DE102022119559A1

DE102022119559A1 - PHOTOVOLTAIC SYSTEM WITH SAFETY SHUTOFF

Info

Publication number: DE102022119559A1
Application number: DE102022119559.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Firmenich; Thomas Wegener
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024028442A1

Abstract

Das Schutzrecht betrifft eine Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl von Teilstrings 10 aus in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen 10a, 10b, 10c und eine Mehrzahl von Abschaltvorrichtungen 12. Die Abschaltvorrichtungen 12 umfassen einen Leistungshalbleiterschalter 18, einen Schaltertreiber, ein Schaltnetzteil 25 und einen Mikrocontroller, wobei die Photovoltaikanlage über einen DC-Leitungsstrang 13 den Strom bündelt, und eine Verbindung mit Wechselrichter ermöglicht. Die Mehrzahl von Abschaltvorrichtungen 12 ist dabei über den DC-Leitungsstrang 13 miteinander in Reihe geschaltet. Die Teilstrings 10 sind jeweils über einen Eingang 14, 15 einer der Abschaltvorrichtungen 12 mit dem DC-Leitungsstrang 13 verbunden. Dabei ist die maximale Spannung Umaxeines Teilstrings 10 kleiner als ein vorbestimmter Gefahrengrenzwert. Die Abschaltvorrichtung 12 ist dazu eingerichtet, nach Empfang eines Abschaltsignals mittels des Leistungshalbleiterschalters 18 einen Teilstring 10 vom DC-Leitungsstrang 13 zu trennen. Weiterhin werden eine Anordnung einer Abschaltvorrichtung 12 und eines Teilstrings 10, sowie eine Energieerzeugungsanlage beschrieben.The property right relates to a photovoltaic system with a plurality of substrings 10 made up of photovoltaic modules 10a, 10b, 10c connected in series and a plurality of shutdown devices 12. The shutdown devices 12 include a power semiconductor switch 18, a switch driver, a switching power supply 25 and a microcontroller, the photovoltaic system via a DC line harness 13 bundles the power and enables a connection to an inverter. The plurality of shutdown devices 12 are connected in series with one another via the DC line strand 13. The substrings 10 are each connected to the DC line strand 13 via an input 14, 15 of one of the shutdown devices 12. The maximum voltage Umax of a substring 10 is smaller than a predetermined danger limit. The shutdown device 12 is set up to separate a partial string 10 from the DC line strand 13 by means of the power semiconductor switch 18 after receiving a shutdown signal. Furthermore, an arrangement of a shutdown device 12 and a substring 10, as well as a power generation system, are described.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage umfassend eine Mehrzahl von Teilstrings aus Photovoltaikmodulen und eine Mehrzahl von Abschaltvorrichtungen, mit der sichergestellt werden kann, dass Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in einer solchen Anlage einen Gefahrengrenzwert nicht übersteigen, wenn eine Gefahr für Menschen oder Sachwerte besteht oder bestehen kann.The present invention relates to a photovoltaic system comprising a plurality of substrings of photovoltaic modules and a plurality of shutdown devices, with which it can be ensured that voltages or voltage differences in such a system do not exceed a danger limit if a danger to people or property exists or may exist .

Mit der weiten Verbreitung von dezentralen Energieeinspeisern, insbesondere von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen), die auf Hausdächern, Gewerbegebäuden oder im Freiland installiert sind, rückt das Problem immer mehr ins Bewusstsein, dass im Gefahrenfall wie Brand oder Sturm oder bei Wartungsarbeiten eine zuverlässige Sicherung der spannungsführenden Teile dieser Anlagen jederzeit möglich sein muss. Dabei ist die Zugänglichkeit von Abschaltvorrichtungen dieser Anlagen sowie deren Wirksamkeit gerade im Gefahrenfall dadurch beeinträchtigt, dass bereits eingetretene Vorschäden wie Hitze- und Raucheinwirkung ein zuverlässiges und dauerhaftes Auslösen der Sicherungsmaßnahme oder ein Erreichen der Auslöseeinrichtungen unmöglich machen können. Als Folge können zum Beispiel Löschmaßnahmen am Dachstuhl eines brennenden Hauses nicht vorgenommen werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass Feuerwehrleute durch hohe Gleichspannungen einer möglicherweise noch betriebsfähigen photovoltaischen Anlage verletzt werden können.With the widespread use of decentralized energy feeders, especially photovoltaic systems (PV systems) that are installed on house roofs, commercial buildings or in the open air, the problem is becoming increasingly clear about the need for reliable security in the event of danger such as fire or storm or during maintenance work live parts of these systems must be possible at all times. The accessibility of the shutdown devices of these systems and their effectiveness, especially in the event of danger, are impaired by the fact that previous damage, such as heat and smoke, can make it impossible to reliably and permanently trigger the safety measures or reach the trigger devices. As a result, for example, extinguishing measures cannot be carried out on the roof of a burning house if there is a possibility that firefighters could be injured by high direct voltages from a photovoltaic system that may still be operational.

Aus diesen Gründen haben Staaten weltweit verschiedene Sicherheitsnormen erlassen, nach denen eine Photovoltaikanlage über Sicherheitsabschaltvorrichtungen verfügen muss, die in einem Gefahrenfall eine derartige Anlage, bzw. alle Leiterbahnen stromlos schalten können muss.For these reasons, countries around the world have issued various safety standards, according to which a photovoltaic system must have safety shutdown devices that can de-energize such a system or all conductor tracks in the event of danger.

Am Beispiel des US-amerikanischen Sicherheitscodes NEC2017 muss ein Photovoltaik-Stromerzeugungssystem über eine schnelle Abschaltfunktion verfügen und die Spannung zwischen den Leitern innerhalb der PV-Anlage und zwischen den Leitern und der Masse darf nach dem Abschalten 80 Volt nicht überschreiten. Diese schnelle Abschaltfunktion ist für jedes einzelne PV-Modul vorzusehen. Daher können jeweils einem PV-Modul zugeordnete Abschaltsysteme, sogenannte MLPE (Module Level Panel Electronics), dafür eingesetzt werden, die Gleichstromverbindung zu unterbrechen und den Sicherheitscode zu erfüllen. Diese Art der Sicherheitsvorrichtung einer PV-Anlage ist allerdings mit einigen Nachteilen verbunden. So ist beispielsweise die Kontrolle von gesamten Strings von mehreren PV-Modulen ausgeschlossen, bzw. nur mittels erheblichem sicherheitstechnischen Zusatzaufwand realisierbar. Zudem ist eine Vielzahl von Schalteinrichtungen und Verbindungselementen für eine PV-Anlage notwendig, was mit einer erhöhten Fehleranfälligkeit und entsprechend hohem Installations- und Wartungs- und Kostenaufwand einhergeht.Taking the US safety code NEC2017 as an example, a photovoltaic power generation system must have a rapid shutdown function, and the voltage between the conductors within the PV system and between the conductors and ground must not exceed 80 volts after shutdown. This quick switch-off function must be provided for each individual PV module. Therefore, shutdown systems assigned to each PV module, so-called MLPE (Module Level Panel Electronics), can be used to interrupt the DC connection and fulfill the security code. However, this type of safety device for a PV system comes with some disadvantages. For example, checking entire strings of several PV modules is impossible or can only be achieved with considerable additional safety-related effort. In addition, a large number of switching devices and connecting elements are necessary for a PV system, which is associated with an increased susceptibility to errors and correspondingly high installation and maintenance costs.

Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PV-Anlage zur Verfügung zu stellen, die mit reduziertem Material-, Installations-, Wartungs- und Kostenaufwand zuverlässig und dauerhaft die Möglichkeit eröffnet, in einem potenziellen Gefahrenfall die durch Generatoren einer PV-Anlage entstehenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den elektrischen Leitungen der Anlage auf ein Maß zu begrenzen, das Maßnahmen zur Bekämpfung der Gefahr ermöglicht, ohne für die im Einsatz befindlichen Rettungskräfte ein Schadensrisiko darzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide a PV system which, with reduced material, installation, maintenance and costs, reliably and permanently opens up the possibility of reducing the risk caused by generators in a PV system in the event of a potential hazard To limit voltages or voltage differences in the electrical lines of the system to a level that enables measures to be taken to combat the danger without posing a risk of damage to the rescue workers on duty.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche beschrieben.This task is solved by a photovoltaic system with the features of independent claim 1. Further embodiments are described with the features of the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage umfasst eine Mehrzahl von Teilstrings, die aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen gebildet sind, und eine Mehrzahl von Abschaltvorrichtungen. Die Abschaltvorrichtungen umfassen einen Leistungshalbleiterschalter, einen Schaltertreiber, ein Schaltnetzteil und einen Mikrocontroller, wobei die Photovoltaikanlage über einen DC-Leitungsstrang den Strom bündelt, und eine elektrische Verbindung mit einem im weiteren Verlauf des DC-Leitungsstrangs angeordneten Wechselrichter ermöglicht. Die Mehrzahl von Abschaltvorrichtungen ist dabei über den DC-Leitungsstrang miteinander in Reihe geschaltet. Aus in Reihe geschalteten PV-Modulen sind Teilstrings gebildet, die jeweils über einen Eingang einer der Abschaltvorrichtungen mit dem DC-Leitungsstrang verbunden sind. Dabei ist die maximale Spannung eines Teilstrings kleiner als ein vorbestimmter Gefahrengrenzwert. Die Abschaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, nach Empfang eines Abschaltsignals mittels des Leistungshalbleiterschalters einen Teilstring vom DC-Leitungsstrang zu trennen.A photovoltaic system according to the invention comprises a plurality of substrings, which are formed from a plurality of photovoltaic modules connected in series, and a plurality of shutdown devices. The shutdown devices include a power semiconductor switch, a switch driver, a switched-mode power supply and a microcontroller, whereby the photovoltaic system bundles the current via a DC line string and enables an electrical connection to an inverter arranged further along the DC line line. The majority of shutdown devices are connected in series with one another via the DC line harness. Partial strings are formed from PV modules connected in series, each of which is connected to the DC line harness via an input of one of the shutdown devices. The maximum voltage of a substring is less than a predetermined danger limit. The shutdown device is set up to separate a partial string from the DC line harness after receiving a shutdown signal using the power semiconductor switch.

Die Teilstrings weisen jeweils eine Anzahl von Modulen auf, die so konfiguriert sind, dass die Leerlaufspannung eines jeden Teilstrings einen Wert aufweist, der einen zum Beispiel vom Gesetzgeber bestimmten Gefahrengrenzwert nicht übersteigt. Im Gefahrenfall bewirkt die Abschaltvorrichtung, dass die elektrische Verbindung zwischen den Teilstrings und dem DC-Leitungsstrang aufgetrennt wird, so dass Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen in den elektrischen Verbindungen zwischen einem Wechselrichter und den Teilstrings den Gefahrengrenzwert nicht mehr übersteigen können.The substrings each have a number of modules that are configured in such a way that the open-circuit voltage of each substring has a value that does not exceed a danger limit determined by law, for example. In the event of danger, the shutdown device causes the electrical connection between the sub-strings and the DC line harness to be severed, so that voltages or voltage differences in the electrical connections between an inverter and the sub-strings can no longer exceed the danger limit.

Ein derartiger Gefahrengrenzwert kann regional einen unterschiedlichen, vorgeschriebenen Wert aufweisen, der sich zumeist aus Sicherheitsnormen für den Betrieb von derartigen Photovoltaikanlagen ergibt, oder aus diesen abgeleitet werden kann. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass die maximale Spannung des Teilstrings kleiner als 165 V ist. Dieser Wert lässt sich aus der US-Sicherheitsnorm UL3741 zur Sicherheit von Feuerwehrleuten bei Arbeiten mit PV-Anlagen ableiten und erfüllt die Normen NEC2017/2020 als Alternative zu den ansonsten geforderten Abschaltsystemen auf Einzelmodulebene (MLPE), die dazu eingerichtet sind, die Spannungen zwischen sämtlichen Leitern innerhalb einer Anordnung von PV-Modulen und zwischen den Leitern und Erde innerhalb von 30 s auf unter 80 V zu senken. Die erfindungsgemäße Lösung führt jedoch nicht zu einer echten Lasttrennung. Eine Begrenzung der maximalen Spannung der Teilstrings auf einen Wert kleiner als 165 V bewirkt im Gefahrenfall bei Feuerwehrleuten in geforderter Schutzkleidung, dass Körperströme, die durch den Kontakt mit spannungsführenden Teilen generiert werden, einen Wert von etwa 40 mA nicht überschreiten, was als ungefährlich angesehen wird. Damit erfüllt die erfindungsgemäße Abschaltvorrichtung die US-Sicherheitsnorm UL 3741 und damit die geforderten Sicherheitsbestimmungen 690.12(B)(2)/Option (1) der NEC2017/2020. In anderen Staaten sind ähnliche Sicherheitsnormen vorgeschrieben, die ebenfalls durch einen geeigneten Gefahrengrenzwert für Spannungen von Teilstrings erfüllt werden können.Such a danger limit can have a different, prescribed value regionally, which usually results from safety standards for the operation of such photovoltaic systems, or can be derived from them. It is particularly preferred that the maximum voltage of the substring is less than 165 V. This value is derived from the US safety standard UL3741 for the safety of firefighters when working with PV systems and meets the NEC2017/2020 standards as an alternative to the otherwise required individual module level shutdown systems (MLPE), which are designed to reduce the voltages between all Conductors within an array of PV modules and between the conductors and ground to below 80 V within 30 s. However, the solution according to the invention does not lead to real load separation. Limiting the maximum voltage of the sub-strings to a value of less than 165 V means that in the event of danger, for firefighters in the required protective clothing, body currents generated by contact with live parts do not exceed a value of around 40 mA, which is considered harmless . The shutdown device according to the invention therefore meets the US safety standard UL 3741 and thus the required safety regulations 690.12(B)(2)/Option (1) of the NEC2017/2020. Similar safety standards are required in other states, which can also be met by an appropriate hazard limit for substring voltages.

Mit dieser Maximalbegrenzung der Spannung der Teilstrings wird es überhaupt erst möglich, normkonform in einfacher Weise PV-Anordnungen und Abschaltsysteme außerhalb der Einzelmodulebene zu nutzen. Für die Abschaltvorrichtungen, die einen Teilstring abschalten, sind zwar stärker dimensionierte Komponenten, insbesondere Leistungshalbleiter zu verwenden, jedoch reduziert sich die Anzahl von benötigten Komponenten im Vergleich zu ähnlich dimensionierten Photovoltaikanlagen mit Schnellabschaltvorrichtung auf Modulebene (MLPE) drastisch, womit ein deutlich reduzierter Material-, Installations-, Wartungs- und Kostenaufwand einhergeht.This maximum limitation of the voltage of the substrings makes it possible to easily use PV arrangements and shutdown systems outside of the individual module level in accordance with the standards. Although larger components, in particular power semiconductors, must be used for the shutdown devices that switch off a substring, the number of components required is drastically reduced compared to similarly sized photovoltaic systems with a rapid shutdown device at module level (MLPE), which means a significantly reduced material, Installation, maintenance and costs are involved.

