DE102010017746A1

DE102010017746A1 - Verfahren zur Begrenzung der Generatorspannung einer photovoltaischen Anlage im Gefahrenfall und photovoltaische Anlage

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Publication number: DE102010017746A1
Application number: DE102010017746A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Häring Adrian; Dipl.-Ing. Laschinski Joachim; Dipl.-Ing. Greizer Frank; Dr.-Ing. Bettenwort Gerd; Dr.-Ing. Victor Matthias
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2011-11-03
Also published as: CN102939661B; EP2567405B1; EP2567406A1; JP2013530664A; CN102939661A; US20130057989A1; DE102010017747A1; CN102939660B; JP5830802B2; JP2013534125A; EP2567405A1; US8837098B2; US20130058140A1; WO2011138319A1; CN102939660A; WO2011138314A1; EP2567406B1

Abstract

In einer photovoltaischen Anlage mit einem an einen Wechselrichter (150) angeschlossenen, eine Anzahl Teilstrings (70a, 70b, 70c) umfassenden Generator (70) weist der Wechselrichter (150) eine Steuereinrichtung (40) und eine Reihenschalteinrichtung (50) zur Reihenverschaltung der Teilstrings auf, die über die Steuereinrichtung (40) derart angesteuert wird, dass sie im Gefahrenfall die Reihenverschaltung der Teilstrings auftrennt. Durch die Auftrennung wird im Gefahrenfall die Spannung des durch die Teilstrings (70a, 70b, 70c) gebildeten Generators (70) auf einen Wert unterhalb eines Gefahrengrenzwertes begrenzt. Diese Begrenzung kann die Gefährdung von Personen, insbesondere von Rettungspersonal, reduzieren. Ein entsprechendes Verfahren zur Begrenzung der Generatorspannung im Gefahrenfall ist ebenfalls offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Anlage mit einer Vorrichtung zur Begrenzung der Spannung in einem Gefahrenfall. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, mit der sicher gestellt werden kann, dass Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in einer solchen Anlage einen Gefahrengrenzwert nicht übersteigen, wenn eine Gefahr für Menschen oder Sachwerte besteht oder bestehen kann. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, um eine Generatorspannung im Gefahrenfall zu begrenzen.
Mit der weiten Verbreitung von dezentralen Energieeinspeisern, insbesondere von Solaranlagen, die auf Hausdächern, Gewerbegebäuden oder im Freiland installiert sind, rückt das Problem immer mehr ins Bewusstsein, dass im Gefahrenfall wie Brand und Sturm oder bei Wartungsarbeiten eine zuverlässige Sicherung der spannungsführenden Teile dieser Anlagen jederzeit möglich sein muss. Dabei ist die Zugänglichkeit der Abschaltvorrichtungen sowie deren Wirksamkeit gerade im Gefahrenfall dadurch beeinträchtigt, dass bereits eingetretene Vorschäden wie Hitze- und Raucheinwirkung ein zuverlässiges und dauerhaftes Auslösen der Sicherungsmaßnahme oder ein Erreichen der Auslöseeinrichtungen unmöglich machen können. Als Folge können zum Beispiel Löschmaßnahmen am Dachstuhl eines brennenden Hauses nicht vorgenommen werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass Feuerwehrmänner durch hohe Gleichspannungen einer möglicherweise noch betriebsfähigen photovoltaischen Anlage verletzt werden können.
