DE102012109012B4

DE102012109012B4 - Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit einer Gleichspannungsquelle für eine Offsetspannung

Info

Publication number: DE102012109012B4
Application number: DE102012109012.2A
Authority: DE
Inventors: Stephanie Coors; Michael Viotto
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: US20130088086A1; US9214817B2; DE102012109012A1

Abstract

Schaltungsanordnung (1) für ein Solarkraftwerk (2) mit: – mindestens einem Generatoranschluss (4) für einen Photovoltaikgenerator (5), – einem Netzanschluss (11) für ein Wechselstromnetz (12), – mindestens einem transformatorlosen Wechselrichter (3) zum Einspeisen von elektrischer Leistung von einem an den mindestens einen Generatoranschluss (4) angeschlossenen Photovoltaikgenerator (5) in ein an den Netzanschluss (11) angeschlossenes Wechselstromnetz (12), – einer galvanischen Trennung aller stromführenden Leitungen (L1, L2, L3) zwischen dem mindestens einen Wechselrichter (3) und dem Netzanschluss (11) und – einer Gleichspannungsquelle (13) in einem Offsetpfad (14) zwischen einer auf der dem Netzanschluss (11) abgekehrten Seite der galvanischen Trennung an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Leitung (M, L1, L2, L3, L3, L4) und einem Bezugspotential, – wobei die Gleichspannungsquelle (13) eine Offsetspannung bereitstellt, um ein elektrisches Potential des Generatoranschlusses (4) und eines daran angeschlossenen Photovoltaikgenerators (5) gegenüber Potentialerde (PE) einzustellen, – wobei der Offsetpfad (14) in einen Gleichstromzweig (15) und einen dazu parallel geschalteten Wechselstromzweig (16) verzweigt ist, wobei die Gleichspannungsquelle (13) in dem Gleichstromzweig (15) und mindestens ein Kondensator (Cab) in dem Wechselstromzweig (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gleichspannungsquelle (13) in dem Gleichstromzweig (15) in Reihe mit einem Stromsensor (17) geschaltet ist und – dass in dem Offsetpfad (14) ein Gleichstromschütz (18) zum Abschalten zumindest einer DC-Komponente eines auftretenden Fehlerstroms vorgesehen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit mindestens einem Generatoranschluss für ein Photovoltaikgenerator und mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Es ist ein bekanntes Phänomen, dass die Module bestimmter Photovoltaikgeneratoren, insbesondere sogenannte Dünnschichtmodule, ihre maximale Lebensdauer nur dann erreichen, wenn sie sich insgesamt auf negativem oder positivem elektrischen Potential gegenüber Potentialerde befinden.
Um ein solches elektrisches Potential für die Module eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators sicherzustellen, ist bei einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 eine Gleichspannungsquelle vorgesehen, die eine Offsetspannung bereitstellt.
STAND DER TECHNIK
Eine Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit einer galvanischen Trennung aller stromführenden Leitungen zwischen einem Wechselrichter und einem Netzanschluss und mit einer Gleichspannungsquelle in einem Offsetpfad zwischen einer auf der dem Netzanschluss abgekehrten Seite der galvanischen Trennung an den mindestens einen transformatorlosen Wechselrichter angeschlossenen Leitung und einem Bezugspotential, wobei die Gleichspannungsquelle eine Offsetspannung bereitstellt, um ein elektrisches Potential eines an den Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgenerators gegenüber Potentialerde einzustellen, ist aus der EP 2 136 449 B1 bekannt. Hier ist die Gleichspannungsquelle für die Offsetspannung in einem Offsetpfad vorgesehen, der von einer Leitung auf der Primärseite eines Transformators zur Potentialerde führt. Der Transformator stellt die galvanische Trennung zwischen mehreren parallel geschalteten transformatorlosen Wechselrichtern und dem Netzanschluss bereit. Wenn der Transformator eine Mittelpunktschaltung auf seiner Primärseite aufweist, ist der Offsetpfad an deren Mittelpunkt angeschlossen. Wenn der Transformator eine Dreieckschaltung auf seiner Primärseite aufweist, ist der Offsetpfad zwischen einer der Phasenleitungen und Potentialerde vorgesehen. Die parallel geschalteten Wechselrichter speisen elektrische Leistung von jeweils einem Photovoltaikgenerator in eine von drei Phasenleitungen zu dem Transformator ein. Bei transformatorlosen Wechselrichtern resultiert aus einer Potentialverschiebung am wechselspannungsseitigen Ausgang um einen gewissen Gleichspannungsanteil auch eine Potentialverschiebung des angeschlossenen Photovoltaikgenerators am gleichspannungsseitigen Eingang und umgekehrt. Die Offsetspannung der Gleichspannungsquelle bewirkt daher, dass sich die an die Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren vollständig auf positivem elektrischen Potential befinden. Darüber hinaus kann eine Stromüberwachungseinrichtung der Gleichspannungsquelle zur Erkennung von Erdschlüssen verwendet werden. Bei einem Isolationsfehler oder einem Erdschluss tritt in dem Offsetpfad ein erhöhter Strom über die Potentialerde auf. Bei einem Isolationsfehler oder einem Erdschluss wird ein Schütz ausgelöst, dass die Stromverbindung zwischen den Wechselrichtern und dem Transformator oder zwischen dem Netzanschluss und dem Transformator trennt.
Eine weitere Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit einer galvanischen Trennung aller stromführenden Leitungen zwischen einem Wechselrichter und einem Netzanschluss und mit einer Gleichspannungsquelle in einem Offsetpfad zwischen einer auf der dem Netzanschluss abgekehrten Seite der galvanischen Trennung an den mindestens einen transformatorlosen Wechselrichter angeschlossenen Leitung und einem Bezugspotential, wobei die Gleichspannungsquelle eine Offsetspannung bereitstellt, um ein elektrisches Potential eines an den Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgenerators gegenüber Potentialerde einzustellen, ist aus der WO 2010/051 812 A1 bekannt. Hier sind ein oder mehrere dreiphasige transformatorlose Wechselrichter parallel geschaltet und speisen jeweils elektrische Leistung von einem Photovoltaikgenerator über einen gemeinsamen, die galvanische Trennung bewirkenden Transformator in ein Wechselstromnetz ein. Die Gleichspannungsquelle für die Offsetspannung ist an den Mittelpunkt der Primärseite des Transformators angeschlossen, egal ob dieser Mittelpunkt mit den einzelnen Wechselrichtern verbunden ist oder nicht. Die Größe der Offsetspannung, die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, wird bei dieser bekannten Schaltungsanordnung an die aktuelle Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren angepasst. So wird das elektrische Potential der Photovoltaikgeneratoren immer um eine gerade ausreichend große Offsetspannung verschoben, um es gerade insgesamt positiv oder negativ einzustellen.
