54) and a semiconductor switching device (50) connected in parallel with the relay (54) with at least one semiconductor switch.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs, eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung zum benutzergesteuerten An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs, die Verwendung eines Hybridschalters zum Schalten eines Photovoltaik-Strangs, sowie ein Verfahren zum Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs der Photovoltaik-Anlage.The invention relates to a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string, an electronically controlled DC hybrid switching device for user-controlled switching on and off of at least one photovoltaic string, the use of a hybrid switch for switching a photovoltaic Strand, as well as a method for switching off and on again at least one photovoltaic string of the photovoltaic system.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Eine Photovoltaik-Anlage umfasst typischerweise eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, welche zu Strängen, manchmal auch als „Strings“ bezeichnet, in Serie geschaltet sind, um eine nominelle Photovoltaik-Generatorgleichspannung von typischerweise derzeit bis zu 1000 Volt oder sogar 1500 Volt zu erreichen. Ferner werden je nach Anzahl der zusammen geschalteten Photovoltaik-Module und deren Einzelspannung wiederum ggf. mehrere der Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet, von denen jeder Photovoltaik-Strang beispielsweise einen nominellen Strom von 10 A erzeugen kann. Wenn mehrere Stränge parallel geschaltet werden, wird dies auch als Multistrang- oder Multistringverschaltung bezeichnet.A photovoltaic system typically includes a plurality of photovoltaic modules connected in series, sometimes called "strings", in series to achieve a nominal photovoltaic generator DC voltage of typically currently up to 1000 volts or even 1500 volts. Further, depending on the number of interconnected photovoltaic modules and their individual voltage in turn, if necessary, several of the photovoltaic strings connected in parallel, of which each photovoltaic string can produce, for example, a nominal current of 10A. When multiple strings are connected in parallel, this is also referred to as multistream or multi-string interconnection.
Aufgrund der hohen Spannung und der hohen Ströme im Gleichspannungsteil der Photovoltaik-Anlage, besteht bei Wartung oder bei Störfällen, wie z.B. bei einem Brand, die Gefahr, dass Personen lebensgefährlichen Spannungen ausgesetzt sein könnten.Due to the high voltage and the high currents in the DC part of the photovoltaic system, there is maintenance or incidents such. in the event of a fire, the risk of people being exposed to life-threatening tensions.
Daher wurden Photovoltaik-Modul-Schutzschaltungen entwickelt, mit welchen die Photovoltaik-Module einzeln abgeschaltet werden können (vgl.
In der
In einer deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin, eingereicht am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung, ist eine Strangabschaltvorrichtung zur Einzelstrangabschaltung in einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage beschrieben.In a German patent application of the same Applicant, filed on the same date as the present application, a Strandabschaltvorrichtung for single strand shutdown is described in a multi-strand photovoltaic system.
Die vorliegende Erfindung baut hierauf auf, weshalb der Offenbarungsgehalt der
Um z.B. einen Photovoltaik-Strang aus einem Verbund einer Parallelschaltung von Strängen bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage elektrisch zu trennen, ist ein geeigneter DC-Trenner erforderlich.For example, To electrically separate a photovoltaic string from a composite of a parallel circuit of strings in a multi-strand photovoltaic system, a suitable DC isolator is required.
Zwar weist eine Photovoltaik-Anlage typischerweise im sogenannten Generatoranschlusskasten einen DC-Haupttrennschalter auf, allerdings lässt sich hiermit, z.B. bei Schäden durch Feuer, Wasser, Hagel etc. an den Solarpaneelen oder an den Anschlussleitungen nicht der Bereich vor dem Generatoranschlusskasten freischalten. Ferner sind derartige DC-Haupttrennschalter im Generatoranschlusskasten typischerweise handbetätigt, so dass eine übergeordnete Fernsteuerung typischerweise nicht möglich ist. Außerdem sind solche handbetätigten DC-Haupttrennschalter vom Bauvolumen her groß und kostenintensiv. Es sind auch motorbetriebene Notschalter bekannt, allerdings sind diese ebenfalls platz- und kostenintensiv. Eine selektive Freischaltung einzelner Photovoltaik-Stränge ist hiermit im Übrigen gar nicht möglich.Although a photovoltaic system typically has a DC main circuit breaker in the so-called generator junction box, it can be used, e.g. in the case of damage caused by fire, water, hail etc. on the solar panels or on the connection lines, do not disconnect the area in front of the generator junction box. Furthermore, such DC main circuit breakers in the generator junction box are typically manually operated, so that higher-level remote control is typically not possible. In addition, such hand-operated DC main circuit breaker are large in size and costly. There are also motorized emergency switch known, but these are also space and cost intensive. A selective activation of individual photovoltaic strings is by the way not possible.
Nichtsdestotrotz ist bei Schaltvorgängen innerhalb eines Photovoltaik-Generators typischerweise eine Kombination aus hoher DC-Strangspannung und hohem DC-Strangstrom zu schalten. Beim Schalten einer hohen Gleichspannung und eines hohen Gleichstroms kann es anders als bei einer Anwendung mit Wechselspannung aufgrund der fehlenden Nulldurchgänge zu einem nicht verlöschenden Lichtbogen kommen. Bei einer üblichen Wechselspanungsfrequenz würde ein Lichtbogen typischerweise spätestens nach 10 ms von alleine wieder verlöschen.Nonetheless, in switching operations within a photovoltaic generator, typically a combination of high DC string voltage and high DC string current is to be switched. When switching a high DC voltage and a high DC current, it may come to a non-extinguishing arc due to the missing zero crossings, unlike an AC application. at a typical alternating voltage frequency would typically extinguish an arc at the latest after 10 ms by itself.
Aus der
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass mit der hier offenbarten Schalteinrichtung Photovoltaik-Generatoren im Gleichstromteil (DC-Teil), teilweise oder vollständig, sicher und verlustleistungsarm an- und abgeschaltet bzw. elektrisch getrennt und wieder verbunden werden können.The present invention is based inter alia on the finding that with the switching device disclosed here photovoltaic generators in the DC part (DC part), partially or completely, safely and loss of power on and off or electrically disconnected and can be reconnected.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs bereit zu stellen, wobei die Schalteinrichtung bei den in Photovoltaik-Anlagen typischen DC-Strangspannungen und DC-Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig ist, sowie eine geringe Verlustleistung aufweist und in kleinem Bauraum untergebracht werden kann.The object of the present invention has been made to provide a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string, the switching device at the typical in photovoltaic systems DC line voltages and DC line currents cost, reliable and durable, and has a low power loss and can be accommodated in a small space.
Eine weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs bereit zu stellen, die hohen Sicherheitsanforderungen genügt, wartungs- und reparaturfreundlich ist und komfortabel für den Benutzer zu bedienen ist.Another aspect of the object of the invention is to provide a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string that meets high safety requirements, is easy to maintain and repair and is comfortable for the user to use.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, das eine hohe Sicherheit und Flexibilität, z.B. bei der Wartung bietet und für den Benutzer komfortabel zu bedienen ist.A further aspect of the object of the invention is to provide a method for switching on and off at least one photovoltaic string of a photovoltaic system, which has high safety and flexibility, e.g. offers maintenance and is comfortable for the user to use.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung zur Durchführung von Schaltvorgängen im DC-Teil einer Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, welche bei den in Photovoltaik-Anlagen typischen Strangspannungen und Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig ist, sowie gleichzeitig eine geringe Verlustleistung aufweist und in kleinem Bauraum untergebracht werden kann, und mit welcher ggf. vorhandene Photovoltaik-Anlagen nachgerüstet werden können.Another aspect of the object of the invention is to provide an electronically controlled DC hybrid switching device for performing switching operations in the DC part of a photovoltaic system, which is cost-effective, reliable and durable at the typical in photovoltaic systems strand voltages and strand currents is, and at the same time has a low power loss and can be accommodated in a small space, and with which any existing photovoltaic systems can be retrofitted.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.The object of the invention is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit zumindest einem Strang oder Photovoltaik-Strang, welcher durch eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen gebildet wird, die mittels einer Strangleitung seriell miteinander verbunden sind, um die erwünschte Strangspannung zu erzeugen und photovoltaisch erzeugte elektrische Leistung mit der erwünschten Strangspannung und einem erwünschten Strangstrom an einen Stromabnehmer, z.B. einen Wechselrichter (manchmal auch als Solar-Inverter bezeichnet) zu liefern. Die Photovoltaik-Anlage kann aber auch ohne Wechselrichter, z.B. an eine Ladeeinheit als Stromabnehmer angeschlossen sein. Derzeit sind gemäß Schutzklasse II Strangspannungen bis zu 1000 V DC möglich. An einer weiteren Erhöhung auf bis zu 1500 V DC, dem Grenzwert der Niederspannungsdefinition nach VDE0100 wird gearbeitet. Im Rahmen der Erfindung sollen also DC-Strangspannungen geschaltet, die ein Vielfaches der Spannung eines einzelnen Photovoltaik-Moduls betragen.The invention relates to a photovoltaic system with at least one strand or photovoltaic strand, which is formed by a plurality of photovoltaic modules, which are connected to each other in series by means of a stranded line to produce the desired strand voltage and photovoltaically generated electrical power with the desired Strand voltage and a desired string current to a current collector, eg to supply an inverter (sometimes called a solar inverter). The photovoltaic system can also be used without an inverter, e.g. be connected to a charging unit as a pantograph. Currently, according to protection class II, phase voltages of up to 1000 V DC are possible. A further increase to up to 1500 V DC, the limit value of the low-voltage definition according to VDE0100, is being worked on. In the context of the invention, therefore, DC strand voltages are to be switched, which amount to a multiple of the voltage of a single photovoltaic module.
Die Photovoltaik-Anlage umfasst eine Schalteinrichtung, welche seriell in die Strangleitung eingebaut ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung an- und abzuschalten, d.h. den zumindest einen Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer, z.B. von einem zentralen Sammelpunkt oder von einem Wechselrichter, elektrisch zu trennen.The photovoltaic system comprises a switching device, which is installed in series in the strand line to turn on and off the at least one photovoltaic string with the switching device, i. the at least one photovoltaic string from the current collector, e.g. from a central collection point or from an inverter to electrically disconnect.