Zum Schutz von Menschen und zur Vermeidung von Sachschäden durch hohe Gleichspannungen einer photovoltaischen Anlage schlägt DE 10 2005 018 173 eine Vorrichtung vor, mit der mittels einer generatornah installierten Schutzvorrichtung der Generator der Anlage kurzgeschlossen wird. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die Tatsache, dass die Schutzvorrichtung bei einem Brand schnell beschädigt wird und nicht mehr auslösbar ist. Außerdem wird die Vorrichtung durch die extremen Witterungsverhältnisse und Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit erheblichen Belastungen ausgesetzt, die die Funktionalität beeinträchtigen können. Weiterhin ist es bei dieser Ausführung nachteilig, dass keine Energieabgabe in das Gebäude und somit über einen an den Generator angeschlossenen Wechselrichter in ein Netz mehr möglich ist Die Druckschrift DE 10 2006 060 815 offenbart ein jeweils einem PV-Modul zugeordnetes Schaltelement, das derart angeordnet ist, dass im aktivierten Zustand des Schaltelements das zugeordnete Modul spannungslos ist. Das Schaltelement wird mittels eines auf die Gleichspannungs-Zuleitung aufmodulierten Hochfrequenzsignales aktiviert. Auch hier ergibt sich als Nachteil, dass das Schaltelement durch die extremen Witterungsverhältnisse und Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit erheblichen Belastungen ausgesetzt ist, die die Funktionalität beeinträchtigen können, und bei einem Brand schnell beschädigt wird und gegebenenfalls nicht mehr auslösbar ist. Ferner ist auch bei den in der DE 10 2006 060 815 dargestellten Lösungen keine Energieabgabe über einen Wechselrichter in ein Netz mehr möglich, da der Generator in allen offenbarten Ausführungsformen spannungsfrei geschaltet wird. Darüber hinaus erfordert das Anordnen eines Schaltelementes an jedem Modul innerhalb eines von gegebenenfalls mehreren Strings einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand.
Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das zuverlässig und dauerhaft die Möglichkeit eröffnet, in einem potenziellen Gefahrenfall die durch Generatoren einer photovoltaischen Anlage entstehenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den elektrischen Leitungen der Anlage auf ein Maß zu begrenzen, das Maßnahmen zur Bekämpfung der Gefahr ermöglicht, ohne für die im Einsatz befindlichen Rettungskräfte ein Schadensrisiko darzustellen. Bevorzugt soll es dabei möglich sein, bei reduzierter Spannung weiterhin Energie über einen an den Generator angeschlossenen Wechselrichter in ein Netz einspeisen zu können.
Diese Aufgabe wird durch den Vorrichtungsanspruch 1 und den Verfahrensanspruch 12 gelöst. In den auf diese Ansprüche zurück bezogenen Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die erfindungsgemäße photovoltaische Anlage weist einen Wechselrichter zum Einspeisen der von einem Generator der Anlage erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Wechselstromnetz auf. Hierbei wird der Generator in eine Anzahl von Teilstrings aufgeteilt, die durch eine in den Wechselrichter integrierte, über eine Steuereinrichtung angesteuerte Reihenschalteinrichtung in Serie geschaltet werden können. Die Teilstrings weisen jeweils eine Anzahl von Modulen oder einzelnen Solarzellen auf, die so konfiguriert sind, dass die Leerlaufspannung eines jeden Teilstrings einen Wert aufweist, der einen zum Beispiel vom Gesetzgeber bestimmten Gefahrengrenzwert nicht übersteigt. Im Gefahrenfall bewirkt die Reihenschalteinrichtung, dass die elektrische Verbindung zwischen den Teilstrings aufgetrennt wird, so dass Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den elektrischen Verbindungen zwischen dem Wechselrichter und den Teilstrings den Gefahrengrenzwert nicht mehr übersteigen können.
Ein Teilstring besteht dabei üblicherweise aus in Reihe geschalteten Modulen, die wiederum in Reihe geschaltete Solarzellen umfassen. Je nach verwendetem Modultyp kann die Spannung des Moduls bereits so groß sein, dass bei einer Reihenschaltung zweier Module der Gefahrengrenzwert überschritten wird. In diesem Fall kann ein Teilstring auch aus einem einzelnen Modul bestehen. Ebenso kann ein Teilstring auch aus einer Parallelverschaltung mehrerer Strings bestehen, deren Spannung den Gefahrengrenzwert nicht überschreitet.