In der WO 2010/051 812 A1 wird die Auffassung vertreten, dass nur sehr kleine Ströme durch die Gleichspannungsquelle für die Offsetspannung fließen, so dass infolge der Offsetspannung nur sehr wenig elektrische Leistung dissipiert wird. Diese Leistung wird auf die Größenordnung von 1 W abgeschätzt. Dies mag für den Gleichstromanteil des von der Offsetspannung hervorgerufenen Stroms zutreffen, so lange kein Fehlerstrom über Potentialerde auftritt. Ein derartiger Fehlerstrom kann aber leicht eine Größenordnung von 1 A erreichen. Dies bedeutet bei einer typischen Offsetspannung von mehreren 100 V mehrere 100 W Leistung. Hinzu kommt, dass im Betrieb üblicher Wechselrichter auf deren Gleichspannungsseite auftretende Potentialschwankungen zusammen mit einer hohen elektrischen Kapazität der Module von Photovoltaikgeneratoren gegenüber Potentialerde zu großen kapazitiven Ableitströmen führen können, die über die Gleichspannungsquelle in dem Offsetpfad zurückfließen. Die kapazitiven Ableitströme weisen eine typische Größenordnung von 100 mA bis mehreren A auf und sind stark witterungsabhängig. Die elektrische Kapazität von Modulen eines Photovoltaikgenerators gegenüber Potentialerde ändert sich zum Beispiel sehr stark mit der Luftfeuchtigkeit und insbesondere durch Niederschlag auf die Module. Ein relativ hoher Wechselstromanteil des Stroms durch den Offsetpfad nach Potentialerde ist daher noch kein Hinweis auf einen Erdschluss- oder Isolationsfehler, belastet aber die in dem Offsetpfad angeordnete Gleichspannungsquelle erheblich. Hingegen ist ein bereits niedrigerer Gleichstrom durch den Offsetpfad ein Hinweis auf einen gefährlichen Fehler und möglichst sofort abzuschalten oder zumindest auf einen ungefährlichen Wert zu reduzieren.
Insbesondere muss ein solcher Fehlerstrom aus Sicherheitsgründen sofort abgeschaltet oder zumindest auf einen ungefährlichen Wert reduziert werden, wenn das Solarkraftwerk noch weiter betrieben werden soll, um weiter elektrische Energie in ein angeschlossenes Wechselstromnetz einzuspeisen. Hierbei ist zu beachten, dass der Strom durch den Offsetpfad – insbesondere im Fehlerfall – ein Mischstrom aus Wechselstrom- und Gleichstromanteil mit relativ hohem Gleichstromanteil ist. Für eine sichere Abschaltung eines derartigen Fehlerstromes ist ein mischstromsensitiver Leitungsschutzschalter, insbesondere ein RCD vom Typ B nicht geeignet, weil diese Einrichtungen nur einen Mischstrom mit maximal geringem Gleichstromanteil sicher abschalten können. Bei einem größeren Gleichstromanteil tritt zwischen den Kontakten der Einrichtung ein Lichtbogen auf, über den der Fehlerstrom weiter fließt. Daher ist es nicht möglich, die bekannten Schaltungsanordnungen für Solarkraftwerke durch einen herkömmlichen Leitungsschutzschalter in dem Offsetpfad abzusichern, der auftretende Fehlerströme und den Erdbezug über dem Offsetpfad abschaltet, so dass ein aufgetretener Isolations- bzw. Erdschlussfehler nur zu einem anderen Erdbezug führt, aber kein schlagartiges Abschalten des Solarkraftwerks erfordert.
Eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der WO 2010/078 669 A1 bekannt. Hier besteht der Offsetpfad ausschließlich aus einer Potentialschiebeeinrichtung in Form einer Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer Gleichspannung zwischen dem Erdpotential und einem Ausgang des Wechselrichters. Die Gleichspannungsquelle besteht aus einem Transformator, einem Gleichrichter und einem Spannungsregler, wobei ihren beiden Ausgängen ein Kondensator parallel geschaltet ist. Der Transformator ist primärseitig mit den Ausgängen des Wechselrichters verbunden. Sekundärseitig ist der Gleichrichter an den Transformator angeschlossen.
Aus der EP 2 086 020 A2 ist eine Photovoltaik-Anlage mit Potentialanhebung bekannt, bei der ein Offsetpfad von Potentialerde zu einem von zwei Eingängen eines Wechselrichters führt. In dem Offsetpfad sind eine Gleichspannungsquelle, ein Stromsensor und ein Schutzschalter angeordnet. Der Schutzschalter wird geöffnet, wenn der von dem Stromsensor registrierte Strom einen Grenzwert überschreitet. Der durch die Gleichspannungsquelle fließende und von dem Stromsensor erfasste Strom ist ein Mischstrom aus Wechselstrom- und Gleichstromanteil. So tritt grundsätzlich dieselbe Problematik wie bei der aus der WO 2010/051 812 A1 bekannten Schaltungsanordnung auf. Ein relativ hoher Wechselstromanteil des Stroms durch den Offsetpfad nach Potentialerde ist, obwohl er die in dem Offsetpfad angeordnete Gleichspannungsquelle erheblich belastet, noch kein Hinweis auf einen Erdschluss- oder Isolationsfehler.
Aus der DE 1 255 783 A ist eine Erdschlussschutzeinrichtung für galvanisch miteinander verbundene Gleich- und Wechselspannungssysteme bekannt. Die Erdschlussschutzeinrichtung weist zwei Parallelpfade auf. In dem einen Parallelpfad befindet sich ein Widerstand zur Strombegrenzung, ein Gleichstromrelais zur Erdschlussanzeige und eine Gleichspannungsquelle, wobei dem Gleichstromrelais und der Gleichspannungsquelle Kondensatoren zur Wechselstromaussiebung parallel geschaltet sind. In dem anderen Parallelpfad sind ein Kondensator zur Gleichstromsperrung und ein Strom begrenzender Widerstand angeordnet, wobei ein weiteres Schutzrelais so angeordnet ist, dass es anspricht, wenn in diesem Parallelpfad ein Wechselstrom fließt. Die beiden Schutzrelais zeigen so einerseits das Fließen eines Gleichstroms und andererseits das Fließen eines Wechselstroms nach Erde an.