Die Schalteinrichtung umfasst einen Hybridschalter mit einem, insbesondere elektromechanischen, Relais und einer parallel zu dem Relais geschalteten Halbleiterschalteinrichtung, welche insbesondere zumindest einen, vorzugsweise zwei Halbleiterschalter bzw. Transistoren aufweist. Dadurch können die Schaltvorgänge, bei denen die Strangspannung geschaltet werden muss, von der Halbleiterschalteinrichtung vollzogen werden und das Relais entlastet die Halbleiterschalteinrichtung von dem Strangstrom, wenn das Relais im Dauerbetrieb geschlossen ist. Mit anderen Worten wird einerseits mit dem Relais beim An- und Abschalten lediglich die verbleibende Restspannung über der Halbleiterschalteinrichtung geschaltet und andererseits kommutiert das Relais auf Grund seines geringen Durchleitwiderstands nahezu vollständig den von dem zumindest einen Photovoltaik-Strang erzeugten Strangstrom.The switching device comprises a hybrid switch with a, in particular electromechanical, relay and a parallel to the relay connected semiconductor switching device, which in particular has at least one, preferably two semiconductor switches or transistors. As a result, the switching operations in which the strand voltage must be switched, are performed by the semiconductor switching device and the relay relieves the semiconductor switching device of the string current when the relay in Continuous operation is closed. In other words, on the one hand with the relay when switching on and off only the remaining voltage across the semiconductor switching device connected and on the other commutes the relay due to its low resistance almost completely generated by the at least one photovoltaic string strand current.
Beim Anschalten des Photovoltaik-Strangs schaltet also insbesondere die Halbleiterschalteinrichtung den Photovoltaik-Strang zunächst alleine an, wobei das Relais geöffnet ist und zunächst auch noch geöffnet bleibt. Nach einer gewissen Zeitverzögerung wird dann bei vorher bereits geschlossener Halbleiterschalteinrichtung zusätzlich das Relais geschlossen, sodass die Halbleiterschalteinrichtung durch das parallel geschaltete später geschlossene Relais von dem Stromfluss entlastet wird. Dadurch braucht das Relais lediglich eine geringe Spannung zu schalten und die Halbleiterschalteinrichtung braucht den Strangstrom allenfalls kurzzeitig und nicht dauerhaft zu tragen. Dadurch können günstige Standardhalbleiterschalter und Standardrelais verwendet werden und die Verlustleistung im Dauerbetrieb kann trotzdem gering gehalten werden. Das Abschalten erfolgt in umgekehrter Reihenfolge; erst wird das Relais bei noch geschlossener Halbleiterschalteinrichtung geöffnet und nach einer gewissen Zeitverzögerung wird bei vorher bereits geöffnetem Relais die Halbleiterschalteinrichtung geöffnet. Mit anderen Worten wird nach dem Öffnen des Relais der zumindest ein Photovoltaik-Strang abgeschaltet, indem zusätzlich die Halbleiterschalteinrichtung geöffnet wird.When switching on the photovoltaic string so in particular the semiconductor switching device first switches on the photovoltaic string alone, the relay is open and initially also remains open. After a certain time delay, the relay is then additionally closed in the case of previously closed semiconductor switching device, so that the semiconductor switching device is relieved of the current flow by the later-closed relay connected in parallel. As a result, the relay only needs to switch a low voltage and the semiconductor switching device needs to carry the string current at best for a short time and not permanently. As a result, cheap standard semiconductor switch and standard relay can be used and the power loss in continuous operation can still be kept low. The shutdown takes place in reverse order; first the relay is opened with the semiconductor switching device still closed and after a certain time delay the semiconductor switching device is opened when the relay has already been opened. In other words, after opening the relay, the at least one photovoltaic string is switched off by additionally opening the semiconductor switching device.
Die Schalteinrichtung ist im Gleichstromteil des Photovoltaik-Generators, vorzugsweise vor dem zentralen Sammelpunkt eingebaut und schaltet hier den zumindest einen Photovoltaik-Strang an und ab. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass genau eine Schalteinrichtung genau einen Photovoltaik-Strang schaltet. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass mehrere parallel geschaltete Photovoltaik-Stränge gemeinsam von derselben Schalteinrichtung geschaltet werden und auch dass der Photovoltaik-Generator nur einen Photovoltaik-Strang aufweist. Allgemein wird demnach ein Teil des oder der gesamte Photovoltaik-Generator von der Schalteinrichtung geschaltet. Es handelt sich jedoch insbesondere nicht um eine Schaltung auf Modulebene bei einer geringen Modulspannung, sondern um eine Schaltung einer Mehrzahl von im Photovoltaik-Strang seriell verbundenen Photovoltaik-Modulen, was die hohe Schaltspannung erfordert. Demnach ist die Schalteinrichtung zwischen der Mehrzahl seriell verbundener Photovoltaik-Module und dem Stromabnehmer, z.B. dem Wechselrichter bzw. zwischen der Mehrzahl seriell verbundener Photovoltaik-Module und einem Generatoranschlusskasten angeordnet. Die Schalteinrichtung ist elektronisch und damit extern triggerbar. Daher kann die Schalteinrichtung, oder bei Vorliegen mehrerer Schalteinrichtungen können die Schalteinrichtungen, vom Benutzer ferngesteuert getriggert werden, was gegenüber einem konventionellen Handbetätigten DC-Trenner im Generatoranschlusskasten vorteilhaft ist.The switching device is installed in the DC part of the photovoltaic generator, preferably in front of the central collection point and switches on here the at least one photovoltaic string on and off. However, the invention is not limited to the fact that exactly one switching device switches exactly one photovoltaic string. It is also within the scope of the invention that a plurality of parallel-connected photovoltaic strings are connected in common by the same switching device and also that the photovoltaic generator has only one photovoltaic string. Generally, therefore, a part of or the entire photovoltaic generator is switched by the switching device. However, it is in particular not a circuit at the module level at a low module voltage, but a circuit of a plurality of photovoltaic string connected in series photovoltaic modules, which requires the high switching voltage. Thus, the switching device is connected between the plurality of serially connected photovoltaic modules and the current collector, e.g. the inverter or between the plurality of serially connected photovoltaic modules and a generator junction box. The switching device is electronic and thus externally triggerable. Therefore, the switching device, or in the presence of multiple switching devices, the switching devices can be triggered remotely by the user, which is advantageous over a conventional hand-operated DC disconnector in the generator junction box.
Die Schalteinrichtung ist in vorteilhafter Weise trotz der in Photovoltaik-Anlagen typischen DC-Strangspannungen und DC-Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig, und weist eine geringe Verlustleistung auf. Sie kann insbesondere in kleinem Bauraum untergebracht werden.The switching device is advantageously, despite the typical in photovoltaic systems DC strand voltages and DC line currents cost, reliable and durable, and has a low power dissipation. It can be accommodated in particular in a small space.
In vorteilhafter Weise wird somit eine Photovoltaik-Anlage bereit gestellt, welche es ermöglicht, zumindest einen Photovoltaik-Strang benutzergesteuert und ggf. elektronisch getriggert an-und abzuschalten, was komfortabel ist und hohe Sicherheitsstandards gewährleistet, sowie wartungs- und reparaturfreundlich ist.Advantageously, a photovoltaic system is thus provided, which makes it possible to turn on and off at least one photovoltaic line user-controlled and possibly electronically triggered, which is comfortable and ensures high safety standards, and is maintenance and repair friendly.
Die Schalteinrichtung wird vorzugsweise in die Strangverkabelung eingesetzt. Insbesondere wird die Schalteinrichtung von einer Photovoltaik-Modul-überbergreifenden Strangbox, vorzugsweise mit einem (Kunststoff)-Gehäuse beherbergt, und diese Strangbox wird in die Strangverkabelung zwischen die Serienschaltung der Photovoltaik-Module und den Stromabnehmer eingesetzt. Die Strangbox kann am Eingang und/oder Ausgang Steckverbinder zum lösbaren Einsetzen in die Strangleitung sowie zum Nachrüsten aufweisen. Dadurch ist sogar das Nachrüsten bestehender Photovoltaik-Anlagen möglich.The switching device is preferably used in the strand cabling. In particular, the switching device is accommodated by a photovoltaic module-overlapping strand box, preferably with a (plastic) housing, and this strand box is inserted into the strand cabling between the series connection of the photovoltaic modules and the current collector. The strand box may have at the input and / or output connector for releasable insertion into the strand line and for retrofitting. As a result, even the retrofitting of existing photovoltaic systems is possible.
Die Schalteinrichtung kann in eine Strangbox, z.B. in eine Startbox gemäß der
Der Benutzer kann z.B. an einem externen Schalter an der Photovoltaik-Modul-überbergreifenden Strangbox den zugehörigen Photovoltaik-Strang abschalten oder der Benutzer sendet von einer zentralen Steuerung der Multistrang-Photovoltaik-Anlage selektiv an eine, einzelne, mehrere oder alle Strangboxen ein Abschalt-Triggersignal, wobei in Ansprechen hierauf die zugehörige Schalteinrichtung bzw. die zugehörigen Schalteinrichtungen den bzw. die zugehörigen Photovoltaik-Stränge abschaltet bzw. abschalten.The user can e.g. switch off the associated photovoltaic string at an external switch on the photovoltaic module cross-strand box or the user sends from a central control of the multi-strand photovoltaic system selectively to one, single, multiple or all strand boxes a shutdown trigger signal, wherein in response then switch off the associated switching device or the associated switching devices or the associated photovoltaic strings or switch off.
Der Benutzer kann also in vorteilhafter Weise lokal am zugehörigen Photovoltaik-Strang und/oder zentral Anlagenseitig, insbesondere aber Photovoltaik-Modul-überbergreifend gesteuert, gezielt den oder die gewünschten Photovoltaik-Stränge abschalten bzw. deren stromführende Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt bzw. Wechselrichter trennen.The user can thus advantageously locally on the associated photovoltaic strand and / or centrally on the plant side, but in particular but photovoltaic module cross-controlled controlled, the targeted or the switch off desired photovoltaic strings or separate their current-carrying connection to the central collection point or inverter.