Der Gefahrengrenzwert kann regional einen unterschiedlichen, vorgeschriebenen Wert aufweisen, zum Beispiel eine Spannung von 120 V, es können aber auch abweichende Werte im Bereich zwischen 60 V und 150 V, also zum Beispiel 100 V, als Grenzwert vorgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der an den Wechselrichter angeschlossene Generator mindestens drei durch die Reihenschalteinrichtung in Serie zu schaltende Teilstrings auf. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die gesamte Generatorspannung im optimalen Betriebspunkt des Generators einen Wert größer als die Scheitelspannung des Netzes aufweist (z. B. 350 V), wodurch die Einspeisung in das Netz ohne den Einsatz eines Hochsetzstellers im Wechselrichter möglich wird. Gleichzeitig kann die Leerlaufspannung der einzelnen Teilstrings unter dem oben angegebenen Gefahrengrenzwert verbleiben. Bei drei Teilstrings ist es allerdings häufig erforderlich, den Generator oberhalb einer Spannung zu betreiben, bei der die elektrische Leistung des Generators maximal ist, um die Scheitelspannung des Netzes zu überschreiten. Daher kann es vorteilhaft sein, mindestens vier Teilstrings in Serie zu schalten, wodurch es möglich ist, den Generator im Arbeitspunkt maximaler Leistung zu betreiben, wobei die Leerlaufspannung der einzelnen Teilstrings unterhalb eines Gefahrengrenzwertes von 120 V verbleiben kann. Bei anderen Gefahrengrenzwerten ergibt sich entsprechend eine andere Anzahl von Teilstrings, ab der dieser Effekt erreicht werden kann.
Die Reihenschalteinrichtung kann hierbei eine Anzahl von Schaltern aufweisen, die über eine Steuereinrichtung derart ansteuerbar sind, dass sie in einem Betriebszustand der photovoltaischen Anlage eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings herstellen, und im potenziell gefährlichen Zustand diese Verbindung auftrennen. Die Schalter können hierbei mechanische Schalter, zum Beispiel Relais, oder Halbleiter, insbesondere Leistungs-Halbleiter wie MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren sein.
Durch eine Integration der Reihenschalteinrichtung in ein Gehäuse des Wechselrichters wird zum einen eine besonders einfache Installation der Sicherungsmaßnahme erreicht. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit der Auslösung der Sicherungsmaßnahme im Gefahrenfall deutlich erhöht, insbesondere wenn alle zugehörigen Komponenten im Gehäuse des Wechselrichters angeordnet sind, wo sie zumindest eine erhebliche Zeitdauer vor Beschädigung durch Rauch- und Hitzeeinwirkung, aber auch vor den in Generatornähe typischen Witterungseinflüssen geschützt sind. Selbstverständlich kann die Reihenschalteinrichtung ebenso in einer separaten Box untergebracht sein, die auch wechselrichternah platzierbar ist. Der Begriff Wechselrichter umfasst somit auch eine Wechselrichteinrichtung, bei der Teilkomponenten des Wechselrichters, beispielsweise durch Nach-, Auf- oder Umrüstung einer bestehenden Anlage, in separaten Gehäusen untergebracht sind, welche dann bevorzugt in räumlicher Nähe zueinander, beispielsweise im gleichen Raum eines Gebäudes, angeordnet sind.
Da viele Wechselrichter bereits mit Kommunikationstechnologie wie Powerline-Communication oder Funktechniken wie Bluetooth, ZigBee o. ä. ausgestattet sind, die einen Datenaustausch mit entfernten Kommunikationseinheiten herstellen können, ist auch die Erreichbarkeit der Steuer- und Auslöseeinrichtung, sowie die Rückmeldung der erfolgreichen Auslösung der Sicherungsmaßnahme in vorteilhafter Weise gewährleistet. Gleichzeitig ist es so möglich, mit einem einzigen Auslösesignal eine Vielzahl von photovoltaischen Anlagen zu sichern, was eine erhebliche Zeiteinsparung im Gefahrenfall zur Folge hat.
Optional kann der Wechselrichter zusätzlich eine Parallelschalteinrichtung umfassen, die ebenso wie die Reihenschalteinrichtung eine Anzahl von Schaltern aufweist, die derart konfiguriert sind, dass sie im geschlossenen Zustand die einzelnen Teilstrings parallel zueinander schalten. Die Art der denkbaren Schalter entspricht denen der Reihenschalteinrichtung.