Aus der CH 219 287 A ist eine Anordnung zur Erfassung von Gestellschlüssen auch im Sternpunkt oder in der Nähe des Sternpunkts einer elektrischen Wicklung, z. B. einer Generatorwicklung, bekannt. Zwischen dem Sternpunkt der zu schützenden Wicklung und Erde ist eine Erdverbindung vorgesehen, in der eine Gleichspannungsquelle in Form eines Kondensators, der ständig mit Gleichstrom aufgeladen wird, mit einem Stromsensor in Reihe geschaltet ist. Dadurch wird eine Gleichstromverspannung erreicht, in deren Folge bei einem Erdschluss ein Gleichstrom über den Stromsensor fließt, ganz egal an welchem Punkt der Wicklung der Erdschluss auftritt, und der Stromsensor diesen Erdschluss anzeigt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufzuzeigen, die die Probleme beseitigt, welche mit über den Offsetpfad fließenden Ableitströmen verbunden sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Offsetpfad, der sich zwischen der auf der dem Netzanschluss abgekehrten Seite der galvanischen Trennung an den mindestens einen Wechselrichter angeschlossenen Leitung und dem Bezugspotential erstreckt, in einen Gleichstromzweig und einen dazu parallel geschalteten Wechselstromzweig verzweigt. Die Gleichspannungsquelle für die Offsetspannung gegenüber dem Bezugspotential ist in dem Gleichstromzweig angeordnet. In dem Wechselstromzweig ist mindestens ein Kondensator vorgesehen. Dieser Kondensator ist so ausgelegt, dass er bei den Frequenzen, mit denen ein Ableitstrom durch den Offsetpfad auftritt, nur einen geringen Wechselstromwiderstand aufweist. Insbesondere ist dieser Wechselstromwiderstand viel kleiner als derjenige des Gleichstromzweigs. Damit verteilt sich der über den Offsetpfad fließende Ableitstrom im Wesentlichen auf den Wechselstromzweig, während der gesamte Gleichstrom durch den Gleichstromzweig und damit durch die darin angeordnete Gleichspannungsquelle fließt. Auf diese Weise wird die Gleichspannungsquelle von dem Ableitstrom entlastet. Im normalen, fehlerfreien Betrieb der Schaltungsanordnung reduziert sich ihre gesamte Strombelastung damit auf ein unbedenkliches Maß.
Um auftretende Fehlerströme und auf diese Weise auftretende Isolations- und Erdschlussfehler zu erkennen, ist die Gleichspannungsquelle in dem Gleichstromzweig in Reihe mit einem Stromsensor geschaltet, und zum Abschalten zumindest des Gleichstromanteils eines auftretenden Fehlerstroms ist ein Gleichstromschütz in dem Offsetpfad vorgesehen. Dieses Gleichstromschütz kann beim Auftreten eines Stroms durch den Gleichstromzweig über einem Grenzwert direkt von dem Stromsensor ausgelöst, d. h. geöffnet, werden, da der Stromsensor in dem Gleichstromzweig selektiv den als Hinweis auf einen Fehlerstrom besonders relevanten Gleichstromanteil des Erdstroms erfasst.
Das Bezugspotential, zu dem der Offsetpfad führt, kann bei der neuen Schaltungsanordnung grundsätzlich auch ein von Potentialerde abweichendes oder gegenüber Potentialerde definiert verschobenes Bezugspotential sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bezugspotential jedoch direkt um Potentialerde.
Die Gleichspannungsquelle ist in dem Gleichstromzweig vorzugsweise in Reihe mit einem Widerstand geschaltet, der den Strom, der durch den Gleichstromzweig des Offsetpfads fließt, weiter reduziert und damit die Gleichstromquelle insbesondere vor auftretenden Fehlerströmen schützt.
Die Gleichstromanteile auftretender Fehlerströme können bei der neuen Schaltungsanordnung selektiv mit einem ebenfalls in dem Gleichstromzweig vorgesehenen Gleichstromschütz abgeschaltet werden.
Um auch die Wechselstromanteile auftretender Fehlerströme durch den Offsetpfad sicher abzuschalten, kann in dem Offsetpfad zusätzlich ein Wechselstromschütz vorgesehen sein. Wenn dieses erst nach dem Öffnen des Gleichstromschützes in dem Gleichstromzweig des Offsetpfads öffnet, fließt zu diesem Zeitpunkt nur noch ein Wechselstrom durch den Offsetpfad, der von einem herkömmlichen Wechselstromschütz sicher abgeschaltet werden kann.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann einen über den Offsetpfad fließenden Strom auch mit einem einzigen Gleichstromschütz sicher vollständig, d h. einschließlich seines Wechselstromanteils, abschalten. Dazu ist das Gleichstromschütz in einem nicht in den Gleichstromzweig und den Wechselstromzweig verzweigten Teil des Offsetpfads vorzusehen und ihm ist ein Vollweggleichrichter vorzuschalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gleichstromschütz Mittel zum Vermeiden und/oder Löschen eines Schaltlichtbogens auf. Solche Mittel sind dem Fachmann bekannt. So kann z. B. ein sogenanntes Vakuumschütz als Gleichstromschütz verwendet werden. Bei einem Vakuumschütz ist ein Innenraum eines Schützgehäuses soweit evakuiert, dass ein noch vorhandener Restgasdruck nicht ausreicht, einen Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten zu zünden bzw. aufrechtzuerhalten. Auch kann ein Schütz mit sogenanntem Blasmagnet als Gleichstromschütz eingesetzt werden. Ein weiterer bekannter Ansatz zur Vermeidung eines Schaltlichtbogens besteht darin, dem elektromechanischen Schalter ein weiteres Bauteil parallel zu schalten. Als Bauteile für diesen Zweck finden z. B. Kondensatoren, PTC-Elemente sowie HL-Schalter Verwendung. Bei diesem Ansatz wird zumindest kurzzeitig vor dem eigentlichen Trennvorgang der Schaltkontakte des Schützes ein paralleler Strompfad zwischen den Schaltkontakten bereitgestellt, auf den der Strom kommutieren kann. Gleichzeitig wird hierdurch die Potentialdifferenz zwischen den Schaltkontakten reduziert. Der eigentliche Trennvorgang der Schaltkontakte erfolgt daher bei weitgehend reduzierter Potentialdifferenz zwischen den Schaltkontakten. Diese Potentialdifferenz ist insbesondere nicht mehr in der Lage, einen Schaltlichtbogen über den Schaltkontakten zu zünden bzw. aufrechtzuerhalten.