In dem abgeschalteten Zustand ist ebenfalls sichergestellt, dass die in der Anlage auftretenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen den Gefahrengrenzwert auch insgesamt nicht übersteigen. Bei Abschaltung nur eines Teils der Abschaltvorrichtungen bzw. Teilstrings ist es möglich, auf einem niedrigeren Spannungsniveau des Generators weiterhin elektrische Leistung mittels eines Wechselrichters in ein Netz einzuspeisen. In diesem Fall kann es zur Einspeisung in das Netz notwendig sein, die Generatorspannung zunächst mittels eines Hochsetzstellers auf eine ausreichend hohe Gleichspannung umzusetzen. Beispielsweise kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Einspeisung fortgesetzt werden kann, wenn längere Wartungsarbeiten im Bereich des Generators durchgeführt werden müssen, da ein Risiko für die die Wartung ausführenden Menschen durch die Reduktion der Generatorspannung ausreichend herabgesetzt werden kann. Die Fortführung der Einspeisung kann auch bei häufigem Auftreten von Fehlalarmen helfen, unnötige Einbußen der Energieausbeute der photovoltaischen Anlage zu vermeiden.In the switched off state it is also ensured that the voltages or voltage differences occurring in the system do not exceed the danger limit overall. If only part of the shutdown devices or partial strings are switched off, it is possible to continue feeding electrical power into a network using an inverter at a lower voltage level of the generator. In this case, in order to feed it into the network, it may be necessary to first convert the generator voltage to a sufficiently high DC voltage using a step-up converter. For example, it can be achieved in this way that the feed can be continued if longer maintenance work has to be carried out in the area of the generator, since a risk for the people carrying out the maintenance can be sufficiently reduced by reducing the generator voltage. Continuing the feed-in can help to avoid unnecessary losses in the energy yield of the photovoltaic system, even if false alarms occur frequently.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Photovoltaikanlage mindestens drei Teilstrings. Weiter ist es bevorzugt, dass ein Teilstring aus drei in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen besteht. Bei dieser Ausführung lassen sich drei Standard PV-Module (z.B. PV-Modul aus 60 Einzelsolarzellen) am effektivsten in den Teilstring integrieren. Zudem erleichtert eine derartige Aufteilung eine Montage und Verteilung der Teilstrings bei komplizierten Dachgeometrien.In a preferred embodiment of the invention, the photovoltaic system comprises at least three substrings. It is further preferred that a substring consists of three photovoltaic modules connected in series. With this version, three standard PV modules (e.g. PV module made of 60 individual solar cells) can be most effectively integrated into the substring. In addition, such a division makes it easier to assemble and distribute the substrings in complicated roof geometries.

Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die gesamte Generatorspannung im optimalen Betriebspunkt des Generators einen Wert größer als die Scheitelspannung des Netzes aufweist (z.B. bis zu 600 V), wodurch die Einspeisung in ein Netz ohne den Einsatz eines Hochsetzstellers in einem Wechselrichter möglich wird. Gleichzeitig kann die Leerlaufspannung der einzelnen Teilstrings unter dem oben angegebenen Gefahrengrenzwert verbleiben. Bei genau drei Teilstrings ist es allerdings häufig erforderlich, den Generator oberhalb einer Spannung zu betreiben, bei der die elektrische Leistung des Generators maximal ist, um die Scheitelspannung des Netzes zu überschreiten. Daher kann es vorteilhaft sein, mindestens vier Teilstrings in Serie zu schalten, wodurch es möglich ist, den Generator im Arbeitspunkt maximaler Leistung zu betreiben, wobei die Leerlaufspannung der einzelnen Teilstrings unterhalb eines Gefahrengrenzwertes verbleiben kann. Bei anderen Gefahrengrenzwerten ergibt sich dementsprechend eine andere Anzahl von Teilstrings, ab der dieser Effekt erreicht werden kann.In this way, it can be achieved that the total generator voltage at the optimal operating point of the generator has a value greater than the peak voltage of the network (e.g. up to 600 V), which makes it possible to feed into a network without using a step-up converter in an inverter. At the same time, the open-circuit voltage of the individual substrings can remain below the danger limit specified above. However, with exactly three substrings, it is often necessary to operate the generator above a voltage at which the electrical power of the generator is maximum in order to exceed the peak voltage of the network. It can therefore be advantageous to connect at least four substrings in series, which makes it possible to operate the generator at the operating point of maximum power, whereby the no-load voltage of the individual substrings can remain below a danger limit. With other danger limit values, there is a different number of substrings from which this effect can be achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abschaltvorrichtung auf der Eingangsseite einen positiven Eingang und einen negativen Eingang auf, an die der Teilstring aus in Reihe geschalteten PV-Modulen angeschlossen ist. Auf der Ausgangsseite besitzt die Abschaltvorrichtung einen positiven Ausgang und einen negativen Ausgang, die mit dem DC-Leitungsstrang verbunden sind, wobei zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Leistungshalbleiterschalter angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, die Verbindung zwischen Eingang und Ausgang zu trennen. Auf diese Weise wird das Freischalten der Ausgangsspannung eines Teilstrings mit einer Leerlaufspannung bis zum Gefahrengrenzwert, also bevorzugt 165 V, ermöglicht.In a preferred embodiment, the shutdown device has a positive input and a negative input on the input side, to which the substring of series-connected PV modules is connected. On the output side, the shutdown device has a positive output and a negative output, which are connected to the DC line harness, with the power semiconductor switch being arranged between the input side and the output side, which is designed to disconnect the connection between input and output. In this way, unlocking the output voltage of a part strings with an open-circuit voltage up to the danger limit, i.e. preferably 165 V.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem positiven Ausgang und dem negativen Ausgang der Abschaltvorrichtung eine Bypassdiode angeordnet. Dadurch wird es ermöglicht, dass, falls ein Leistungsschalter ausfällt, oder ein der Abschaltvorrichtung zugeordneter Teilstring verschattet ist, nicht der gesamte Strang abgeschaltet wird. Die Generatorspannung der weiteren Teilstrings wird über den DC-Leitungsstrang und die Bypassdiode aufrechterhalten, sodass der restliche Generatorstrom durch die betroffene Abschaltvorrichtung geführt werden kann.In a preferred embodiment, a bypass diode is arranged between the positive output and the negative output of the shutdown device. This makes it possible that if a circuit breaker fails or a substring assigned to the shutdown device is shaded, not the entire string is switched off. The generator voltage of the other sub-strings is maintained via the DC line harness and the bypass diode, so that the remaining generator current can be routed through the affected shutdown device.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem positiven Eingang und dem negativen Eingang der Abschaltvorrichtung ein Schaltnetzteil zur Erzeugung einer Betriebsspannung für den Mikrokontroller und den Treiber des Leistungshalbleiterschalters) angeordnet, das über die Spannung des PV-Teilstrings versorgt wird. Dadurch, dass sich sowohl der Teilstring als auch das Schaltnetzteil durch PV-Energie versorgen und dementsprechend auch nur dann versorgt werden, wenn es sich durch ausreichende Sonneneinstrahlung lohnt, ergibt sich eine deutlich verringerte Energiebilanz im Betrieb der PV-Anlage, als bei anderen Abschaltvorrichtungen nach dem Stand der Technik, die durch den Wechselrichter aus dem AC-Netz versorgt werden müssen und bei denen der Wechselrichter in bestimmten Zeitintervallen prüfen muss, ob die Spannungsversorgung der Abschaltvorrichtung notwendig ist, also ob überhaupt zu dem Prüfzeitpunkt PV-Energie durch die Module bereitgestellt werden kann.In a further preferred embodiment, a switching power supply for generating an operating voltage for the microcontroller and the driver of the power semiconductor switch is arranged between the positive input and the negative input of the shutdown device, which is supplied via the voltage of the PV substring. The fact that both the substring and the switching power supply are powered by PV energy and are therefore only supplied when there is sufficient solar radiation makes it worthwhile, results in a significantly reduced energy balance when operating the PV system than with other shutdown devices the state of the art, which must be supplied by the inverter from the AC network and in which the inverter must check at certain time intervals whether the power supply to the shutdown device is necessary, i.e. whether PV energy is even being provided by the modules at the time of the test can.