Die Parallelschalteinrichtung wird typischerweise betätigt, wenn die Reihenschalteinrichtung die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings aufgetrennt hat. In diesem Zustand ist ebenfalls sichergestellt, dass die in der Anlage auftretenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen den Gefahrengrenzwert nicht übersteigen. Zusätzlich ist es in diesem Zustand möglich, auf einem niedrigeren Spannungsniveau des Generators weiterhin elektrische Leistung mittels des Wechselrichters in das Netz einzuspeisen. In diesem Fall ist es zur Einspeisung in das Netz notwendig, die Generatorspannung zunächst mittels eines Hochsetzstellers auf eine ausreichend hohe Gleichspannung umzusetzen. Beispielsweise kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Einspeisung fortgesetzt werden kann, wenn längere Wartungsarbeiten im Bereich des Generators durchgeführt werden müssen, da ein Risiko für die die Wartung ausführenden Menschen durch die Reduktion der Generatorspannung ausreichend herabgesetzt werden kann. Die Fortführung der Einspeisung kann auch beim Auftreten von Fehlalarmen helfen, unnötige Einbußen der Energieausbeute der photovoltaischen Anlage zu vermeiden. Selbst im Brandfall würde eine erfindungsgemäße photovoltaische Anlage bei fortgeführter Einspeisung keine Gefahr für Rettungspersonal darstellen.
Es ist ebenfalls denkbar, die Schalter der Reihenschalteinrichtung und der Parallelschalteinrichtung gleichzeitig zu schließen, so dass die angeschlossenen Teilstrings in diesem Zustand kurzgeschlossen sind, wodurch ebenfalls eine Gefährdung durch die Generatorspannung ausgeschlossen ist.
Alternativ kann die Kurzschlussfunktion auch durch eine zusätzliche Kurzschließeinrichtung im Wechselrichter, die zwischen den elektrischen Zuleitungen zwischen Generator und Wechselrichter angeordnet ist, erreicht werden.
Zusätzlich können Wechselrichterbrücke und Generator durch eine DC-Trenneinrichtung voneinander getrennt werden. Die Kurzschließeinrichtung und die DC-Trenneinrichtung können hierbei ebenfalls Schalter von den im Rahmen der Reihenschalteinrichtung aufgezählten Typen aufweisen.
Weiterhin kann die photovoltaische Anlage optional zusätzlich eine Erdschließeinrichtung umfassen, die ebenso wie die Reihenschalteinrichtung und die Parallelschalteinrichtung eine Anzahl von Schaltern aufweist, die derart konfiguriert sind, dass sie im geschlossenen Zustand mindestens einen Anschluss mindestens eines der Teilstrings mit Erde verbinden. Die Erdschließeinrichtung kann hierbei Schalter von den im Rahmen der Reihenschalteinrichtung aufgezählten Typen aufweisen.
Die Erdschließeinrichtung wird typischerweise betätigt, wenn die Reihenschalteinrichtung die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings aufgetrennt hat. In diesem Zustand könnten je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Erdung von Teilen der photovoltaischen Anlage auftretende Spannungen an den Teilstrings gegenüber Erde den Gefahrengrenzwert übersteigen. Dies wird durch Herstellen eines definierten Potenzials an einem Anschluss der Teilstrings mittels der Erdschließeinrichtung verhindert. Die Erdschließeinrichtung kann auch in Verbindung mit der Parallelschließeinrichtung aktiviert sein.
Es ist ebenfalls denkbar, über die Schalter der Erdschließeinrichtung jeweils beide Anschlüsse der Teilstrings gleichzeitig mit Erde zu verbinden, so dass die angeschlossenen Teilstrings in diesem Zustand über Erde kurzgeschlossen sind, wodurch ebenfalls eine Gefährdung durch die Generatorspannung ausgeschlossen ist. Ebenso kann ein sicherer Zustand durch Herstellen einer Verbindung mit Erde zwischen allen Teilstrings erreicht werden.
