WO2018046653A1 - Photovoltaik-anlage, gleichstrom-hybrid-schalteinrichtung, verwendung und verfahren zum an- und abschalten eines photovoltaik-strangs - Google Patents

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Andreas Stefan ENDE
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Definitions

  • Photovoltaic system DC hybrid switching device, use and method for turning on and off a photovoltaic string
  • the invention relates to a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string, an electronically controlled DC hybrid switching device for user-controlled switching on and off of at least one photovoltaic string, the use of a hybrid switch for switching a photovoltaic Strand, as well as a method for switching off and on again at least one
  • a photovoltaic system typically includes a plurality of photovoltaic modules connected in series, sometimes called “strings", in series to achieve a nominal photovoltaic generator DC voltage of typically currently up to 1000 volts or even 1500 volts. Furthermore, depending on the number of interconnected photovoltaic modules and their individual voltage, in turn, if necessary, several of the photovoltaic strings are connected in parallel, each of which photovoltaic string can produce a nominal current of 10 A. If several strings are connected in parallel, this will also referred to as multistrang or Multistringverscnies.
  • Photovoltaic modules can be switched off individually (see WO2013 / 026539 A1 and the product SCK-RSD-100 of the Applicant). Furthermore, starting boxes were developed with which such "intelligent" photovoltaic modules can be reactivated (cf.
  • Generator junction box on a DC main circuit breaker can be hereby, for. in the case of damage caused by fire, water, hail etc. on the solar panels or on the connection lines, do not disconnect the area in front of the generator junction box. Furthermore, such
  • DC main breaker in the generator junction box typically manually operated, so that a higher-level remote control is typically not possible.
  • hand-operated DC main circuit breaker are large in size and costly.
  • motorized emergency switch known, but these are also space and
  • Alternating voltage frequency would typically extinguish an arc at the latest after 10 ms by itself.
  • Bridging device for bridging the switching device in an operating phase having.
  • this device is only for AC voltage or
  • the present invention is based inter alia on the finding that with the switching device disclosed here photovoltaic generators in the DC part (DC part), partially or completely, safely and loss of power on and off or electrically disconnected and can be reconnected.
  • the object of the present invention has been made to provide a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string, wherein the switching device in the typical in photovoltaic systems
  • DC strand voltages and DC strand currents is inexpensive, reliable and durable, and has a low power loss and can be accommodated in a small space.
  • Another aspect of the object of the invention is to provide a photovoltaic system with a switching device for switching on and off of at least one photovoltaic string that meets high safety requirements, is easy to maintain and repair and is comfortable for the user to use.
  • a further aspect of the object of the invention is to provide a method for switching on and off at least one photovoltaic string of a photovoltaic system, which has high safety and flexibility, e.g. offers maintenance and is comfortable for the user to use.
  • Another aspect of the object of the invention is to provide an electronically controlled DC hybrid switching device for performing switching operations in the DC part of a photovoltaic system, which is typical in photovoltaic systems
  • Strangbond and strand currents is cost-effective, reliable and durable, and at the same time has a low power loss and can be accommodated in a small space, and with which any existing photovoltaic systems can be retrofitted.
  • the invention relates to a photovoltaic system with at least one strand or
  • Photovoltaic string which is formed by a plurality of photovoltaic modules, which are connected in series by means of a strand line to the desired To produce strand voltage and photovoltaically generated electrical power with the desired strand voltage and a desired string current to a pantograph, eg an inverter (sometimes referred to as a solar inverter) to deliver.
  • a pantograph eg an inverter (sometimes referred to as a solar inverter) to deliver.
  • photovoltaic system can also without inverter, e.g. to a loading unit as
  • the photovoltaic system includes a switching device, which serially in the
  • Strand line is built in to the at least one photovoltaic string with the
  • the switching device comprises a hybrid switch with a, in particular electromechanical, relay and a parallel connected to the relay
  • Semiconductor switching device which in particular at least one, preferably two
  • the relay Semiconductor switching device, the photovoltaic strand initially alone on, the relay is open and initially also remains open. After a certain time delay, the relay is then additionally closed in the case of previously closed semiconductor switching device, so that the semiconductor switching device is relieved of the current flow by the later-closed relay connected in parallel.
  • the relay only needs to switch a low voltage and the semiconductor switching device needs the string current at best for a short time and not to wear permanently.
  • cheap standard semiconductor switch and standard relay can be used and the power loss in continuous operation can still be kept low.
  • the shutdown takes place in reverse order; first the relay is opened when the semiconductor switching device is still closed and after a certain time delay is at previously already open relay the
  • Semiconductor switching device opened In other words, after opening the relay, the at least one photovoltaic string is switched off by additionally opening the semiconductor switching device.
  • the switching device is installed in the DC part of the photovoltaic generator, preferably in front of the central collection point and switches on here the at least one photovoltaic string on and off.
  • the invention is not limited to just one
  • Switching device switches exactly one photovoltaic string. It is also within the scope of the invention that a plurality of parallel-connected photovoltaic strings are connected in common by the same switching device and also that the photovoltaic generator has only one photovoltaic string. Generally, therefore, a part of or the entire
  • Photovoltaic generator switched by the switching device.
  • it is in particular not a circuit at the module level at a low module voltage, but a circuit of a plurality of photovoltaic string connected in series photovoltaic modules, which requires the high switching voltage. Accordingly, the
  • Switching means between the plurality of serially connected photovoltaic modules and the current collector e.g. the inverter or between the plurality of serially connected photovoltaic modules and a generator junction box.
  • the switching device is electronic and thus externally triggerable. Therefore, the switching device, or in the presence of multiple switching devices, the switching devices can be triggered remotely by the user, which is advantageous over a conventional hand-operated DC disconnector in the generator junction box.
  • the switching device is advantageously, despite the typical in photovoltaic systems DC strand voltages and DC line currents cost, reliable and durable, and has a low power dissipation. It can be accommodated in particular in a small space.
  • a photovoltaic system which makes it possible, at least one photovoltaic string user-controlled and possibly electronically Triggered on and off, which is comfortable and high security standards
  • the switching device is preferably used in the strand cabling.
  • the switching device is accommodated by a photovoltaic module-overlapping strand box, preferably with a (plastic) housing, and this strand box is inserted into the strand cabling between the series connection of the photovoltaic modules and the current collector.
  • the strand box may have at the input and / or output connector for releasable insertion into the strand line and for retrofitting.
  • the switching device may be placed in a strand box, e.g. in a starting box according to the
  • the user can e.g. switch off the associated photovoltaic string on an external switch on the photovoltaic module cross-strand box or the user sends from a central control of the multi-strand photovoltaic system selectively to one, single, multiple or all strand boxes a shutdown trigger signal, wherein in response then switch off the associated switching device or the associated switching devices or the associated photovoltaic strings or switch off.
  • the user can thus advantageously locally locally on the associated photovoltaic strand and / or central plant side, but especially photovoltaic module cross-over, turn off the desired or the desired photovoltaic strings or separate their current-carrying connection to the central collection point or inverter ,
  • the switching device preferably switches either the Pluspolleiter or Minuspolleiter and thus separates the electrical circuit of the at least one photovoltaic string. Nevertheless, it may be advantageous to insert the strand box into both conductors (positive pole and negative pole) of the string line, in front of and behind the first or last photovoltaic module, into the at least one photovoltaic string.
  • the relay and the semiconductor switching device are connected in parallel to each other and the parallel circuit of relay and semiconductor switching device is connected in series in the photovoltaic string.
  • the relay and the semiconductor switching device are therefore connected in series and parallel to each other in the photovoltaic string.
  • the photovoltaic system comprises a photovoltaic generator with one or more parallel photovoltaic strings. If several photovoltaic strings are connected in parallel, the switching device can either selectively switch on or off a photovoltaic string or possibly also several or all photovoltaic strings, depending on which nominal currents supply the photovoltaic strings and for which current
  • the switching device may be located upstream or downstream of the central collection point.
  • the central collection point forms a parallel switching point of several photovoltaic strings.
  • each photovoltaic string can be individually switched on and off.
  • a multi-strand photovoltaic system so two or more photovoltaic strings are connected in parallel and the photovoltaic strings are each formed by serially connected photovoltaic modules.
  • the at least one photovoltaic string is disconnected from the current collector, e.g. the inverter separated by the hybrid switch opens, thereby breaking the flow of current from the at least one photovoltaic string to the pantograph and the at least one photovoltaic string is
  • the hybrid switch closes and electrically connects the at least one photovoltaic string with the current collector, so that the flow of current from the at least one photovoltaic string is made possible in the current collector.
  • the switching device defines a closed state and an opened state and, in the closed state, conducts photovoltaically generated current from the at least one photovoltaic string to a current collector and interrupts in the opened state the transmission of photovoltaically generated current from the at least one photovoltaic strand.
  • a control device is embodied, which is designed to actuate the switching device or the device in response to a user input
  • Hybrid switch user-controlled to open and / or close.
  • the user for example, in case of malfunctions or maintenance, the targeted at least one photovoltaic string at any time on and off.
  • the control device is designed to be an external one
  • the switching device is therefore in particular an actively switchable and / or electronically controlled switching device.
  • a multi-strand photovoltaic system at least one of the parallel photovoltaic strings, preferably all of the parallel photovoltaic strings in their respective associated line, in particular between the photovoltaic modules of this particular photovoltaic string and the central collection point on a switching device according to the invention, by which the current-carrying connection between this associated photovoltaic strand and the central collection point user-controlled, so selectively separable on request of the user to the at least one photovoltaic string, or any desired photovoltaic string, selectively and individually off the parallel circuit ,
  • the switching device according to the invention also for
  • Single-strand shutdown can be used in a multi-strand photovoltaic system. That It may be a single or multiple individual photovoltaic strands can be selectively switched off and the other photovoltaic strings of the parallel circuit remain in operation and can continue to feed photovoltaically generated electricity through the central collection point, in particular in the inverter. In this case, the user can thus, e.g. to
  • repair or locally limited malfunction selectively turn off one or more of the photovoltaic strands individually or separate the current-carrying connection of the user or the desired photovoltaic strands to the central collection point, so that they no longer feed electricity through the central collection point. Accordingly, it is possible to switch off entire photovoltaic strings (and not just individual photovoltaic modules) or the current-carrying connection of one or more entire ones
  • Photovoltaic strands are separated to the central collection point.
  • the at least one semiconductor switch or transistor is in particular a field-effect transistor, preferably a MOSFET.
  • Hybrid switch is designed to interrupt the current flow in the open state not only in one direction, but in both directions. This can not be just one Safety shutdown eg in case of faults or maintenance, so an interruption of the flow of photovoltaic generated by the associated photovoltaic string current can be achieved. It can also currents in the opposite direction, so transverse or return currents, for example, from other parallel-connected photovoltaic strings, are interrupted in the associated Photovoltaik-. This is particularly advantageous in multi-strand photovoltaic systems, but optional for the presently claimed invention.
  • the hybrid switch a back-to-back circuit of two semiconductor switches or transistors, in particular a back-to-back circuit of two field effect transistors, preferably from two MOSFETs comprises, or the semiconductor switching device of a such back-to-back circuit exists.
  • the hybrid switch is a parallel circuit of the relay and a back-to-back circuit of two semiconductor switches, in particular a parallel circuit of a relay and a back-to-back circuit of two field effect transistors, preferably MOSFETs.
  • This parallel circuit is connected serially in the string line.
  • the switching device may additionally comprise a reverse current protection circuit.
  • the switching device may comprise a sensor connected to the control device for measuring an electrical characteristic on the associated photovoltaic string, wherein the control device is adapted to connect the associated photovoltaic string to the central collection point in response to the electrical characteristic measured with the sensor to automatically break even in the reverse current direction.
  • the switching device is preferably combined with the reverse current protection function according to DE 10 2016 117 049.
  • the switching device is preferably designed to close the semiconductor switching device, in particular the field effect transistor (s), preferably MOSFETs, when the associated photovoltaic string or electrical connection is connected to the current collector, and to close the relay after a time delay thereafter shut down.
  • the semiconductor switching device in particular the field effect transistor (s), preferably MOSFETs, when the associated photovoltaic string or electrical connection is connected to the current collector, and to close the relay after a time delay thereafter shut down.
  • the switching device is preferably further formed when switching off the associated photovoltaic string, or separating the associated photovoltaic string of the Current collector, first to open the relay and only after a time delay thereafter the semiconductor switching device, in particular the one or more field effect transistors, preferably to open MOSFETs.
  • the switching device may be configured to perform a test routine before (re) switching on the at least one photovoltaic string, to test at least one electrical parameter of the associated photovoltaic string in the test routine, and to maintain a predefined threshold value for the at least one electrical parameter to turn on the at least one photovoltaic string, if a user release is present.
  • the switching device can also be designed to measure the photovoltaically generated current flow through the associated string line and to close the relay only when the photovoltaic current I flowing through the string exceeds a predefined threshold Ijmin, or after a time delay after the by the strand line flowing photovoltaically generated current I has exceeded a predefined threshold Ijmin.
  • the switching device may further comprise a control device and one with the
  • Control device connected sensor device for measuring at least one electrical characteristic included in the associated photovoltaic string.
  • the control device may be configured to electrically connect the associated photovoltaic line to the current collector in response to the at least one electrical characteristic measured by the sensor device, if a user enable is present, wherein the sensor device comprises in particular an input voltage sensor which detects the input voltage U1 at the input side Switching device measures and / or comprises an output voltage sensor, which the Measuring point-side output voltage U2 at the switching device measures.