Es ist weiter bevorzugt, dass das Abschaltsignal mittels eines auf die Gleichspannungs-Zuleitung aufmodulierten Hochfrequenzsignales (PLC-Kommunikation) bereitgestellt wird und die Abschaltvorrichtung einen RLC-Schwingkreis aufweist zum Auskoppeln des Signals und eine Leitung zum Übertragen des Signals an den Mikrocontroller. Der Mikrocontroller fungiert als Steuereinrichtung und steuert das Abschalten abhängig vom Vorliegen eines Signals, das einer Gefahrensituation zugeordnet ist. Dieses Signal kann von einem Wechselrichter selbst erzeugt werden, zum Beispiel wenn der Wechselrichter eine Inselnetz-Situation erkennt. Es kann aber auch außerhalb des Wechselrichters erzeugt werden und zu diesem mittels einer elektrischen Steuerleitung, einer Funkverbindung, oder bevorzugt mittels einer Übertragung über die vorhandenen Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleitungen an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Besonders bevorzugt ist das Signal durch ein standardisiertes Stay-Alive-Signal gebildet, sodass ein Wegfall des Signals ein Schalten des Schaltelements und eine Trennung des Teilstrings vom DC-Leitungsstrang bewirkt. Besonders bevorzugt ist das Schaltnetzteil durch einen DC/DC-Wandler gebildet und zusammen mit dem Mikrocontroller und dem Schaltertreiber als ein Kombiblock in der Abschaltvorrichtung angeordnet.It is further preferred that the switch-off signal is provided by means of a high-frequency signal (PLC communication) modulated onto the DC supply line and that the switch-off device has an RLC resonant circuit for decoupling the signal and a line for transmitting the signal to the microcontroller. The microcontroller acts as a control device and controls the shutdown depending on the presence of a signal that is assigned to a dangerous situation. This signal can be generated by an inverter itself, for example when the inverter detects an island grid situation. However, it can also be generated outside the inverter and transmitted to the control device by means of an electrical control line, a radio connection, or preferably by means of a transmission via the existing DC or AC voltage lines. Particularly preferably, the signal is formed by a standardized stay-alive signal, so that a loss of the signal causes the switching element to switch and the substring to be separated from the DC line strand. Particularly preferably, the switching power supply is formed by a DC/DC converter and is arranged together with the microcontroller and the switch driver as a combination block in the shutdown device.

Die Schalter der einzelnen Abschaltvorrichtungen für die verschiedenen Teilstrings sind über die Steuereinrichtung (Mikrocontroller und Schaltertreiber) derart ansteuerbar, dass sie in einem Betriebszustand der photovoltaischen Anlage eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Teilstrings herstellen, und im potenziell gefährlichen Zustand diese Verbindung auftrennen. Die Schalter können hierbei mechanische Schalter, zum Beispiel Relais, oder Halbleiter, insbesondere Leistungs-Halbleiter wie MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren sein. Besonders bevorzugt ist der Leistungshalbleiterschalter durch einen MOSFET-Schalter gebildet. Um die durch die Verwendung von Teilstrings gegenüber Einzelmodulen erhöhten Lasten schalten zu können, ist es bevorzugt, dass die Schalter eine Stromtragfähigkeit von wenigstens 20 A aufweisen. Insbesondere sind MOSFET-Schalter aus der 200 V-Klasse bevorzugt.The switches of the individual shutdown devices for the different substrings can be controlled via the control device (microcontroller and switch driver) in such a way that they establish an electrical connection between adjacent substrings in an operating state of the photovoltaic system and, in a potentially dangerous state, disconnect this connection. The switches can be mechanical switches, for example relays, or semiconductors, in particular power semiconductors such as MOSFETs, IGBTs or thyristors. The power semiconductor switch is particularly preferably formed by a MOSFET switch. In order to be able to switch the loads that are increased compared to individual modules due to the use of substrings, it is preferred that the switches have a current carrying capacity of at least 20 A. MOSFET switches from the 200 V class are particularly preferred.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung einer Abschaltvorrichtung mit einem Teilstring von drei PV-Modulen vorgesehen, wobei der positive Eingang der Abschaltvorrichtung mit dem Eingang eines ersten PV-Moduls, der Ausgang des ersten PV-Moduls mit dem Eingang des dritten PV-Moduls, der Ausgang des dritten PV-Moduls mit dem Eingang des zweiten PV-Moduls und der Ausgang des zweiten PV-Moduls mit dem negativen Eingang der Abschaltvorrichtung verbunden sind. Hierbei sind erstes, zweites und drittes PV-Modul in dem Sinne zu verstehen, dass die drei PV-Module räumlich aufeinander folgend angeordnet sind, wobei sich das erste PV-Modul in kürzester räumlicher Entfernung zur Abschaltvorrichtung befindet, während sich das dritte PV-Modul in weitester Entfernung zur Abschaltvorrichtung befindet und das zweite PV-Modul zwischen dem ersten PV-Modul und dem dritten PV-Modul angeordnet ist. Dadurch können die an Standardmodulen vorgesehenen Anschlusskabel und deren Steckverbinder ohne weitere Verlängerungen oder zusätzliche Steckverbinder verwendet werden, was den Material-, Installations-, und Kostenaufwand weiter erheblich reduziert und insbesondere im Vergleich zu MLPE-Lösungen, eine reduzierte Anzahl an Verbindungen ergibt und somit eine einfachere und kostengünstigere Installation ermöglicht.In a further aspect of the invention, an arrangement of a shutdown device with a substring of three PV modules is provided, the positive input of the shutdown device being connected to the input of a first PV module, the output of the first PV module being connected to the input of the third PV module. Module, the output of the third PV module is connected to the input of the second PV module and the output of the second PV module is connected to the negative input of the shutdown device. Here, the first, second and third PV modules are to be understood in the sense that the three PV modules are arranged spatially one after the other, with the first PV module being at the shortest spatial distance from the switch-off device, while the third PV module is located at the furthest distance from the shutdown device and the second PV module is arranged between the first PV module and the third PV module. This means that the connection cables provided on standard modules and their connectors can be used without further extensions or additional connectors, which further significantly reduces the material, installation and cost expenditure and, in particular in comparison to MLPE solutions, results in a reduced number of connections and thus a allows for easier and more cost-effective installation.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage Teilstrings und Abschaltvorrichtungen, die auf die beschriebene Art und Weise angeordnet und verbunden sind.In a further preferred embodiment, a photovoltaic system according to the invention comprises partial strings and shutdown devices that are based on the are arranged and connected in the manner described.

Weiter umfasst die Erfindung eine Energieerzeugungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage und einen Wechselrichter, wobei der Wechselrichter auf seiner Gleichspannungsseite mittels Anschlussstellen (DC+, DC-) über den DC-Leitungsstrang an die Photovoltaikanlage angeschlossen ist und auf seiner Wechselspannungsseite mit einem Netz zur Einspeisung elektrischer Leistung in das Netz verbunden ist.The invention further comprises a power generation system with a photovoltaic system according to the invention and an inverter, the inverter being connected on its DC voltage side to the photovoltaic system via connection points (DC+, DC-) via the DC cable harness and on its AC voltage side with a network for feeding electrical power into the network is connected.

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abschaltvorrichtung als Blockdiagramm zeigt,
2a eine Verschaltung einer Vorrichtung zur Sicherheitsabschaltung einer Photovoltaikanlage auf Modulebene nach dem Stand der Technik zeigt, und
2b eine Verschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sicherheitsabschaltung zeigt.