Die Reihenschalteinrichtung, die Parallelschalteinrichtung, die Erdschließeinrichtung, die Kurzschließeinrichtung und die DC-Trenneinrichtung werden von einer zentralen Steuereinrichtung abhängig vom Vorliegen eines Betriebszustandes oder Signals, welche einer Gefahrensituation zugeordnet sind, gesteuert. Hierzu kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, Betriebszustände der photovoltaischen Anlage, die einem Gafahrenfall zugeordnet sind, beispielsweise gefahrentypische Schwankungen in den elektrischen Kenngrößen der photovoltaischen Anlage, zu erkennen. Sie kann aber auch zum Empfang eines einem Gefahrenfall zugeordneten Signals eingerichtet sein, das beispielsweise vom Wechselrichter selbst erzeugt wird, zum Beispiel wenn der Wechselrichter eine Inselnetz-Situation erkennt. Das Signal kann aber auch außerhalb des Wechselrichters, beispielsweise von einer separaten Sensoreinrichtung oder durch eine manuelle Notabschalteinrichtung erzeugt werden und zu diesem übermittelt werden. Eine Übertragung des Signals zur Steuereinrichtung kann mittels einer elektrischen Steuerleitung, einer drahtlosen Verbindung oder auch mittels einer Übertragung über die vorhandenen Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleitungen an die Steuereinrichtung erfolgen. Als drahtlose Verbindung kommen hier einerseits Funkverbindungen in Frage, aber auch andere Möglichkeiten drahtloser Signalübertragung wie beispielsweise Infrarot, Schall, Ultraschall, mechanische Wirkübertrager, hydraulische Wirkübertrager oder pneumatische Wirkübertrager.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anlage zunächst bei einer Spannung des Generators oberhalb des Gefahrengrenzwertes betrieben. In diesem Betriebszustand arbeitet die Anlage typischerweise besonders effizient. Sobald ein Gefahrenfall detektiert wird, wird die Anlage auf eine Generatorspannung reduziert, die unterhalb des Gefahrengrenzwertes liegt. Das Verlassen des Arbeitspunktes mit einer Generatorspannung oberhalb des Gefahrengrenzwertes und das Regeln auf einen neuen Arbeitspunkt mit einer Generatorspannung unterhalb des Gefahrengrenzwertes wird hierbei typischerweise durch die Spannungs- oder Stromregelung des Wechselrichters bewerkstelligt.
Eine Gefahrensituation bzw. ein Gefahrenfall kann vorliegen, wenn eine Inselnetz-Situation eintritt, das heißt wenn der Wechselrichter vom Netz getrennt wird, oder das Netz abgeschaltet ist, wenn ein Lichtbogen oder ein Erdschluss in elektrischen Verbindungen der photovoltaischen Anlage erkannt wird oder wenn eine Generatortrenneinrichtung am Wechselrichter ausgelöst wird, z. B. ein sogenannter Electronic Solar Switch. Eine Gefahrensituation bzw. ein Gefahrenfall kann ebenfalls vorliegen, wenn eine manuelle Notabschalteinrichtung betätigt wird, wenn gefahrentypische Schwankungen in elektrischen Kenngrößen der photovoltaischen Anlage erkannt werden oder wenn externe Sensoren wie beispielsweise Temperaturfühler, Rauchmelder oder Infrarotdetektoren ansprechen. Sofern die photovoltaische Anlage in einer Datenverbindung zu benachbarten, weiteren photovoltaischen Anlagen oder Wechselrichtern oder zu anderen Kommunikationseinheiten steht, kann ein einer Gefahrensituation zugeordnetes Signal auch von einer Anlage zur nächsten übertragen werden, so dass die Anlagen gemeinsam auf die Gefahrensituation reagieren können.
Eine Fortführung der Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, an das die photovoltaische Anlage angeschlossen ist, kann trotz Reduktion der Generatorspannung erreicht werden, indem die auf einen Wert unterhalb eines Gefahrengrenzwertes reduzierte Generatorspannung mittels eines Hochsetzstellers zunächst auf einen ausreichend hohen Gleichspannungswert angehoben wird, mit dem eine Wechselrichterbrücke die Wechselspannung zur Einspeisung in das Netz erzeugt. Zum Beispiel kann der Hochsetzsteller eine Generatorspannung kleiner 120 V auf eine Zwischenkreisspannung größer 325 V anheben, so dass die direkte Einspeisung elektrischer Leistung in ein öffentliches Netz möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die einzelnen Teilstrings des Generators beim Betrieb der photovoltaischen Anlage oberhalb des Gefahrengrenzwertes in einer Reihenschaltung betrieben, die beispielsweise durch die vorbeschriebene Reihenschalteinrichtung gewährleistet werden kann, während die reduzierte Generatorspannung dadurch erreicht wird, dass die Teilstrings in einer Parallelschaltung betrieben werden, die beispielsweise durch die vorbeschriebene Parallelschalteinrichtung gewährleistet werden kann. Hierbei wird bei Detektion des Gefahrenfalles zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung der Teilstrings gewechselt.