Bei der neuen Schaltungsanordnung kann der Parallelschaltung aus dem Gleichstromzweig und dem Wechselstromzweig des Offsetpfads ein hochohmiger Widerstand parallel geschaltet sein, wobei das Wechselstromschütz oder das Gleichstromschütz mit dem vorgeschalteten Vollweggleichrichter in dem Teil des Offsetpfads vorgesehen ist, der dem hochohmigen Widerstand parallel geschaltet ist. In bevorzugter Ausführungsform ist der hochohmige Widerstand im normalen Betrieb der Anlage vom Offsetpfad getrennt und führt daher keinen Strom. Erst in einem Fehlerfall wird der hochohmige Widerstand zeitnah zum Öffnen des Gleichstromschützes und des Wechselstromschützes mit dem Offsetpfad verbunden. Auf diese Weise begrenzt der hochohmige Widerstand den über den Offsetpfad fließenden Fehlerstrom auf ein ungefährliches Maß, sobald die Schütze in dem ihm parallel geschalteten Teil des Offsetpfads geöffnet sind und der Gleichstromanteil des Fehlerstroms somit nicht mehr über diesen parallel geschalteten Teil des Offsetpfads fließen kann. Ein solcher hochohmiger Widerstand kann auch dem Gleichstromschütz in dem Gleichstromzweig parallel geschaltet werden, so dass er beim Öffnen des Gleichstromschützes den Gleichstromanteil eines durch die Gleichstromquelle fließenden Fehlerstroms auf ein unbedenkliches Maß reduziert. Auch bei einem solchen Widerstand ist es möglich, ihn erst im Fehlerfall mit dem Gleichstromzweig zu verbinden.
Wenn ein Spannungssensor bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine über dem Offsetpfad abfallende Spannung überwacht, so erfasst der Spannungssensor nicht nur etwaige Fehler der Gleichspannungsquelle bzw. der von ihr bereitgestellten Offsetspannung sondern auch das Auftrennen des Gleichstromzweigs des Offsetpfads, weil hiermit die Offsetspannung abgeschaltet wird und sich entsprechend ein anderes elektrisches Potential auf der Leitung einstellt, an die der Offsetpfad angeschlossen ist. Da bei einem Erdschluss eines Mittelpunktleiters oder eines Phasenleiters die über dem Offsetpfad abfallende Spannung einbricht, ist es auch möglich, ein Öffnen der Schütze in dem Offsetpfad über den Spannungssensor zu steuern.
So kann der Spannungssensor vorgesehen sein, um bei einer sprunghaften Veränderung der Spannung und/oder einer Abweichung der Spannung von der gewünschten Offsetspannung ein Fehlersignal auszugeben, wobei das Fehlersignal den Grund für seine Aussendung und damit die mögliche Ursache eines aufgetretenen Fehlers anzeigen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann zur galvanischen Trennung ein Transformator mit Mittelpunkt auf seiner Primärseite vorgesehen sein. Dann ist der Offsetpfad vorzugsweise an eben diesen Mittelpunkt angeschlossen. Dieser Mittelpunkt kann auch mit dem mindestens einen Wechselrichter verbunden sein. Wenn ein entsprechender Mittelpunktleiter bei einem dreiphasigen Wechselrichter – zum Beispiel aufgrund einer speziellen Schaltungstopologie des Wechselrichters – nicht bestrombar ist, ist er jedoch nicht direkt für die gewünschte Verschiebung des Potentialmittelpunkts eines an den Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgenerators geeignet, sondern nur über seine Verbindungen über den Transformator mit den Phasenleitern.
Wenn zur galvanischen Trennung hingegen ein Transformator mit Dreieckschaltung auf seiner Primärseite vorgesehen ist, ist der Offsetpfad an einen Phasenleiter von dem Wechselrichter zu dem Transformator anzuschließen. Wenn der Offsetpfad jedoch an einen Phasenleiter oder einen anderen Wechselstromleiter angeschlossen wird, muss in dem Offsetpfad eine mit der Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltete Wechselspannungsquelle vorgesehen werden, um die gewünschte konstante Verschiebung des Potentialmittelpunkts angeschlossener Photovoltaikgeneratoren zu erreichen. Konkret muss die Wechselspannungsquelle dieselbe Wechselspannung bereitstellen, die an dem Wechselstromleiter als reiner Wechselspannungsanteil der Ausgangspannung des Wechselrichters anliegt. Damit die Wechselspannungsquelle nicht über den Wechselstromzweig des Offsetpfads kurzgeschlossen wird, ist sie in einem nicht in den Gleichstromzweig und den Wechselstromzweig verzweigten Teil des Offsetpfads vorzusehen.
Grundsätzlich kann der Offsetpfad auch an einen Gleichstromleiter von dem mindestens einen Generatoranschluss zu dem mindestens einen Wechselrichter angeschlossen sein. Bei transformatorlosen Wechselrichtern resultiert aus einer Verschiebung des Generatorpotentials über einen an einem Gleichstromleiter angeschlossenen Offsetpfad auch eine Verschiebung des Potentialmittelpunkts für das am Ausgang des betroffenen Wechselrichters angeschlossene Wechselspannungsnetz. Diese Mittelpunktverschiebung wirkt sich wiederum auf alle an dieses Wechselspannungsnetz parallel angeschlossenen Wechselrichter aus. Allerdings ist dann nicht nur bei einem Defekt der Gleichspannungsquelle sondern auch bei einer Fehlfunktion des betroffenen Wechselrichters die Verschiebung der Gesamtanlage außer Betrieb. Daher ist eine Verschiebung des Generatorpotentials durch einen an einen Gleichstromleiter angeschlossenen Offsetpfad nur bei einem oder wenigen Wechselrichtern sinnvoll.
Weiterhin kann die galvanische Trennung bei der neuen Schaltungsanordnung auch auf kapazitive Weise realisiert sein. Wenn jedoch sowieso ein auf Mittelspannung umspannender Transformator für das jeweilige Solarkraftwerk vorhanden ist, sind zusätzliche Kondensatoren für eine kapazitive galvanische Trennung überflüssig.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Schaltplan einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk.
2 illustriert den Fluss von Ableit- und Isolationsströmen bei der Schaltungsanordnung gemäß 1.
3 illustriert den Fluss eines Fehlerstroms bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 bei Erdschluss einer Phase.
