DE102011082160A1

DE102011082160A1 - Protective switching device, photovoltaic system and method for operating such

Info

Publication number: DE102011082160A1
Application number: DE201110082160
Authority: DE
Inventors: Tobias Mildenstein; Wolfgang Bronner; Hendrik Boedeker; Karsten Funk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2013034336A3; WO2013034336A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschalteinrichtung (10) einer Photovoltaikanlage (1), die eine Mehrzahl von zu Strings (4) verschalteten und über eine Anschlussleitung (9) mit einem Wechselrichter (7) verbundenen Solarmodulen (3) umfasst, mit einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung (11), einem ersten Schaltelement (13; 13a’; 13a’’) und einem zweiten Schaltelement (13b; 13b’; 13b’’) zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung oder der Überbrückungsleitung, einem mindestens einem Solarmodul oder String zugeordneten Sensorelement (15; 15a’; 15b’) zum Abfühlen einer den Betriebszustand des Solarmoduls oder der Solarmodule kennzeichnenden physikalischen Größe und einer über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und ausgangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbundenen Schaltsteuereinheit (16; 17; 17) zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe. Des Weiteren betrifft sie eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Schutzschalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.The invention relates to a protective switching device (10) of a photovoltaic system (1) which comprises a plurality of solar modules (3) connected to strings (4) and connected via a connecting line (9) to an inverter (7), with one connecting line of the solar modules parallel bypass line (11), a first switching element (13; 13a '; 13a'), and a second switching element (13b; 13b; 13b) for activating the connecting line or the bypass line, at least one solar module, or Sensor element (15; 15a '; 15b) for sensing a physical quantity characterizing the operating state of the solar module or modules and a switching control unit (16, 17, 17) connected via a sensor signal input to the sensor element and output side via a control signal connection to the first and second switching elements 17) for actuating the first or second shift elements in response to a value of the characteristic of the operating state of the detected value. Furthermore, it relates to a photovoltaic system with such a protective switching device and a method for operating such.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage, die eine Mehrzahl von zu Strings verschalteten und über eine Anschlussleitung mit einem Wechselrichter verbundenen Solarmodulen umfasst. Des Weiteren betrifft sie eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Schutzschalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.The invention relates to a protective switching device of a photovoltaic system, which comprises a plurality of strings connected to and connected via a connecting line with an inverter solar modules. Furthermore, it relates to a photovoltaic system with such a protective switching device and a method for operating such.

Stand der TechnikState of the art

Anlagen zur photovoltaischen Energieerzeugung wurden in den letzten Jahren auf vielen Wohn- und Geschäftsgebäuden installiert. Üblicherweise wird in diesen eine größere Zahl von Solarmodulen auf dem Anlagendach aufgeständert, dabei wird meist eine größere Zahl von Bauteilen in einem oder mehreren Strängen zusammengefasst. Innerhalb des einzelnen Strangs sind die Module in Serie verschaltet, so dass der Strom durch den Strang zwar konstant ist, die Gesamtspannung jedoch proportional zur Zahl der verwendeten Solarmodule ansteigt. Typische Gesamtspannungen erreichen so Größenordnungen bis zu 1 kV Gleichspannung bei Strömen um 15 A. Die erzeugte Energie kann jedoch nicht direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, sondern es muss zunächst eine Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung stattfinden. Dazu wird ein sog. Wechselrichter benötigt, der insbesondere bei Wohnhäusern bevorzugt im Keller des Gebäudes installiert wird.Photovoltaic power generation plants have been installed on many residential and commercial buildings in recent years. Usually in these a larger number of solar modules is raised on the plant roof, while usually a larger number of components in one or more strands is summarized. Within the single string, the modules are connected in series, so that the current through the string is indeed constant, but the total voltage increases in proportion to the number of solar modules used. Typical total voltages thus reach orders of magnitude of up to 1 kV DC at currents around 15 A. The energy generated, however, can not be fed directly into the public grid, but it must first take place a conversion of DC into AC voltage. For this purpose, a so-called. Inverter is needed, which is preferably installed in residential buildings in the basement of the building.

Wie in 1 schematisch dargestellt, verlaufen zwischen einer Photovoltaikanlage 1, die aus einer Mehrzahl von Solarmodulen 3 mit jeweils einer Anschlussdose 5 zusammengesetzt ist, auf dem Dach und einem Wechselrichter 7 im Keller Stromkabel 9, die ausreichende Anforderungen z. B. bezüglich Hochspannungssicherheit erfüllen müssen.As in 1 shown schematically, run between a photovoltaic system 1 consisting of a plurality of solar modules 3 each with a junction box 5 is composed on the roof and an inverter 7 in the basement power cable 9 that have sufficient requirements z. B. have to comply with high voltage safety.