The invention is illustrated below with the aid of figures, of which:

1 shows a schematic representation of a shutdown device according to the invention as a block diagram,
2a shows an interconnection of a device for the safety shutdown of a photovoltaic system at module level according to the prior art, and
2 B shows an interconnection of a device according to the invention for safety shutdown.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abschaltvorrichtung als Blockdiagramm. Insbesondere ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Aufbaus einer photovoltaischen Anlage mit einem PV-Generator dargestellt, wobei der PV-Generator in mehrere Teilstrings 10 aufgeteilt ist. Ein Teilstring 10 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei PV-Modulen 10a, 10b und 10c, die in Reihe hintereinander verschaltet sind. Weiterhin ist die schematische Verschaltung einer Abschaltvorrichtung 12 dargestellt. Diese Verschaltungsskizze zeigt lediglich einige wesentliche Komponenten, anhand derer die Funktionsweise der Abschaltvorrichtung 12 im Folgenden erläutert wird. Selbstverständlich stellt diese Verschaltung keinen Anspruch auf Vollständigkeit einer technischen Zeichnung oder gar eines Produktdatenblatts dar. 1 shows a schematic representation of a shutdown device according to the invention as a block diagram. In particular, part of a structure according to the invention of a photovoltaic system with a PV generator is shown, the PV generator being divided into several substrings 10. In the exemplary embodiment shown, a substring 10 consists of three PV modules 10a, 10b and 10c, which are connected in series. Furthermore, the schematic connection of a shutdown device 12 is shown. This circuit diagram only shows a few essential components, based on which the functionality of the shutdown device 12 will be explained below. Of course, this connection does not represent a claim to the completeness of a technical drawing or even a product data sheet.

Die PV-Anlage ist in der Regel mit einer Gleichspannungsseite eines Wechselrichters (nicht gezeigt) verbunden, der wechselspannungsseitig an ein Netz, beispielsweise ein öffentliches Wechselspannungsnetz oder ein Hausnetz angeschlossen sein kann. Die Verbindung mit dem Generator erfolgt über einen DC-Leitungsstrang 13. Der DC-Leitungsstrang 13 fungiert als Sammelschiene und erstreckt sich von einer positiven Anschlussstelle DC+ eines Wechselrichters zu einer ersten Abschaltvorrichtung 12 und über weitere, mit der ersten Abschaltvorrichtung 12 in Reihe geschalteten Abschaltvorrichtungen 12 zu einer negativen Anschlussstelle DC- des Wechselrichters. Die Gesamtspannung des Generators ergibt sich aus der Summe der Eingangsspannungen der einzelnen, im Generator zusammen geschalteten Teilstrings 10.The PV system is usually connected to a DC voltage side of an inverter (not shown), which can be connected to a network on the AC voltage side, for example a public AC voltage network or a house network. The connection to the generator takes place via a DC line harness 13. The DC line strand 13 functions as a busbar and extends from a positive DC+ connection point of an inverter to a first shutdown device 12 and via further shutdown devices 12 connected in series with the first shutdown device 12 to a negative connection point DC- of the inverter. The total voltage of the generator results from the sum of the input voltages of the individual substrings 10 connected together in the generator.

Die Abschaltvorrichtung 12 weist auf der Eingangsseite einen positiven Eingang 14 und einen negativen Eingang 15 auf, an die der Teilstring 10 aus in Reihe geschalteten PV-Modulen 10a, 10b, 10c angeschlossen ist. Auf der Ausgangsseite besitzt die Abschaltvorrichtung 12 einen positiven Ausgang 16 und einen negativen Ausgang 17, die mit dem DC-Leitungsstrang 13 verbunden sind, wobei in der Verbindung von positivem Eingang 14 und positivem Ausgang 16 der Leistungshalbleiterschalter 18 (im Folgenden Schalter genannt) angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, die Verbindung zwischen Eingang 14 und Ausgang 16 zu trennen. Über die Schalter 18 in den Abschaltvorrichtungen 12 und den DC-Leitungsstrang 13 sind mehrere, den jeweiligen Abschaltvorrichtungen 12 zugeordnete Teilstrings 10 miteinander in Reihe geschaltet und bilden den PV-Generator. Die Ansteuerung des Schalters 18 erfolgt hierbei über eine Steuereinrichtung 20 derart, dass im Normalbetrieb der PV-Anlage der Teilstring 10 in Reihenschaltung mit anderen Teilstrings 10 über den DC-Leitungsstrang 13 verbunden ist. Im Gefahrenfall steuert die Steuereinrichtung 20 den Schalter 18 so an, dass er die elektrische Verbindung der beiden Teilstrings 10 mit dem DC-Leitungsstrang 13 auftrennt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Spannungen, beziehungsweise Spannungsdifferenzen, in den Zuleitungen erheblich verringert werden, insbesondere dass bei entsprechender Auslegung des Teilstrings 10 ausgeschlossen werden kann, dass eine bei Berührung für den Menschen gefährliche Spannung, beziehungsweise Spannungsdifferenz, in den elektrischen Verbindungen des Generators auftritt. Diese Auslegung wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass die maximale Spannung U_max, die vom Teilstring 10 generiert werden kann, und die dementsprechend auf der Eingangsseite der Abschaltvorrichtung 12 zwischen dem positiven Eingang 14 und dem negativen Eingang 15 anliegt, einen bestimmten Gefahrengrenzwert nicht übersteigt. Dieser Gefahrengrenzwert ist bevorzugt auf 165 V begrenzt, kann aber, je nach geforderter Sicherheitsnorm, auch abweichend gewählt sein.The shutdown device 12 has a positive input 14 and a negative input 15 on the input side, to which the substring 10 of series-connected PV modules 10a, 10b, 10c is connected. On the output side, the shutdown device 12 has a positive output 16 and a negative output 17, which are connected to the DC line harness 13, the power semiconductor switch 18 (hereinafter referred to as switch) being arranged in the connection between the positive input 14 and the positive output 16 , which is set up to separate the connection between input 14 and output 16. Via the switches 18 in the shutdown devices 12 and the DC line harness 13, several substrings 10 assigned to the respective shutdown devices 12 are connected in series with one another and form the PV generator. The switch 18 is controlled via a control device 20 in such a way that, during normal operation of the PV system, the substring 10 is connected in series with other substrings 10 via the DC line strand 13. In the event of danger, the control device 20 controls the switch 18 in such a way that it disconnects the electrical connection of the two sub-strings 10 with the DC line strand 13. In this way it is achieved that the voltages or voltage differences in the supply lines are significantly reduced, in particular that with an appropriate design of the substring 10 it can be ruled out that a voltage or voltage difference that is dangerous to humans when touched can occur in the electrical connections of the Generator occurs. This design is essentially achieved in that the maximum voltage U _max that can be generated by the substring 10, and which is accordingly present on the input side of the shutdown device 12 between the positive input 14 and the negative input 15, does not exceed a certain danger limit. This danger limit is preferably limited to 165 V, but can also be chosen differently depending on the required safety standard.

Der Schalter 18 kann hierbei durch einen mechanischen Schalter, zum Beispiel ein Relais, oder Halbleiter, insbesondere Leistungs-Halbleiter wie MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren gebildet sein. IGBT oder MOSFET-Schalter sind dabei bevorzugt als Silizium oder Siliziumkarbid-Schalter verwendbar. Im gezeigten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schalter 18 durch einen Leistungshalbleiterschalter, insbesondere MOSFET-Schalter 18 gebildet. Um die durch die Verwendung von Teilstrings gegenüber Einzelmodulen erhöhten Lasten schalten zu können, ist es bevorzugt, dass der MOSFET-Schalter 18 eine Stromtragfähigkeit von wenigstens 20 A, bevorzugt 25 A aufweist und bis zu 200 V schalten kann.The switch 18 can be formed by a mechanical switch, for example a relay, or semiconductors, in particular power semiconductors such as MOSFETs, IGBTs or thyristors. IGBT or MOSFET switches can preferably be used as silicon or silicon carbide switches. In the particularly preferred exemplary embodiment shown, the switch 18 is formed by a power semiconductor switch, in particular a MOSFET switch 18. In order to be able to switch the increased loads caused by the use of substrings compared to individual modules, it is preferred that the MOSFET switch 18 has a current carrying capacity of at least 20 A, preferably 25 A and can switch up to 200 V.