4 illustriert den Fluss eines Fehlerstroms bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 beim Erdschluss eines Mittelpunktleiters; und
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei einem ausgangsseitigen Transformator mit Primärwicklung in Dreieckschaltung ohne Mittelpunktleiter.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 für ein Solarkraftwerk 2 umfasst hier drei transformatorlose Wechselrichter 3 mit jeweils einem Generatoranschluss 4, an den ein Photovoltaikgenerator 5 mit mehreren Modulen 6 angeschlossen ist. Dabei ist jeweils ein Gleichstromleiter 23 für den positiven Pol und ein Gleichstromleiter 24 für den negativen Pol des Photovoltaikgenerators 5 vorgesehen. Die Anzahl von drei Wechselrichtern ist nur beispielhaft. Die Anzahl der Wechselrichter 3 kann auch deutlich darüber hinaus gehen. Es kann aber auch nur ein einziger Wechselrichter 3 mit einem einzigen Generatoranschluss 4 vorgesehen sein.
Die Wechselrichter 3 sind hier jeweils dreiphasige Wechselrichter mit drei Phasenleitern L1, L2, L3 und einem Mittelpunktleiter M an ihrem Ausgang, die parallel zusammen geschaltet sind. Möglich ist auch eine Parallelschaltung mehrerer einphasiger Wechselrichter. In diesem Fall sind die Wechselrichter an verschiedene Phasenleiter L1, L2 and L3 angeschlossen, so dass sich deren gesamte Leistungseinspeisung möglichst gleichmäßig auf die 3 Phasen aufteilt. Die drei Phasenleiter L1, L2, L3 und der Mittelpunktleiter M sind in einem zentralen Transformatorhaus 7 an eine Primärseite 8 eines Transformators 9 mit Mittelpunktschaltung angeschlossen, wobei der Mittelpunktleiter an den Mittelpunkt der Mittelpunktschaltung angeschlossen ist. Der Transformators 9 transformiert eine Wechselspannung an seiner Primärseite 8 auf eine Mittelspannung auf seiner Sekundärseite 10 hoch und bewirkt auch eine galvanische Trennung von einem Netzanschluss 11, an den ein Wechselstromnetz 12 angeschlossen ist, in das die Wechselrichter 3 elektrische Leistung von den Photovoltaikgeneratoren 5 über den Transformator 9 einspeisen.
Um die Lebensdauer der Module 6 der Photovoltaikgeneratoren 5 zu maximieren, müssen diese häufig auf einem definierten elektrischen Potential gegenüber Potentialerde PE gehalten werden. Es ist daher notwendig den Potentialmittelpunkt der Photovoltaikgeneratoren 5 gegenüber Potentialerde PE zu verschieben. Bei Verwendung von transformatorlosen Wechselrichtern 3 kann eine solche Potentialverschiebung auch auf der Ausgangsseite der Wechselrichter 3 erfolgen. Zu diesem Zweck ist in dem Transformatorhaus 7 eine Gleichspannungsquelle 13 in einem Offsetpfad 14 zwischen dem Mittelpunktleiter M und Potentialerde PE vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle ruft eine Offsetspannung zwischen Potentialerde und dem Mittelpunktleiter M hervor, die den Potentialmittelpunkt der an die transformatorlosen Wechselrichter 3 angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren 5 gegenüber Potentialerde verschiebt. Wenn diese Verschiebung größer als die halbe Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren 5 ist, liegen alle Module 6 auf positivem elektrischem Potential. Mit einer negativen Offsetspannung könnten alle Module 6 entsprechend auf negatives elektrisches Potential eingestellt werden.
Der Offsetpfad 14 ist in einen Gleichstromzweig 15 und einen dazu parallel geschalteten Wechselstromzweig 16 verzweigt. In dem Gleichstromzweig 15 sind neben der Gleichspannungsquelle 13 und mit dieser in Reihe geschaltet ein Stromsensor 17, ein Strombegrenzungswiderstand Rs und ein Gleichstromschütz 18 mit nicht separat dargestellten Mitteln zum Vermeiden und/oder Löschen eines Schaltlichtbogens vorgesehen. In dem Wechselstromzweig 16 ist ein Kondensator C_ab vorgesehen. Der Kondensator C_ab ist mit typischerweise 100 μF bis 1000 μF so abgestimmt, dass er für alle potentiell über den Offsetpfad 14 fließenden Wechselströme einen nur geringen Wechselstromwiderstand bereitstellt, so dass diese Wechselströme im Wesentlichen über den Wechselstromzweig 16 und nicht über den Gleichstromzweig 15 und damit durch die Gleichspannungsquelle 13 fließen.
Auf diese Weise wird zum einen dafür gesorgt, dass die Gleichspannungsquelle 13 von derartigen Wechselströmen entlastet ist. Zum anderen gewährleistet die Aufteilung des Offsetpfads 14 in einen Gleichstromzweig 15 und einen Wechselstromzweig 16 eine sichere Detektion von Erdschlussfehlern mit deutlich reduziertem Risiko von Fehlauslösungen. Da sich der Stromsensor 17 innerhalb des Gleichstromzweigs 15 befindet, detektiert er im Wesentlichen nur den Gleichstromanteil des über den gesamten Offsetpfad 14 fließenden Stroms. Er ist daher weitestgehend von z. B. witterungsbedingten Schwankungen der Ableitströme entkoppelt. Hingegen ist eine Änderung des Isolationsstroms weit weniger witterungsabhängig und daher ein vergleichsweise starkes Indiz für einen Isolationsfehler in dem Solarkraftwerk 2. Fehlauslösungen der Erdschlussüberwachung durch den Stromsensors 17 werden somit wirksam unterdrückt. Des weiteren kann der durch den Gleichstromzweig 15 fließende Strom, mit dem zwar mit Mitteln zum Vermeiden und/oder Löschen von Schaltlichtbögen versehenen, aber vergleichsweise klein dimensionierten Gleichstromschütz 18 abgeschaltet werden. Nach Auftrennung des Gleichstromzweiges 15 kann aufgrund der kapazitiven Trennung durch den Kondensator C_ab nur noch ein Wechselstrom mit eindeutigen Nulldurchgängen über den Offsetpfad 14 fließen, der problemlos mit einem Wechselstromschütz 19 abgeschaltet werden kann. Entsprechend löst der Stromsensor 17 beim Auftreten eines Stroms durch den Gleichstromzweig 15 über einem Grenzwert, der einen Hinweis auf einen Isolations- oder Erdschlussfehler darstellt, zunächst das Gleichstromschütz 18 und dann das Wechselstromschütz 19 aus.