  • Control device may be designed to control the switching operations of the relay and / or the semiconductor switch in response to the measured line-side input voltage U1 and / or to the measured collector-side output voltage U2.
  • a plurality of switching operations may first be performed by the semiconductor switching device, e.g. the back-to-back MOSFET circuit is performed, e.g. until certain operating parameters are reached before the relay is closed.
  • the relay when switched on, the relay remains open until certain operating parameters have been reached, even if several switching operations are performed with the semiconductor switching device during this time.
  • the number of switching operations of the relay can be kept low.
  • the relay then relieves the semiconductor switching device. Nevertheless, with the hybrid switch fully open, i. when both the semiconductor switches and the relay are open, bidirectional isolation of the electrical connection is achieved, i. the current flow in both directions are interrupted when a back-to-back circuit is used.
  • the time delay when switching on and / or when switching off is preferably less than or equal to 2000 ms, preferably less than or equal to 700 ms, preferably less than or equal to 300 ms. At least the semiconductor switching device should not be closed longer than for this maximum delay time and not relieved by the relay, so closed the semiconductor switching device and the relay be open when the full (rated) strand current, or if a strand current of greater than or equal to 5 A, greater than or equal to 8 A, greater than or equal to 10 A, or 12.5 A +/- 40% by the
  • the maximum delay time can be calculated from the time at which, at least theoretically, the rated current could flow if the irradiation is correspondingly large.
  • the hybrid switch is controlled so that a state in which the semiconductor switching device is closed, the relay can be opened, and at the same time the rated current can flow, i. the rated current through the non-relieved
  • the delay time is between 50 ms and 2000 ms, preferably between 100 ms and 1000 ms, preferably between 150 ms and 500 ms, preferably between 200 ms and 300 ms, at least if a strand current flows in the photovoltaic string or at least can flow, which corresponds to the rated current substantially.
  • the semiconductor switching device can at least for a correspondingly short delay time to pass through the full strand performance even without relief by the relay alone, even if it is installed without special cooling measures in a strand box.
  • the time delay of the switching operation of the semiconductor switching device can therefore be related to the previous switching operation of the relay or vice versa or to the achievement of certain threshold values for the electrical characteristics, eg for the
  • Input voltage U1 for the output voltage U2 and / or for the phase current I.
  • the part of the photovoltaic generator which is switched by the switching device that is to say in particular the associated photovoltaic line, preferably has one
  • the hybrid switch as a whole is therefore for a DC switching voltage of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably 1250 V +/- 30% and / or for a DC forward current of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably designed from 12.5 A +/- 40%.
  • the hybrid switch as a whole is designed for a DC switching voltage of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably of 1250 V +/- 30%.
  • the semiconductor switching device or are the or
  • Field-effect transistors preferably MOSFETs, preferably for a drain-source voltage (VDS) of greater than or equal to 300 V, preferably greater than or equal to 600 V, preferably greater than or equal to 800 V, preferably formed of 1250 V +/- 30%.
  • VDS drain-source voltage
  • the semiconductor switching device or the field effect transistor are preferably for a drain current (ID) of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably 12.5 A. +/- 40% trained.
  • ID drain current
  • Field-effect transistors preferably MOSFETs, can be used, which have a turn-on resistance (Resistance-Drain-Source-On, RDS-on) of greater than or equal to 100 mOhm, preferably greater than or equal to 300 mOhm, preferably greater than or equal to 500 mOhm, preferably 690 mOhm +/- 40%.
  • RDS-on turn-on resistance
  • the one or more semiconductor switches, field-effect transistors, or MOSFETs can, based on a rated current of 8.5 A or 10 A of the at least one photovoltaic string, even a calculated power loss of greater than or equal to 2 W, greater than or equal to 5 W, greater than or equal to 10 W, in particular greater than or equal to 40 W, when the one or more semiconductor switches, field effect transistors or MOSFETs are closed and the relay is open (intermediate switching state).
  • the hybrid switch generates with respect to a rated current of
  • 8.5 A or 10 A of the at least one photovoltaic string nevertheless only a calculated power loss of preferably less than or equal to 10 W, preferably of less than or equal to 5 W, preferably less than or equal to 2 W, preferably less than or equal to 1 W, if the Semiconductor switching device and the relay are closed (continuous mode).
  • the hybrid switch in production mode, has a power dissipation of less than or equal to 1 W, for example 1000 volts and 10 amps (typ., Plus 25% reserve) per photovoltaic string when the semiconductor switching device and the relay are closed.
  • the relay is preferably designed for a DC transmission current of greater than or equal to 5 A, preferably greater than or equal to 8 A, preferably greater than or equal to 10 A, preferably 12.5 A +/- 40%. On the other hand, it is preferably sufficient if the relay is designed for a DC switching current of less than or equal to 8 A, in particular less than or equal to 6 A, in particular less than or equal to 4 A, in particular 2 A +/- 50%.
  • the relay has a maximum AC switching voltage of less than or equal to 800 V, in particular less than or equal to 500 V, in particular of 400 V +/- 50%.
  • the Heidelbergtung be configured to before the
  • the semiconductor switches can first be closed as a test and electrical parameters, such as input voltage, output voltage and / or the strand current can be measured while the relay is still open. This process can be repeated several times before the relay is also closed, whereby the relay can be spared.
  • the switching device thus comprises a current sensor, which measures the photovoltaically generated current flow through the associated string line.
  • Switching device preferably closes the relay only when the photovoltaic current flowing through the string line exceeds a predefined threshold. This can ensure that the associated photovoltaic string is only taken into permanent production mode when it is fully operational.
  • Production operation of the photovoltaic string of photovoltaic power in the part of the photovoltaic string in which the full nominal voltage of the plurality of photovoltaic modules or the entire photovoltaic string is applied preferably exclusively, by metallic conductors, e.g. Metal cables, metal connectors and the relay and at least not permanently by semiconductor devices.
  • metallic conductors e.g. Metal cables, metal connectors and the relay and at least not permanently by semiconductor devices.
  • a multi-strand photovoltaic system preferably has each parallel
  • Photovoltaic strand in front of the central collection point on such a switching device.
  • the switching devices are photovoltaic module-comprehensive, ie are each responsible for the entire photovoltaic string with several series-connected photovoltaic modules.
  • the switching devices have input side (ie photovoltaic strand or photovoltaic module-side) a positive terminal and a negative terminal for connecting the positive pole or negative terminal of the string line and the output side (ie collection point side) a positive terminal and a negative terminal for connecting the positive pole or
  • Minuspols a continuation of the string line to the central collection point of
  • Photovoltaic strings or up to the DC input of the inverter Accordingly, in particular the entire phase voltage is applied to the switching device and / or the entire phase current flows through the switching device
  • the present invention develops particular advantages in combination with the backflow protection according to DE 10 2016 117 049. If the switching device also acts as a backflow protection device in a multi-line photovoltaic system, this additionally prevents a cross-flow from becoming so great in that the direction of current flow in the associated photovoltaic string is reversed, ie a negative current flows back into the associated photovoltaic string. This can be achieved in particular with the back-to-back circuit comprising two semiconductor switches, in particular the back-to-back circuit.
  • Circuit of two field effect transistors e.g. MOSFETs can be achieved.
  • unwanted return currents can be prevented, which could otherwise arise if the associated photovoltaic string should be low-impedance than the inverter or corresponding current collector downstream of the central Sammelpddling. This can have a positive influence on the lifetime of the associated photovoltaic modules.
  • the reverse current protection function can also increase the safety of the system, in particular when switching off individual photovoltaic strings or the photovoltaic system, e.g. due to inadequate irradiation,
  • Backflow protection function prevents a shutdown of the associated photovoltaic string is prevented due to a return current.
  • the switching device is installed in an electrically insulating housing, which has a positive pole connection for the positive pole of the string line and a negative terminal for the negative pole of the string line of the associated photovoltaic string at the string-side input. Further preferably, the switching device on
  • the connections to the housing are preferably designed as photovoltaic connectors, eg according to the Applicant's / SUNCLIX® system.
  • the housing with the switching device which can be inserted with the connectors in the two lines of the string line of the associated photovoltaic module, can therefore form a separately pluggable unit in the form of a strand box, which also as a retrofit solution in existing strand lines between the photovoltaic modules each of a photovoltaic string and the central collection point or the common inverter can be inserted to retrofit an existing multi-strand photovoltaic system.
  • the switching device includes a sensor connected to the control device for measuring an electrical characteristic at the associated
  • the control device can switch the switching device, but possibly only if there is a user release.
  • the control device prevents the closing of the switching device and / or at least the relay, e.g. If the measured electrical characteristic is outside a decisive for the restarting safety condition for the first electrical characteristic.
  • the sensor is preferably a current sensor or a voltage sensor which measures at least one of the following electrical parameters:
  • a negative current flow means that the current in the photovoltaic string is counter to the direction of flow of the photovoltaic current generated during operation by the
  • the current sensor is in particular designed to be able to measure a negative current flow.
  • the hybrid switch may be in response to one or more of these with the or
  • the switching device contains so preferably a current sensor, which may optionally also measure negative currents and / or an input voltage sensor and / or an output voltage sensor.
  • the senor is a
  • the switching means may connect the associated photovoltaic string to the central collection point, i. to interrupt the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter, at least if the current in the associated photovoltaic string is negative and / or exceeds a predefined threshold value for the amount of negative current.
  • a negative current is not a necessary condition for disconnection.
  • the switching device can already perform the interruption even if the current is still positive, but below a predefined safety threshold. This can e.g. then happen when the
  • Photovoltaic modules of the associated photovoltaic string are significantly more shaded than the photovoltaic modules of the other photovoltaic strands.
  • the cross-currents may not yet provide for a negative total current flow in the associated photovoltaic string, but reduce that of the associated ones
  • Interrupt inverter This may be useful, in particular, if the current measured by the switching device is still positive, but considerably below that
  • Maximum current of the photovoltaic string e.g. less than 10% of the maximum current of the
  • the control device is preferably designed to switch the switching device automatically or to interrupt the connection of the associated photovoltaic line to the parallel circuit and to the inverter if the condition occurs that the phase current I becomes smaller than a predefined threshold value I0.
  • the predefined threshold I0 can be between positive and significantly smaller than the maximum current of the associated photovoltaic string and a negative safety value for the current flow to be selected.
  • the switching condition may be defined as l ⁇ IO, where 10 is selected from an interval [11, 12], where 11 is a negative confidence value at which the associated photovoltaic string could be damaged and 12 is a positive value, below its one
  • the switching device also electrically connects the associated photovoltaic string to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the common inverter if the operating and safety parameters permit this and the user enable, e.g. in the form of a trigger signal, e.g. is present through a closed switch.
  • the control device is connected to a sensor device for measuring at least one electrical parameter.
  • the switching device switches on
  • Photovoltaic strand the connection to the central collection point is interrupted, again to the central collection point with the other parallel photovoltaic strings and thus to the DC input of the inverter electrically, if the user release is present.
  • Input voltage compared to the output voltage and the controller controls in response to the comparison of the measured line-side input voltage and the measured pantograph-side output voltage, the switching device, in particular in that the associated photovoltaic string whose connection to the
  • Pantograph is disconnected, back to the pantograph when the user release is present. By comparing the voltage can be ensured that after the electrical restart of the associated photovoltaic string, the desired operating and
  • a certain tolerance can be present, in particular, the effect can be exploited that the input voltage of the associated Photovoltaic string, whose connection is interrupted to the central collection point, the open circuit voltage, whereas the output voltage, which represents the voltage generated by the other parallel photovoltaic modules, already represents a load voltage, which is typically about 20% lower than the open circuit voltage because the inverter is already working.
  • the controller may return the associated photovoltaic string whose connection to the central collection point is interrupted to the central collection point with the other parallel photovoltaic cells. Strings and thus to the DC input of the inverter turn on when the user release is present. In addition to the voltage comparison can still be checked whether the voltage of the associated photovoltaic string a
  • predefined threshold Ujmin e.g. to ensure that the associated photovoltaic string can generate sufficient power at this time.
  • the switching device connects in the closed state the associated
  • Photovoltaic strand electrically to the pantograph and interrupts in the open state, the current-carrying connection of the associated photovoltaic string to the pantograph within the string line bidirectional.
  • the semiconductor switches used and / or the relay are designed as normally open (Normally Off or Normally Open, NO). While this may seem disadvantageous at first glance, electrical power is required to hold the on-state. However, this is accepted in order to achieve the associated safety, namely that the connection of the associated photovoltaic string in the normal state of
  • Switching device is interrupted to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter.
  • Photovoltaic systems in which the series-connected photovoltaic modules in at least one of the photovoltaic strands, preferably in all photovoltaic strands, respectively
  • Protective circuits by means of which the photovoltaic modules can be switched off individually from the associated photovoltaic string, and wherein the protective circuits of the individual photovoltaic modules short-circuits the output of the respective photovoltaic module at the connection points for the strand line to a low-resistance bypass for the to produce respective photovoltaic module.
  • Such protection circuits for the photovoltaic modules are more fully described in WO2013 / 026539A1, to which reference is hereby made and which is hereby incorporated by reference.