Bevorzugt kann zwischen den Ausgangsleitungen der Abschaltvorrichtung 12 eine Bypassdiode 22 angeordnet sein. Im Gefahrenfall kann durch ein Auftrennen der Verbindung des Teilstrings 10 mittels des Schalters 18 erreicht werden, dass in den elektrischen Verbindungen nur für den Menschen ungefährliche Spannungsdifferenzen auftreten können, und dass die photovoltaische Anlage gleichzeitig weiterhin Leistung ins Netz abgeben kann. Hierzu wird der Stringstrom der übrigen, nicht getrennten Teilstrings 10 über den DC-Leitungsstrang 13 und die Bypassdiode 22 der Abschaltvorrichtung 12 geleitet. Falls die Betriebsspannung der übrigen aktiven Teilstrings 10 geringer als die Netzkuppenspannung eines Netzes ist, kann ein Wechselrichter einen Hochsetzsteller aufweisen, um eine ausreichend hohe Spannung zum Einspeisen von Leistung in das Netz bereitstellen zu können. Auf diese Weise wird erreicht, dass zumindest Teile der photovoltaischen Anlage in einen berührungssicheren Zustand versetzt werden können, ohne den Betrieb der Anlage vollständig einstellen zu müssen.A bypass diode 22 can preferably be arranged between the output lines of the shutdown device 12. In the event of danger, by disconnecting the connection of the partial string 10 using the switch 18, it can be achieved that only voltage differences that are harmless to humans can occur in the electrical connections, and that the photovoltaic system can at the same time continue to deliver power to the network. For this purpose, the string current of the remaining, non-separated sub-strings 10 is conducted via the DC line strand 13 and the bypass diode 22 of the shutdown device 12. If the operating voltage of the remaining active substrings 10 is lower than the peak voltage of a network, an inverter can have a step-up converter in order to be able to provide a sufficiently high voltage to feed power into the network. In this way it is achieved that at least parts of the photovoltaic system can be placed in a touch-safe state without having to completely stop the operation of the system.

Die Steuereinrichtung 20 ist bevorzugt durch einen Mikrocontroller µC gebildet, welcher den Treiber des Schalters 18 steuert. Der Mikrocontroller µC ist mittels einer Steuerleitung 23 mit einem Signalgeber 24 verbunden. Insbesondere kann der Signalgeber 24 ein Not-Ausschalter oder eine Überwachungskomponente eines Wechselrichters sein. Das über die Steuerleitung 23 gesendete Signal ist dabei einem Gefahrenfall zugeordnet, und löst eine entsprechende Ansteuerung des Schalters 18 durch die Steuereinrichtung 20 aus. Der Signalgeber 24 an sich kann außerhalb der Abschaltvorrichtung 12 angeordnet sein und beispielsweise durch einen manuellen Not-Aus-Schalter gebildet sein, oder aber im Wechselrichter generiert werden. Der Anteil des Signalgebers 24 innerhalb der Abschaltvorrichtung 12 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Auskopplungselement, beispielsweise einen RLC-Schwingkreis gebildet, welches ein Abschaltsignal auskoppeln kann, das mittels eines auf die Gleichspannungs-Zuleitung aufmodulierten Hochfrequenzsignales (PLC-Kommunikation) bereitgestellt wird. Dieses Signal kann bevorzugt durch ein Stay-Alive-Signal gebildet sein, so dass ein Ausbleiben des Signals durch einen Betriebsfehler, wie beispielsweise einen Brand, in jedem Fall ein Freischalten des Teilstrings 10 zur Folge hat.The control device 20 is preferably formed by a microcontroller μC, which controls the driver of the switch 18. The microcontroller μC is connected to a signal generator 24 by means of a control line 23. In particular, the signal generator 24 can be an emergency stop switch or a monitoring component of an inverter. The signal sent via the control line 23 is assigned to a dangerous situation and triggers a corresponding activation of the switch 18 by the control device 20. The signal generator 24 itself can be arranged outside the shutdown device 12 and can be formed, for example, by a manual emergency stop switch, or can be generated in the inverter. The portion of the signal generator 24 within the shutdown device 12 is formed in the exemplary embodiment shown by a decoupling element, for example an RLC resonant circuit, which can decouple a shutdown signal that is provided by means of a high-frequency signal (PLC communication) modulated onto the DC supply line. This signal can preferably be formed by a stay-alive signal, so that the absence of the signal due to an operating error, such as a fire, always results in the substring 10 being activated.

Zwischen dem positiven Eingang 14 und dem negativen Eingang 15 der Abschaltvorrichtung 12 ist bevorzugt ein Schaltnetzteil 25 angeordnet, das über die Spannung des PV-Teilstrings 10 versorgt wird und welches eine Betriebsspannung für den Mikrokontroller µC und den Treiber des Leistungshalbleiterschalters 18 bereitstellt. Das Schaltnetzteil 25 umfasst dazu einen DC/DC-Wandler, der die am Eingang 14, 15 bereitgestellte Spannung des Teilstrings 10 in eine geeignete Betriebsspannung wandelt. Dadurch, dass sich sowohl der Teilstring 10 als auch das Schaltnetzteil durch PV-Energie versorgen und dementsprechend auch nur dann versorgt werden, wenn es sich durch ausreichende Sonneneinstrahlung lohnt, wird die Energieeffizienz gesteigert. Alternativ oder zusätzlich kann das Schaltnetzteil 25 auch über eine Versorgungsverbindung 26 extern, zum Beispiel aus dem DC Leitungsstrang 13 versorgt werden. Das ist vorteilhaft, um ein reibungsloses Wiederhochfahren des Teilstrings 10 zu ermöglichen. Bevorzugt sind Schaltnetzteil, Mikrocontroller und Schaltertreiber in einem gemeinsamen Bauteil mit eigenem Gehäuse untergebracht. Die Abschaltvorrichtung 12 insgesamt ist bevorzugt ebenfalls mitsamt allen beschriebenen Komponenten innerhalb eines Gehäuses untergebracht und weist Anschlusskabel mit Steckverbindungen zum Anschluss des Teilstrings 10 und des DC-Leitungsstrangs 13 auf.Between the positive input 14 and the negative input 15 of the shutdown device 12, a switching power supply 25 is preferably arranged, which is supplied via the voltage of the PV substring 10 and which provides an operating voltage for the microcontroller μC and the driver of the power semiconductor switch 18. For this purpose, the switching power supply 25 includes a DC/DC converter which converts the voltage of the substring 10 provided at the input 14, 15 into a suitable operating voltage. The fact that both the substring 10 and the switching power supply are powered by PV energy and are therefore only supplied when there is sufficient sunlight makes it worthwhile, increases energy efficiency. Alternatively or additionally, the switching power supply 25 can also be supplied externally via a supply connection 26, for example from the DC cable harness 13. This is advantageous in order to enable the substring 10 to be restarted smoothly. The switching power supply, microcontroller and switch driver are preferably housed in a common component with its own housing. The shutdown device 12 as a whole is preferably also housed within a housing together with all the components described and has connecting cables with plug connections for connecting the partial string 10 and the DC cable strand 13.

2a zeigt eine Verschaltung von sechs PV-Modulen nach dem Stand der Technik auf Einzelmodulebene. Den Modulen 10a bis 10f ist jeweils eine Abschaltvorrichtung 28 zugeordnet, die jeweils dazu eingerichtet ist, Spannungen zwischen allen elektrischen Leitern innerhalb der Modulanordnung innerhalb von 30 s auf unter 80 V zu senken. Dabei ist jedes Modul über zwei Anschlüsse, jeweils mit Steckverbindern 30 mit der Abschaltvorrichtung 28 verbunden. Die dargestellte Konfiguration kann auch einen Ausschnitt einer PV-Anlage mit noch weiteren Modulen darstellen, die sich in gleicher Weise an den als offenes Ende dargestellten DC-Leitungsstrang 13 anschließen und im weiteren Verlauf an einen Wechselrichter über eine positive Anschlussstelle DC+ und eine negative Anschlussstelle DCangeschlossen sind. 2a shows an interconnection of six PV modules according to the state of the art at the individual module level. The modules 10a to 10f are each assigned a shutdown device 28, which is each designed to reduce voltages between all electrical conductors within the module arrangement to below 80 V within 30 s. Each module is connected to the shutdown device 28 via two connections, each with plug connectors 30. The configuration shown can also represent a section of a PV system with further modules, which are connected in the same way to the DC cable strand 13 shown as an open end and are subsequently connected to an inverter via a positive DC+ connection point and a negative DC connection point are.