Zu ihrer Energieversorgung ist die Gleichspannungsquelle 13 über Schalter S1 und S2 an den Mittelpunktleiter M und einen Phasenleiter L1 angeschlossen. Durch Schließen und Öffnen dieser beiden Schalter S1 und S2 kann die Gleichspannungsquelle 13 aktiviert und deaktiviert werden. Die Offsetspannung der Gleichspannungsquelle ist variabel ausgeführt. Insbesondere ist sie zumindest zwischen typischerweise 400 und 500 V variabel, da auch die Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren 5 nicht konstant ist und von der jeweiligen Einstrahlung und dem Betriebsmodus der Wechselrichter 3 abhängt. Die Offsetspannung beträgt sinnvoller Weise mindestens die halbe Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren 5. Über einen Schalter S3 in dem Offsetpfad 14 wird die Offsetspannung dem Mittelpunktleiter M zugeschaltet. Der Schalter S3 ist aber nicht geeignet, um den Offsetpfad 14 aufzutrennen, wenn über diesen ein größerer Strom, beispielsweise ein Fehlerstrom fließt.
Ein Spannungssensor 20 überwacht die Spannung zwischen dem Mittelpunktleiter M und Potentialerde PE, die mit der Gleichspannungsquelle 13 aufgebracht wird, d. h. die Offsetspannung. Wenn die Offsetspannung einen gewünschten Wert nicht erreicht, kann der Spannungssensor 20 über eine Kommunikationsschnittstelle 21 eine Fehlermeldung zum Beispiel in Form einer E-Mail oder GSM ausgeben. Eine solche Fehlermeldung kann der Spannungssensor 20 auch dann rausgeben, wenn er eine plötzliche Spannungsänderung zwischen dem Mittelpunktleiter M und Potentialerde registriert, die dann auftritt, wenn der Offsetpfad 14 aufgetrennt wird und damit der Potentialbezug über den Offsetpfad 14 verloren geht. Der Spannungssensor 20 ist auch sinnvoll, um die korrekte Funktion der Gleichspannungsquelle 13 zu überwachen.
Zur Realisierung einer Erdschlussüberwachung wird der Spannungssensor 20 jedoch nicht zwingend benötigt. Hierzu ist es auch möglich, den Stromsensor 17 zusätzlich zur Anbindung an das Gleichstromschütz 18 und das Wechselstromschütz 19 direkt an die Kommunikationsschnittstelle 21 anzubinden. In diesem Fall wird eine korrekt funktionierende Spannungsquelle 13 vorausgesetzt und direkt beim Überschreiten eines Stromgrenzwertes werden sowohl das Gleichstromschütz 18 und das Wechselstromschütz 19 geöffnet als auch eine Fehlermeldung zum Beispiel in Form einer E-Mail oder GSM ausgegeben. Alternativ zur dargestellten Ansteuerung der Schütze 18 und 19 über den Stromsensor 17 ist es auch möglich, ein Öffnen des Gleichstromschützes 18 und des Wechselstromschützes 19 im Fehlerfall über den Spannungssensor 20 zu steuern. Dies ist möglich, da bei einem Erdschluss des Mittelpunktleiters M oder eines Phasenleiters L1, L2, L3 auch bei geschlossenem Gleichstromschütz 18 und geschlossenem Wechselstromschütz 19 die über dem Offsetpfad 14 abfallende Spannung zusammenbricht. Diese sprunghafte Spannungsänderung wird mit dem Spannungssensor 20 detektiert.
Ein hochohmiger Widerstand 22 ist dem Gleichstromzweig 15 und dem Wechselstromzweig 16 einschließlich des Wechselstromschützes 19 in dem Offsetpfad 14 optional parallel geschaltet, was durch eine gestrichelte Linie für die Leitung, in der der Widerstand 22 angeordnet ist, angedeutet ist. In bevorzugter Ausführungsform wird der hochohmige Widerstand 22 erst im Fehlerfall über einen (nicht gezeigten) Schalter in den Offsetpfad geschaltet, um während des normalen Betriebes keine Verlustleistung zu erzeugen. Hierzu kann der Schalter ebenfalls über den Stromsensor 17 angesteuert werden. Er schließt beim Überschreiten eines Stromgrenzwertes im Gleichstromzweig 15 zeitnah zum Öffnen des Gleichstromschützes 18 und des Wechselstromschützes 19 und verbindet so den hochohmigen Widerstand 22 vollständig mit dem Offsetpfad 14. Über den Widerstand 22 kann nun ein etwaiger Fehlerstrom zwar weiter fließen, aber nur mit entsprechend der Größe des Widerstands 22 reduzierter Stromstärke. In diesem Fall wird der Offsetpfad 14 nicht vollständig aufgetrennt, sondern der Fehlerstrom wird durch Hinzuschalten des hochohmigen Widerstandes 22 auf einen ungefährlichen Wert begrenzt. Eine Begrenzung nur des durch die Gleichspannungsquelle 13 fließenden Gleichstromanteils eines auftretenden Fehlerstroms ist auch dadurch realisierbar, dass dem Gleichstromschütz 18 und wahlweise zugleich dem Strombegrenzungswiderstand Rs ein hochohmiger Widerstand parallel geschaltet wird, der beim Öffnen des Gleichstromschützes 18 gleichsam den Wert des Strombegrenzungswiderstand Rs hochsetzt.
In den folgenden 2 bis 4 ist dieselbe Schaltungsanordnung 1 wie in 1 dargestellt, außer dass der Übersichtlichkeit halber der Spannungssensor 20 und seine Kommunikationsschnittstelle 21 sowie der optionale Widerstand 22 weggelassen sind.
2 illustriert die im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung 1 durch den Offsetpfad 14 fließenden Ströme und ihre Ursache. Ein Strom I_iso ist der aufgrund der Offsetspannung der Gleichspannungsquelle 13 über die Isolationswiderstände R_iso fließende Strom. Hierbei handelt es sich um einen Gleichstrom, der entsprechend über den Gleichstromzweig 15 des Offsetpfads 14 fließt. Daneben tritt ein Strom I_ableit auf, der über Ableitkapazitäten C_ableit der Photovoltaikgeneratoren 3 nach Potentialerde fließt. Hierbei handelt es sich um einen Wechselstrom, der entsprechend über den Wechselstromzweig 16 des Offsetpfads 14 fließt.