  • the presently disclosed invention is particularly advantageous to use in photovoltaic systems in which the associated photovoltaic string has a start circuit, which is designed to re-activate such or other protection circuits of the individual photovoltaic modules of the associated photovoltaic string.
  • start circuits for the photovoltaic strings are described in more detail in WO2014 / 122325 A1, to which reference is hereby made and which is hereby incorporated by reference.
  • Photovoltaic strand and the switching device for the associated photovoltaic string are housed in a common housing, so that a strand box with combined on and off function for the associated photovoltaic string arises.
  • the strand box is provided with plus and minus pole terminals at the input and plus and minus pole terminals at the output of the strand box between the series of photovoltaic modules of the associated
  • Switching device is so low in production mode when the relay is closed that the thermal load is acceptable.
  • each photovoltaic string is equipped with the described photovoltaic module cross-over switching device or strand box.
  • the invention further relates to an electronically controlled DC separation switching device for the DC part of a photovoltaic system for separating at least one photovoltaic string from a current collector, e.g. an inverter, wherein the DC separation switching device comprises a hybrid switch of one, in particular
  • Semiconductor switching device comprises.
  • the invention further relates to the use of such a switching device for the DC part of a photovoltaic system.
  • the invention further relates to a method for user-controlled switching off and restarting of at least one photovoltaic string of a photovoltaic system, comprising the following steps:
  • Photovoltaic string by an electrical or electronic trigger signal to disconnect the at least one photovoltaic string from the current collector
  • Embodiments can be combined with each other.
  • FIG. 1 is a block diagram of a photovoltaic system with parallel photovoltaic strings
  • FIG. 2 is a block diagram of a protection circuit for a photovoltaic module
  • FIG. 3 is a block diagram of a strand box with the switching device
  • FIG. 5 is a circuit diagram for a switching power supply for controlling the MOSFET back-to-back
  • Fig. 6 is a flowchart for starting, checking and switching off the associated
  • the multi-strand photovoltaic system 1 includes a
  • a plurality of parallel-connected photovoltaic strings of which only two photovoltaic strings 10, 10 'are shown for the sake of simplicity.
  • Each photovoltaic string comprises a plurality of photovoltaic modules or photovoltaic panels 12, 12 ', each equipped with a protection circuit 14, 14', e.g. as described in WO 2013/026539 A1.
  • the protective circuits 14, 14 ' are each assigned to a photovoltaic module 12, 12' and the respective stranded line 16, 16 'leads through the photovoltaic string 10, 10' associated protection circuit 14, 14 'by two poles.
  • each protection circuit 14, 14 ' includes one
  • Short-circuit switch S3 for strand-side shorting of the associated photovoltaic module 12, 12 'and a serial disconnect switch S4, with which the associated photovoltaic module 12, 12' from the photovoltaic string 10, 10 'can be separated.
  • a photovoltaic module 12, 12 ' When shading or failure of a photovoltaic module 12, 12 'closes the short-circuit switch S3 and the serial
  • Disconnector S4 opens, so that the respective photovoltaic module 12, 12 'is separated from the photovoltaic strand, idles and the photovoltaic string 10, 10' still remains closed, so that further the photovoltaic generated current of the other photovoltaic modules of this photovoltaic -Strangs 10, 10 'by the closed in this protective state
  • a strand box 20, 20 ' is inserted in each photovoltaic string 10, 10' which may be formed as starter boxes in accordance with WO 2014/122325 A1 and through which both strand lines 16, 16 'pass ,
  • Inverter 26 the AC power is provided for feeding into a utility grid.
  • the strand boxes 20, 20 ' are powered in this example by an external 24 volt power supply 32 ( Figure 2) to perform the desired switching operations.
  • the supply can also be done by a start-up photovoltaic module, which has no protection circuit 14, 14 'and thus automatically supplied with light incidence the respective photovoltaic string 10, 10' and thus the associated strand box 20, 20 'with electrical power ,
  • WO 2014/122325 A1 which is hereby incorporated by reference into the subject of the present disclosure.
  • a strand box 20 of one of the photovoltaic strings 10 is shown in greater detail. All other parallel-connected photovoltaic strings 10, 10 ', etc., if present, are preferably of the same design. However, the present invention can also be used in a single-strand photovoltaic system 1, ie with a DC generator 2, which consists of only one photovoltaic string 10.
  • the positive pole 16a and the negative pole 16b of the strand line 16 are connected to a
  • To a plus pole output 36a and a negative pole output 36b are corresponding continuations 17 of the strand line 16 to the positive pole 24a and to the negative pole 24b of the DC input 24 of the inverter 26, which forms the current collector for the photovoltaically generated current in this example connected.
  • the photovoltaically generated by the photovoltaic modules 12 of the photovoltaic string 10 current flows accordingly in production operation through the strand box 20 therethrough.
  • At the inputs and outputs 34a, 34b; 36a, 36b are the module-side and collection point-side sections 16, 17 of the strand line, preferably with connectors (not shown) connected.
  • the strand box 20 contains a switching device 38, which is integrated in the preferably waterproof plastic housing 21 of the strand box 20.
  • the switching device 38 comprises a hybrid switch S1, which is connected in series in the photovoltaic string 10, in this example in a branch of the strand line (in this example, the positive pole).
  • the serial hybrid switch S1 With the serial hybrid switch S1, the current-carrying connection of the associated photovoltaic string 10 can be user-controlled interrupted to the inverter 26 and the associated Photovoltaic strand 10 to be turned off.
  • a controller 42 in the form of a microcontroller controls the serial hybrid switch S1, which may also be referred to as a disconnect hybrid switch, and monitors a current sensor 44, a
  • Input voltage sensor 46 and an output voltage sensor 48 to electrical
  • the input voltage sensor 46 is connected in parallel with the input terminals 34a, 34b of the strand box 20 to measure the input voltage U1 which is the input voltage U1
  • the output voltage sensor 48 is connected in parallel with the output terminals 36a, 36b of the strand box 20 to measure the output voltage U2, which is the voltage applied to the inverter 26.
  • the output voltage U2 is the voltage that comes from the parallel connection of all other photovoltaic strings to the
  • Inverter 26 is created.
  • the current sensor 44 measures in the production mode
  • the current sensor 44 is also optionally configured to control current flow in the reverse direction, i. to measure a negative current (that is, reverse pole to the DC inputs 24a, 24b of the inverter) with respect to the normal current direction of the production of the photovoltaic string.
  • a negative current that is, reverse pole to the DC inputs 24a, 24b of the inverter
  • the switching device 38 is accordingly, if desired, designed to measure positive and / or negative current flow.
  • serial hybrid switch S1 In the basic position of the strand box 20 and the switching device 38, the serial hybrid switch S1 is open and is in its normal state (Normally Open). A major function of the serial hybrid switch S1 is to interrupt the live connection of the associated photovoltaic string 10 to the inverter 26.
  • Short-circuit switch S2 is used to trigger string-side short circuits in the associated photovoltaic string 10 and the photovoltaic modules 12 of the associated
  • Photovoltaic string 10 via an impressed starting current.
  • the line voltage U1 and the inverter voltage U2 are measured and compared to determine the corresponding one in response to the voltage comparison
  • Photovoltaic strand 10 to the inverter 26 electrically connect, if necessary, if there is a corresponding user release.
  • the serial hybrid switch S1 is closed in this example in response to a comparison of the line voltage U1 and the inverter voltage U2, i. the switching condition for the connection of the serial hybrid switch S1 in this example depends on a comparison of the string voltage U1 and the inverter voltage U2.
  • the serial hybrid switch S1 is in particular closed only when the
  • Phase voltage U1 of the associated photovoltaic string 10 is either greater than the inverter voltage U2 or only by a predetermined threshold UO (slightly) is smaller than the inverter voltage U2.
  • the predefined and stored in the microcontroller switching value U0 is therefore (significantly) smaller than the maximum possible voltage of the associated photovoltaic string 10. Only if such a switching condition, which depends on electrical characteristics of the associated photovoltaic string 10 and possibly the other photovoltaic strands is satisfied, the controller 42 controls the serial
  • Hybrid switch S1 such that the hybrid switch S1 is closed and thus the associated photovoltaic string 10 to the inverter 26 turns on.
  • a system start of the associated photovoltaic string 10 is possible even without the risk of the occurrence of undesirable reverse currents.
  • a current measurement with the current sensor 44 is performed permanently.
  • a permanent monitoring of the phase current is carried out, including the sign of the phase current, ie whether the phase current is negative. If the phase current should become negative, or a condition approaching that is reached, the microcontroller 42 controls the serial hybrid switch S1 to open and to open current connection of the photovoltaic string 10 to the central collection point 22a, 22b and to the inverter 26 interrupts.
  • the serial hybrid switches S1 of all switching devices 38 of all photovoltaic strings are also opened, preferably and if present, as soon as the inverter voltage U2 is below a predefined minimum voltage Ujmin, where Ujmin eg can be in the range of about 30 volts.
  • the hybrid switch S1 comprises a parallel connection of a back-to-back circuit 50 of two semiconductor switches, two in this example
  • the hybrid switch S1 as a whole is designed for the full nominal phase voltage and the full nominal phase current of the associated photovoltaic string 10, which
  • the MOS FETs 52 typically up to 1000 volts or even 1500 volts and eg 10 amps.
  • the MOS FETs 52 have a typical on-resistance, the so-called resistance-drain-source-on or RDS-on, in this example 690 mOhm.
  • RDS-on resistance-drain-source-on
  • a power loss in the range of a few watts can arise.
  • the relay 54 relieves the back-to-back circuit 50 from the two MOS FETs 52 in continuous operation. That is, the turn-on is first performed by the back-to-back circuit of the two MOS FETs 52 and when the associated photovoltaic string 10 is in production for a certain minimum time, the parallel relay 54 is closed to the MOS FETs 52 relieve.
  • RT.3T and RTS3L relays from TE Connectivity Ltd. (see www.te.com) with the following properties:
  • RTS3T Electronic Ballast UL508 / NEMA 410 rated
  • the photovoltaic string can be switched on and off safely and on a long-term basis.
  • the hybrid switch S1 the current-carrying connection between the associated photovoltaic string 10 or the part of the DC generator 2 connected thereto and the central collection point 22a, 22b or the inverter 26, in this example even bidirectionally, is disconnected, i. it is a possible current flow, in this example in both directions, interrupted.
  • Time delay when switching on and / or off in this embodiment is about 200 ms to 300 ms, which is short enough not to overload the MOSFET back-to-back circuit 50/52 without special cooling.
  • Fig. 4 shows the hybrid switch S1 with a drive circuit 60 for driving the
  • Relay 54 and a more detailed representation of the MOSFET back-to-back circuit 50/52.
  • the drive circuit 60 receives a standard signal (0/1) as a trigger signal from the controller 42.
  • a bipolar transistor 64 switches to ground 66 "GND”.
  • Parallel to the relay 54 is a freewheeling element, in this example, a freewheeling diode 68 is connected to the spark interruption.
  • the gate voltage of the semiconductor switching device 50 or FET back-to-back circuit is potential-free against source.
  • FIG. 5 shows a switching power supply 70 for driving the MOSFET back-to-back circuit 50/52.
  • Over drain 72 up to 10A flow.
  • a clock 74 provides a 50/50 clock at about 200kHz to the switching transistors 76. This portion of the drive, which has the
  • Trigger signal for the MOSFET back-to-back circuit 50/52 is generated, is galvanically isolated from the MOSFET back-to-back circuit 50/52.
  • the galvanic isolation is produced by means of a printed circuit board transformer 78.
  • the diodes V17, C35, C36 provide the rectification and smoothing of the chopped voltage of 19.4 V.
  • the drive for MOSFET back-to-back circuit 50/52 includes one
  • Optocoupler 82 which causes a galvanic isolation from the control device 42.
  • the drive signal is provided and the voltage of the power supply is turned on via the optocoupler 82 to the MOSFET back-to-back circuit 50/52.
  • Terminals gate 86 and source 88 are the powers connected to MOSFET back-to-back circuit 50/52.
  • the start and stop sequence of the switching device 38 is as follows, for example.
  • step 104 the hybrid switch S1 is open in step 104
  • the serial hybrid switch S1 remains open and the loop goes back to step 104.
  • the strand voltage U1 should be well above the predefined minimum value U_min1 - if no error is present - and the associated photovoltaic string 10 is not totally shaded.
  • step 111 it is checked in step 111 whether the strand current I is greater than a predefined threshold Ijmin, where Ijmin in this example is 500 mA (in the positive direction). If this test condition is not met, the microcontroller 42 controls the serial hybrid switch S1 in step 112a such that initially only the semiconductor switching device 50 or back-to-back circuit closes. If this test condition I> Ijmin is met, the microcontroller 42 controls in step 112b the serial hybrid switch S1, such that the back-to-back circuit 50 remains closed and now the relay 54 closes. In both cases 112a, 112b, the associated photovoltaic string 10 is connected to the central collection point 22a, 22b or the inverter 26 and the associated photovoltaic string 10 feeds electrical power here via the central one
  • this routine causes a time-delayed closing of the relay 54 in step 112b only after a delay after the closing of the semiconductor switch back-to-back.
  • Back circuit 50 in step 112a The time delay in the present example is about 200 ms to 300 ms, which is short enough not to overload the MOSFET back-to-back circuit 50, even though the full nominal phase current should flow.
  • the relay 54 takes over the current flow in this example only from I> 500 mA and only needs to switch a low voltage of typically 1 volt, so that a relatively small, inexpensive, and in particular not designed for switching 1000 V DC relay can be used, such as with the properties described above.