Im skizzierten System können unter gewissen Umständen Gefährdungspotentiale für Menschen, Tiere und Sachwerte bestehen. In den letzten Jahren wird in den Medien insbesondere eine Gefährdung durch hohe Spannungen im Brandfall diskutiert. Grundlage des Problems ist, dass die Solarmodule üblicherweise so lange eine Spannung produzieren, wie Licht auf sie einfällt. Wird im Brandfall ein Gebäude von der Feuerwehr von außen vom Stromnetz getrennt, ist zwar der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters spannungsfrei, der Bereich zwischen Modulen und Wechselrichter führt allerdings immer noch die DC-Hochspannung. Wird das Kabel z. B. durch Brand oder mechanische Einwirkung beschädigt, liegt die Hochspannung an den Kabelenden frei an und kann zu elektrischen Schlägen führen, wenn die Feuerwehr das Gebäude während eines Löscheinsatzes betritt. Eine ähnliche Situation kann eintreten, wenn Wartungsarbeiten an Teilen der Anlage ausgeführt werden müssen. Under certain circumstances, the system outlined above may pose potential hazards to humans, animals and property. In the last few years, the media has been discussing a threat of high voltages in the event of fire. The basis of the problem is that the solar modules usually produce a voltage as long as light is incident on them. If, in the event of fire, a building is disconnected from the power supply by the fire department, the AC output of the inverter is de-energized, but the area between the modules and the inverter still carries the DC high voltage. If the cable z. B. damaged by fire or mechanical impact, the high voltage is at the cable ends freely and can lead to electric shock when the fire department enters the building during a firefighting. A similar situation may occur when maintenance is required on parts of the plant.

Um dem Problem zu begegnen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht mit dem Ziel, das Gebäudeinnere im Brandfall von gefährlicher Hochspannung freizuschalten. Zentrale Lösungen sind hierbei entweder, Einzelmodule oder Modulstränge kurzzuschließen oder Strang bzw. Modul von jeglichem Bezugspotential zu trennen, so dass bei Kontaktschluss auf Erde ebenfalls kein Stromfluss zustande kommt. Ein wesentliches Problem ist allerdings, dass aus Sicherheitsgründen bei Unsicherheit über den Zustand des Systems immer der spannungsfreie, ungefährliche Zustand angenommen werden muss. Nur wenn das System definitiv im betriebsbereiten Zustand ist, darf die Hochspannungsleitung unter Spannung stehen. Bisherige Ansätze fokussieren sich darauf, auf dem Hausdach entweder direkt an den Modulen (z. B. in der Anschlussdose) oder am Modulstrang einen Schalter vorzusehen, der die Freischaltung nur dann aufhebt, wenn z. B. vom Wechselrichter ein entsprechendes Signal kommt. To address the problem, various proposals have been made with the aim of unlocking the inside of the building in the event of a fire from dangerous high voltage. Central solutions here are either to short-circuit individual modules or module strings, or to separate the string or module from any reference potential, so that when the contact is closed to earth, no current flow also comes about. A major problem, however, is that for safety reasons in case of uncertainty about the state of the system always the voltage-free, non-hazardous state must be assumed. Only when the system is definitely in working order can the power line be live. Previous approaches focus on providing on the house roof either directly to the modules (eg in the junction box) or on the module string a switch that cancels the activation only if z. B. from the inverter a corresponding signal comes.

Als in diesem Zusammenhang einschlägige Druckschriften wird verwiesen auf DE 10 2005 018 173 B4 , DE 10 2006 060 815 A1 , DE 10 2008 004 675 B3 , DE 10 2008 029 491 B4 , DE 10 2008 003 272 A1 , WO 2005/027300 A1 , WO 20107078303 A2 und US 2009/207 543 A1 .As in this context pertinent documents are referenced DE 10 2005 018 173 B4 . DE 10 2006 060 815 A1 . DE 10 2008 004 675 B3 . DE 10 2008 029 491 B4 . DE 10 2008 003 272 A1 . WO 2005/027300 A1 . WO 20107078303 A2 and US 2009/207 543 A1 ,

Dieser Ansatz ist zwar vergleichsweise sicher, verlangt allerdings eine permanente Kommunikation zwischen Wechselrichter (oder einer anderen Steuereinrichtung) und Schalter. Diese permanente Kommunikation kann z. B. über ein eigenes Kabel, Wifi oder Powerline erfolgen, ist allerdings aufwendig zu realisieren und stellt wegen des dauerhaften Betriebs sehr hohe Ansprüche an die Robustheit der verbauten Komponenten.While this approach is relatively secure, it requires permanent communication between the inverter (or other controller) and switches. This permanent communication can z. B. via a separate cable, Wifi or Powerline done, however, is complicated to implement and because of the continuous operation very high demands on the robustness of the installed components.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der Erfindung wird eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung eine Photovoltaikanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen vorgeschlagen.With the invention, a protective switching device of a photovoltaic system with the features of claim 1 is provided. Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims. Furthermore, a photovoltaic system and a method for operating such is proposed in the context of the invention.