Der Gleichstrom steigt mit der Anzahl der angeschlossenen Wechselrichter 3 aufgrund einer zusätzlichen Parallelschaltung von weiteren Isolationswiderstände R_iso an. Bei Anlagengrößen von bis zu 50 parallel an das Netz angeschlossenen Wechselrichtern 3 liegt der gesamte Gleichstrom typischerweise unter 50 mA. Somit fällt über dem Widerstand Rs von typischerweise 500 Ohm nur eine geringe Spannung im Bereich von bis zu 25 V ab. Dies entspricht einer Leistung von ca. 1,3 W, die in dem Widerstand Rs in Wärme umgesetzt wird. Der Gleichstrom I_iso wird hauptsächlich von den parallel geschalteten Isolationswiderständen R_iso und der von der Gleichspannungsquelle 13 erzeugten Offsetspannung zwischen dem Mittelpunktleiter M und Potentialerde PE bestimmt. Bei einem Erdschluss des PV Generators und/oder eines der Phasenleiter L1, L2 und L3 und/oder des Mittelpunktleiters M steigt der Gleichstrom I_iso sprunghaft an. Im Gegensatz zu dem Gleichstrom I_iso kann der Wechselstrom I_ableit jedoch je nach Witterungsbedingungen und Betriebsmodus der Wechselrichter 3 auch im ungestörten Normalbetrieb der Schaltungsanordnung 1 mehrere Ampere erreichen und stark mit den Witterungsbedingungen und dem Betriebsmodus der Wechselrichter schwanken. So ergeben sich unterschiedlich hohe Wechselströme I_ableit beim Betrieb eingangsseitiger Hochsetzsteller der Wechselrichter, beim Betrieb der Wechselrichter mit so genannter Übermodulation oder beim Betrieb ohne Hochsetzsteller und ohne Übermodulation. Ebenso ergeben sich stark unterschiedliche Wechselströme I_ableit bei trockenen Modulen 6 oder bei aufgrund von Niederschlag nassen Modulen 6 infolge der damit stark schwankenden Werte von C_ableit. Diese Wechselströme über den Wechselstromzweig 16 des Offsetpfads 14 belasten die Gleichspannungsquelle 13 jedoch nicht und sie werden auch nicht von dem Stromsensor 17 erfasst.
3 zeigt das Auftreten eines Fehlerstroms I_fehler, hier durch Erdschluss des Phasenleiters L3 im Bereich des unteren Wechselrichters 3. Dieser Fehlerstrom I_fehler fließt von Potentialerde PE über den Offsetpfad 14 zu dem Phasenleiter L3 zurück. Dabei verteilt er sich mit seinem Gleichstromanteil auf den Gleichstromzweig 15 und mit seinem Wechselstromanteil auf den Wechselstromzweig 16. Der Gleichstromanteil des Fehlerstroms I_fehler ist der Anteil, der durch die Offsetspannung der Gleichspannungsquelle 13 getrieben wird, und wird von dem Stromsensor 17 registriert. Durch Öffnen des Gleichstromschützes 18 wird der Gleichstromanteil des Fehlerstroms I_fehler abgeschaltet. Bis zum Öffnen des Gleichstromschützes 18 begrenzt der Widerstand Rs den Gleichstromanteil des Fehlerstroms I_fehler, der durch die Gleichspannungsquelle 13 fließt. Das anschließende Öffnen des Wechselstromschützes 19 führt zu einem Abschalten auch des Wechselstromanteils des Fehlerstroms I_fehler.
Nach vollständiger Auftrennung des Offsetpfades 14 entspricht das verbleibende Netz auf der Primärseite des Transformators einem sogenannten IT-Netz mit einem Erdfehler und das Solarkraftwerk 2 kann zumindest vorübergehend mit dem durch den Erdfehler vorgegebenen Erdbezug weiterbetrieben werden. So können z. B. notwendige Vorbereitungshandlungen zur Beseitigung des Fehlers erfolgen, ohne dass die Einspeisung der Wechselrichter 3 in das Netz 12 unterbrochen werden muss. Es versteht sich, dass bis zum Auftrennen des Offsetpfads 14 zusätzlich zu dem Fehlerstrom I_fehler auch die Ströme I_iso und I_ableit gemäß 2 über den Offsetpfad 14 fließen. Nach der Auftrennung des Offsetpfads 14 werden diese Ströme I_iso und I_ableit durch Spannungsschwankungen auf der Primärseite 8 des Transformators 9 kompensiert.
4 skizziert den Fall eines Fehlerstroms I_fehler durch Erdschluss des Mittelpunktleiters M. Der resultierende Fehlerstrom I_fehler ist ein reiner Gleichstrom, der durch den Gleichstromzweig 15 des Offsetpfads 14 fließt, bis er durch Öffnen des Gleichstromschützes 18 abgeschaltet wird. In diesem Fall könnte im Prinzip das Wechselstromschütz 19 geschlossen bleiben. Ansonsten gilt hier dasselbe wie das zu 3 Gesagte. Durch das sehr schnelle Abschalten des Fehlerstroms I_fehler durch Auftrennen des Offsetpfads 14 wird die Gefahr durch den Fehlerstrom I_fehler beendet, und das Solarkraftwerk 2 kann zumindest vorübergehend weiter betrieben werden. Das heißt, notwendige Vorbereitungshandlungen zur Beseitigung des Fehlers können durchgeführt werden, ohne dass die Einspeisung unterbrochen wird. Zumindest ist jedoch ein reguläres Herunterfahren des Solarkraftwerkes 2 gefahrlos möglich.
In 5 sind von einer anderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 nur die sich von der bisher dargestellten Ausführungsform unterscheidenden Details dargestellt. So weist die Primärseite 8 des Transformators 9 hier keinen Mittelpunkt M auf. In diesem Fall erstreckt sich der Offsetpfad 14 von einem der Phasenleiter, hier L1, zur Potentialerde PE. Um trotz der an dem Phasenleiter L1 anliegenden Wechselspannung den Potentialmittelpunkt über transformatorlose Wechselrichter angeschlossener Photovoltaikgeneratoren um die Offsetspannung von der Gleichspannungsquelle 13 zu verschieben, ist die Gleichspannungsquelle 13 in dem Offsetpfad 14 mit einer Wechselspannungsquelle 25 in Reihe geschaltet. Die Wechselspannungsquelle 25 erzeugt dabei eine dem reinen Wechselspannungsanteil der an dem Phasenleiter L1 anliegenden Spannung möglichst entsprechende Wechselspannung, die zu der Offsetspannung hinzuaddiert wird. Insbesondere stimmt die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 25 in Amplitude und Frequenz mit dem reinen Wechselspannungsanteil des Phasenleiters L1 überein. Damit die Wechselspannungsquelle 25 nicht über den Wechselstromzweig 16 kurzgeschlossen wird ist sie außerhalb des in den Gleichstromzweig 15 und den Wechselstromzweig 16 verzweigten Teil des Offsetpfads 14 vorgesehen. Während die Wechselspannungsquelle 25 hier zwischen der Gleichspannungsquelle 13 und dem Phasenleiter L1 vorgesehen ist, könnte sie auch zwischen der Gleichspannungsquelle 13 und der Potentialerde PE vorgesehen sein.