  • a test step 114 it is then checked permanently or regularly, a) whether a negative current is greater than or equal to a predefined one
  • step 114 If the query in step 114 shows that one of the three mentioned
  • MOSFETs 52 as well as the relay 54 are designed as Normally Open, so that the hybrid switch S1 as a whole automatically falls into the open state, unless the MOSFETs 52 and the relay 54 are switched off by the control device 42 in the closed state (loop 111). 116). Again, if necessary, the time delay is ensured.
  • the loop 111-116 thus represents the production operation of the associated photovoltaic string 10.
  • step 114 If the query is set to "yes" in step 114, the loop 111-116 is interrupted and the path of the check / control routine goes to step 104, in which the hybrid switch S1 opens, even if all the electrical characteristics are The user therefore has the option of triggering or triggering the switch-off of the associated photovoltaic string 10 in his own discretion at his / her own discretion, as well as ensuring the time delay if necessary.
  • step 118 If the error control in step 116 gives a positive result, i. if one of the two mentioned error conditions applies, in step 118 the
  • Hybrid switch S1 as opened in step 114 and additionally the reporting output toggled, which gives an error message to the user. Subsequently, the cycle is ended with step 120. This typically signals a fault.
  • the built in the strand box 20 hybrid switch S1 is able to separate the photovoltaic strand 10 and to prevent the flow of current. This also causes the protection circuits 14 (e.g., Phoenix Contact SCK-RSD-100) installed on the photovoltaic modules 12 in the present example to be turned off. In other words, in the present example, the protective circuits 14 installed on the photovoltaic modules 12 then automatically deactivate and switch off the individual photovoltaic modules 12, so that the entire photovoltaic line 10 is not only electrically connected from the central collection point 22a, 22b is separated, but also no dangerous contact voltage leads more.
  • the protection circuits 14 e.g., Phoenix Contact SCK-RSD-100
  • Start pulses to the protective circuits 14 of the photovoltaic modules 12 of the associated photovoltaic string 10 is sent (step 108) to enable the unloaded photovoltaic string 10 again, but not yet connected directly to the central collection point 22a, 22b. Thereafter, the check routine is performed with steps 110-116 of FIG.
  • the present invention enables the at least one photovoltaic string 10 to be switched on and off via a (modular) higher-level control unit and represents an advantageous function for the customer, not only in an emergency but also, e.g. to
  • the nominal power of the photovoltaic string 10 is at least 10 kW, which can be switched by the hybrid switch S1 as a whole.
  • the loss line of the hybrid switch S1 at nominal 1000 V and 10 A is less than or equal to 10 W, preferably less than or equal to 5 W, preferably less than or equal to 2 W, preferably less than or equal to 1 W, when the relay 54 commutes the stream.
  • the important advantage of the semiconductor switching device 50 in relation to the DC application is used to be able to switch large voltages without sparkover. After switching the semiconductor switching device 50 But then it is primarily about getting the power loss of the flowing stream under control. For this, the product parameters of a semiconductor are not ideal, because with increasing voltage at UBS, the internal leakage resistance RDS-on increases. For this purpose, the advantages of an electromechanical switch in the form of a relay 54 are used. Although small-sized relays are not able to separate high DC voltages, large currents up to eg 16 amps are unproblematic.
  • the relay When switching on, first the semiconductor switching device 50, and then time-delayed, the relay is turned on 54. When switching off, this is done accordingly reversed, also with time delay.
  • the relay 54 thus switches both when turning on and turning off only the remaining residual voltage across the semiconductor switching device 50, and the MOSFETs 52, commutes but due to the low conduction resistance almost the entire power.
  • the switching device 38 is suitable for 1000 V with 10 A.
  • a photovoltaic string 10 or parts of the DC generator 2 can be switched on and off in a size-optimized and cost-optimally controlled manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage (1) mit einer Schalteinrichtung (38) zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom- Hybrid-Schalteinrichtung zum benutzergesteuerten An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), die Verwendung eines Hybridschalters (S1) zum Schalten eines Photovoltaik-Strangs (10), sowie ein Verfahren zum Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) der Photovoltaik-Anlage (1). Die Photovoltaik-Anlage (1) umfasst: zumindest einen Photovoltaik-Strang (10), wobei der zumindest eine Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung erzeugen, eine Schalteinrichtung (38), welche seriell in die Strangleitung eingebaut ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten, wobei die Schalteinrichtung (38) einen Hybridschalter (S1) mit einem Relais (54) und einer parallel zu dem Relais (54) geschalteten Halbleiterschalteinrichtung (50) mit zumindest einem Halbleiterschalter umfasst.

Description

Photovoltaik-Anlage, Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung, Verwendung und Verfahren zum An-und Abschalten eines Photovoltaik-Strangs
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs, eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom- Hybrid-Schalteinrichtung zum benutzergesteuerten An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs, die Verwendung eines Hybridschalters zum Schalten eines Photovoltaik- Strangs, sowie ein Verfahren zum Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines
Photovoltaik-Strangs der Photovoltaik-Anlage.
Hintergrund der Erfindung
Eine Photovoltaik-Anlage umfasst typischerweise eine Vielzahl von Photovoltaik- Modulen, welche zu Strängen, manchmal auch als„Strings" bezeichnet, in Serie geschaltet sind, um eine nominelle Photovoltaik-Generatorgleichspannung von typischerweise derzeit bis zu 1000 Volt oder sogar 1500 Volt zu erreichen. Ferner werden je nach Anzahl der zusammen geschalteten Photovoltaik-Module und deren Einzelspannung wiederum ggf. mehrere der Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet, von denen jeder Photovoltaik-Strang beispielsweise einen nominellen Strom von 10 A erzeugen kann. Wenn mehrere Stränge parallel geschaltet werden, wird dies auch als Multistrang- oder Multistringverschaltung bezeichnet.
Aufgrund der hohen Spannung und der hohen Ströme im Gleichspannungsteil der Photovoltaik-Anlage, besteht bei Wartung oder bei Störfällen, wie z.B. bei einem Brand, die Gefahr, dass Personen lebensgefährlichen Spannungen ausgesetzt sein könnten.
Daher wurden Photovoltaik-Modul-Schutzschaltungen entwickelt, mit welchen die
Photovoltaik-Module einzeln abgeschaltet werden können (vgl. WO2013/026539 A1 sowie das Produkt SCK-RSD-100 der Anmelderin). Ferner wurden Startboxen entwickelt, mit welchen solche„intelligenten" Photovoltaik-Module wieder aktiviert werden können (vgl.
WO2014/122325 A1 sowie die Produkte SCK-RSD-400 und SCK-RSD-600 der Anmelderin).
In der DE 10 2016 117 049 (nicht vorveröffentlicht) ist ferner eine
Rückstromschutzschaltung beschrieben, mittels welcher es möglich ist, einen Strang vom zentralen Sammelpunkt zu trennen, um Querströme zu verhindern. Die Zielsetzung der
DE 10 2016 117 049 ist es, mittels der Rückstromschutzschaltung automatisch einen Stromfluss entgegen der Flussrichtung des in dem jeweiligen Strang photovoltaisch erzeugten Stroms aus den anderen Photovoltaik-Strängen (Querstrom oder Rückstrom) zu verhindern.
In einer deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin, eingereicht am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung, ist eine Strangabschaltvorrichtung zur Einzelstrangabschaltung in einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage beschrieben.
Die vorliegende Erfindung baut hierauf auf, weshalb der Offenbarungsgehalt der DE 10 2016 117 049 sowie der am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten Patentanmeldung (Anwaltsaktenzeichen 16PH 0346DEP) hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
Um z.B. einen Photovoltaik-Strang aus einem Verbund einer Parallelschaltung von
Strängen bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage elektrisch zu trennen, ist ein geeigneter DC- Trenner erforderlich.
Zwar weist eine Photovoltaik-Anlage typischerweise im sogenannten
Generatoranschlusskasten einen DC-Haupttrennschalter auf, allerdings lässt sich hiermit, z.B. bei Schäden durch Feuer, Wasser, Hagel etc. an den Solarpaneelen oder an den Anschlussleitungen nicht der Bereich vor dem Generatoranschlusskasten freischalten. Ferner sind derartige
DC-Haupttrennschalter im Generatoranschlusskasten typischerweise handbetätigt, so dass eine übergeordnete Fernsteuerung typischerweise nicht möglich ist. Außerdem sind solche handbetätigten DC-Haupttrennschalter vom Bauvolumen her groß und kostenintensiv. Es sind auch motorbetriebene Notschalter bekannt, allerdings sind diese ebenfalls platz- und
kostenintensiv. Eine selektive Freischaltung einzelner Photovoltaik-Stränge ist hiermit im Übrigen gar nicht möglich.
Nichtsdestotrotz ist bei Schaltvorgängen innerhalb eines Photovoltaik-Generators typischerweise eine Kombination aus hoher DC-Strangspannung und hohem DC-Strangstrom zu schalten. Beim Schalten einer hohen Gleichspannung und eines hohen Gleichstroms kann es anders als bei einer Anwendung mit Wechselspannung aufgrund der fehlenden Nulldurchgänge zu einem nicht verlöschenden Lichtbogen kommen. Bei einer üblichen
Wechselspanungsfrequenz würde ein Lichtbogen typischerweise spätestens nach 10 ms von alleine wieder verlöschen.
Aus der WO 2016/091281 A1 ist eine Vorrichtung mit einer Schalteinrichtung zum
Schalten einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms bekannt, welche eine
Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der Schalteinrichtung in einer Betriebsphase aufweist. Diese Vorrichtung wird allerdings ausschließlich für Wechselspannung bzw.
Wechselstrom beschrieben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass mit der hier offenbarten Schalteinrichtung Photovoltaik-Generatoren im Gleichstromteil (DC-Teil), teilweise oder vollständig, sicher und verlustleistungsarm an- und abgeschaltet bzw. elektrisch getrennt und wieder verbunden werden können.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs bereit zu stellen, wobei die Schalteinrichtung bei den in Photovoltaik-Anlagen typischen
DC-Strangspannungen und DC-Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig ist, sowie eine geringe Verlustleistung aufweist und in kleinem Bauraum untergebracht werden kann.
Eine weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Anlage mit einer Schalteinrichtung zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs bereit zu stellen, die hohen Sicherheitsanforderungen genügt, wartungs- und reparaturfreundlich ist und komfortabel für den Benutzer zu bedienen ist.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, das eine hohe Sicherheit und Flexibilität, z.B. bei der Wartung bietet und für den Benutzer komfortabel zu bedienen ist.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung zur Durchführung von Schaltvorgängen im DC-Teil einer Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, welche bei den in Photovoltaik-Anlagen typischen
Strangspannungen und Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig ist, sowie gleichzeitig eine geringe Verlustleistung aufweist und in kleinem Bauraum untergebracht werden kann, und mit welcher ggf. vorhandene Photovoltaik-Anlagen nachgerüstet werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit zumindest einem Strang oder
Photovoltaik-Strang, welcher durch eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen gebildet wird, die mittels einer Strangleitung seriell miteinander verbunden sind, um die erwünschte Strangspannung zu erzeugen und photovoltaisch erzeugte elektrische Leistung mit der erwünschten Strangspannung und einem erwünschten Strangstrom an einen Stromabnehmer, z.B. einen Wechselrichter (manchmal auch als Solar-Inverter bezeichnet) zu liefern. Die
Photovoltaik-Anlage kann aber auch ohne Wechselrichter, z.B. an eine Ladeeinheit als
Stromabnehmer angeschlossen sein. Derzeit sind gemäß Schutzklasse II Strangspannungen bis zu 1000 V DC möglich. An einer weiteren Erhöhung auf bis zu 1500 V DC, dem Grenzwert der Niederspannungsdefinition nach VDE0100 wird gearbeitet. Im Rahmen der Erfindung sollen also DC-Strangspannungen geschaltet, die ein Vielfaches der Spannung eines einzelnen
Photovoltaik-Moduls betragen.
Die Photovoltaik-Anlage umfasst eine Schalteinrichtung, welche seriell in die
Strangleitung eingebaut ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der
Schalteinrichtung an- und abzuschalten, d.h. den zumindest einen Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer, z.B. von einem zentralen Sammelpunkt oder von einem Wechselrichter, elektrisch zu trennen.
Die Schalteinrichtung umfasst einen Hybridschalter mit einem, insbesondere elektromechanischen, Relais und einer parallel zu dem Relais geschalteten
Halbleiterschalteinrichtung, welche insbesondere zumindest einen, vorzugsweise zwei
Halbleiterschalter bzw. Transistoren aufweist. Dadurch können die Schaltvorgänge, bei denen die Strangspannung geschaltet werden muss, von der Halbleiterschalteinrichtung vollzogen werden und das Relais entlastet die Halbleiterschalteinrichtung von dem Strangstrom, wenn das Relais im Dauerbetrieb geschlossen ist. Mit anderen Worten wird einerseits mit dem Relais beim An- und Abschalten lediglich die verbleibende Restspannung über der Halbleiterschalteinrichtung geschaltet und andererseits kommutiert das Relais auf Grund seines geringen
Durchleitwiderstands nahezu vollständig den von dem zumindest einen Photovoltaik-Strang erzeugten Strangstrom.