Ein Gedanke der Erfindung besteht im Vorsehen einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung, die selektiv anstelle der Anschlussleitung an den Wechselrichter geschaltet werden kann. Hierzu sind erfindungsgemäß ein erstes Schaltelement in der Anschlussleitung und ein zweites Schaltelement in der Überbrückungsleitung vorgesehen. Weiterhin gehört zur Erfindung der Gedanke, ein Sensorelement zum Abfühlen einer den Betriebszustand des Solarmoduls (oder mehrerer Solarmodule) kennzeichnenden physikalischen Größe vorzusehen und dessen Ausgangssignal zur Auslösung eines Schaltvorganges zu nutzen. Hierzu ist des Weiteren eine über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und ausgangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbundene Schaltsteuereinheit zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements vorgesehen. Die Betätigung erfolgt im Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe.An idea of the invention consists in the provision of a bypass line parallel to the connection line of the solar modules, which can be selectively connected to the inverter instead of the connection line. For this purpose, a first switching element in the connecting line and a second switching element in the bypass line are provided according to the invention. Furthermore, the invention includes the idea of a sensor element for sensing a to provide the operating state of the solar module (or more solar modules) characterizing physical size and to use its output signal to trigger a switching operation. For this purpose, a switching control unit for actuating the first or second switching element connected via a sensor signal input to the sensor element and on the output side via a control signal connection to the first and second switching element is provided. Actuation is in response to a value of the variable indicative of the operating condition as it is sensed.

In einer Ausführung der Erfindung weist die Schaltsteuereinheit eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal auf, und sie ist zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet. In einer abweichenden Ausführung ist eine separate Rücksetzeinheit vorgesehen, die über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbunden ist und die eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal aufweist und zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet ist.In one embodiment of the invention, the switching control unit has receiving means for an externally supplied reset signal, and is adapted to operate the first or second switching element in response to the reception of the reset signal. In a variant embodiment, a separate reset unit is provided, which is connected via a control signal connection to the first and second switching element and which has a receiving device for an externally provided reset signal and is designed to actuate the first or second switching element in response to the receipt of the reset signal ,

In einer weiteren Ausführung ist das Sensorelement als in die Anschlussleitung eingefügter Stromfühler ausgebildet, und die Schaltsteuereinheit weist einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes auf.In a further embodiment, the sensor element is embodied as a current sensor inserted into the connecting line, and the switching control unit has a threshold discriminator for threshold value discrimination of the measured current value and for opening the first switching element and closing the second switching element in response to a falling below a predetermined current threshold value.

Eine weitere Ausführung der Schutzschalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass als erstes und zweites Schaltelement ein zur Überbrückung des Solarmoduls oder der Solarmodule zwischen der Anschlussleitung und der Überbrückungsleitung angeordneter erster und zweiter Schalttransistor vorgesehen ist. Hierbei ist dem ersten und zweiten Schalttransistor je ein Spannungsfühler zur Erfassung des jeweiligen Bahnwiderstandes zugeordnet. Die Schaltsteuereinheit umfasst einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes.A further embodiment of the protective switching device is characterized in that a first and second switching transistor arranged as a first and second switching element for bridging the solar module or the solar modules between the connecting line and the bypass line is provided. Here, the first and second switching transistor is associated with a respective voltage sensor for detecting the respective sheet resistance. The switching control unit comprises a threshold discriminator for threshold discrimination of the measured current value and for opening the first switching element and closing the second switching element in response to a falling below a predetermined current threshold value.

Eine weitere Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltsteuereinheit ein ODER-Glied zum gleichzeitigen Öffnen des ersten und Schließen des zweiten Schaltelements oder umgekehrt aufweist.A further embodiment of the invention is characterized in that the switching control unit has an OR gate for simultaneously opening the first and closing the second switching element or vice versa.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine galvanische Trennung zwischen dem Sensorelement und dem ersten und zweiten Schaltelement vorgesehen. Eine solche Trennung kann etwa mittels einer optoelektronischen Sensor-Schaltelement-Steuersignalübertragung realisiert werden, aber auch auf (an sich bekannte) andere Weise.In a further embodiment of the invention, a galvanic isolation between the sensor element and the first and second switching element is provided. Such a separation can be realized, for example, by means of an optoelectronic sensor switching element control signal transmission, but also in a manner known per se.