Die Schalteinrichtung schaltet vorzugsweise entweder den Pluspolleiter oder den Minuspolleiter und trennt damit den elektrischen Stromkreis des zumindest einen Photovoltaik-Strangs. Es kann trotzdem vorteilhaft sein, die Strangbox in beide Leiter (Pluspol und Minuspol) der Strangleitung, vor und hinter dem ersten bzw. letzten Photovoltaik-Modul, in den zumindest einen Photovoltaik-Strang einzusetzen.The switching device preferably switches either the Pluspolleiter or Minuspolleiter and thus separates the electrical circuit of the at least one photovoltaic string. Nevertheless, it may be advantageous to insert the strand box into both conductors (positive pole and negative pole) of the string line, in front of and behind the first or last photovoltaic module, into the at least one photovoltaic string.
Das Relais und die Halbleiterschalteinrichtung sind zueinander parallel geschaltet und die Parallelschaltung aus Relais und Halbleiterschalteinrichtung ist seriell in den Photovoltaik-Strang geschaltet. Das Relais und die Halbleiterschalteinrichtung sind demnach jeweils seriell und parallel zueinander in den Photovoltaik-Strang geschaltet.The relay and the semiconductor switching device are connected in parallel to each other and the parallel connection of relay and semiconductor switching device is connected in series in the photovoltaic string. The relay and the semiconductor switching device are therefore connected in series and parallel to each other in the photovoltaic string.
Die Photovoltaik-Anlage umfasst einen Photovoltaik-Generator mit einem oder mehreren parallel zueinander geschalteten Photovoltaik-Strängen. Wenn mehrere Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet sind, kann mit der Schalteinrichtung entweder ein Photovoltaik-Strang oder ggf. auch mehrere oder alle Photovoltaik-Stränge selektiv an- und abgeschaltet werden, je nachdem welche Nennströme die Photovoltaik-Stränge liefern und für welchen Strom die Schalteinrichtung ausgelegt. D.h. bei mehreren Photovoltaik-Strängen kann die Schalteinrichtung stromaufwärts oder stromabwärts des zentralen Sammelpunktes angeordnet sein. Der zentrale Sammelpunkt bildet einen Parallelschaltpunkt mehrerer Photovoltaik-Stränge. Bei Vorliegen mehrerer paralleler Photovoltaik-Stränge (Multistrang-Photovoltaik-Anlage) ist es allerdings besonders vorteilhaft, die Schalteinrichtung stromaufwärts des zentralen Sammelpunktes anzuordnen.The photovoltaic system comprises a photovoltaic generator with one or more parallel photovoltaic strings. If several photovoltaic strings are connected in parallel, the switching device can selectively switch on or off either one photovoltaic string or optionally also several or all photovoltaic strings, depending on which nominal currents supply the photovoltaic strings and for which current the switching means designed. That for multiple photovoltaic strings, the switching device may be located upstream or downstream of the central collection point. The central collection point forms a parallel switching point of several photovoltaic strings. In the presence of several parallel photovoltaic strings (multi-strand photovoltaic system), however, it is particularly advantageous to arrange the switching device upstream of the central collection point.
Dies hat mehrere Vorteile, erstens muss dann je Schalteinrichtung lediglich der Strom eines Photovoltaik-Strangs geschaltet werden und zweitens kann jeder Photovoltaik-Strang einzeln an- und abgeschaltet werden. Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage sind also zwei oder mehr Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet und die Photovoltaik-Stränge werden jeweils von seriell geschalteten Photovoltaik-Modulen gebildet.This has several advantages, firstly, then only the power of a photovoltaic string must be switched per switching device and secondly, each photovoltaic string can be individually switched on and off. In a multi-strand photovoltaic system so two or more photovoltaic strings are connected in parallel and the photovoltaic strings are each formed by serially connected photovoltaic modules.
Mit anderen Worten wird im Gleichstromteil der Photovoltaik-Anlage der zumindest eine Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer, z.B. dem Wechselrichter getrennt, indem der Hybridschalter öffnet und dadurch den Stromfluss aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang zu dem Stromabnehmer unterbricht und der zumindest eine Photovoltaik-Strang wird angeschaltet indem der Hybridschalter schließt und den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit dem Stromabnehmer elektrisch verbindet, so dass der Stromfluss aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang in den Stromabnehmer ermöglicht wird.In other words, in the DC part of the photovoltaic system, the at least one photovoltaic string is disconnected from the current collector, e.g. the inverter separated by the hybrid switch opens, thereby interrupting the flow of current from the at least one photovoltaic string to the pantograph and the at least one photovoltaic string is turned on by the hybrid switch closes and electrically connects the at least one photovoltaic string with the current collector so the current flow from the at least one photovoltaic string into the current collector is made possible.
Insbesondere definiert die Schalteinrichtung einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand und leitet in dem geschlossenen Zustand photovoltaisch erzeugten Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang zu einem Stromabnehmer durch und unterbricht in dem geöffneten Zustand die Durchleitung von photovoltaisch erzeugtem Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang. Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf eine Benutzereingabe die Schalteinrichtung bzw. den Hybridschalter benutzergesteuert zu öffnen und/oder zu schließen. Somit kann der Benutzer, z.B. bei Störungen oder für Wartungsarbeiten den zumindest eine Photovoltaik-Strang zu einem beliebigen Zeitpunkt gezielt an- und abschalten.In particular, the switching device defines a closed state and an opened state and, in the closed state, conducts photovoltaically generated current from the at least one photovoltaic string to a current collector and interrupts in the opened state the transmission of photovoltaically generated current from the at least one photovoltaic strand. Preferably, a control device is embodied which is designed to open and / or close the switching device or the hybrid switch in a user-controlled manner in response to a user input. Thus, the user, e.g. in the event of malfunctions or maintenance work, the at least one photovoltaic string can be selectively switched on and off at any time.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein externes benutzergeneriertes Strangabschalt-Triggersignal zu empfangen und in Ansprechen auf das Strangabschalt-Triggersignal den zumindest einen Photovoltaik-Strang abzuschalten, indem die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung öffnet und damit den zumindest einen Photovoltaik-Strang zumindest einseitig von dem Stromabnehmer trennt. Die Schalteinrichtung ist demnach insbesondere eine aktiv schaltbare und/oder elektronisch gesteuerte Schalteinrichtung.Preferably, the control means is adapted to receive an external user-generated strand shut-off trigger signal and to turn off the at least one photovoltaic string in response to the strand shut-off trigger signal by the control means opening the switching means and thus the at least one photovoltaic string at least one side of the current collector separates. The switching device is therefore in particular an actively switchable and / or electronically controlled switching device.
Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage weist zumindest einer der parallelen Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise alle der parallelen Photovoltaik-Stränge in ihrer jeweils zugehörigen Strangleitung, insbesondere zwischen den Photovoltaik-Modulen dieses jeweiligen Photovoltaik-Strangs und dem zentralen Sammelpunkt eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung auf, mittels welcher die stromführende Verbindung zwischen diesem zugehörigen Photovoltaik-Strang und dem zentralen Sammelpunkt benutzergesteuert, also auf Anforderung des Benutzers selektiv trennbar ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang, bzw. um einen beliebigen gewünschten Photovoltaik-Strang, gezielt und einzeln von der Parallelschaltung abzuschalten. Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung auch zur Einzelstrangabschaltung in einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage verwendet werden. D.h. es kann ein einzelner oder es können mehrere einzelne Photovoltaik-Stränge gezielt abgeschaltet werden und die anderen Photovoltaik-Stränge der Parallelschaltung bleiben weiter in Betrieb und können weiter photovoltaisch erzeugten Strom über den zentralen Sammelpunkt, insbesondere in den Wechselrichter, einspeisen. In diesem Fall kann der Benutzer somit, z.B. zu Wartungszwecken, Reparatur oder bei örtlich begrenzten Fehlfunktionen gezielt einen oder mehrere der Photovoltaik-Stränge einzeln abschalten bzw. die stromführende Verbindung des oder der vom Benutzer gewünschten Photovoltaikstränge zu dem zentralen Sammelpunkt trennen, so dass diese keinen Strom mehr über den zentralen Sammelpunkt einspeisen. Es können demnach ganze Photovoltaik-Stränge abgeschaltet (und nicht nur lediglich einzelne Photovoltaik-Module) bzw. die stromführende Verbindung eines oder mehrerer ganzer Photovoltaik-Stränge zu dem zentralen Sammelpunkt getrennt werden.In a multi-strand photovoltaic system, at least one of the parallel photovoltaic strings, preferably all of the parallel photovoltaic strings in their respective associated line, in particular between the photovoltaic modules of this particular photovoltaic string and the central collection point on a switching device according to the invention, by which user-controlled the current-carrying connection between this associated photovoltaic string and the central collection point, that is selectively separable on request of the user to selectively shut off the at least one photovoltaic string, or any desired photovoltaic string, individually from the parallel circuit , In other words, the switching device according to the invention can also be used for single-strand shutdown in a multi-strand photovoltaic system. That is, it can be a single or it can be selectively switched off several individual photovoltaic strands and the other photovoltaic strings of parallel connection remain in operation and can continue to feed photovoltaically generated electricity through the central collection point, especially in the inverter. In this case, the user can thus, for example, for maintenance purposes, repair or localized malfunction specifically off one or more of the photovoltaic strings individually or separate the current-carrying connection of the user or the desired photovoltaic strands to the central collection point, so that they no Feed more electricity through the central collection point. It can therefore be switched off all photovoltaic strands (and not just individual photovoltaic modules) or the current-carrying connection of one or more whole photovoltaic strands are separated to the central collection point.