2b zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verschaltung einer Schutzvorrichtung einer PV-Anlage mit Ministrings beziehungsweise Teilstrings 10. Im gezeigten Beispiel sind jeweils drei PV-Module 10a bis 10c zu einem Teilstring 10 in Reihe geschaltet. Jedem Teilstring 10 ist eine Abschaltvorrichtung 12 zugeordnet. Dabei entspricht die Kombination aus einem Teilstring 10 und einer Abschaltvorrichtung 12 dem in 1 beschriebenen Beispiel. Das heißt, dass jede Abschaltvorrichtung 12 die gleichen Komponenten, also Schalter, Signalauskoppler, Bypassdiode, Stromversorgung, Steuereinheit/Mikrocontroller usw. aufweisen kann und die gleiche Funktion erfüllt wie die isoliert betrachtete Abschaltvorrichtung 12 der 1. Die Teilstrings 10 sind nicht auf eine Kombination von drei PV-Modulen 10a bis 10c beschränkt. Je nach Dimensionierung und Leistungsklasse der einzelnen PV-Module 10a bis 10c kann ein Teilstring auch weniger oder mehr PV-Module umfassen. So sind beispielsweise in Dachziegel integrierte PV-Module am Markt erhältlich, die deutlich kleiner als Standard PV-Module sind und dementsprechend auch weitaus weniger Spannung erzeugen. Ausschlaggebend für die erfindungsgemäße Verwendung der Schutzvorrichtung der PV-Anlage ist es daher lediglich, dass ein Teilstring 10 eine Leerlaufspannung unterhalb eines bestimmten Gefahrengrenzwertes bereitstellt, insbesondere bevorzugt unterhalb 165 V. Nur durch Erfüllung dieser Bedingung ist es möglich, eine Sicherheitsvorrichtung gemäß der Norm UL3741 bereitzustellen, also ohne die Notwendigkeit Abschaltvorrichtungen auf Modulebene vorsehen zu müssen. Nicht nur spannungsbezogene Aspekte können die Anzahl der PV-Module in einem Teilstring bestimmen, sondern auch besondere Installationsgegebenheiten, wie beispielsweise stark segmentierte Dächer, zum Beispiel mit Gauben und Firsten. Durch die Verwendung von Teilstrings 10 wird eine Installation deutlich vereinfacht und spart zusätzlich gegenüber der in 2a gezeigten Variante Geräte, elektrische Komponenten, insbesondere teure Halbleiterschaltelemente, Verbindungskabel und Steckverbinder 30 ein. Gerade eine Reduzierung von Steckverbindungen und Verlängerungskabeln verringert die Fehleranfälligkeit und den Wartungsaufwand erheblich. 2 B shows schematically an inventive connection of a protective device of a PV system with ministrings or substrings 10. In the example shown, three PV modules 10a to 10c are connected in series to form a substring 10. A shutdown device 12 is assigned to each substring 10. The combination of a substring 10 and a shutdown device 12 corresponds to that in 1 example described. This means that each shutdown device 12 can have the same components, i.e. switches, signal decouplers, bypass diodes, power supply, control unit/microcontroller, etc., and fulfills the same function as the shutdown device 12 viewed in isolation 1 . The substrings 10 are not limited to a combination of three PV modules 10a to 10c. Depending on the dimensioning and performance class of the individual PV modules 10a to 10c, a substring can also include fewer or more PV modules. For example, PV modules integrated into roof tiles are available on the market, which are significantly smaller than standard PV modules and therefore generate far less voltage. The decisive factor for the use of the protective device of the PV system according to the invention is therefore only that a substring 10 provides an open-circuit voltage below a certain danger limit, particularly preferably below 165 V. Only by fulfilling this condition is it possible to provide a safety device in accordance with the UL3741 standard , i.e. without the need to provide shutdown devices at module level. Not only voltage-related aspects can determine the number of PV modules in a substring, but also special installation conditions, such as highly segmented roofs, for example with dormers and ridges. By using substrings 10, installation is significantly simplified and saves additional money compared to in 2a shown variant devices, electrical components, in particular expensive semiconductor switching elements, connecting cables and plug connectors 30. Reducing the number of plug connections and extension cables significantly reduces the susceptibility to errors and the maintenance effort.

Die Abschaltvorrichtungen 12 umfassen ein kompaktes Gehäuse und weisen auf der Eingangs- und Ausgangsseite jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss auf. In der Regel sind diese Kontaktstellen durch am Gehäuse fest verbaute Verbindungskabel gebildet, die am offenen Ende eine Steckverbindung aufweisen. Entsprechend sind auch PV-Module in der Regel mit einer positiven und einer negativen Kontaktstelle ausgestattet, die durch ein im Gehäuse des PV-Moduls fest verbundenes Verbindungskabel mit Steckverbinder 30 gebildet sind. Der DC-Leitungsstrang 13 ist über sämtliche Abschaltvorrichtungen 12 geführt, wodurch diese in Reihe geschaltet sind. Über die geschlossenen Schalter 18 der jeweiligen Abschaltvorrichtungen 12 sind auch alle Teilstrings 10 in Reihe geschaltet. Wenn eine Abschaltvorrichtung 12 ein Abschaltsignal erhält, wie in der Diskussion zu 1 beschrieben, wird der betreffende Teilstring 10 mittels des Schalters 18 freigeschaltet und trägt nicht mehr zur Generatorspannung bei. Es versteht sich, dass das gezeigte Ausführungsbeispiel nicht auf eine PV-Anlage mit zwei Teilstrings 10 beschränkt ist. Die dargestellte Konfiguration kann auch einen Ausschnitt einer PV-Anlage mit noch weiteren Teilstrings 10 darstellen, die sich in gleicher Weise an den als offenes Ende dargestellten DC-Leitungsstrang 13 anschließen, der im weiteren Verlauf an einen Wechselrichter über eine positive Anschlussstelle DC+ und eine negative Anschlussstelle DC- angeschlossen ist. Für PV-Anlagen bis zu 600 V Generatorspannung, wie es als Kleinerzeugungsanlage zum Beispiel auf Privathausdächern weit verbreitet ist, sind dann für die weiteren, nach außen führenden Leitungen keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen vonnöten. Für größere PV-Anlagen bis 1000 V wären zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen für die nach außen führenden Leitungen, beispielsweise durch abgeschirmte Kabelkanäle, notwendig.The shutdown devices 12 comprise a compact housing and each have a positive and a negative connection on the input and output sides. As a rule, these contact points are formed by connecting cables that are permanently installed on the housing and have a plug connection at the open end. Accordingly, PV modules are usually equipped with a positive and a negative contact point, which are formed by a connecting cable with a plug connector 30 that is firmly connected to the housing of the PV module. The DC line harness 13 is routed over all the shutdown devices 12, whereby they are connected in series. All substrings 10 are also connected in series via the closed switches 18 of the respective shutdown devices 12. When a shutdown device 12 receives a shutdown signal, as discussed 1 described, the relevant substring 10 is enabled by means of the switch 18 and no longer contributes to the generator voltage. It goes without saying that the exemplary embodiment shown is not limited to a PV system with two substrings 10. The configuration shown can also represent a section of a PV system with even further substrings 10, which are connected in the same way to the DC line strand 13 shown as an open end, which is subsequently connected to an inverter via a positive DC+ connection point and a negative one DC connection point is connected. For PV systems with a generator voltage of up to 600 V, as is common in small-scale generation systems, for example on private house roofs, no additional safety measures are required for the other lines leading to the outside. For larger PV systems up to 1000 V, additional safety measures would be necessary for the cables leading to the outside, for example through shielded cable ducts.