Eine zweckmäßige Ausführung der vorgeschlagenen Photovoltaikanlage umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rücksetzsignals zum Zurücksetzen der Anschlussleitung in den Betriebszustand und eine Sendeeinrichtung zur Übermittlung des Rücksetzsignals an die Schutzschalteinrichtung. Die Erzeugung des Rücksetzsignals und dessen Aussendung an die Schutzschalteinrichtung kann beim Wechselrichter lokalisiert sein, es ist aber auch eine In-Dach-Realisierung möglich.An expedient embodiment of the proposed photovoltaic system comprises a device for generating a reset signal for resetting the connecting line in the operating state and a transmitting device for transmitting the reset signal to the protective switching device. The generation of the reset signal and its transmission to the protective switching device can be located in the inverter, but it is also an in-roof implementation possible.

Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikanlage der hier in Rede stehenden Art zeichnet sich dadurch aus, dass im Ansprechen auf das Abfühlen einer den Betriebszustand mindestens eines Solarmoduls kennzeichnenden Größe die Solarmodule entweder mit dem Wechselrichter verbunden oder überbrückt werden. Im Falle einer Überbrückung wird der verbundene Zustand im Ansprechen auf ein außerhalb der Solarmodule generiertes Rücksetzsignal wieder hergestellt.The proposed method for operating a photovoltaic system of the type in question here is characterized in that in response to the sensing of the operating state of at least one solar module characterizing size, the solar modules are either connected to the inverter or bridged. In the event of a lock-up, the connected state is restored in response to a reset signal generated outside the solar modules.

Die Erfindung basiert auf einer einfachen Elektronik auf Modul- oder Stringebene, die ohne aktive Kommunikation mit Wechselrichter und anderen Komponenten prüft, ob im aktuellen Systemzustand eine Verbindung zwischen Modulen und Wechselrichter erlaubt ist. Sie benötigt keinen Energiespeicher und schaltet die DC-Hochspannung des Solargenerators frei, wenn ein nicht gewünschter Zustand vorliegt. Das Wiedereinschalten der Module erfolgt über ein einfaches Wake-Up-Signal, das vom Wechselrichter oder einer anderen Komponente geschickt wird. The invention is based on simple electronics at the module or string level, which checks without active communication with inverters and other components, whether in the current system state, a connection between modules and inverter is allowed. It requires no energy storage and releases the DC high voltage of the solar generator when a non-desired state is present. The modules are switched on again via a simple wake-up signal sent by the inverter or another component.

Insgesamt ist die Schaltung sehr störunempfindlich, einfach zu realisieren und kann auch ohne großen Aufwand in bereits bestehende Systeme integriert werden.Overall, the circuit is very resistant to interference, easy to implement and can be integrated into existing systems without much effort.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it:

1 eine skizzenartige Darstellung des Grundaufbaus einer Auf-Dach-Photovoltaikanlage, 1 a sketch-like representation of the basic structure of an on-roof photovoltaic system,

2 eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls, 2 a typical current-voltage characteristic of a solar module,

3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes, 3 a schematic representation of a first embodiment of the invention in the form of a block diagram,

4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes, 4 a schematic representation of another embodiment of the invention in the form of a block diagram,

5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes, 5 a schematic representation of another embodiment of the invention in the form of a block diagram,

6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes und 6 a schematic representation of another embodiment of the invention in the manner of a block diagram and

7 und 8 schematische Detailansichten wesentlicher Komponenten von Ausführungen der Erfindung. 7 and 8th schematic detail views of essential components of embodiments of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Ein Ausgangspunkt der Erfindung ist der typische Verlauf einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls (2). Im Punkt maximaler Leistung (MPP) zeichnet sich ein kristallines Modul durch typische Spannungen um 30–40 V und Stromstärken um 7–10 A aus. Schließt man das Modul hingegen kurz, geht der Strom auf einen Maximalwert (den Kurzschlussstrom; vgl. Pfeil A), während die Spannung auf Null absinkt, so dass keine Leistung erzeugt wird. Alternativ kann das Modul mit offenen Klemmen betrieben werden. In diesem Zustand (vgl. Pfeil B) fließt kein Strom, so dass die erzeugte Leistung ebenfalls Null ist. Die leistungsfreien Zustände können als sicherer Modulzustand angesehen werden.A starting point of the invention is the typical course of a current-voltage characteristic of a solar module ( 2 ). At the point of maximum power (MPP), a crystalline module is characterized by typical voltages around 30-40V and currents around 7-10A. By contrast, if the module is short-circuited, the current goes to a maximum value (the short-circuit current, see arrow A), while the voltage drops to zero, so that no power is generated. Alternatively, the module can be operated with open terminals. In this state (see arrow B), no current flows, so that the power generated is also zero. The power-free states can be considered a safe module state.