Der zumindest eine Halbleiterschalter bzw. Transistor ist insbesondere ein Feldeffekt-Transistor, vorzugsweise ein MOSFET.The at least one semiconductor switch or transistor is in particular a field-effect transistor, preferably a MOSFET.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Schalteinrichtung bzw. der Hybridschalter dazu ausgebildet ist, in dem geöffneten Zustand den Stromfluss nicht nur in einer Richtung, sondern in beiden Richtungen zu unterbrechen. Dadurch kann nicht nur eine Sicherheitsabschaltung z.B. bei Störungen oder zur Wartung, also eine Unterbrechung des Flusses des von dem zugehörigen Photovoltaik-Strang photovoltaisch erzeugten Stroms erreicht werden. Es können auch Ströme in entgegengesetzter Richtung, also Quer- oder Rückströme, z.B. aus anderen parallel geschalteten Photovoltaik-Strängen, in den zugehörigen Photovoltaikunterbrochen werden. Dies ist bei Multistrang-Photovoltaik-Anlagen besonders vorteilhaft, für die vorliegend beanspruchte Erfindung jedoch optional.It has proved to be particularly advantageous if the switching device or the hybrid switch is designed to interrupt the current flow in the opened state not only in one direction, but in both directions. As a result, not only a safety shutdown, e.g. in case of faults or maintenance, so an interruption of the flow of photovoltaic electricity generated by the associated photovoltaic string can be achieved. It is also possible to use currents in opposite directions, ie, transverse or return currents, e.g. from other parallel-connected photovoltaic strings, be interrupted in the associated photovoltaic. This is particularly advantageous in multi-strand photovoltaic systems, but optional for the presently claimed invention.
Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Hybridschalter eine Back-to-Back-Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern bzw. Transistoren, insbesondere eine Back-to-Back-Schaltung aus zwei Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise aus zwei MOSFETs, umfasst, bzw. die Halbleiterschalteinrichtung aus einer solchen Back-to-Back-Schaltung besteht. Mit anderen Worten ist der Hybridschalter eine Parallelschaltung aus dem Relais und einer Back-to-Back-Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere eine Parallelschaltung aus einem Relais und einer Back-to-Back-Schaltung aus zwei Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs. Diese Parallelschaltung ist dabei seriell in die Strangleitung geschaltet.This can e.g. be achieved in that the hybrid switch comprises a back-to-back circuit of two semiconductor switches or transistors, in particular a back-to-back circuit of two field effect transistors, preferably of two MOSFETs comprises, or the semiconductor switching device of a such back-to-back circuit exists. In other words, the hybrid switch is a parallel circuit of the relay and a back-to-back circuit of two semiconductor switches, in particular a parallel circuit of a relay and a back-to-back circuit of two field effect transistors, preferably MOSFETs. This parallel circuit is connected serially in the string line.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Schalteinrichtung zusätzlich eine Rückstromschutzschaltung umfassen. Die Schalteinrichtung kann einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensor zum Messen einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit dem zentralen Sammelpunkt auch in Rückstromrichtung automatisch zu unterbrechen. Mit anderen Worten ist die Schalteinrichtung vorzugsweise mit der Rückstromschutzfunktion gemäß der
Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, beim Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, bzw. elektrischem Verbinden mit dem Stromabnehmer, zunächst die Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs, zu schließen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach das Relais zu schließen.The switching device is preferably designed to close the semiconductor switching device, in particular the field effect transistor (s), preferably MOSFETs, when the associated photovoltaic string or electrical connection is connected to the current collector, and to close the relay after a time delay thereafter shut down.
Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise ferner dazu ausgebildet beim Abschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, bzw. Trennen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs von dem Stromabnehmer, zunächst das Relais zu öffnen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach die Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs zu öffnen.The switching device is preferably further formed when switching off the associated photovoltaic string, or separating the associated photovoltaic string from the current collector, first to open the relay and only after a time delay thereafter the semiconductor switching device, in particular the one or more field effect transistors, preferably to open MOSFETs.
Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Relais nicht die volle Strangspannung schalten muss, so dass ein aufgrund der Gleichspannung möglicherweise nicht verlöschender Lichtbogen vermieden werden kann. Trotzdem entlastet das Relais die Halbleiterschalteinrichtung im Dauerbetrieb, so dass die Dauer-Verlustleistung in einem für die besonderen Einbauverhältnisse bei einem Photovoltaik-Generator akzeptablen Rahmen gehalten werden kann. In vorteilhafter Weise braucht kein Hochstromrelais verwendet zu werden, sondern es kann ein einfaches kleines Standard-Relais verwendet werden. Das Relais wird geschont, was der Langlebigkeit der Schalteinrichtung dienlich ist und wodurch Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit in einem für Photovoltaik-Anlagen erforderlichen Maß gewährleistet werden können.This can ensure that the relay does not have to switch the full phase voltage, so that a due to the DC voltage may not be extinguished arc can be avoided. Nevertheless relieves the relay, the semiconductor switching device in continuous operation, so that the long-term power loss can be maintained in an acceptable for the particular installation conditions in a photovoltaic generator frame. Advantageously, no high current relay needs to be used, but a simple small standard relay can be used. The relay is spared, which enhances the longevity of the switchgear and ensures safety, reliability and longevity in the degree required for photovoltaic systems.
Die Schalteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, vor dem (Wieder-)Anschalten des zumindest einen Photovoltaik-Strangs eine Prüfroutine durchzuführen, in der Prüfroutine zumindest eine elektrische Kenngröße des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu prüfen und bei Einhalten eines vordefinierten Schwellenwerts für die zumindest eine elektrische Kenngröße den zumindest einen Photovoltaik-Strang anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt.The switching device may be designed to perform a test routine before (re) turning on the at least one photovoltaic string, in the test routine at least one electrical parameter of the associated photovoltaic string and to turn on adhering to a predefined threshold for the at least one electrical characteristic, the at least one photovoltaic string when a user release is present.
Die Schalteinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, den photovoltaisch erzeugten Stromfluss durch die zugehörige Strangleitung zu messen und das Relais erst dann zu schließen, wenn der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom I einen vordefinierten Schwellenwert I_min überschreitet, bzw. nach einer zeitlichen Verzögerung nachdem der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom I einen vordefinierten Schwellenwert I_min überschritten hat.The switching device can also be designed to measure the photovoltaically generated current flow through the associated string line and to close the relay only when the photovoltaic current I flowing through the string exceeds a predefined threshold I_min, or after a time delay after the By the strand line flowing photovoltaically generated current I has exceeded a predefined threshold I_min.
Die Schalteinrichtung kann ferner eine Steuereinrichtung und eine mit der Steuereinrichtung verbundene Sensoreinrichtung zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang enthalten. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf die mit der Sensoreinrichtung gemessene zumindest eine elektrische Kenngröße den zugehörigen Photovoltaik-Strang an den Stromabnehmer elektrisch anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt, wobei die Sensoreinrichtung insbesondere einen Eingangsspannungssensor umfasst, welcher die strangseitige Eingangsspannung U1 an der Schalteinrichtung misst und/oder einen Ausgangsspannungssensor umfasst, welcher die sammelpunktseitige Ausgangsspannung U2 an der Schalteinrichtung misst. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung U1 und/oder auf die gemessene sammelpunktseitige Ausgangsspannung U2 die Schaltvorgänge des Relais und/oder der Halbleiterschalter zu steuern.The switching device may further include a control device and a sensor device connected to the control device for measuring at least one electrical parameter on the associated photovoltaic string. The control device may be configured to electrically connect the associated photovoltaic line to the current collector in response to the at least one electrical characteristic measured by the sensor device, if a user enable is present, wherein the sensor device in particular comprises an input voltage sensor which detects the input voltage U1 at the input side Measuring device measures and / or comprises an output voltage sensor which measures the collection point side output voltage U2 to the switching device. The control device may be designed to control the switching operations of the relay and / or the semiconductor switches in response to the measured line-side input voltage U1 and / or to the measured collector-point-side output voltage U2.
In vorteilhafter Weise können beim Anschalten eine Mehrzahl von Schaltvorgängen zunächst durch die Halbleiterschalteinrichtung, z.B. die Back-to-Back-MOSFET-Schaltung durchgeführt werden, z.B. bis bestimmte Betriebsparameter erreicht sind, bevor das Relais geschlossen wird. Mit anderen Worten bleibt bei Anschalten das Relais solange geöffnet, bis bestimmte Betriebsparameter erreicht sind, selbst wenn in dieser Zeit mehrere Schaltvorgänge mit der Halbleiterschalteinrichtung durchgeführt werden. So kann die Anzahl der Schaltvorgänge des Relais niedrig gehalten werden. Im Produktions- oder Dauerbetrieb, insbesondere nachdem die erwünschten Betriebsparameter erreicht wurden, entlastet das Relais dann aber die Halbleiterschalteinrichtung. Trotzdem kann bei vollständig geöffnetem Hybridschalter, d.h. wenn sowohl die Halbleiterschalter als auch das Relais geöffnet sind, eine bidirektionale Trennung der elektrischen Verbindung erreicht werden, d.h. der Stromfluss in beiden Richtungen unterbrochen werden, wenn eine Back-to-Back-Schaltung verwendet wird.Advantageously, when turned on, a plurality of switching operations may first be performed by the semiconductor switching device, e.g. the back-to-back MOSFET circuit is performed, e.g. until certain operating parameters are reached before the relay is closed. In other words, when switched on, the relay remains open until certain operating parameters have been reached, even if several switching operations are performed with the semiconductor switching device during this time. Thus, the number of switching operations of the relay can be kept low. In production or continuous operation, in particular after the desired operating parameters have been reached, the relay then relieves the semiconductor switching device. Nevertheless, with the hybrid switch fully open, i. when both the semiconductor switches and the relay are open, bidirectional isolation of the electrical connection is achieved, i. the current flow in both directions are interrupted when a back-to-back circuit is used.