2b zeigt zudem eine vorteilhafte Verdrahtung der einzelnen PV-Module innerhalb der Teilstrings 10 und mit der Abschaltvorrichtung 12, welche eine minimale Anzahl an Steckverbindern und zusätzlich zu den in den PV-Modulen integrierten Anschlusskabeln kein weiteren Verlängerungs- / Verbindungskabel verwendet. Ein Teilstring 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Reihenschaltung eines ersten PV-Moduls 10a, eines zweiten PV-Moduls 10b und eines dritten PV-Moduls 10c gebildet. Diese sind räumlich aufeinander folgend angeordnet, wobei sich das erste PV-Modul 10a in kürzester räumlicher Entfernung zur Abschaltvorrichtung 12 befindet, während sich das dritte PV-Modul 10c in weitester Entfernung zur Abschaltvorrichtung 12 befindet und das zweite PV-Modul 10b zwischen dem ersten PV-Modul 10a und dem dritten PV-Modul 10c angeordnet ist. Bei der gezeigten Verdrahtung ist der positive Eingang 14 der Abschaltvorrichtung 12 mit dem Eingang des ersten PV-Moduls 10a, der Ausgang des ersten PV-Moduls 10a mit dem Eingang des dritten PV-Moduls 10c, der Ausgang des dritten PV-Moduls 10c mit dem Eingang des zweiten PV-Moduls 10b und der Ausgang des zweiten PV-Moduls 10b mit dem negativen Eingang 15 der Abschaltvorrichtung 12 verbunden. Dadurch wird der Material-, Installations-, und Kostenaufwand weiter erheblich reduziert und es ergibt sich insbesondere im Vergleich zu MLPE-Lösungen eine reduzierte Anzahl an Verbindungen und somit eine einfachere und kostengünstigere Installation. Diese Art der Verdrahtung lässt sich auch auf Teilstrings mit mehr als drei Modulen erweitern. 2 B also shows an advantageous wiring of the individual PV modules within the substrings 10 and with the shutdown device 12, which uses a minimal number of plug connectors and no additional extension/connection cables in addition to the connection cables integrated in the PV modules. In the exemplary embodiment shown, a substring 10 is formed by the series connection of a first PV module 10a, a second PV module 10b and a third PV module 10c. These are arranged spatially one after the other, with the first PV module 10a located at the shortest spatial distance from the shutdown device 12, while the third PV module 10c is located at the furthest distance from the shutdown device 12 and the second PV module 10b between the first PV -Module 10a and the third PV module 10c is arranged. In the wiring shown, the positive input 14 of the shutdown device 12 is connected to the input of the first PV module 10a, the output of the first PV module 10a is connected to the input of the third PV module 10c, the output of the third PV module 10c is connected to the Input of the second PV module 10b and the output of the second PV module 10b are connected to the negative input 15 of the shutdown device 12. This further significantly reduces the material, installation and cost expenditure and results in a reduced number of connections, particularly in comparison to MLPE solutions, and thus a simpler and more cost-effective installation. This type of wiring can also be extended to substrings with more than three modules.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: TeilstringSubstring
10a-f10a-f: PhotovoltaikmodulPhotovoltaic module
1212: AbschaltvorrichtungShutdown device
1313: DC-LeitungsstrangDC cable harness
1414: Positiver EingangPositive input
1515: Negativer EingangNegative input
1616: Positiver AusgangPositive outcome
1717: Negativer AusgangNegative output
1818: SchalterSwitch
2020: SteuereinrichtungControl device
2222: BypassdiodeBypass diode
2323: SteuerleitungControl line
2424: Signalgeber/SignalauskopplungSignal transmitter/signal extraction
2525: SchaltnetzteilSwitching power supply
2626: VersorgungsverbindungSupply connection
2828: Abschalter auf ModulebeneModule level shutdown switch
3030: SteckverbindungPlug connection
µ0µ0: MikrocontrollerMicrocontroller
DC+DC+: Positive AnschlussstellePositive connection point
DC-DC: Negative AnschlussstelleNegative connection point

Claims

Photovoltaic system with a safety shutdown comprising a plurality of substrings (10), which are formed from a plurality of photovoltaic modules (10a, 10b, 10c) connected in series and a plurality of shutdown devices (12), the shutdown devices (12) comprising a power semiconductor switch (18 ), a switch driver, a switching power supply (25) and a microcontroller (µC), the photovoltaic system bundling the current via a DC cable harness (13) and enabling an electrical connection to an inverter, the plurality of shutdown devices (12) being connected via the DC line strand (13) are connected in series with one another, the substrings (10) each being connected to the DC line strand (13) via an input (14, 15) of one of the shutdown devices (12), the maximum voltage (U _max ) of a substring (10) is smaller than a predetermined danger limit, the switch-off device (12) being set up to separate a substring (10) from the DC line harness (13) by means of the power semiconductor switch (18) after receiving a switch-off signal.

Photovoltaic system Claim 1 , characterized in that the maximum voltage (U _max ) is less than 165 V.

Photovoltaic system Claim 1 , characterized in that the photovoltaic system comprises at least three substrings (10).

Photovoltaic system Claim 1 until 3 , characterized in that a substring (10) consists of three photovoltaic modules (10a, 10b, 10c) connected in series.

Photovoltaic system according to one of the preceding claims, characterized in that the switch-off device (12) has a positive input (14) and a negative input (15) on the input side, to which the substring (10) made of series-connected PV modules (10a , 10b, 10c) is connected and has a positive output (16) and a negative output (17) on the output side, which are connected to the DC line harness (13), with the positive input (14) and positive in the connection Output (16) of the power semiconductor switch (18) is arranged, which is designed to separate the connection between input and output.

Photovoltaic system Claim 5 , characterized in that a bypass diode (22) is arranged between the positive output (16) and the negative output (17).

Photovoltaic system Claim 5 or 6 , characterized in that a switching power supply (25) for generating an operating voltage for the microcontroller (µC) and the driver of the power semiconductor switch (18) is arranged between the positive input (14) and the negative input (15).

Photovoltaic system according to one of the preceding claims, characterized in that the switch-off signal is provided by means of PLC communication and the switch-off device (12) has a signal generator (24) for decoupling the switch-off signal and a line (23) for transmitting the switch-off signal to the microcontroller (µC ).

Photovoltaic system according to one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductor switch (18) is a MOSFET switch.

Photovoltaic system Claim 9 , characterized in that the switch (18) has a current carrying capacity of at least 20 A.

Arrangement of a shutdown device (12) and a substring (10) consisting of a series connection of a first PV module (10a), a second PV module (10b) and a third PV module (10c), the first PV module (10a) is at the shortest spatial distance from the shutdown device (12), while the third PV module (10c) is at the furthest distance from the shutdown device (12) and the second PV module 10b is between the first PV module 10a and the third PV module 10c is arranged, a positive input (14) of the shutdown device (12) being connected to the input of the first PV module (10a), which is off Gang of the first PV module (10a) with the input of the third PV module (10c), the output of the third PV module (10c) with the input of the second PV module (10b) and the output of the second PV module (10b) are connected to the negative input (15) of the shutdown device (12).

Photovoltaic system according to one of the Claims 4 until 10 , wherein the shutdown devices (12) and the associated substrings (10) according to Claim 11 are arranged and connected.

Energy generation system comprising a photovoltaic system according to one of Claims 1 until 10 or 12 and an inverter, the inverter being connected on its DC voltage side to the photovoltaic system via connection points (DC+, DC-) via the DC cable harness (13) and being connected on its AC voltage side to a network for feeding electrical power into the network.