Optional kann das Verfahren zusätzlich um einen Verfahrensschritt erweitert sein, in dem in Reaktion auf die Detektion des Gefahrenfalles eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mindestens eines Anschlusses mindestens eines der Teilstrings mit Erde erfolgt, wodurch ein definiertes Potenzial dieses Anschlusses gegenüber Erde hergestellt wird. Eine solche Verbindung mit Erde kann beispielsweise durch die vorbeschriebene Erdschließeinrichtung gewährleistet werden.
In einer mit erwogenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Regelung der Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes dadurch erreicht, dass der gesamte Generator oder Teilstrings des Generators kurzgeschlossen werden, gegebenenfalls auch über Erde. Dieses Kurzschließen des Generators kann auch als zusätzliche Maßnahme erfolgen, nachdem die Generatorspannung zunächst auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes reduziert wurde, zum Beispiel wenn ein weiteres Einspeisen elektrischer Leistung in ein Netz nicht mehr möglich ist. In diesem Fall würde die Generatorspannung ohne ein Kurzschließen des Generators andernfalls möglicherweise auf Werte oberhalb des Gefahrengrenzwertes ansteigen. Das Kurzschließen des Generators kann hierbei zum Beispiel ausgelöst werden, wenn eine Inselnetz-Situation vom Wechselrichter detektiert wird.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt hierbei eine erfindungsgemäße photovoltaische Anlage,
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße photovoltaische Anlage mit einer zusätzlichen Parallelschalteinrichtung und einer zusätzlichen Erdschließeinrichtung,
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Begrenzung der Generatorspannung im Gefahrenfall und
4 zeigt beispielhafte Verläufe von Leistungskennlinien zur Illustration von Arbeitspunktverschiebungen.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau einer photovoltaischen Anlage 1 mit einem Wechselrichter 150, der wechselspannungsseitig an ein Netz 30, zum Beispiel ein öffentliches Wechselstromnetz angeschlossen ist. Auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 150 ist dieser mittels Verbindungsleitungen 120, 130 mit einem Generator 70 verbunden. Der Generator 70 ist in zwei Teilstrings 70a, 70b unterteilt, die durch einen dem Wechselrichter zugeordneten Schalter 50 miteinander in Reihe geschaltet werden können. Die Ansteuerung des Schalters 50 erfolgt hierbei über eine Steuereinrichtung 40 derart, dass im Normalbetrieb des Wechselrichters die Teilstrings 70a, 70b des Generators 70 in Reihenschaltung mit einer Wechselrichterbrücke 20 verbunden sind. Im Gefahrenfall steuert die Steuereinrichtung 40 den Schalter 50 so an, dass er die elektrische Verbindung der beiden Teilstrings 70a, 70b auftrennt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den Zuleitungen zum Generator 70 erheblich verringert werden, insbesondere dass bei entsprechender Auslegung der beiden Teilstrings 70a, 70b ausgeschlossen werden kann, dass eine bei Berührung für den Menschen gefährliche Spannung bzw. Spannungsdifferenz in den elektrischen Verbindungen des Generators 70 auftritt.
Optional kann zwischen den Verbindungsleitungen 120, 130 eine Kurzschließeinrichtung 110 angeordnet sein, die ebenfalls von der Steuereinrichtung 40 angesteuert wird, und die im Gefahrenfall benutzt werden kann, um die Verbindungsleitung 120 mit der Verbindungsleitung 130 zu verbinden. Weiterhin kann die photovoltaische Anlage eine DC-Trenneinrichtung 80 in den Verbindungsleitungen 120, 130 aufweisen, die ebenfalls von der Steuereinrichtung 40 gesteuert wird, um den Generator 70 von der Wechselrichterbrücke 20 zu trennen.