Die hier vorgeschlagene Lösung hat, gemäß den Überlegungen der Erfinder, somit folgende Eigenschaften:
Sie befindet sich entweder nahe am Modul oder nahe an einem Modulstrang und soll den aktuellen Betriebszustand (Strom und Spannung) detektieren. Aus dem Zustand sollte ein einfacher Rückschluss darauf gezogen werden, ob das Modul oder der Strang im betriebsbereiten Zustand sein darf. Ist dies nicht der Fall, wird das Modul entweder kurzgeschlossen oder alternativ überbrückt, ansonsten wird der Zustand auf Betrieb umgeschaltet werden und dort verbleiben, bis ein nicht-zulässiger Zustand angenommen wird. Ist eine Abschaltung erfolgt, sollte es möglich sein, aus der Entfernung ein Reset/Wake-Up durchzuführen. Im Folgenden werden mehrere technische Ausführungen beschrieben, die dazu dienen, die beschriebenen Anforderungen zu realisieren.The solution proposed here thus has, according to the considerations of the inventors, the following properties:
It is either close to the module or close to a module string and should detect the current operating status (current and voltage). From the condition, a simple inference should be drawn as to whether the module or string is allowed to be in working order. If this is not the case, the module is either short-circuited or alternatively bridged, otherwise the state will be switched to operation and remain there until a non-permissible state is assumed. If a shutdown has occurred, it should be possible to perform a reset / wake-up from a distance. In the following several technical embodiments are described, which serve to realize the described requirements.

3 zeigt in Art eines Blockschaltbildes als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die funktionswesentlichen Teile eines Auf-Dach- bzw. In-Dach-Teils 2 einer Photovoltaikanlage, mit mehreren Modulstrings 4, denen jeweils eine Bypass-Diode 6 zugeordnet ist und die über die Anschlussleitung 9 mit dem Wechselrichter 7 (1) verbunden sind. Parallel zur Anschlussleitung 9 ist als Überbrückungsleitung 11 eine zweite Leitung installiert, die die entsprechenden Komponenten elektrisch überbrücken kann. 3 shows in the form of a block diagram as the first embodiment of the invention, the functionally essential parts of an on-roof or in-roof part 2 a photovoltaic system, with several module strings 4 , each with a bypass diode 6 is assigned and the over the connecting line 9 with the inverter 7 ( 1 ) are connected. Parallel to the connecting cable 9 is as a bridging line 11 installed a second line, which can bridge the corresponding components electrically.

Ein Umschalten zwischen „Modulbetrieb“ und „Überbrückung“ erfolgt durch ein synchron zu betätigendes erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b in der Anschlussleitung 9 bzw. der Überbrückungsleitung 11, realisiert durch einen elektromechanischen Schalter, einen Leistungs-Halbleiterschalter o. ä. Vor der Verzweigung befindet sich in der Hochspannungsleitung als Sensorelement ein Stromfühler 15, etwa ein kleiner Widerstand, über den eine dem Modul- bzw. Strangstrom proportionale Spannung abfällt. Die Spannungsdifferenz über den Widerstand wird in einer Schaltsteuereinheit 17 verstärkt (durch einen Operationsverstärker oder ein äquivalent wirkendes Bauteil) und das Signal als Steuersignal für den Umschalter 13a/13b verwendet.Switching between "module operation" and "bridging" takes place by means of a first and second switching element which can be actuated synchronously 13a . 13b in the connection line 9 or the bridging line 11 , realized by an electromechanical switch, a power semiconductor switch o. Ä. Before the branch is located in the high voltage line as a sensor element, a current sensor 15 , such as a small resistance across which a voltage proportional to the module or strand current drops. The voltage difference across the resistor is in a switching control unit 17 amplified (by an operational amplifier or an equivalent component) and the signal as a control signal for the switch 13a / 13b used.

Erzeugen die Modulstrings 4 einen hinreichend großen Strom, ist das Schaltelement 13a geschlossen, also auf „Modulbetrieb“, und ist zudem der Wechselrichter angeschlossen, fließt ein größerer Strom über den Widerstand, so dass auch ein größerer Spannungsabfall stattfindet. Das verstärkte Signal genügt, die Schaltschwelle zu überschreiten und den Zustand „Modulbetrieb“ aufrecht zu erhalten. Dies geschieht so lange, bis entweder das Modul keinen genügend hohen Strom mehr liefern kann oder die Verbindung zum Wechselrichter (z. B. über einen Schalter) unterbrochen wird. In diesem Fall fließt kein Strom mehr, die Schaltschwelle wird unterschritten, und die Schaltsteuereinheit 17 öffnet das Schaltelement 13a und schließt zugleich das Schaltelement 13b und überbrückt somit die im Bereich der Überbrückungsleitung 11 liegenden Solarmodul-Strings 4.Generate the module strings 4 a sufficiently large current, is the switching element 13a closed, so on "module operation", and is also connected to the inverter, a larger current flows through the resistor, so that a larger voltage drop takes place. The amplified signal is sufficient to exceed the switching threshold and to maintain the state "module operation". This happens until either the module can no longer supply enough high current or the connection to the inverter (eg via a switch) is interrupted. In this case, no current flows, the switching threshold is exceeded, and the switching control unit 17 opens the switching element 13a and at the same time closes the switching element 13b and thus bridges those in the area of the bypass line 11 lying solar module strings 4 ,