Beim Anschalten des Photovoltaik-Strangs schaltet also insbesondere die
Halbleiterschalteinrichtung den Photovoltaik-Strang zunächst alleine an, wobei das Relais geöffnet ist und zunächst auch noch geöffnet bleibt. Nach einer gewissen Zeitverzögerung wird dann bei vorher bereits geschlossener Halbleiterschalteinrichtung zusätzlich das Relais geschlossen, sodass die Halbleiterschalteinrichtung durch das parallel geschaltete später geschlossene Relais von dem Stromfluss entlastet wird. Dadurch braucht das Relais lediglich eine geringe Spannung zu schalten und die Halbleiterschalteinrichtung braucht den Strangstrom allenfalls kurzzeitig und nicht dauerhaft zu tragen. Dadurch können günstige Standardhalbleiterschalter und Standardrelais verwendet werden und die Verlustleistung im Dauerbetrieb kann trotzdem gering gehalten werden. Das Abschalten erfolgt in umgekehrter Reihenfolge; erst wird das Relais bei noch geschlossener Halbleiterschalteinrichtung geöffnet und nach einer gewissen Zeitverzögerung wird bei vorher bereits geöffnetem Relais die
Halbleiterschalteinrichtung geöffnet. Mit anderen Worten wird nach dem Öffnen des Relais der zumindest ein Photovoltaik-Strang abgeschaltet, indem zusätzlich die Halbleiterschalteinrichtung geöffnet wird.
Die Schalteinrichtung ist im Gleichstromteil des Photovoltaik-Generators, vorzugsweise vor dem zentralen Sammelpunkt eingebaut und schaltet hier den zumindest einen Photovoltaik- Strang an und ab. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass genau eine
Schalteinrichtung genau einen Photovoltaik-Strang schaltet. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass mehrere parallel geschaltete Photovoltaik-Stränge gemeinsam von derselben Schalteinrichtung geschaltet werden und auch dass der Photovoltaik-Generator nur einen Photovoltaik-Strang aufweist. Allgemein wird demnach ein Teil des oder der gesamte
Photovoltaik-Generator von der Schalteinrichtung geschaltet. Es handelt sich jedoch insbesondere nicht um eine Schaltung auf Modulebene bei einer geringen Modulspannung, sondern um eine Schaltung einer Mehrzahl von im Photovoltaik-Strang seriell verbundenen Photovoltaik-Modulen, was die hohe Schaltspannung erfordert. Demnach ist die
Schalteinrichtung zwischen der Mehrzahl seriell verbundener Photovoltaik-Module und dem Stromabnehmer, z.B. dem Wechselrichter bzw. zwischen der Mehrzahl seriell verbundener Photovoltaik-Module und einem Generatoranschlusskasten angeordnet. Die Schalteinrichtung ist elektronisch und damit extern triggerbar. Daher kann die Schalteinrichtung, oder bei Vorliegen mehrerer Schalteinrichtungen können die Schalteinrichtungen, vom Benutzer ferngesteuert getriggert werden, was gegenüber einem konventionellen Handbetätigten DC-Trenner im Generatoranschlusskasten vorteilhaft ist.
Die Schalteinrichtung ist in vorteilhafter Weise trotz der in Photovoltaik-Anlagen typischen DC-Strangspannungen und DC-Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und langlebig, und weist eine geringe Verlustleistung auf. Sie kann insbesondere in kleinem Bauraum untergebracht werden.
In vorteilhafter Weise wird somit eine Photovoltaik-Anlage bereit gestellt, welche es ermöglicht, zumindest einen Photovoltaik-Strang benutzergesteuert und ggf. elektronisch getriggert an-und abzuschalten, was komfortabel ist und hohe Sicherheitsstandards
gewährleistet, sowie wartungs- und reparaturfreundlich ist.
Die Schalteinrichtung wird vorzugsweise in die Strangverkabelung eingesetzt.
Insbesondere wird die Schalteinrichtung von einer Photovoltaik-Modul-überbergreifenden Strangbox, vorzugsweise mit einem (Kunststoff)-Gehäuse beherbergt, und diese Strangbox wird in die Strangverkabelung zwischen die Serienschaltung der Photovoltaik-Module und den Stromabnehmer eingesetzt. Die Strangbox kann am Eingang und/oder Ausgang Steckverbinder zum lösbaren Einsetzen in die Strangleitung sowie zum Nachrüsten aufweisen. Dadurch ist sogar das Nachrüsten bestehender Photovoltaik-Anlagen möglich.
Die Schalteinrichtung kann in eine Strangbox, z.B. in eine Startbox gemäß der
WO2014/122325 A1 integriert werden, welche hiermit vollumfänglich durch Referenz inkorporiert wird.
Der Benutzer kann z.B. an einem externen Schalter an der Photovoltaik-Modul- überbergreifenden Strangbox den zugehörigen Photovoltaik-Strang abschalten oder der Benutzer sendet von einer zentralen Steuerung der Multistrang-Photovoltaik-Anlage selektiv an eine, einzelne, mehrere oder alle Strangboxen ein Abschalt-Triggersignal, wobei in Ansprechen hierauf die zugehörige Schalteinrichtung bzw. die zugehörigen Schalteinrichtungen den bzw. die zugehörigen Photovoltaik-Stränge abschaltet bzw. abschalten.
Der Benutzer kann also in vorteilhafter Weise lokal am zugehörigen Photovoltaik-Strang und/oder zentral Anlagenseitig, insbesondere aber Photovoltaik-Modul-überbergreifend gesteuert, gezielt den oder die gewünschten Photovoltaik-Stränge abschalten bzw. deren stromführende Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt bzw. Wechselrichter trennen.
Die Schalteinrichtung schaltet vorzugsweise entweder den Pluspolleiter oder den Minuspolleiter und trennt damit den elektrischen Stromkreis des zumindest einen Photovoltaik- Strangs. Es kann trotzdem vorteilhaft sein, die Strangbox in beide Leiter (Pluspol und Minuspol) der Strangleitung, vor und hinter dem ersten bzw. letzten Photovoltaik-Modul, in den zumindest einen Photovoltaik-Strang einzusetzen.
Das Relais und die Halbleiterschalteinrichtung sind zueinander parallel geschaltet und die Parallelschaltung aus Relais und Halbleiterschalteinrichtung ist seriell in den Photovoltaik- Strang geschaltet. Das Relais und die Halbleiterschalteinrichtung sind demnach jeweils seriell und parallel zueinander in den Photovoltaik-Strang geschaltet. Die Photovoltaik-Anlage umfasst einen Photovoltaik-Generator mit einem oder mehreren parallel zueinander geschalteten Photovoltaik-Strängen. Wenn mehrere Photovoltaik- Stränge parallel geschaltet sind, kann mit der Schalteinrichtung entweder ein Photovoltaik-Strang oder ggf. auch mehrere oder alle Photovoltaik-Stränge selektiv an- und abgeschaltet werden, je nachdem welche Nennströme die Photovoltaik-Stränge liefern und für welchen Strom die
Schalteinrichtung ausgelegt. D.h. bei mehreren Photovoltaik-Strängen kann die Schalteinrichtung stromaufwärts oder stromabwärts des zentralen Sammelpunktes angeordnet sein. Der zentrale Sammelpunkt bildet einen Parallelschaltpunkt mehrerer Photovoltaik-Stränge. Bei Vorliegen mehrerer paralleler Photovoltaik-Stränge (Multistrang-Photovoltaik-Anlage) ist es allerdings besonders vorteilhaft, die Schalteinrichtung stromaufwärts des zentralen Sammelpunktes anzuordnen.
Dies hat mehrere Vorteile, erstens muss dann je Schalteinrichtung lediglich der Strom eines Photovoltaik-Strangs geschaltet werden und zweitens kann jeder Photovoltaik-Strang einzeln an- und abgeschaltet werden. Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage sind also zwei oder mehr Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet und die Photovoltaik-Stränge werden jeweils von seriell geschalteten Photovoltaik-Modulen gebildet.
Mit anderen Worten wird im Gleichstromteil der Photovoltaik-Anlage der zumindest eine Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer, z.B. dem Wechselrichter getrennt, indem der Hybridschalter öffnet und dadurch den Stromfluss aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang zu dem Stromabnehmer unterbricht und der zumindest eine Photovoltaik-Strang wird
angeschaltet indem der Hybridschalter schließt und den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit dem Stromabnehmer elektrisch verbindet, so dass der Stromfluss aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang in den Stromabnehmer ermöglicht wird.
Insbesondere definiert die Schalteinrichtung einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand und leitet in dem geschlossenen Zustand photovoltaisch erzeugten Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang zu einem Stromabnehmer durch und unterbricht in dem geöffneten Zustand die Durchleitung von photovoltaisch erzeugtem Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang. Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf eine Benutzereingabe die Schalteinrichtung bzw. den
Hybridschalter benutzergesteuert zu öffnen und/oder zu schließen. Somit kann der Benutzer, z.B. bei Störungen oder für Wartungsarbeiten den zumindest eine Photovoltaik-Strang zu einem beliebigen Zeitpunkt gezielt an- und abschalten. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein externes
benutzergeneriertes Strangabschalt-Triggersignal zu empfangen und in Ansprechen auf das Strangabschalt-Triggersignal den zumindest einen Photovoltaik-Strang abzuschalten, indem die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung öffnet und damit den zumindest einen Photovoltaik- Strang zumindest einseitig von dem Stromabnehmer trennt. Die Schalteinrichtung ist demnach insbesondere eine aktiv schaltbare und/oder elektronisch gesteuerte Schalteinrichtung.
Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage weist zumindest einer der parallelen Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise alle der parallelen Photovoltaik-Stränge in ihrer jeweils zugehörigen Strangleitung, insbesondere zwischen den Photovoltaik-Modulen dieses jeweiligen Photovoltaik-Strangs und dem zentralen Sammelpunkt eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung auf, mittels welcher die stromführende Verbindung zwischen diesem zugehörigen Photovoltaik- Strang und dem zentralen Sammelpunkt benutzergesteuert, also auf Anforderung des Benutzers selektiv trennbar ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang, bzw. um einen beliebigen gewünschten Photovoltaik-Strang, gezielt und einzeln von der Parallelschaltung abzuschalten. Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung auch zur
Einzelstrangabschaltung in einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage verwendet werden. D.h. es kann ein einzelner oder es können mehrere einzelne Photovoltaik-Stränge gezielt abgeschaltet werden und die anderen Photovoltaik-Stränge der Parallelschaltung bleiben weiter in Betrieb und können weiter photovoltaisch erzeugten Strom über den zentralen Sammelpunkt, insbesondere in den Wechselrichter, einspeisen. In diesem Fall kann der Benutzer somit, z.B. zu
Wartungszwecken, Reparatur oder bei örtlich begrenzten Fehlfunktionen gezielt einen oder mehrere der Photovoltaik-Stränge einzeln abschalten bzw. die stromführende Verbindung des oder der vom Benutzer gewünschten Photovoltaikstränge zu dem zentralen Sammelpunkt trennen, so dass diese keinen Strom mehr über den zentralen Sammelpunkt einspeisen. Es können demnach ganze Photovoltaik-Stränge abgeschaltet (und nicht nur lediglich einzelne Photovoltaik-Module) bzw. die stromführende Verbindung eines oder mehrerer ganzer
Photovoltaik-Stränge zu dem zentralen Sammelpunkt getrennt werden.
Der zumindest eine Halbleiterschalter bzw. Transistor ist insbesondere ein Feldeffekt- Transistor, vorzugsweise ein MOSFET.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Schalteinrichtung bzw. der
Hybridschalter dazu ausgebildet ist, in dem geöffneten Zustand den Stromfluss nicht nur in einer Richtung, sondern in beiden Richtungen zu unterbrechen. Dadurch kann nicht nur eine Sicherheitsabschaltung z.B. bei Störungen oder zur Wartung, also eine Unterbrechung des Flusses des von dem zugehörigen Photovoltaik-Strang photovoltaisch erzeugten Stroms erreicht werden. Es können auch Ströme in entgegengesetzter Richtung, also Quer- oder Rückströme, z.B. aus anderen parallel geschalteten Photovoltaik-Strängen, in den zugehörigen Photovoltaik- unterbrochen werden. Dies ist bei Multistrang-Photovoltaik-Anlagen besonders vorteilhaft, für die vorliegend beanspruchte Erfindung jedoch optional.
Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Hybridschalter eine Back-to-Back- Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern bzw. Transistoren, insbesondere eine Back-to-Back- Schaltung aus zwei Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise aus zwei MOSFETs, umfasst, bzw. die Halbleiterschalteinrichtung aus einer solchen Back-to-Back-Schaltung besteht. Mit anderen Worten ist der Hybridschalter eine Parallelschaltung aus dem Relais und einer Back-to-Back- Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere eine Parallelschaltung aus einem Relais und einer Back-to-Back-Schaltung aus zwei Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs. Diese Parallelschaltung ist dabei seriell in die Strangleitung geschaltet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Schalteinrichtung zusätzlich eine Rückstromschutzschaltung umfassen. Die Schalteinrichtung kann einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensor zum Messen einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit dem zentralen Sammelpunkt auch in Rückstromrichtung automatisch zu unterbrechen. Mit anderen Worten ist die Schalteinrichtung vorzugsweise mit der Rückstromschutzfunktion gemäß der DE 10 2016 117 049 kombiniert. Somit können die Vorteile der Rückstromverhinderung gemäß der in der DE 10 2016 117 049 beschriebenen Erfindung und einer benutzergesteuerten Abschaltung im DC-Teil einer Photovoltaik-Anlage kombiniert werden, was aber optional ist.
Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, beim Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, bzw. elektrischem Verbinden mit dem Stromabnehmer, zunächst die Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs, zu schließen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach das Relais zu schließen.
Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise ferner dazu ausgebildet beim Abschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, bzw. Trennen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs von dem Stromabnehmer, zunächst das Relais zu öffnen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach die Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs zu öffnen.
Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Relais nicht die volle Strangspannung schalten muss, so dass ein aufgrund der Gleichspannung möglicherweise nicht verlöschender Lichtbogen vermieden werden kann. Trotzdem entlastet das Relais die
Halbleiterschalteinrichtung im Dauerbetrieb, so dass die Dauer-Verlustleistung in einem für die besonderen Einbauverhältnisse bei einem Photovoltaik-Generator akzeptablen Rahmen gehalten werden kann. In vorteilhafter Weise braucht kein Hochstromrelais verwendet zu werden, sondern es kann ein einfaches kleines Standard-Relais verwendet werden. Das Relais wird geschont, was der Langlebigkeit der Schalteinrichtung dienlich ist und wodurch Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit in einem für Photovoltaik-Anlagen erforderlichen Maß gewährleistet werden können.
Die Schalteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, vor dem (Wieder-)Anschalten des zumindest einen Photovoltaik-Strangs eine Prüfroutine durchzuführen, in der Prüfroutine zumindest eine elektrische Kenngröße des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu prüfen und bei Einhalten eines vordefinierten Schwellenwerts für die zumindest eine elektrische Kenngröße den zumindest einen Photovoltaik-Strang anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt.
Die Schalteinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, den photovoltaisch erzeugten Stromfluss durch die zugehörige Strangleitung zu messen und das Relais erst dann zu schließen, wenn der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom I einen vordefinierten Schwellenwert Ijmin überschreitet, bzw. nach einer zeitlichen Verzögerung nachdem der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom I einen vordefinierten Schwellenwert Ijmin überschritten hat.
Die Schalteinrichtung kann ferner eine Steuereinrichtung und eine mit der
Steuereinrichtung verbundene Sensoreinrichtung zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang enthalten. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf die mit der Sensoreinrichtung gemessene zumindest eine elektrische Kenngröße den zugehörigen Photovoltaik-Strang an den Stromabnehmer elektrisch anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt, wobei die Sensoreinrichtung insbesondere einen Eingangsspannungssensor umfasst, welcher die strangseitige Eingangsspannung U1 an der Schalteinrichtung misst und/oder einen Ausgangsspannungssensor umfasst, welcher die sammelpunktseitige Ausgangsspannung U2 an der Schalteinrichtung misst. Die
Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung U1 und/oder auf die gemessene sammelpunktseitige Ausgangsspannung U2 die Schaltvorgänge des Relais und/oder der Halbleiterschalter zu steuern.
In vorteilhafter Weise können beim Anschalten eine Mehrzahl von Schaltvorgängen zunächst durch die Halbleiterschalteinrichtung, z.B. die Back-to-Back-MOSFET-Schaltung durchgeführt werden, z.B. bis bestimmte Betriebsparameter erreicht sind, bevor das Relais geschlossen wird. Mit anderen Worten bleibt bei Anschalten das Relais solange geöffnet, bis bestimmte Betriebsparameter erreicht sind, selbst wenn in dieser Zeit mehrere Schaltvorgänge mit der Halbleiterschalteinrichtung durchgeführt werden. So kann die Anzahl der Schaltvorgänge des Relais niedrig gehalten werden. Im Produktions- oder Dauerbetrieb, insbesondere nachdem die erwünschten Betriebsparameter erreicht wurden, entlastet das Relais dann aber die Halbleiterschalteinrichtung. Trotzdem kann bei vollständig geöffnetem Hybridschalter, d.h. wenn sowohl die Halbleiterschalter als auch das Relais geöffnet sind, eine bidirektionale Trennung der elektrischen Verbindung erreicht werden, d.h. der Stromfluss in beiden Richtungen unterbrochen werden, wenn eine Back-to-Back-Schaltung verwendet wird.
Die zeitliche Verzögerung beim Anschalten und/oder beim Abschalten beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 2000 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 700 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 ms. Zumindest sollte die Halbleiterschalteinrichtung nicht länger als für diese maximale Verzögerungszeit geschlossen und dabei nicht durch das Relais entlastet sein, also die Halbleiterschalteinrichtung geschlossen und das Relais geöffnet sein, wenn der volle (Nenn-)Strangstrom, bzw. wenn ein Strangstrom von größer oder gleich 5 A, größer oder gleich 8 A, größer oder gleich 10 A, oder 12,5 A +/- 40% durch die
Halbleiterschalteinrichtung fließt. D.h. die maximale Verzögerungszeit kann ab dem Zeitpunkt gerechnet werden, ab dem zumindest theoretisch der Nennstrom fließen könnte, wenn die Bestrahlung entsprechend groß ist. Mit anderen Worten wird der Hybridschalter so gesteuert, dass ein Zustand in dem die Halbleiterschalteinrichtung geschlossen, das Relais geöffnet und gleichzeitig der Nennstrom fließen kann, d.h. der Nennstrom durch die nicht-entlastete
Halbleiterschaltung fließen kann, nicht länger als die maximale Verzögerungszeit besteht. Weiter bevorzugt beträgt die Verzögerungszeit zwischen 50 ms und 2000 ms, vorzugsweise zwischen 100 ms und 1000 ms, vorzugswiese zwischen 150 ms und 500 ms, vorzugsweise zwischen 200 ms und 300 ms, zumindest wenn in dem Photovoltaik-Strang ein Strangstrom fließt oder zumindest fließen kann, der im Wesentlichen dem Nennstrom entspricht. Je nachdem welche Bauteile verwendet werden, kann die Halbleiterschalteinrichtung zumindest für eine entsprechend kurze Verzögerungszeit die volle Strangleistung auch ohne Entlastung durch das Relais alleine durchleiten selbst wenn sie ohne besondere Kühlmaßnahmen in einer Strangbox eingebaut ist. Die zeitliche Verzögerung des Schaltvorgangs der Halbleiterschalteinrichtung kann demnach bezogen sein auf den vorherigen Schaltvorgang des Relais bzw. umgekehrt oder auf das Erreichen bestimmter Schwellenwerte für die elektrischen Kenngrößen, z.B. für die
Eingangsspannung U1 , für die Ausgangsspannung U2 und/oder für den Strangstrom I.
Der Teil des Photovoltaik-Generators der von der Schalteinrichtung geschaltet wird, also insbesondere der zugehörige Photovoltaik-Strang weist vorzugsweise eine
DC-Nennspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder einen DC-Nennstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% auf.
Der Hybridschalter als Ganzes ist demnach für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgelegt. Insbesondere ist der Hybridschalter als Ganzes für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% ausgelegt.
Insbesondere ist die Halbleiterschalteinrichtung bzw. sind der oder die
Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, vorzugsweise für eine Drain-Source-Spannung (VDS) von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% ausgebildet.
Die die Halbleiterschalteinrichtung bzw. der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, sind vorzugsweise für einen Drain-Strom (ID) von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet.
Aufgrund der kurzen Dauer des Stromflusses durch die Halbleiterschalteinrichtung ist trotzdem die dabei an dem Hybridschalter entstehende Verlustleistung vertretbar. Es brauchen keine übermäßig großen und teuren Halbleiterschalter verwendet werden. Es können Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs, verwendet werden, die einen Einschaltwiderstand (Resistance-Drain-Source-On, kurz RDS-on) von größer oder gleich 100 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 300 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 500 mOhm, vorzugsweise von 690 mOhm +/- 40% aufweisen.
Dies erzeugt zwar eine relativ große Verlustleitung von ggf. einem Watt, einigen Watt oder mehr, was aber insbesondere durch die Entlastung durch das parallel geschaltete Relais akzeptabel ist. Solche Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, sind günstig erhältlich und weisen eine geringe Baugröße auf.
Der oder die Halbleiterschalter, Feldeffekttransistoren, bzw. MOSFETs, können, bezogen auf einen Nennstrom von 8,5 A oder 10 A des zumindest einen Photovoltaik-Strangs, sogar eine berechnete Verlustleistung von größer oder gleich 2 W, von größer oder gleich 5 W, von größer oder gleich 10 W, insbesondere von größer oder gleich 40 W aufweisen, wenn der oder die Halbleiterschalter, Feldeffekttransistoren, bzw. MOSFETs, geschlossen sind und das Relais geöffnet ist (intermediärer Schaltzustand).
Auf der anderen Seite erzeugt der Hybridschalter bezogen auf einen Nennstrom von
8,5 A oder 10 A des zumindest einen Photovoltaik-Strangs trotzdem nur eine berechnete Verlustleistung von vorzugsweise kleiner oder gleich 10 W, vorzugsweise von kleiner oder gleich 5 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 2 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 W, wenn die Halbleiterschalteinrichtung und das Relais geschlossen sind (Dauerbetriebszustand).
Insbesondere weist der Hybridschalter im Produktionsbetrieb eine Verlustleistung von kleiner oder gleich 1 W, beispielsweise bei 1000 Volt und 10 Ampere (typ. plus 25% Reserve) pro Photovoltaik-Strang auf, wenn die Halbleiterschalteinrichtung und das Relais geschlossen sind.
Das Relais ist vorzugsweise für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet. Auf der anderen Seite genügt es vorzugsweise, wenn für das Relais für einen DC-Schaltstrom von kleiner oder gleich 8 A, insbesondere kleiner oder gleich 6 A, insbesondere kleiner oder gleich 4 A, insbesondere von 2 A +/- 50% ausgebildet ist.
Ferner vorzugsweise genügt es, wenn das Relais eine maximale AC-Schaltspannung von kleiner oder gleich 800 V, insbesondere kleiner oder gleich 500 V, insbesondere von 400 V +/-50% aufweist.
Dies hält Kosten und Baugröße des Relais, insbesondere für den Einbau in einer Strangbox ebenfalls in vertretbaren Grenzen. Ferner bevorzugt kann die Schalteinnchtung dazu ausgebildet sein, vor dem
(Wieder-)Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs in einer Prüfroutine elektrische Kenngrößen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu prüfen und bei Einhalten vordefinierter Schwellenwerte für die elektrischen Kenngrößen und nach Benutzerfreigabe die
Schalteinrichtung zu schließen. D.h. das Schließen der Schalteinrichtung erfolgt erst dann wenn beides vorliegt, d.h. wenn sowohl die Prüfbedingungen für die elektrischen Kenngrößen erfüllt sind, als auch die Benutzerfreigabe für das (Wieder-)Anschalten vorliegt. Erst dann wird der zugehörige Photovoltaik-Strang wieder angeschaltet. Insbesondere können die Halbleiterschalter zunächst testweise geschlossen und bei noch offenem Relais elektrische Kenngrößen, wie Eingangsspannung, Ausgangsspannung und/oder der Strangstrom gemessen werden. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, bevor auch das Relais geschlossen wird, wodurch das Relais geschont werden kann.
Insbesondere umfasst die Schalteinrichtung also einen Stromsensor, welcher den photovoltaisch erzeugten Stromfluss durch die zugehörige Strangleitung misst. Die
Schalteinrichtung schließt das Relais vorzugsweise nur dann, wenn der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang erst in dauerhaften Produktionsbetrieb genommen wird, wenn er vollständig betriebsbereit ist.
Vorzugsweise fließt zumindest zeitweise, insbesondere im dauerhaften
Produktionsbetrieb des Photovoltaik-Strangs der photovoltaisch erzeugte Strom in dem Teil des Photovoltaik-Strangs, in dem die volle nominelle Spannung der mehreren seriellen Photovoltaik- Module oder des gesamten Photovoltaik-Strangs anliegt, vorzugsweise ausschließlich, durch metallische Leiter, z.B. Metallkabel, Metallsteckverbinder und das Relais und zumindest nicht dauerhaft durch Halbleiterbauelemente. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Verlustleistung gering gehalten werden, so dass die Schalteinrichtung ggf. in vorhandene Gehäuse eingebaut werden kann, ohne dass diese überhitzen.
Bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage weist vorzugsweise jeder parallele
Photovoltaik-Strang vor dem zentralen Sammelpunkt eine solche Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtungen sind Photovoltaik-Modul-übergreifend, d.h. sind jeweils für den gesamten Photovoltaik-Strang mit mehreren seriell verschalteten Photovoltaik-Modulen zuständig. Die Schalteinrichtungen weisen eingangsseitig (also Photovoltaik-Strang- oder Photovoltaik-Modul-seitig) einen Pluspoleingang und einen Minuspoleingang zum Anschließen des Pluspols bzw. Minuspols der Strangleitung sowie ausgangsseitig (also sammelpunktseitig) einen Pluspolausgang und einen Minuspolausgang zum Anschließen des Pluspols bzw.