Der Schalter 50, die Kurzschließeinrichtung 110, die DC-Trenneinrichtung 80 und die Steuereinrichtung 40 sind im Inneren des Gehäuses des Wechselrichters 150 angeordnet, wodurch die Zuverlässigkeit der Funktion dieser Komponenten im Gefahrenfall erheblich erhöht wird.
Die Steuereinrichtung 40 ist dazu eingerichtet Betriebszustände der photovoltaischen Anlage zu analysieren oder ein von innerhalb oder außerhalb der photovoltaischen Anlage an die Steuereinrichtung übertragenes Signal zu empfangen. Insbesondere können die Signale beispielsweise von einem Not-Ausschalter oder von einer Überwachungskomponente der photovoltaischen Anlage erzeugt sein. Beim Erkennen eines Betriebszustandes, der einem Gefahrenfall zugeordnet ist, oder beim Empfang eines Signals, das einem Gefahrenfall zugeordnet ist, durch die Steuereinrichtung 40 löst diese eine entsprechende Ansteuerung der Schalter in der Reihenschalteinrichtung, der Kurzschließeinrichtung und der DC-Trenneinrichtung aus.
2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier besteht der Generator 70 aus drei Teilstrings 70a, 70b, 70c, die mittels einer Reihenschalteinrichtung 50 miteinander in Serie geschaltet werden können. Mittels einer optionalen Parallelschalteinrichtung 60 können die einzelnen Teilstrings alternativ auch parallel zueinander geschaltet werden. Mittels einer optionalen Erdschließeinrichtung 140 können Anschlüsse der Teilstrings weiterhin auch mit Erde verbunden werden. Die Reihenschalteinrichtung 50, die Parallelschalteinrichtung 60 und die Erdschließeinrichtung 140 werden durch die Steuereinrichtung 40 angesteuert. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich im Normalbetrieb des Wechselrichters 150 die Betriebsspannungen der Teilstrings 70a, 70b, 70c zu einem Wert addieren lassen, der oberhalb der Scheitelspannung des an der Wechselrichterbrücke 20 angeschlossenen Netzes 30 liegt. Im Gefahrenfall kann durch ein Auftrennen der Reihenschaltung der Teilstrings 70a, 70b, 70c mittels der Reihenschalteinrichtung 50 und eine parallele Anordnung der Teilstrings 70a, 70b, 70c mittels der Parallelschalteinrichtung 60 erreicht werden, dass in den elektrischen Verbindungen zwischen dem Wechselrichter 150 und dem Generator 70 nur für den Menschen ungefährliche Spannungsdifferenzen auftreten können, und dass die photovoltaische Anlage gleichzeitig weiterhin Leistung ins Netz abgeben kann. Hierzu weist der Wechselrichter 150 typischerweise einen Hochsetzsteller (nicht gezeigt) auf, der die Betriebsspannung der parallel geschalteten Teilstrings in eine ausreichend hohe Spannung zum Einspeisen von Leistung in das Netz 30 umwandeln kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass die photovoltaische Anlage in einen berührungssicheren Zustand versetzt werden kann, ohne den Betrieb der Anlage vollständig einstellen zu müssen. Durch die Erdschließeinrichtung 140 kann dabei zusätzlich sichergestellt werden, dass an den Anschlüssen der Teilstrings definierte Potenziale gegenüber Erde vorliegen. Dies kann durch Betätigen der entsprechenden Schalter als Teilmenge der in 2 gezeigten Schalter der Erdschließeinrichtung 140 bewerkstelligt werden. Es ist hierbei offenkundig, dass bei Verbinden beider Anschlüsse eines Teilstrings mit Erde dieser effektiv kurzgeschlossen werden kann. Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind alle Schalter der Erdschließeinrichtung über eine gemeinsame Leitung mit Erde verbunden. Alternativ kann auch jeder Schalter der Erdschließeinrichtung jeweils einzeln mit Erde verbunden sein.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm entsprechend eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird die photovoltaische Anlage bei einer Spannung des Generators 70 betrieben, die oberhalb eines Gefahrengrenzwertes liegt. Sobald ein Gefahrenfall detektiert wird (Schritt 210), wird die Spannung des Generators 70 auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes geregelt (Schritt 220). Die Regelung der Generatorspannung kann hierbei durch ein Umschalten der Reihenanordnung von Teilstrings 70a, 70b, 70c des Generators 70 in eine parallele Anordnung, zum Beispiel mittels der Reihenschalteinrichtung 50 und der Parallelschalteinrichtung 60, erfolgen. Alternativ kann die Regelung der Generatorspannung auch mittels geeigneter Ansteuerung eines Hochsetzstellers erfolgen, der Teil eines Wechselrichters ist, welcher zur Einspeisung der vom Generator 70 erzeugten Energie in ein Netz 30 vorgesehen ist. Optional kann in einem weiteren Verfahrensschritt 230 eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mindestens eines Anschlusses mindestens eines der Teilstrings 70a, 70b, 70c mit Erde erfolgen.