Aus dem kurzgeschlossenen Zustand kommen diese Solarmodul-Strings allein nicht mehr heraus, da zum erneuten Umschalten ein Stromfluss benötigt wird, der aber aufgrund des Kurzschlusses nicht zustande kommt. Sollen die Module wieder eingeschaltet werden, kann über den Wechselrichter oder eine andere Systemkomponente wie eine separate Steuerbox ein kurzer äußerer Strompuls auf das System gegeben werden, so dass die Schaltschwelle kurz überschritten wird. In diesem Fall wird die Überbrückung aufgehoben (wobei wichtig ist, sicherzustellen, dass der Strom während des Schaltvorgangs weiter fließt und das System nicht vorzeitig wieder ausschaltet). Nach dem Umschalten versorgt wieder das Modul die Schaltung, so dass das Steuersignal nicht mehr benötigt wird.From the short-circuited state, these solar module strings alone will not come out, since a current flow is needed to switch again, but this is not due to the short circuit. If the modules are to be switched on again, a short external current pulse can be applied to the system via the inverter or another system component, such as a separate control box, so that the switching threshold is briefly exceeded. In this case, the bridging is canceled (it being important to ensure that the current continues to flow during the switching process and does not prematurely switch off the system). After switching, the module supplies the circuit again, so that the control signal is no longer needed.

4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2’, wobei gleiche bzw. funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Bei der Anordnung 2’ ist die Überbrückungsleitung 11 mit der Anschlussleitung 9 über zwei Schalttransistoren 13a’, 13b’ als Schaltelemente verbunden, und als Sensorelemente dienen hier zwei Spannungsfühler 15a’, 15b’, die die Spannungen V₁ bzw. V₂ über dem ersten bzw. zweiten Schalttransistor erfassen. Die Signale der Spannungsfühler gelangen zu einer Schaltsteuereinheit 17’, die ein ODER-Glied 17a’ zur gleichzeitigen alternierenden Ansteuerung der Schalttransistoren umfasst. 4 shows a further embodiment of an arrangement 2 ' , wherein the same or functionally identical parts with the same reference numerals as in 3 are designated and will not be explained again here. In the arrangement 2 ' is the bypass line 11 with the connecting cable 9 via two switching transistors 13a ' . 13b ' connected as switching elements, and serve as sensor elements here two voltage sensors 15a ' . 15b ' which detect the voltages V ₁ and V ₂ across the first and second switching transistors, respectively. The signals of the voltage sensors arrive at a switching control unit 17 ' that is an OR member 17a ' for simultaneous alternating activation of the switching transistors.

Bei dieser Anordnung sind also die Detektion des ordnungsgemäßen Betriebszustands und die Einschaltung auf zwei separate Bauteile (im konkreten Fall Schalttransistoren) aufgetrennt. Der normale Betriebszustand läuft über den ersten (linken) Schalttransistor 13a’, der im Durchlass betrieben wird, wenn der zweite Schalttransistor 13b’ aus ist. Umgekehrt lässt der zweite Transistor durch (Überbrückung), wenn der erste sperrt. Eine ODER-Verknüpfung bedingt ein zeitgleiches Umschalten. Vorteil der gezeigten Realisierung ist, dass die Transistoren prinzipiell unterschiedlich gewählt werden können, so dass z. B. der erste Transistor auf Dauerbelastung, der zweite auf eine geringe Einschaltschwelle optimiert werden kann.In this arrangement, therefore, the detection of the proper operating state and the involvement of two separate components (in the specific case switching transistors) are separated. The normal operating state is via the first (left) switching transistor 13a ' which is operated in the passage when the second switching transistor 13b ' is over. Conversely, the second transistor will fail (bypass) if the first one is off. An OR operation requires simultaneous switching. Advantage of the realization shown is that the transistors can be chosen differently in principle, so that z. B. the first transistor on continuous load, the second can be optimized to a low switch-on.