Minuspols einer Fortsetzung der Strangleitung bis zu dem zentralen Sammelpunkt der
Photovoltaik-Stränge bzw. bis zum Gleichstromeingang des Wechselrichters auf. Es liegt demnach insbesondere die gesamte Strangspannung an der Schalteinrichtung an und/oder der gesamte Strangstrom fließt durch die Schalteinrichtung hindurch
Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, entfaltet die vorliegende Erfindung besondere Vorteile in Kombination mit dem Rückstromschutz gemäß der DE 10 2016 117 049. Wenn die Schalteinrichtung auch als Rückstromschutzvorrichtung in einer Multistrang- Photovoltaik-Anlage wirkt, verhindert diese zusätzlich, dass ein Querstrom so groß wird, dass sich die Richtung des Stromflusses in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang umkehrt, d.h. ein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltaik-Strang fließt. Das kann insbesondere mit der Back-to-Back-Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere der Back-to-Back-
Schaltung aus zwei Feldeffekttransistoren, z.B. MOSFETs, erreicht werden. In vorteilhafter Weise können also unerwünschte Rückströme verhindert werden, welche ansonsten entstehen könnten, wenn der zugehörige Photovoltaik-Strang niederimpedanter sein sollte als der Wechselrichter oder entsprechende Stromabnehmer stromabwärts des zentralen Sammelpunkts. Dies kann einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der zugehörigen Photovoltaik-Module haben. Je nach Sicherheitsausrüstung der Photovoltaik-Anlage kann die Rückstromschutzfunktion auch die Sicherheit der Anlage erhöhen, insbesondere beim Abschalten einzelner Photovoltaik-Stränge oder der Photovoltaik-Anlage, z.B. aufgrund nicht mehr hinreichender Bestrahlung,
Wartungsarbeiten oder bei einer Gefahrenabschaltung, insbesondere in dem die
Rückstromschutzfunktion verhindert, dass eine Abschaltung des zugehörigen Photovoltaik- Strangs aufgrund eines Rückstroms verhindert wird.
Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung in ein elektrisch isolierendes Gehäuse eingebaut, welches am strangseitigen Eingang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol der Strangleitung und einen Minuspol-Anschluss für den Minuspol der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs aufweist. Ferner vorzugsweise weist die Schalteinrichtung am
sammelpunktseitigen Ausgang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol und einen Minuspol- Anschluss für den Minuspol der Verlängerung der Strangleitung, die zu dem zentralen Sammelpunkt führt, auf. Die Anschlüsse an dem Gehäuse sind vorzugsweise als Photovoltaik- Steckverbinder, z.B. gemäß dem SUNCLIX®-System der Anmelderin/Inhaberin ausgebildet. Das Gehäuse mit der Schalteinrichtung, welches mit den Steckverbindern in die beiden Leitungen der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Moduls eingefügt werden können, kann demnach eine separat steckbare Einheit in Form einer Strangbox bilden, die auch als Nachrüstlösung noch in vorhandene Strangleitungen zwischen die Photovoltaik-Module jeweils eines Photovoltaik- Strangs und den zentralen Sammelpunkt bzw. den gemeinsamen Wechselrichter eingefügt werden kann, um eine vorhandene Multistrang-Photovoltaik-Anlage nachzurüsten.
Vorzugsweise enthält die Schalteinrichtung einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensor zum Messen einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen
Photovoltaik-Strang. In Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße kann die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung schalten, ggf. aber nur dann wenn auch eine Benutzerfreigabe vorliegt. Insbesondere verhindert die Steuereinrichtung in Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße das Schließen der Schalteinrichtung und/oder zumindest des Relais, z.B. wenn die gemessene elektrische Kenngröße außerhalb einer für das Wieder-Anschalten maßgeblichen Sicherheitsbedingung für die erste elektrische Kenngröße liegt.
Der Sensor ist vorzugsweise ein Stromsensor oder ein Spannungssensor, welcher zumindest eine der folgenden elektrischen Kenngrößen misst:
- Eingangsspannung am strangseitigen Eingang der Schalteinrichtung,
- Ausgangsspannung am sammelpunktseitigen bzw. wechselrichterseitigen Ausgang der Schalteinrichtung,
- Strangstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs bzw. durch die Schalteinrichtung oder Strangbox,
- negativer Stromfluss.
Ein negativer Stromfluss bedeutet, dass der Strom in dem Photovoltaik-Strang entgegen der Flussrichtung des im Betrieb photovoltaisch erzeugten Stroms durch die
Schalteinrichtung fließt. D.h. der Stromsensor ist insbesondere dazu ausgebildet, auch einen negativen Stromfluss messen zu können.
Der Hybridschalter kann in Ansprechen auf eine oder mehrere dieser mit dem oder den
Sensoren gemessenen elektrischen Kenngrößen öffnen und die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit dem Stromabnehmer unterbrechen. Die Schalteinrichtung enthält also vorzugsweise einen Stromsensor, der ggf. auch negative Ströme messen kann und/oder einen Eingangsspannungssensor und/oder einen Ausgangsspannungssensor.
Weitere Details einer optionalen zusätzlichen Rückstromverhinderung sind im
Folgenden beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein
Stromsensor, welcher auch einen negativen Stromfluss durch die Schalteinrichtung messen kann. Die Schalteinrichtung kann die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem zentralen Sammelpunkt, d.h. zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrechen, zumindest wenn der Strom in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang negativ ist und/oder einen vordefinierten Schwellenwert für den Betrag des negativen Stroms überschreitet. Ein negativer Strom ist allerdings keine notwendige Voraussetzung für das Trennen. Je nachdem welche Betriebs- und
Sicherheitsparameter vorgegeben sind, kann die Schalteinrichtung die Unterbrechung auch bereits dann durchführen, wenn der Strom zwar noch positiv ist, aber unterhalb eines vordefinierten Sicherheits-Schwellwertes liegt. Dies kann z.B. dann vorkommen, wenn die
Photovoltaik-Module des zugehörigen Photovoltaik-Strangs erheblich stärker abgeschattet sind als die Photovoltaik-Module der anderen Photovoltaik-Stränge. In diesem Fall sorgen die Querströme möglicherweise noch nicht für einen negativen Gesamt-Stromfluss in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang, reduzieren aber den von den von den zugehörigen
Photovoltaik-Strang photovoltaisch erzeugten Strom ggf. bereits so weit, dass der
Produktionsbetrieb dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist, so dass es besser ist, die Verbindung dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der
Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem gemeinsamen
Wechselrichter zu unterbrechen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der von der Schalteinrichtung gemessene Strom zwar noch positiv ist, aber erheblich unter dem
Maximalstrom des Photovoltaik-Strangs, z.B. kleiner als 10% des Maximalstroms des
Photovoltaik-Strangs ist. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, die Schalteinrichtung automatisch zu schalten, bzw. die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung und zu dem Wechselrichter zu unterbrechen, wenn die Bedingung eintritt, dass der Strangstrom I kleiner wird als ein vordefinierter Schwellenwert I0. Der vordefinierte Schwellenwert I0 kann zwischen positiv und erheblich kleiner als der Maximalstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und einem negativen Sicherheitswert für den Stromfluss ausgewählt werden. Mathematisch ausgedrückt kann die Schaltbedingung definiert werden als l<IO, wobei 10 ausgewählt wird aus einem Intervall [11 , 12], wobei 11 ein negativer Sicherheitswert ist, bei welchem der zugehörige Photovoltaik- Strang beschädigt werden könnte und 12 ein positiver Wert ist, unterhalb dessen ein
wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr sinnvoll erscheint.
Insbesondere schaltet die Schalteinrichtung den zugehörigen Photovoltaik-Strang auch wieder elektrisch an die Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und an den gemeinsamen Wechselrichter elektrisch an, wenn die Betriebs- und Sicherheitsparameter dies erlauben und die Benutzerfreigabe, z.B. in Form eines Triggersignals, z.B. durch einen geschlossenen Schalter vorliegt. Hierzu ist die Steuereinrichtung mit einer Sensoreinrichtung zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet die Schalteinrichtung in
Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung und/oder auf die gemessene sammelpunktseitige bzw. wechselrichterseitige Ausgangsspannung den zugehörigen
Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, wieder an den zentralen Sammelpunkt mit den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen und damit an den Gleichstromeingang des Wechselrichters elektrisch an, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung verglichen und die Steuereinrichtung steuert in Ansprechen auf den Vergleich der gemessenen strangseitigen Eingangsspannung und der gemessenen stromabnehmerseitigen Ausgangsspannung die Schalteinrichtung, insbesondere dahingehend, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem
Stromabnehmer unterbrochen ist, wieder an den Stromabnehmer an, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt. Durch den Spannungsvergleich kann gewährleistet werden, dass nach dem elektrischen Wiederanschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs die erwünschten Betriebs- und
Sicherheitsparameter erfüllt sind, z.B. dass kein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltaik-Strang fließt bzw. der positive Produktionsstrom einen Mindestwert übersteigt, indem der zugehörige Photovoltaik-Strang nur dann elektrisch wieder angeschaltet wird, wenn die Differenz aus Ausgangsspannung U2 minus Eingangsspannung U1 kleiner ist, als ein vordefinierter Schwellenwert U0. Wenn U0=0 gilt, bedeutet das, dass die Ausgangsspannung U2 kleiner ist als die Eingangsspannung U1. Hierbei kann eine gewisse Toleranz vorhanden sein, insbesondere kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die Eingangsspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, die Leerlaufspannung ist, wohingegen die Ausgangsspannung, welche die von den anderen parallelen Photovoltaik-Modulen erzeugte Spannung darstellt, bereits eine Lastspannung darstellt, welche typischerweise um etwa 20% niedriger ist als die Leerlaufspannung, weil der Wechselrichter bereits arbeitet. Demnach kann die Steuereinrichtung in Ansprechen auf den Vergleich der Leerlaufspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit der Lastspannung der anderen Photovoltaik-Stränge den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, wieder an den zentralen Sammelpunkt mit den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen und damit an den Gleichstromeingang des Wechselrichters anschalten, wenn die Benutzerfreigabe vorliegt. Zusätzlich zu dem Spannungsvergleich kann noch geprüft werden, ob die Spannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs einen
vordefinierten Schwellenwert Ujmin übersteigt, z.B. um zu gewährleisten, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang zu diesem Zeitpunkt eine hinreichende Leistung erzeugen kann.
Die Schalteinrichtung verbindet im geschlossenen Zustand den zugehörigen
Photovoltaik-Strang elektrisch mit dem Stromabnehmer und unterbricht im offenen Zustand die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem Stromabnehmer innerhalb der Strangleitung bidirektional.
Vorzugsweise sind die verwendeten Halbleiterschalter und/oder das Relais als Schließer (Normally Off oder Normally Open, NO) ausgebildet. Dies könnte zwar auf den ersten Blick nachteilig erscheinen, da für das Halten des On-Zustandes elektrische Leistung benötigt wird. Dies wird aber in Kauf genommen, um die damit verbundene Sicherheit zu erzielen, nämlich dass die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs im Normalzustand der
Schalteinrichtung zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrochen ist.
Die vorliegend offenbarte Erfindung ist insbesondere vorteilhaft einzusetzen in
Photovoltaik-Anlagen, bei welchen die seriell geschalteten Photovoltaik-Module in zumindest einem der Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise in allen Photovoltaik-Strängen, jeweils
Schutzschaltungen aufweisen, mittels welchen die Photovoltaik-Module einzeln von dem zugehörigen Photovoltaik-Strang abgeschaltet werden können, und wobei die Schutzschaltungen der einzelnen Photovoltaik-Module den Ausgang des jeweiligen Photovoltaik-Moduls an den Anschlusspunkten für die Strangleitung kurzschließt, um einen niederohmigen Bypass für das jeweilige Photovoltaik-Modul zu erzeugen. Solche Schutzschaltungen für die Photovoltaik-Module sind in der WO2013/026539 A1 genauer beschrieben, auf weiche hiermit Bezug genommen und welche diesbezüglich hiermit durch Referenz inkorporiert wird. Ferner ist die vorliegend offenbarte Erfindung insbesondere vorteilhaft einzusetzen in Photovoltaik-Anlagen, bei welchen der zugehörige Photovoltaik-Strang eine Startschaltung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, solche oder andere Schutzschaltungen der einzelnen Photovoltaik-Module des zugehörigen Photovoltaik-Strangs wieder zu aktivieren. Solche Startschaltungen für die Photovoltaik-Stränge sind in der WO2014/122325 A1 genauer beschrieben, auf weiche hiermit Bezug genommen und welche diesbezüglich hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
Bevorzugt können eine solche Startschaltung zum Starten des zugehörigen
Photovoltaik-Strangs und die Schalteinrichtung für den zugehörigen Photovoltaik-Strang in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, so dass eine Strangbox mit kombinierter An- und Abschaltfunktion für den zugehörigen Photovoltaik-Strang entsteht. Die Strangbox wird mit Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Eingang und Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Ausgang der Strangbox zwischen die Serie aus Photovoltaik-Modulen des zugehörigen
Photovoltaik-Strangs und den zentralen Sammelpunkt mit den anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strangs geschaltet. Hierdurch können überflüssige Komponenten, insbesondere Steckverbindungen eingespart werden, was sich positiv auf Kosten, Lebensdauer und Verlustleitung der Photovoltaik-Anlage auswirken kann. Die Verlustleistung der
Schalteinrichtung ist im Produktionsbetrieb bei geschlossenem Relais so niedrig, dass die thermische Belastung akzeptabel ist.