Die zeitliche Verzögerung beim Anschalten und/oder beim Abschalten beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 2000 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 700 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 ms. Zumindest sollte die Halbleiterschalteinrichtung nicht länger als für diese maximale Verzögerungszeit geschlossen und dabei nicht durch das Relais entlastet sein, also die Halbleiterschalteinrichtung geschlossen und das Relais geöffnet sein, wenn der volle (Nenn-)Strangstrom, bzw. wenn ein Strangstrom von größer oder gleich 5 A, größer oder gleich 8 A, größer oder gleich 10 A, oder 12,5 A +/- 40% durch die Halbleiterschalteinrichtung fließt. D.h. die maximale Verzögerungszeit kann ab dem Zeitpunkt gerechnet werden, ab dem zumindest theoretisch der Nennstrom fließen könnte, wenn die Bestrahlung entsprechend groß ist. Mit anderen Worten wird der Hybridschalter so gesteuert, dass ein Zustand in dem die Halbleiterschalteinrichtung geschlossen, das Relais geöffnet und gleichzeitig der Nennstrom fließen kann, d.h. der Nennstrom durch die nicht-entlastete Halbleiterschaltung fließen kann, nicht länger als die maximale Verzögerungszeit besteht. Weiter bevorzugt beträgt die Verzögerungszeit zwischen 50 ms und 2000 ms, vorzugsweise zwischen 100 ms und 1000 ms, vorzugswiese zwischen 150 ms und 500 ms, vorzugsweise zwischen 200 ms und 300 ms, zumindest wenn in dem Photovoltaik-Strang ein Strangstrom fließt oder zumindest fließen kann, der im Wesentlichen dem Nennstrom entspricht. Je nachdem welche Bauteile verwendet werden, kann die Halbleiterschalteinrichtung zumindest für eine entsprechend kurze Verzögerungszeit die volle Strangleistung auch ohne Entlastung durch das Relais alleine durchleiten selbst wenn sie ohne besondere Kühlmaßnahmen in einer Strangbox eingebaut ist. Die zeitliche Verzögerung des Schaltvorgangs der Halbleiterschalteinrichtung kann demnach bezogen sein auf den vorherigen Schaltvorgang des Relais bzw. umgekehrt oder auf das Erreichen bestimmter Schwellenwerte für die elektrischen Kenngrößen, z.B. für die Eingangsspannung U1, für die Ausgangsspannung U2 und/oder für den Strangstrom I.The time delay when switching on and / or when switching off is preferably less than or equal to 2000 ms, preferably less than or equal to 700 ms, preferably less than or equal to 300 ms. At least the semiconductor switching device should not be closed longer than for this maximum delay time and not relieved by the relay, so closed the semiconductor switching device and the relay be open when the full (rated) strand current, or if a strand current of greater than or equal to 5 A, greater than or equal to 8 A, greater than or equal to 10 A, or 12.5 A +/- 40% flows through the semiconductor switching device. That the maximum delay time can be calculated from the time at which, at least theoretically, the rated current could flow if the irradiation is correspondingly large. In other words, the hybrid switch is controlled so that a state in which the semiconductor switching device is closed, the relay can be opened, and at the same time the rated current can flow, i. the rated current can flow through the non-relieved semiconductor circuit no longer than the maximum delay time exists. More preferably, the delay time between 50 ms and 2000 ms, preferably between 100 ms and 1000 ms, preferably between 150 ms and 500 ms, preferably between 200 ms and 300 ms, at least if in the photovoltaic string, a strand current flows or at least can flow , which essentially corresponds to the rated current. Depending on which components are used, the semiconductor switching device can at least for a correspondingly short delay time to pass through the full strand performance even without relief by the relay alone, even if it is installed without special cooling measures in a strand box. The time delay of the switching operation of the semiconductor switching device can therefore be related to the previous switching operation of the relay or vice versa or to the achievement of certain threshold values for the electrical characteristics, e.g. for the input voltage U1, for the output voltage U2 and / or for the phase current I.
Der Teil des Photovoltaik-Generators der von der Schalteinrichtung geschaltet wird, also insbesondere der zugehörige Photovoltaik-Strang weist vorzugsweise eine DC-Nennspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder einen DC-Nennstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% auf.The part of the photovoltaic generator which is switched by the switching device, that is to say in particular the associated photovoltaic line, preferably has a nominal DC voltage of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably 1250 V +/- 30% and / or a DC rated current of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably of 12.5 A +/- 40%.
Der Hybridschalter als Ganzes ist demnach für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgelegt. Insbesondere ist der Hybridschalter als Ganzes für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% ausgelegt. The hybrid switch as a whole is therefore for a DC switching voltage of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably 1250 V +/- 30% and / or for a DC forward current of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably designed from 12.5 A +/- 40%. In particular, the hybrid switch as a whole is designed for a DC switching voltage of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably of 1250 V +/- 30%.
Insbesondere ist die Halbleiterschalteinrichtung bzw. sind der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, vorzugsweise für eine Drain-Source-Spannung (VDS) von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% ausgebildet.In particular, the semiconductor switching device or are the field effect transistors, preferably MOSFETs, preferably for a drain-source voltage (V DS ) of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably from 1250 V +/- 30% trained.
Die die Halbleiterschalteinrichtung bzw. der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, sind vorzugsweise für einen Drain-Strom (ID) von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet.The semiconductor switching device or the field effect transistor (s), preferably MOSFETs, are preferably for a drain current (I D ) of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably 12.5 A +/- 40% trained.
Aufgrund der kurzen Dauer des Stromflusses durch die Halbleiterschalteinrichtung ist trotzdem die dabei an dem Hybridschalter entstehende Verlustleistung vertretbar. Es brauchen keine übermäßig großen und teuren Halbleiterschalter verwendet werden.Due to the short duration of the current flow through the semiconductor switching device, the power loss occurring at the hybrid switch is nevertheless justifiable. There is no need to use overly large and expensive semiconductor switches.
Es können Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, verwendet werden, die einen Einschaltwiderstand (Resistance-Drain-Source-On, kurz RDS-on) von größer oder gleich 100 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 300 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 500 mOhm, vorzugsweise von 690 mOhm +/- 40% aufweisen.Field-effect transistors, preferably MOSFETs, can be used, which have a turn-on resistance (Resistance-Drain-Source-On, RDS-on) of greater than or equal to 100 mOhm, preferably greater than or equal to 300 mOhm, preferably greater than or equal to 500 mOhm, preferably 690 mOhm +/- 40%.
Dies erzeugt zwar eine relativ große Verlustleitung von ggf. einem Watt, einigen Watt oder mehr, was aber insbesondere durch die Entlastung durch das parallel geschaltete Relais akzeptabel ist. Solche Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, sind günstig erhältlich und weisen eine geringe Baugröße auf.Although this generates a relatively large power loss of possibly one watt, a few watts or more, but this is acceptable in particular by the discharge through the parallel relay. Such field effect transistors, in particular MOSFETs, are inexpensive and have a small size.
Der oder die Halbleiterschalter, Feldeffekttransistoren, bzw. MOSFETs, können, bezogen auf einen Nennstrom von 8,5 A oder 10 A des zumindest einen Photovoltaik-Strangs, sogar eine berechnete Verlustleistung von größer oder gleich 2 W, von größer oder gleich 5 W, von größer oder gleich 10 W, insbesondere von größer oder gleich 40 W aufweisen, wenn der oder die Halbleiterschalter, Feldeffekttransistoren, bzw. MOSFETs, geschlossen sind und das Relais geöffnet ist (intermediärer Schaltzustand).The one or more semiconductor switches, field-effect transistors, or MOSFETs can, based on a rated current of 8.5 A or 10 A of the at least one photovoltaic string, even a calculated power loss of greater than or equal to 2 W, greater than or equal to 5 W, greater than or equal to 10 W, in particular greater than or equal to 40 W, when the one or more semiconductor switches, field effect transistors or MOSFETs are closed and the relay is open (intermediate switching state).
Auf der anderen Seite erzeugt der Hybridschalter bezogen auf einen Nennstrom von 8,5 A oder 10 A des zumindest einen Photovoltaik-Strangs trotzdem nur eine berechnete Verlustleistung von vorzugsweise kleiner oder gleich 10 W, vorzugsweise von kleiner oder gleich 5 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 2 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 W, wenn die Halbleiterschalteinrichtung und das Relais geschlossen sind (Dauerbetriebszustand). Insbesondere weist der Hybridschalter im Produktionsbetrieb eine Verlustleistung von kleiner oder gleich 1 W, beispielsweise bei 1000 Volt und 10 Ampere (typ. plus 25% Reserve) pro Photovoltaik-Strang auf, wenn die Halbleiterschalteinrichtung und das Relais geschlossen sind.On the other hand, based on a nominal current of 8.5 A or 10 A of the at least one photovoltaic string, the hybrid switch nevertheless only generates a calculated power loss of preferably less than or equal to 10 W, preferably less than or equal to 5 W, preferably less than or equal to 2 W, preferably less than or equal to 1 W, when the semiconductor switching device and the relay are closed (continuous operation state). In particular, in production mode, the hybrid switch has a power dissipation of less than or equal to 1 W, for example 1000 volts and 10 amps (typ., Plus 25% reserve) per photovoltaic string when the semiconductor switching device and the relay are closed.
Das Relais ist vorzugsweise für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet. Auf der anderen Seite genügt es vorzugsweise, wenn für das Relais für einen DC-Schaltstrom von kleiner oder gleich 8 A, insbesondere kleiner oder gleich 6 A, insbesondere kleiner oder gleich 4 A, insbesondere von 2 A +/- 50% ausgebildet ist.The relay is preferably designed for a DC transmission current of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably 12.5 A +/- 40%. On the other hand, it is preferably sufficient if the relay is designed for a DC switching current of less than or equal to 8 A, in particular less than or equal to 6 A, in particular less than or equal to 4 A, in particular 2 A +/- 50%.
Ferner vorzugsweise genügt es, wenn das Relais eine maximale AC-Schaltspannung von kleiner oder gleich 800 V, insbesondere kleiner oder gleich 500 V, insbesondere von 400 V +/-50% aufweist.Furthermore, it is preferably sufficient if the relay has a maximum AC switching voltage of less than or equal to 800 V, in particular less than or equal to 500 V, in particular of 400 V +/- 50%.
Dies hält Kosten und Baugröße des Relais, insbesondere für den Einbau in einer Strangbox ebenfalls in vertretbaren Grenzen.This keeps cost and size of the relay, especially for installation in a strand box also within reasonable limits.