5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2’’, bei der als Sensorelement und zugleich Schaltsteuerelement eine Spule 14 vorgesehen ist, die direkt ein erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b betätigt. 5 shows a further embodiment of an arrangement 2 '' in which as a sensor element and at the same time switching control element, a coil 14 is provided which directly a first and second switching element 13a . 13b actuated.

Fließt in der Anschlussleitung 9 ein hoher Strom, kann dieser mittels der Induktivität der Spule 14 ein magnetisches Feld aufbauen. Dieses kann unmittelbar dazu genutzt werden, die elektromechanischen Schalter 13a, 13b wie z. B. in einem Relais zu betätigen. Vorteil dieser Variante ist eine Unempfindlichkeit gegen hohe Ströme und die Möglichkeit der Verwendung kommerziell einfach verfügbarer Bauteile.Flows in the connection line 9 a high current, this can be done by means of the inductance of the coil 14 build up a magnetic field. This can be used directly to the electromechanical switch 13a . 13b such as B. to operate in a relay. Advantage of this variant is insensitivity to high currents and the possibility of using commercially readily available components.

Eine weitere Variante ist in 6 gezeigt. Hier erfolgt die Schaltung über ein optoelektronisches Element. In der Leitung zum Wechselrichter 7 befindet sich eine Leuchtdiode 16 (oder ein analoges Bauteil), das bei Stromfluss ein Leuchtsignal generiert, welches auf ein spezielles erstes und zweites Schaltelement 13a’’ bzw. 13b’’ gekoppelt wird. Das Lichtsignal fungiert somit als Steuersignal für die Schaltelemente 13a’’, 13b’’. Vorteil ist hier ein einfacher Aufbau und eine galvanische Trennung von Signaldetektion und Schaltelement. Another variant is in 6 shown. Here the switching takes place via an optoelectronic element. In the line to the inverter 7 there is a light emitting diode 16 (or an analog component), which generates a flare signal at current flow, which on a special first and second switching element 13a '' respectively. 13b '' is coupled. The light signal thus acts as a control signal for the switching elements 13a '' . 13b '' , The advantage here is a simple structure and a galvanic separation of signal detection and switching element.

7 zeigt als Ausführungsbeispiel wesentliche Funktionseinheiten einer Schaltsteuereinheit 17, die eingangsseitig über einen Sensorsignaleingang 17a mit einem Sensorelement 15 und ausgangsseitig über einen Steuersignalausgang 17b mit Schaltelementen 13a, 13b in Verbindung steht. Die Schaltsteuereinheit 17 umfasst einen Schwellwertdiskriminator 17c zur Schwellwertdiskriminierung eines über den Sensorsignaleingang 17a empfangenen Sensorsignals im Vergleich mit einem in einem Schwellenwertspeicher 17d gespeicherten Schwellwert der entsprechenden Messgröße. Wie weiter oben erläutert, erzeugt die Schaltsteuereinheit mittels des Schwellwertdiskriminators 17c im Ansprechen auf das jeweiliger Sensorsignal ein Schaltsteuersignal zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung mit den Solarzellen-Strings oder aber der Überbrückungsleitung. Des Weiteren umfasst die Schaltsteuereinheit eine Rücksetzsignal-Empfangseinrichtung 17e zum Empfang eines externen Rücksetzsignals R und zur Erzeugung eines entsprechenden Schaltsteuersignals zum Zurückschalten der Leitungskonfiguration aus dem überbrückten in den aktiven Zustand der die Solarzellen-Strings enthaltenden Anschlussleitung. 7 shows as an embodiment essential functional units of a shift control unit 17 , the input side via a sensor signal input 17a with a sensor element 15 and on the output side via a control signal output 17b with switching elements 13a . 13b communicates. The shift control unit 17 includes a threshold discriminator 17c for threshold discrimination of one via the sensor signal input 17a received sensor signal compared to one in a threshold memory 17d stored threshold value of the corresponding measured variable. As explained above, the switching control unit generates by means of the threshold discriminator 17c in response to the respective sensor signal, a switching control signal for activating the connection line with the solar cell strings or the bypass line. Furthermore, the switching control unit comprises a reset signal receiving device 17e for receiving an external reset signal R and for generating a corresponding switching control signal for switching back the line configuration from the bridged to the active state of the connecting line containing the solar cell strings.