4 zeigt den Verlauf zweier Leistungskennlinien einer photovoltaischen Anlage als Funktion der Generatorspannung U. Eine erste Kurve 340 zeigt den Verlauf der Leistung P eines Generators in dem Fall, dass die Teilstrings in Serie geschaltet sind. Die maximale Leistung wird an einem Arbeitspunkt 300 erreicht, bei dem die Generatorspannung einen Wert U_MPP oberhalb eines Gefahrengrenzwertes U_GG aufweist. Wenn es aufgrund der Detektion einer Gefahrensituation notwendig wird, die Generatorspannung auf einen Wert unterhalb des Gefahrengrenzwertes U_GG zu regeln, kann der Arbeitspunkt des Generators beispielsweise zu einem Arbeitspunkt 330 verschoben werden, der knapp unterhalb des Gefahrengrenzwertes U_GG liegt, wobei die eingespeiste Leistung gegenüber der maximal möglichen Leistung am Arbeitspunkt 300 reduziert ist.
Wenn man die Teilstrings bei Detektion einer Gefahrensituation von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung umkonfiguriert, ergibt sich eine zweite Leistungskennlinie 350, bei der die Generatorspannung in diesem Beispiel im gesamten Verlauf unterhalb des Gefahrengrenzwertes U_GG verbleibt. Hierdurch ist es möglich, den Generator weiterhin im Punkt maximaler Leistung 310 zu betreiben, so dass die Einspeisung elektrischer Energie im Wesentlichen unverändert gegenüber der Reihenschaltung erfolgen kann.
Sofern der Generator in Reihenschaltung verbleibt, das heißt im Gefahrenfall im Arbeitspunkt 330 betrieben wird, ist es erforderlich, bei Trennung des Wechselrichters vom Netz, oder in anderen Fällen, in denen eine weitere Einspeisung elektrischer Energie in das Netz nicht möglich ist, einen Arbeitspunkt zu erreichen, bei dem der Generator keine Leistung erzeugt und gleichzeitig die Generatorspannung unterhalb des Gefahrengrenzwertes U_GG liegt. Ein solcher Arbeitspunkt ist der Kurzschlusspunkt 320, der durch ein Kurzschließen des Generators erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaische Anlage
20: Wechselrichterbrücke
30: Netz
40: Steuereinrichtung
50: Reihenschalteinrichtung
60: Parallelschalteinrichtung
70: Generator
70a–70c: Teilstrings
80: DC-Trenneinrichtung
110: Kurzschließeinrichtung
120: Verbindungsleitung
130: Verbindungsleitung
140: Erdschließeinrichtung
150: Wechselrichter
200, 210, 220: Verfahrensschritte
230: Verfahrensschritt
300: Erster Arbeitspunkt maximaler Leistung
310: Zweiter Arbeitspunkt maximaler Leistung
320: Kurzschlusspunkt
330: Dritter Arbeitspunkt
340: Erste Leistungskennlinie
350: Zweite Leistungskennlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005018173 [0003]
DE 102006060815 [0003, 0003]

Claims

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