Ferner bevorzugt kann die Schalteinrichtung dazu ausgebildet sein, vor dem (Wieder-)Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs in einer Prüfroutine elektrische Kenngrößen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu prüfen und bei Einhalten vordefinierter Schwellenwerte für die elektrischen Kenngrößen und nach Benutzerfreigabe die Schalteinrichtung zu schließen. D.h. das Schließen der Schalteinrichtung erfolgt erst dann wenn beides vorliegt, d.h. wenn sowohl die Prüfbedingungen für die elektrischen Kenngrößen erfüllt sind, als auch die Benutzerfreigabe für das (Wieder-)Anschalten vorliegt. Erst dann wird der zugehörige Photovoltaik-Strang wieder angeschaltet. Insbesondere können die Halbleiterschalter zunächst testweise geschlossen und bei noch offenem Relais elektrische Kenngrößen, wie Eingangsspannung, Ausgangsspannung und/oder der Strangstrom gemessen werden. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, bevor auch das Relais geschlossen wird, wodurch das Relais geschont werden kann.Further preferably, the switching device may be designed to check electrical characteristics of the associated photovoltaic string before (re) turning on the associated photovoltaic string in a test routine and to close the switching device while maintaining predefined threshold values for the electrical parameters and after user release. That is, the closing of the switching device takes place only when both are present, ie when both the test conditions for the electrical characteristics are met, as also the user release for (re) switching on is present. Only then the associated photovoltaic string is switched on again. In particular, the semiconductor switches can first be closed as a test and electrical parameters, such as input voltage, output voltage and / or the strand current can be measured while the relay is still open. This process can be repeated several times before the relay is also closed, whereby the relay can be spared.
Insbesondere umfasst die Schalteinrichtung also einen Stromsensor, welcher den photovoltaisch erzeugten Stromfluss durch die zugehörige Strangleitung misst. Die Schalteinrichtung schließt das Relais vorzugsweise nur dann, wenn der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang erst in dauerhaften Produktionsbetrieb genommen wird, wenn er vollständig betriebsbereit ist.In particular, the switching device thus comprises a current sensor, which measures the photovoltaically generated current flow through the associated string line. The switching device preferably closes the relay only when the photovoltaically generated current flowing through the line exceeds a predefined threshold. This can ensure that the associated photovoltaic string is only taken into permanent production mode when it is fully operational.
Vorzugsweise fließt zumindest zeitweise, insbesondere im dauerhaften Produktionsbetrieb des Photovoltaik-Strangs der photovoltaisch erzeugte Strom in dem Teil des Photovoltaik-Strangs, in dem die volle nominelle Spannung der mehreren seriellen Photovoltaik-Module oder des gesamten Photovoltaik-Strangs anliegt, vorzugsweise ausschließlich, durch metallische Leiter, z.B. Metallkabel, Metallsteckverbinder und das Relais und zumindest nicht dauerhaft durch Halbleiterbauelemente. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Verlustleistung gering gehalten werden, so dass die Schalteinrichtung ggf. in vorhandene Gehäuse eingebaut werden kann, ohne dass diese überhitzen.Preferably, at least at times, in particular in the permanent production operation of the photovoltaic string, the photovoltaically generated current flows in the part of the photovoltaic string in which the full nominal voltage of the plurality of series photovoltaic modules or the entire photovoltaic string is applied, preferably exclusively by metallic Ladder, eg Metal cables, metal connectors and the relay and at least not permanently by semiconductor devices. As a result, the power loss can be kept low in an advantageous manner, so that the switching device can optionally be installed in existing housing, without these overheat.
Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage weist vorzugsweise jeder parallele Photovoltaik-Strang vor dem zentralen Sammelpunkt eine solche Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtungen sind Photovoltaik-Modul-übergreifend, d.h. sind jeweils für den gesamten Photovoltaik-Strang mit mehreren seriell verschalteten Photovoltaik-Modulen zuständig.In a multi-strand photovoltaic system, each parallel photovoltaic string preferably has such a switching device in front of the central collection point. The switching devices are photovoltaic module-spanning, i. are each responsible for the entire photovoltaic string with several serially interconnected photovoltaic modules.
Die Schalteinrichtungen weisen eingangsseitig (also Photovoltaik-Strang- oder Photovoltaik-Modul-seitig) einen Pluspoleingang und einen Minuspoleingang zum Anschließen des Pluspols bzw. Minuspols der Strangleitung sowie ausgangsseitig (also sammelpunktseitig) einen Pluspolausgang und einen Minuspolausgang zum Anschließen des Pluspols bzw. Minuspols einer Fortsetzung der Strangleitung bis zu dem zentralen Sammelpunkt der Photovoltaik-Stränge bzw. bis zum Gleichstromeingang des Wechselrichters auf. Es liegt demnach insbesondere die gesamte Strangspannung an der Schalteinrichtung an und/oder der gesamte Strangstrom fließt durch die Schalteinrichtung hindurchThe switching devices have input side (ie photovoltaic strand or photovoltaic module-side) a positive terminal and a negative terminal for connecting the positive pole or negative pole of the strand line and the output side (ie collection point side) a positive terminal and a negative terminal for connecting the positive pole or negative pole of a Continuation of the string line up to the central collection point of the photovoltaic strings or to the DC input of the inverter. Accordingly, in particular the entire phase voltage is applied to the switching device and / or the entire phase current flows through the switching device
Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, entfaltet die vorliegende Erfindung besondere Vorteile in Kombination mit dem Rückstromschutz gemäß der
Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung in ein elektrisch isolierendes Gehäuse eingebaut, welches am strangseitigen Eingang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol der Strangleitung und einen Minuspol-Anschluss für den Minuspol der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs aufweist. Ferner vorzugsweise weist die Schalteinrichtung am sammelpunktseitigen Ausgang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol und einen Minuspol-Anschluss für den Minuspol der Verlängerung der Strangleitung, die zu dem zentralen Sammelpunkt führt, auf. Die Anschlüsse an dem Gehäuse sind vorzugsweise als Photovoltaik-Steckverbinder, z.B. gemäß dem SUNCUX®-System der Anmelderin/Inhaberin ausgebildet. Das Gehäuse mit der Schalteinrichtung, welches mit den Steckverbindern in die beiden Leitungen der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Moduls eingefügt werden können, kann demnach eine separat steckbare Einheit in Form einer Strangbox bilden, die auch als Nachrüstlösung noch in vorhandene Strangleitungen zwischen die Photovoltaik-Module jeweils eines Photovoltaik-Strangs und den zentralen Sammelpunkt bzw. den gemeinsamen Wechselrichter eingefügt werden kann, um eine vorhandene Multistrang-Photovoltaik-Anlage nachzurüsten.Preferably, the switching device is installed in an electrically insulating housing, which has a positive pole connection for the positive pole of the string line and a negative terminal for the negative pole of the string line of the associated photovoltaic string at the string-side input. Further preferably, the switching means at the collective point-side output has a positive pole connection for the plus pole and a negative pole connection for the negative pole of the extension of the strand line which leads to the central collection point. The connections to the housing are preferably designed as photovoltaic connectors, eg according to the applicant's / owner's SUNCUX® system. The housing with the switching device, which can be inserted with the connectors in the two lines of the strand line of the associated photovoltaic module, can therefore form a separately pluggable unit in the form of a strand box, which also as a retrofit solution in existing strand lines between the photovoltaic Each module of a photovoltaic string and the central collection point or the common inverter can be inserted to retrofit an existing multi-strand photovoltaic system.
Vorzugsweise enthält die Schalteinrichtung einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensor zum Messen einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang. In Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße kann die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung schalten, ggf. aber nur dann wenn auch eine Benutzerfreigabe vorliegt. Insbesondere verhindert die Steuereinrichtung in Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße das Schließen der Schalteinrichtung und/oder zumindest des Relais, z.B. wenn die gemessene elektrische Kenngröße außerhalb einer für das Wieder-Anschalten maßgeblichen Sicherheitsbedingung für die erste elektrische Kenngröße liegt.Preferably, the switching device includes a sensor connected to the control device for measuring an electrical characteristic at the associated photovoltaic string. In response to the measured with the sensor electrical characteristic, the control device can switch the switching device, but possibly only if there is a user release. In particular, in response to the electrical characteristic measured with the sensor, the control device prevents the closing of the switching device and / or at least the relay, e.g. If the measured electrical characteristic is outside a decisive for the restarting safety condition for the first electrical characteristic.
Der Sensor ist vorzugsweise ein Stromsensor oder ein Spannungssensor, welcher zumindest eine der folgenden elektrischen Kenngrößen misst:
- - Eingangsspannung am strangseitigen Eingang der Schalteinrichtung,
- - Ausgangsspannung am sammelpunktseitigen bzw. wechselrichterseitigen Ausgang der Schalteinrichtung,
- - Strangstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs bzw. durch die Schalteinrichtung oder Strangbox,
- - negativer Stromfluss.
- Input voltage at the line-side input of the switching device,
- Output voltage at the collector-side or inverter-side output of the switching device,
- Strand current of the associated photovoltaic string or by the switching device or strand box,
- - negative current flow.
Ein negativer Stromfluss bedeutet, dass der Strom in dem Photovoltaik-Strang entgegen der Flussrichtung des im Betrieb photovoltaisch erzeugten Stroms durch die Schalteinrichtung fließt. D.h. der Stromsensor ist insbesondere dazu ausgebildet, auch einen negativen Stromfluss messen zu können.A negative current flow means that the current in the photovoltaic string flows counter to the direction of flow of the photovoltaically generated current during operation by the switching device. That the current sensor is in particular designed to be able to measure a negative current flow.
Der Hybridschalter kann in Ansprechen auf eine oder mehrere dieser mit dem oder den Sensoren gemessenen elektrischen Kenngrößen öffnen und die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit dem Stromabnehmer unterbrechen. Die Schalteinrichtung enthält also vorzugsweise einen Stromsensor, der ggf. auch negative Ströme messen kann und/oder einen Eingangsspannungssensor und/oder einen Ausgangsspannungssensor.The hybrid switch may open in response to one or more of these electrical characteristics measured with the sensor or sensors and interrupt the connection of the associated photovoltaic string to the current collector. The switching device thus preferably contains a current sensor, which may optionally also measure negative currents, and / or an input voltage sensor and / or an output voltage sensor.