5 illustriert darüber hinaus die Möglichkeit einen Fehlerstrom durch den Offsetpfad 14 mit nur einem einzigen Schütz sicher abzuschalten. Dazu ist das Gleichstromschütz 18 außerhalb des in den Gleichstromzweig 15 und den Wechselstromzweig 16 verzweigten Teil des Offsetpfads 14 vorgesehen, und ihm ist ein Vollweggleichrichter 26 vorgeschaltet, der eine feste Richtung des Stroms durch das Gleichstromschütz 18 sicherstellt. Es versteht sich, dass das Gleichstromschütz 18 auch hier sinnvoller Weise mit zwar nicht dargestellten, dem Fachmann aber gut bekannten Mitteln zum Vermeiden und/oder Löschen von Schaltlichtbögen versehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Solarkraftwerk
3: Wechselrichter
4: Generatoranschluss
5: Photovoltaikgenerator
6: Modul
7: Transformatorhaus
8: Primärseite
9: Transformator
10: Sekundärseite
11: Netzanschluss
12: Wechselstromnetz
13: Gleichspannungsquelle
14: Offsetpfad
15: Gleichstromzweig
16: Wechselstromzweig
17: Stromsensor
18: Gleichstromschütz
19: Wechselstromschütz
20: Spannungssensor
21: Kommunikationsschnittstelle
22: Widerstand
23: Gleichstromleiter
24: Gleichstromleiter
25: Wechselspannungsquelle
26: Vollweggleichrichter
L1: Phasenleiter
L2: Phasenleiter
L3: Phasenleiter
M: Mittelpunktleiter
S1: Schalter
S2: Schalter
S3: Schalter
Rs: Widerstand
C_ab: Kondensator
R_iso: Isolationswiderstand
C_ableit: Ableitkapazität
I_iso: Isolationsstrom
I_ableit: Ableitstrom
I_fehler: Fehlerstrom
PE: Potentialerde

Claims

Schaltungsanordnung (1) für ein Solarkraftwerk (2) mit: – mindestens einem Generatoranschluss (4) für einen Photovoltaikgenerator (5), – einem Netzanschluss (11) für ein Wechselstromnetz (12), – mindestens einem transformatorlosen Wechselrichter (3) zum Einspeisen von elektrischer Leistung von einem an den mindestens einen Generatoranschluss (4) angeschlossenen Photovoltaikgenerator (5) in ein an den Netzanschluss (11) angeschlossenes Wechselstromnetz (12), – einer galvanischen Trennung aller stromführenden Leitungen (L1, L2, L3) zwischen dem mindestens einen Wechselrichter (3) und dem Netzanschluss (11) und – einer Gleichspannungsquelle (13) in einem Offsetpfad (14) zwischen einer auf der dem Netzanschluss (11) abgekehrten Seite der galvanischen Trennung an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Leitung (M, L1, L2, L3, L3, L4) und einem Bezugspotential, – wobei die Gleichspannungsquelle (13) eine Offsetspannung bereitstellt, um ein elektrisches Potential des Generatoranschlusses (4) und eines daran angeschlossenen Photovoltaikgenerators (5) gegenüber Potentialerde (PE) einzustellen, – wobei der Offsetpfad (14) in einen Gleichstromzweig (15) und einen dazu parallel geschalteten Wechselstromzweig (16) verzweigt ist, wobei die Gleichspannungsquelle (13) in dem Gleichstromzweig (15) und mindestens ein Kondensator (C_ab) in dem Wechselstromzweig (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gleichspannungsquelle (13) in dem Gleichstromzweig (15) in Reihe mit einem Stromsensor (17) geschaltet ist und – dass in dem Offsetpfad (14) ein Gleichstromschütz (18) zum Abschalten zumindest einer DC-Komponente eines auftretenden Fehlerstroms vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (17) das Gleichstromschütz (18) auslöst.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugspotential Potentialerde (PE) ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (13) in dem Gleichstromzweig (15) in Reihe mit einem Widerstand (Rs) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichstromschütz (18) in dem Gleichstromzweig (15) mit der Gleichspannungsquelle (13) in Reihe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Offsetpfad (14) ein Wechselstromschütz (19) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselstromschütz (19) nur bei geöffnetem Gleichstromschütz (18) öffnet.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichstromschütz (18) ein Vollweggleichrichter (26) vorgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichstromschütz (18) Mittel zum Vermeiden und/oder Löschen eines Schaltlichtbogens aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssensor (20) eine über dem Offsetpfad (14) abfallende Spannung überwacht.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor (20) bei einer sprunghaften Veränderung der Spannung und/oder einer Abweichung der Spannung von der gewünschten Offsetspannung ein Fehlersignal ausgibt.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur galvanischen Trennung ein Transformator (9) mit Mittelpunkt (M) auf seiner Primärseite (8) vorgesehen ist und dass der Offsetpfad (14) an den Mittelpunkt (M) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur galvanischen Trennung ein Transformator (9) mit Dreiecksschaltung auf seiner Primärseite (8) vorgesehen ist und dass der Offsetpfad (14) an einen Phasenleiter (L1) von dem Wechselrichter (3) zu dem Transformator (9) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetpfad (14) an einen Wechselstromleiter angeschlossen ist und dass der Offsetpfad (14) eine mit der Gleichspannungsquelle (13) in Reihe geschaltete Wechselspannungsquelle (25) aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (25) dieselbe Wechselspannung bereitstellt, die an dem Wechselstromleiter als Ausgangspannung des Wechselrichters (3) anliegt.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetpfad (14) an einen Gleichstromleiter (23, 24) von dem Generatoranschluss (4) zu dem Wechselrichter (3) angeschlossen ist.