8 zeigt, in Anlehnung an 1, eine modifizierte Konfiguration der gesamten Photovoltaikanlage 1, in der die vorgeschlagene Schutzschalteinrichtung als Funktionsblock 10 dargestellt ist. Hier ist eine separate Rücksetzeinheit 19 im Dachbereich vorgesehen, die über eine geeignete Empfangseinheit 19a in drahtloser Signalverbindung mit einer Rücksetzsignal-Erzeugungseinheit 21 beim Wechselrichter 7 im Kellerbereich des Gebäudes steht, welche ihrerseits eine entsprechende Sendeeinheit 21a umfasst. 8th shows, based on 1 , a modified configuration of the entire photovoltaic system 1 in which the proposed protective switching device as a functional block 10 is shown. Here is a separate reset unit 19 provided in the roof area, via a suitable receiving unit 19a in wireless signal connection with a reset signal generation unit 21 at the inverter 7 in the basement area of the building, which in turn has a corresponding transmission unit 21a includes.

In den oben gezeigten Varianten werden die Einzelmodule oder Modulstrang so überbrückt, dass sich die Module selbst im klemmoffenen Zustand befinden und somit keine Leistung erzeugen. Einfache Modifikationen der in 3 bis 6 gezeigten Schaltungen, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen, erlauben es, die Module alternativ kurzzuschließen.In the variants shown above, the individual modules or module string are bridged in such a way that the modules themselves are in the open state and thus do not generate any power. Simple modifications of in 3 to 6 shown circuits that are within the scope of professional action, allow it to short-circuit the modules alternatively.

Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.Within the scope of expert action, further refinements and embodiments of the method and apparatus described here by way of example only arise.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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US 2009/207543 A1 [0006]

Claims

Protective switching device ( 10 ) of a photovoltaic system ( 1 ), which have a plurality of strings ( 4 ) and via a connecting cable ( 9 ) with an inverter ( 7 ) connected solar modules ( 3 ), comprising: - a bypass line parallel to the connecting line of the solar modules ( 11 ), - a first switching element ( 13 ; 13a '; 13a '' ) and a second switching element ( 13b ; 13b '; 13b '' ) for activating the connection line or the bridging line, a sensor element assigned to at least one solar module or string ( 15 ; 15a '; 15b ' ) for sensing a physical quantity characterizing the operating state of the solar module or the solar modules, and - a switching control unit connected to the sensor element via a sensor signal input and to the first and second switching element via a control signal connection ( 16 ; 17 ; 17 ) for actuating the first or second switching element in response to a detected value of the operating state indicative of the size.

Protective circuit device according to claim 1, wherein the switching control unit ( 17 ) a receiving device ( 17e ) for an externally provided reset signal and adapted to actuate the first or second switching element in response to the receipt of the reset signal.

Protective circuit device according to claim 1, with a separate reset unit ( 19 ), which is connected via a control signal connection to the first and second switching element and the receiving device ( 19a ) for an externally provided reset signal and adapted to actuate the first or second switching element in response to the receipt of the reset signal.

Protective circuit device according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 15 ) than into the connecting line ( 9 ) inserted current sensor is formed and the switching control unit ( 17 ) a threshold discriminator for threshold discrimination of the measured current value and for opening the first switching element ( 13a ) and closing the second switching element ( 13b ) in response to a falling below a predetermined current threshold.

Protective circuit device according to one of claims 1 to 3, wherein as a first and second switching element for bridging the solar module or the solar modules between the connecting line ( 9 ) and the bridging line ( 11 ) arranged first and second switching transistor ( 13a '; 13b ' ) and the first and second switching transistor depending a voltage sensor ( 15a '; 15b ' ) is assigned to detect the respective track resistance and the switching control unit has a threshold discriminator for threshold discrimination of the measured current value and for opening the first switching element and closing the second switching element in response to a falling below a predetermined current threshold.

Protective circuit device according to one of the preceding claims, wherein the switching control unit ( 17 ) has an OR gate for simultaneously opening the first and closing the second switching element, or vice versa.

Protective circuit device according to one of the preceding claims, with galvanic isolation, in particular embodied by means of an optoelectronic sensor / control signal transmission between sensor element ( 16 ) and first and second switching elements ( 13a ''; 13b '' ).

Photovoltaic system ( 1 ), which have a plurality of strings ( 4 ) and via a connecting cable ( 9 ) with an inverter ( 7 ) connected solar modules ( 3 ), with a protective switching device ( 10 ) according to one of the preceding claims.

Photovoltaic system according to claim 8, comprising means ( 21 ) for generating a reset signal for resetting the connecting line ( 9 ) in the operating state and a transmitting device for transmitting the reset signal to the protective switching device ( 10 ) or reset device ( 19 ).

Method for operating a photovoltaic system ( 1 ), which have a plurality of strings ( 4 ) and via a connecting cable ( 9 ) with an inverter ( 7 ) connected solar modules ( 3 ), wherein responsive to the sensing of a variable indicative of the operating condition of at least one solar module, the solar modules are either connected or bypassed with the inverter and in the event of a bridging, the connected state is restored in response to a reset signal generated outside the solar modules.