Weitere Details einer optionalen zusätzlichen Rückstromverhinderung sind im Folgenden beschrieben.Further details of an optional additional backflow prevention are described below.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein Stromsensor, welcher auch einen negativen Stromfluss durch die Schalteinrichtung messen kann. Die Schalteinrichtung kann die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem zentralen Sammelpunkt, d.h. zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrechen, zumindest wenn der Strom in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang negativ ist und/oder einen vordefinierten Schwellenwert für den Betrag des negativen Stroms überschreitet. Ein negativer Strom ist allerdings keine notwendige Voraussetzung für das Trennen. Je nachdem welche Betriebs- und Sicherheitsparameter vorgegeben sind, kann die Schalteinrichtung die Unterbrechung auch bereits dann durchführen, wenn der Strom zwar noch positiv ist, aber unterhalb eines vordefinierten Sicherheits-Schwellwertes liegt. Dies kann z.B. dann vorkommen, wenn die Photovoltaik-Module des zugehörigen Photovoltaik-Strangs erheblich stärker abgeschattet sind als die Photovoltaik-Module der anderen Photovoltaik-Stränge. In diesem Fall sorgen die Querströme möglicherweise noch nicht für einen negativen Gesamt-Stromfluss in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang, reduzieren aber den von den von den zugehörigen Photovoltaik-Strang photovoltaisch erzeugten Strom ggf. bereits so weit, dass der Produktionsbetrieb dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist, so dass es besser ist, die Verbindung dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem gemeinsamen Wechselrichter zu unterbrechen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der von der Schalteinrichtung gemessene Strom zwar noch positiv ist, aber erheblich unter dem Maximalstrom des Photovoltaik-Strangs, z.B. kleiner als 10% des Maximalstroms des Photovoltaik-Strangs ist. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, die Schalteinrichtung automatisch zu schalten, bzw. die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung und zu dem Wechselrichter zu unterbrechen, wenn die Bedingung eintritt, dass der Strangstrom I kleiner wird als ein vordefinierter Schwellenwert l0. Der vordefinierte Schwellenwert l0 kann zwischen positiv und erheblich kleiner als der Maximalstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und einem negativen Sicherheitswert für den Stromfluss ausgewählt werden. Mathematisch ausgedrückt kann die Schaltbedingung definiert werden als I<I0, wobei I0 ausgewählt wird aus einem Intervall [I1, I2], wobei I1 ein negativer Sicherheitswert ist, bei welchem der zugehörige Photovoltaik-Strang beschädigt werden könnte und 12 ein positiver Wert ist, unterhalb dessen ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr sinnvoll erscheint.According to a preferred embodiment of the invention, the sensor is a current sensor, which can also measure a negative current flow through the switching device. The switching means may connect the associated photovoltaic string to the central collection point, i. to interrupt the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter, at least if the current in the associated photovoltaic string is negative and / or exceeds a predefined threshold value for the amount of negative current. However, a negative current is not a necessary condition for disconnection. Depending on which operating and safety parameters are specified, the switching device can already perform the interruption even if the current is still positive, but is below a predefined safety threshold. This can e.g. occur when the photovoltaic modules of the associated photovoltaic string are significantly more shaded than the photovoltaic modules of the other photovoltaic strands. In this case, the cross-currents may not yet provide for a total negative current flow in the associated photovoltaic string, but may already reduce the photovoltaic-generated current from the associated photovoltaic string to such an extent that the production operation of that associated photovoltaic string does not make economic sense, so it is better to break the connection of this associated photovoltaic string to the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the common inverter. This may be useful, in particular, if the current measured by the switching device is still positive, but considerably below the maximum current of the photovoltaic string, e.g. is less than 10% of the maximum current of the photovoltaic string. In other words, the control device is preferably designed to switch the switching device automatically or to interrupt the connection of the associated photovoltaic line to the parallel circuit and to the inverter if the condition occurs that the phase current I becomes smaller than a predefined threshold value l0. The
Insbesondere schaltet die Schalteinrichtung den zugehörigen Photovoltaik-Strang auch wieder elektrisch an die Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und an den gemeinsamen Wechselrichter elektrisch an, wenn die Betriebs- und Sicherheitsparameter dies erlauben und die Benutzerfreigabe, z.B. in Form eines Triggersignals, z.B. durch einen geschlossenen Schalter vorliegt. Hierzu ist die Steuereinrichtung mit einer Sensoreinrichtung zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße verbunden. In particular, the switching device switches the associated photovoltaic string again electrically to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the common inverter electrically, if the operating and safety parameters allow this and the user release, eg in the form of a trigger signal, for example by a closed switch is present. For this purpose, the control device is connected to a sensor device for measuring at least one electrical parameter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet die Schalteinrichtung in Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung und/oder auf die gemessene sammelpunktseitige bzw. wechselrichterseitige Ausgangsspannung den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, wieder an den zentralen Sammelpunkt mit den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen und damit an den Gleichstromeingang des Wechselrichters elektrisch an, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt.According to a preferred embodiment, in response to the measured line side input voltage and / or the measured collector side or inverter side output voltage, the switching device switches the associated photovoltaic line whose connection to the central collection point is interrupted back to the central collection point with the other parallel photovoltaics Strands and thus to the DC input of the inverter electrically, if the user release is present.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung verglichen und die Steuereinrichtung steuert in Ansprechen auf den Vergleich der gemessenen strangseitigen Eingangsspannung und der gemessenen stromabnehmerseitigen Ausgangsspannung die Schalteinrichtung, insbesondere dahingehend, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem Stromabnehmer unterbrochen ist, wieder an den Stromabnehmer an, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt. Durch den Spannungsvergleich kann gewährleistet werden, dass nach dem elektrischen Wiederanschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs die erwünschten Betriebs- und Sicherheitsparameter erfüllt sind, z.B. dass kein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltaik-Strang fließt bzw. der positive Produktionsstrom einen Mindestwert übersteigt, indem der zugehörige Photovoltaik-Strang nur dann elektrisch wieder angeschaltet wird, wenn die Differenz aus Ausgangsspannung U2 minus Eingangsspannung U1 kleiner ist, als ein vordefinierter Schwellenwert U0. Wenn U0=0 gilt, bedeutet das, dass die Ausgangsspannung U2 kleiner ist als die Eingangsspannung U1. Hierbei kann eine gewisse Toleranz vorhanden sein, insbesondere kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die Eingangsspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, die Leerlaufspannung ist, wohingegen die Ausgangsspannung, welche die von den anderen parallelen Photovoltaik-Modulen erzeugte Spannung darstellt, bereits eine Lastspannung darstellt, welche typischerweise um etwa 20% niedriger ist als die Leerlaufspannung, weil der Wechselrichter bereits arbeitet. Demnach kann die Steuereinrichtung in Ansprechen auf den Vergleich der Leerlaufspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit der Lastspannung der anderen Photovoltaik-Stränge den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, wieder an den zentralen Sammelpunkt mit den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen und damit an den Gleichstromeingang des Wechselrichters anschalten, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt. Zusätzlich zu dem Spannungsvergleich kann noch geprüft werden, ob die Spannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs einen vordefinierten Schwellenwert U_min übersteigt, z.B. um zu gewährleisten, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang zu diesem Zeitpunkt eine hinreichende Leistung erzeugen kann.According to a further preferred embodiment of the invention, the input voltage is compared with the output voltage and the controller controls the switching device in response to the comparison of the measured line side input voltage and the measured current collector side output voltage, in particular to the associated photovoltaic string whose connection to the current collector is interrupted again to the pantograph when the user release is present. The voltage comparison can ensure that after the electrical restart of the associated photovoltaic string the desired operating and safety parameters are fulfilled, e.g. that no negative current flows back into the associated photovoltaic string or the positive production current exceeds a minimum value by the associated photovoltaic string is only electrically switched on again when the difference between output voltage U2 minus input voltage U1 is smaller than a predefined threshold U0. If U0 = 0, this means that the output voltage U2 is smaller than the input voltage U1. In this case, a certain tolerance can be present, in particular, the effect can be exploited that the input voltage of the associated photovoltaic string whose connection to the central collection point is interrupted, the open circuit voltage, whereas the output voltage, which is different from that of the other parallel photovoltaic modules generated voltage already represents a load voltage, which is typically about 20% lower than the open circuit voltage, because the inverter is already working. Thus, in response to comparing the open circuit voltage of the associated photovoltaic string with the load voltage of the other photovoltaic strings, the controller may return the associated photovoltaic string whose connection to the central collection point is interrupted to the central collection point with the other parallel photovoltaic cells. Strings and thus to the DC input of the inverter turn on when the user release is present. In addition to the voltage comparison, it is still possible to check whether the voltage of the associated photovoltaic string exceeds a predefined threshold value U_min, e.g. to ensure that the associated photovoltaic string can generate sufficient power at this time.
Die Schalteinrichtung verbindet im geschlossenen Zustand den zugehörigen Photovoltaik-Strang elektrisch mit dem Stromabnehmer und unterbricht im offenen Zustand die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem Stromabnehmer innerhalb der Strangleitung bidirektional.In the closed state, the switching device electrically connects the associated photovoltaic line to the current collector and, in the open state, bi-directionally interrupts the current-carrying connection of the associated photovoltaic line to the current collector within the line.
Vorzugsweise sind die verwendeten Halbleiterschalter und/oder das Relais als Schließer (Normally Off oder Normally Open, NO) ausgebildet. Dies könnte zwar auf den ersten Blick nachteilig erscheinen, da für das Halten des On-Zustandes elektrische Leistung benötigt wird. Dies wird aber in Kauf genommen, um die damit verbundene Sicherheit zu erzielen, nämlich dass die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs im Normalzustand der Schalteinrichtung zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrochen ist.Preferably, the semiconductor switches used and / or the relay are designed as normally open (Normally Off or Normally Open, NO). While this may seem disadvantageous at first glance, electrical power is required to hold the on-state. However, this is accepted in order to achieve the associated safety, namely that the connection of the associated photovoltaic string in the normal state of the switching device to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter is interrupted.
Die vorliegend offenbarte Erfindung ist insbesondere vorteilhaft einzusetzen in Photovoltaik-Anlagen, bei welchen die seriell geschalteten Photovoltaik-Module in zumindest einem der Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise in allen Photovoltaik-Strängen, jeweils Schutzschaltungen aufweisen, mittels welchen die Photovoltaik-Module einzeln von dem zugehörigen Photovoltaik-Strang abgeschaltet werden können, und wobei die Schutzschaltungen der einzelnen Photovoltaik-Module den Ausgang des jeweiligen Photovoltaik-Moduls an den Anschlusspunkten für die Strangleitung kurzschließt, um einen niederohmigen Bypass für das jeweilige Photovoltaik-Modul zu erzeugen. Solche Schutzschaltungen für die Photovoltaik-Module sind in der
Bevorzugt können eine solche Startschaltung zum Starten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und die Schalteinrichtung für den zugehörigen Photovoltaik-Strang in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, so dass eine Strangbox mit kombinierter An- und Abschaltfunktion für den zugehörigen Photovoltaik-Strang entsteht. Die Strangbox wird mit Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Eingang und Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Ausgang der Strangbox zwischen die Serie aus Photovoltaik-Modulen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und den zentralen Sammelpunkt mit den anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strangs geschaltet. Hierdurch können überflüssige Komponenten, insbesondere Steckverbindungen eingespart werden, was sich positiv auf Kosten, Lebensdauer und Verlustleitung der Photovoltaik-Anlage auswirken kann. Die Verlustleistung der Schalteinrichtung ist im Produktionsbetrieb bei geschlossenem Relais so niedrig, dass die thermische Belastung akzeptabel ist.Preferably, such a start circuit for starting the associated photovoltaic string and the switching device for the associated photovoltaic string can be accommodated in a common housing, so that a strand box with combined on and off function for the associated photovoltaic string is formed. The strand box is provided with positive and negative terminals at the input and positive and negative terminals at the outlet of the string box between the series of photovoltaic modules of the associated photovoltaic string and the central collection point with the other photovoltaic strings in the associated photovoltaic cells. Strand switched. As a result, superfluous components, in particular connectors can be saved, which can have a positive effect on costs, life and loss management of the photovoltaic system. The power loss of the switching device is so low in production mode with the relay closed that the thermal load is acceptable.
Vorzugsweise ist jeder Photovoltaik-Strang mit der beschriebenen Photovoltaik-Modulübergreifenden Schalteinrichtung bzw. Strangbox ausgerüstet.Preferably, each photovoltaic string is equipped with the described photovoltaic module-overlapping switching device or strand box.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Trenn-Schalteinrichtung für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage zum Trennen von zumindest einem Photovoltaik-Strang von einem Stromabnehmer, z.B. einem Wechselrichter, wobei die Gleichstrom-Trenn-Schalteinrichtung einen Hybridschalter aus einem, insbesondere elektromechanischen, Relais und einer parallel zu dem Relais geschalteten Halbleiterschalteinrichtung umfasst.The invention further relates to an electronically controlled DC separation switching device for the DC part of a photovoltaic system for separating at least one photovoltaic string from a current collector, e.g. an inverter, wherein the DC separation switching device comprises a hybrid switch of a, in particular electromechanical, relay and a parallel connected to the relay semiconductor switching device.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Schalteinrichtung für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage.The invention further relates to the use of such a switching device for the DC part of a photovoltaic system.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verfahren zum benutzergesteuerten Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage, umfassend folgende Schritte:
- benutzergesteuertes Triggern der Schalteinrichtung des zumindest einen Photovoltaikstrangs durch ein elektrisches oder elektronisches Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer abzuschalten,
- benutzergesteuertes Triggern der Schalteinrichtung des zumindest einen Photovoltaik-Strangs durch ein elektrisches oder elektronisches Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang wieder an den Stromabnehmer anzuschalten, ggf. in Ansprechen auf die Erfüllung weiterer Prüfbedingungen.
- user-controlled triggering of the switching device of the at least one photovoltaic string by an electrical or electronic trigger signal in order to disconnect the at least one photovoltaic string from the current collector,
- user-controlled triggering of the switching device of the at least one photovoltaic string by an electrical or electronic trigger signal to turn on the at least one photovoltaic string back to the current collector, possibly in response to the fulfillment of further test conditions.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung zwar besonders vorteilhaft für Photovoltaik-Anlagen verwendbar, jedoch prinzipiell auch für andere DC-Generatoren einsetzbar ist. Diese sollen nicht ausgeschlossen sein.It will be apparent to those skilled in the art that although the invention can be used particularly advantageously for photovoltaic systems, it can also be used in principle for other DC generators. These should not be excluded.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the figures, wherein the same and similar elements are partially provided with the same reference numerals and the features of the various embodiments can be combined.
Figurenlistelist of figures
Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer Photovoltaik-Anlage mit parallelen Photovoltaik-Strängen, -
2 ein Blockschaltbild einer Schutzschaltung für ein Photovoltaik-Modul, -
3 ein Blockschaltbild einer Strangbox mit der Schalteinrichtung, -
4 einen Schaltplan der Ansteuerung der Hybrid-Schaltung aus Relais und MOSFET-Back-to-Back-Schaltung, -
5 einen Schaltplan für ein Schaltnetzteil zur Ansteuerung der MOSFET-Back-to-Back-Schaltung, und -
6 ein Ablaufdiagramm für das Starten, Prüfen und Abschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs.
-
1 a block diagram of a photovoltaic system with parallel photovoltaic strings, -
2 a block diagram of a protection circuit for a photovoltaic module, -
3 a block diagram of a strand box with the switching device, -
4 a circuit diagram of the control of the hybrid circuit of relay and MOSFET back-to-back circuit, -
5 a circuit diagram for a switching power supply for driving the MOSFET back-to-back circuit, and -
6 a flow chart for starting, testing and switching off the associated photovoltaic string.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Bezug nehmend auf
Jeder Photovoltaik-Strang umfasst eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen oder Photovoltaik-Paneelen
Bezug nehmend auf
Wieder Bezug nehmend auf
Die Strangboxen
Bezug nehmend auf
Die Photovoltaik-Module
Die Strangbox
Der Eingangsspannungssensor
In der Grundstellung der Strangbox
Der serielle Hybridschalter S1 wird in diesem Beispiel in Ansprechen auf einen Vergleich der Strangspannung U1 und der Wechselrichterspannung U2 geschlossen, d.h. die Schaltbedingung für den Anschaltvorgang des seriellen Hybridschalters S1 hängt in diesem Beispiel von einem Vergleich der Strangspannung U1 und der Wechselrichterspannung U2 ab. Der serielle Hybridschalter S1 wird insbesondere nur dann geschlossen, wenn die Strangspannung U1 des zugehörigen Photovoltaik-Strangs
Um unerwünschte Rückströme von den in diesem Beispiel vorhandenen anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strang
Damit alle Strangboxen
Bezug nehmend auf
Der Hybridschalter S1 kann trotz der hohen Anforderungen an nominelle Strangspannung, nominellen Strangstrom und die Gleichstrom-Anwendung mit handelsüblichen, relativ kleinen und kostengünstigen Bauteilen aufgebaut werden.The hybrid switch S1 can be constructed with commercially available, relatively small and inexpensive components, despite the stringent string voltage, nominal string and DC application requirements.
Z.B. haben sich die Relais des Typs RT.3T und RTS3L von TE Connectivity Ltd. (vgl. www.te.com) mit folgenden Eigenschaften als geeignet erwiesen:
- 1 Pol
16A , - 1 Form A (NO) Kontakt (AgSnO2 or W pre-make contact + AgSnO2)
- mono- oder bistabile Spule
- 5kV/10mm Spulenkontakt
- verstärkte Isolation
- WG Version: Produkt gemäß IEC60335-1
- RTS3T: Elektronischer Ballast UL508/NEMA 410 bewertet
- RTS3T: 165/20ms Einschaltspitzenstrom
- 1 Pole
16A . - 1 form A (NO) contact (AgSnO2 or W pre-make contact + AgSnO2)
- mono or bistable coil
- 5kV / 10mm coil contact
- reinforced insulation
- WG Version: Product according to IEC60335-1
- RTS3T: Electronic Ballast UL508 / NEMA 410 rated
- RTS3T: 165 / 20ms inrush current
Für die Back-to-Back-Schaltung 50 haben sich z.B. die MOSFETs des Typs STH12N120K5-2, STP12N120K5, STW12N120K5, oder STWA12N120K5 von ST (vgl. www.st.com) mit folgenden Eigenschaften als geeignet erwiesen:
Mit einer solchen Hybridschaltung S1 bestehend aus dem Relais
Es wird also mittels des Hybridschalters S1 die stromführende Verbindung zwischen dem zugehörigen Photovoltaik-Strang
Wenn der Benutzer ein Triggersignal zum Abschalten initiiert, was hier mit der Prüfbedingung „U ext. Start = Off“ bezeichnet wird, öffnet die Steuereinrichtung
Beim Abschalten des Photovoltaik-Strangs
Am Steuereingang
Die Dioden V17, C35, C36 sorgen für die Gleichrichtung und Glättung der zerhackten Spannung von 19,4 V.The diodes V17, C35, C36 provide the rectification and smoothing of the chopped voltage of 19.4 V.
Ferner umfasst die Ansteuerung für die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 einen Optokoppler
Die Anschlüsse Gate
Bezug nehmend auf
Zum Systemstart bei 102 ist der Hybridschalter S1 im Schritt
Wenn nun durch die Startimpulse der zugehörige Photovoltaik-Strang
Sind jedoch alle diese drei Prüfbedingungen in der Abfrage
Das Relais
Während des Produktionsbetriebs wird dann in einem Prüfschritt
Anschließend wird ein weiterer Prüfschritt
Falls die Abfrage in dem Schritt
Der Benutzer kann in dem Schritt
Wenn die Fehlerüberwachung im Schritt
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, jeden mit einer solchen Schalteinrichtung
Der in der Strangbox
Zum Starten des Photovoltaik-Strangs
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein An- und Abschalten des zumindest einen Photovoltaik-Strangs
Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Schalteinrichtung
Beim Anschalten wird erst die Halbleiterschalteinrichtung
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.It will be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments are to be read by way of example, and that the invention is not limited to them, but that they can be varied in many ways without departing from the scope of the claims. It is also to be understood that the features, independently as they are disclosed in the specification, claims, figures, or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if described together with other features.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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