Vorzugsweise ist jeder Photovoltaik-Strang mit der beschriebenen Photovoltaik-Modul- übergreifenden Schalteinrichtung bzw. Strangbox ausgerüstet.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Trenn- Schalteinrichtung für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage zum Trennen von zumindest einem Photovoltaik-Strang von einem Stromabnehmer, z.B. einem Wechselrichter, wobei die Gleichstrom-Trenn-Schalteinrichtung einen Hybridschalter aus einem, insbesondere
elektromechanischen, Relais und einer parallel zu dem Relais geschalteten
Halbleiterschalteinrichtung umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Schalteinrichtung für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage. Die Erfindung betrifft ferner eine Verfahren zum benutzergesteuerten Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage, umfassend folgende Schritte:
benutzergesteuertes Triggern der Schalteinrichtung des zumindest einen
Photovoltaikstrangs durch ein elektrisches oder elektronisches Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer abzuschalten,
benutzergesteuertes Triggern der Schalteinrichtung des zumindest einen Photovoltaikstrangs durch ein elektrisches oder elektronisches Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang wieder an den Stromabnehmer anzuschalten, ggf. in Ansprechen auf die Erfüllung weiterer Prüfbedingungen.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung zwar besonders vorteilhaft für Photovoltaik-Anlagen verwendbar, jedoch prinzipiell auch für andere DC-Generatoren einsetzbar ist. Diese sollen nicht ausgeschlossen sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen
Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibun der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Photovoltaik-Anlage mit parallelen Photovoltaik-Strängen,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schutzschaltung für ein Photovoltaik-Modul,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Strangbox mit der Schalteinrichtung,
Fig. 4 einen Schaltplan der Ansteuerung der Hybrid-Schaltung aus Relais und MOSFET-
Back-to-Back-Schaltung,
Fig. 5 einen Schaltplan für ein Schaltnetzteil zur Ansteuerung der MOSFET-Back-to-Back-
Schaltung, und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm für das Starten, Prüfen und Abschalten des zugehörigen
Photovoltaik-Strangs.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Bezug nehmend auf Fig. 1 umfasst die Multistrang-Photovoltaik-Anlage 1 eine
Mehrzahl von parallel geschalteten Photovoltaik-Strängen, von denen der Einfachheit halber lediglich zwei Photovoltaik-Stränge 10, 10' dargestellt sind.
Jeder Photovoltaik-Strang umfasst eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen oder Photovoltaik-Paneelen 12, 12', welche jeweils mit einer Schutzschaltung 14, 14' ausgerüstet sind, z.B. wie sie in der WO 2013/026539 A1 beschrieben sind. Die Schutzschaltungen 14, 14' sind jeweils einem Photovoltaik-Modul 12, 12' zugeordnet und die jeweilige Strangleitung 16, 16' führt durch die dem Photovoltaik-Strang 10, 10' zugehörige Schutzschaltung 14, 14' zweipolig hindurch.
Bezug nehmend auf Fig. 2 enthält jede Schutzschaltung 14, 14' einen
Kurzschlussschalter S3 zum strangseitigen Kurzschließen des zugehörigen Photovoltaik-Moduls 12, 12' sowie einen seriellen Trennschalter S4, mit welchem das zugehörige Photovoltaik-Modul 12, 12' vom Photovoltaik-Strang 10, 10' getrennt werden kann. Bei Beschattung oder Ausfall eines Photovoltaik-Moduls 12, 12' schließt der Kurzschlussschalter S3 und der serielle
Trennschalter S4 öffnet, so dass das jeweilige Photovoltaik-Modul 12, 12' vom Photovoltaik- Strang getrennt wird, leerläuft und der Photovoltaik-Strang 10, 10' trotzdem geschlossen bleibt, so dass weiterhin der photovoltaisch erzeugte Strom der übrigen Photovoltaik-Module dieses Photovoltaik-Strangs 10, 10' durch die auch in diesem Schutzzustand geschlossene
Strangleitung 16, 16' fließen kann. Für weitere Details der für die vorliegende Erfindung optionalen Schutzschaltung 14, 14' wird auf die WO 2013/026539 verwiesen, welche
diesbezüglich hiermit durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 ist in jeden Photovoltaik-Strang 10, 10' eine Strangbox 20, 20' eingefügt, welche als Startboxen gemäß der WO 2014/122325 A1 ausgebildet sein können, und durch welche beide Strangleitungen 16, 16' hindurch gehen.
Wechselrichterseitig der Strangboxen 20, 20' sind Fortsetzungen 17, 17' der Strangleitungen 16, 16' an einem zentralen Sammelpunkt 22a, 22b, bzw. dessen Plus- und Minuspol, parallel zusammen geschaltet, um die photovoltaisch erzeugte Leistung der in diesem Beispiel mehreren Photovoltaik-Stränge 10, 10' etc. parallel geschaltet in den Gleichstromeingang 24a, 24b des gemeinsamen Wechselrichters 26 einzuspeisen. Am Wechselstromausgang 28 des
Wechselrichters 26 wird der Wechselstrom zum Einspeisen in ein Versorgungsnetz bereitgestellt. Die Strangboxen 20, 20' werden in diesem Beispiel von einem externen 24-Volt Netzteil 32 (Fig. 2) versorgt, um die gewünschten Schaltvorgänge auszuführen. Die Versorgung kann allerdings auch durch ein Start-Photovoltaik-Modul erfolgen, welches keine Schutzschaltung 14, 14' aufweist und somit bei Lichteinfall automatisch den jeweiligen Photovoltaik-Strang 10, 10' und damit auch die zugehörige Strangbox 20, 20' mit elektrischer Leistung versorgt. Für weitere Details hierzu wird auf die WO 2014/122325 A1 verwiesen, welche diesbezüglich hiermit durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
Bezug nehmend auf Fig. 3 ist eine Strangbox 20 eines der Photovoltaik-Stränge 10 genauer dargestellt. Alle übrigen parallel geschalteten Photovoltaik-Stränge 10, 10' etc., sofern vorhanden, sind vorzugsweise gleich aufgebaut. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in einer Einzelstrang-Photovoltaik-Anlage 1 , also mit einem DC-Generator 2 verwendet werden, der aus nur einem Photovoltaik-Strang 10 besteht.
Die Photovoltaik-Module 12 mit angeschlossener Schutzschaltung 14, welche in Fig. 3 der Einfachhalt halber nicht separat dargestellt ist, bilden in serieller Schaltung den Photovoltaik- Strang 10. Der Pluspol 16a und der Minuspol 16b der Strangleitung 16 sind an einen
Pluspoleingang 34a bzw. einen Minuspoleingang 34b der Strangbox 20 angeschlossen, um in die Strangbox 20 eingespeist zu werden. An einen Pluspolausgang 36a bzw. einen Minuspolausgang 36b sind entsprechende Fortsetzungen 17 der Strangleitung 16 an den Pluspol 24a bzw. an den Minuspol 24b des Gleichstromeingangs 24 des Wechselrichters 26, der in diesem Beispiel den Stromabnehmer für den photovoltaisch erzeugten Strom bildet, angeschlossen. Der von den Photovoltaik-Modulen 12 des Photovoltaik-Strangs 10 photovoltaisch erzeugte Strom fließt demnach im Produktionsbetrieb durch die Strangbox 20 hindurch. An den Eingängen und Ausgängen 34a, 34b; 36a, 36b sind die modulseitigen und sammelpunktseitigen Abschnitte 16, 17 der Strangleitung, vorzugsweise mit Steckverbindern (nicht dargestellt) angeschlossen.
Weitere optionale parallele Photovoltaik-Stränge 10' sind durch die gestrichelten Linien, welche zu den beiden Polen des zentralen Sammelpunkts 22a, 22b führen, symbolisiert.
Die Strangbox 20 enthält eine Schalteinrichtung 38, welche in das vorzugsweise wasserdichte Kunststoff-Gehäuse 21 der Strangbox 20 integriert ist. Die Schalteinrichtung 38 umfasst einen Hybridschalter S1 , welcher seriell in den Photovoltaik-Strang 10, in diesem Beispiel in einen Ast der Strangleitung (in diesem Beispiel der Pluspol) geschaltet ist. Mit dem seriellen Hybridschalter S1 kann die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik- Strangs 10 zu dem Wechselrichter 26 benutzergesteuert unterbrochen und der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 damit abgeschaltet werden. Eine Steuereinrichtung 42 in Form eines MikroControllers steuert den seriellen Hybridschalter S1 , der auch als Trenn-Hybridschalter bezeichnet werden kann, und überwacht einen Stromsensor 44, einen
Eingangsspannungssensor 46 und einen Ausgangsspannungssensor 48, um elektrische
Kenngrößen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 zu gewinnen.
Der Eingangsspannungssensor 46 ist parallel zu den Eingangsanschlüssen 34a, 34b der Strangbox 20 geschaltet, um die Eingangsspannung U1 zu messen, welche die
Strangspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 ist. Der Ausgangsspannungssensor 48 ist parallel zu den Ausgangsanschlüssen 36a, 36b der Strangbox 20 geschaltet, um die Ausgangsspannung U2 zu messen, welches diejenige Spannung ist, die am Wechselrichter 26 anliegt. Im Falle einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage ist die Ausgangsspannung U2 diejenige Spannung, die von der Parallelschaltung aller anderen Photovoltaik-Stränge an den
Wechselrichter 26 angelegt wird. Der Stromsensor 44 misst im Produktionsbetrieb den
Strangstrom, welcher bei Stromproduktion des Photovoltaik-Strangs 10 in der normalen Richtung, welche hier als positiv bezeichnet wird, durch die Strangleitung 16, die Strangbox 20 und die Fortsetzung der Strangleitung 17 in den Wechselrichter 26 fließt, um in den Wechselrichter 26 eingespeist zu werden. Der Stromsensor 44 ist optional auch dazu ausgelegt, einen Stromfluss in der umgekehrten Richtung, d.h. einen in Bezug auf die normale Stromrichtung der Produktion des Photovoltaik-Strangs 10 negativen Strom (also umgekehrtpolig zu den Gleichstromeingängen 24a, 24b des Wechselrichters) zu messen. Alternativ können aber auch zwei getrennte
Stromsensoren, einer für den positiven Stromfluss und einen für den negativen Stromfluss vorgesehen sein (nicht dargestellt). Die Schalteinrichtung 38 ist demnach, falls gewünscht, dazu ausgebildet, positiven und/oder negativen Stromfluss zu messen.
In der Grundstellung der Strangbox 20 bzw. der Schalteinrichtung 38 ist der serielle Hybridschalter S1 offen und befindet sich in seinem Normalzustand (Normally Open). Eine Hauptfunktion des seriellen Hybridschalters S1 ist es, die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 zu dem Wechselrichter 26 zu unterbrechen. Ein
Kurzschlussschalter S2 wird dazu benutzt, strangseitige Kurzschlüsse in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 auszulösen und die Photovoltaik-Module 12 des zugehörigen
Photovoltaik-Strangs 10 über einen eingeprägten Startstrom zu aktivieren. Nach dem Senden des Startimpulses werden die Strangspannung U1 und die Wechselrichterspannung U2 gemessen und verglichen, um in Ansprechen auf den Spannungsvergleich den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 an den Wechselrichter 26 elektrisch anzuschalten, ggf. wenn eine entsprechende Benutzerfreigabe vorliegt.
Der serielle Hybridschalter S1 wird in diesem Beispiel in Ansprechen auf einen Vergleich der Strangspannung U1 und der Wechselrichterspannung U2 geschlossen, d.h. die Schaltbedingung für den Anschaltvorgang des seriellen Hybridschalters S1 hängt in diesem Beispiel von einem Vergleich der Strangspannung U1 und der Wechselrichterspannung U2 ab. Der serielle Hybridschalter S1 wird insbesondere nur dann geschlossen, wenn die
Strangspannung U1 des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 entweder größer ist als die Wechselrichterspannung U2 oder nur um einen vorbestimmten Schwellenwert UO (geringfügig) kleiner ist als die Wechselrichterspannung U2. Mit anderen Worten ist eine Schaltbedingung für den seriellen Hybridschalter S1 zum elektrischen Anschalten des Photovoltaik-Strangs 10 an die Parallelschaltung und an den Wechselrichter 26: U1 >=U2-U0, wobei U0 ein vordefinierter Wert für die maximal zulässige Spannungsdifferenz für das sichere Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 an den Wechselrichter ist. Der vordefinierte und in dem MikroController hinterlegte Schaltwert U0 ist demnach (deutlich) kleiner als die maximal mögliche Spannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10. Erst wenn eine solche Schaltbedingung, welche von elektrischen Kenngrößen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 und ggf. den anderen Photovoltaiksträngen abhängt, erfüllt ist, steuert die Steuereinrichtung 42 den seriellen
Hybridschalter S1 derart, dass der Hybridschalter S1 geschlossen wird und damit den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 an den Wechselrichter 26 anschaltet. Somit ist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel ein Systemstart des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 sogar ohne die Gefahr des Auftretens von unerwünschten Rückströmen möglich.
Um unerwünschte Rückströme von den in diesem Beispiel vorhandenen anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 im Produktionsbetrieb zu erfassen, in welchem der serielle Hybridschalter S1 geschlossen ist, wird während des
Produktionsbetriebs der Stromfluss einschließlich die Stromflussrichtung überwacht. Hierfür wird dauerhaft eine Strommessung mit dem Stromsensor 44 durchgeführt. Mittels des Stromsensors 44 wird demnach eine dauerhafte Überwachung des Strangstroms durchgeführt, einschließlich des Vorzeichens des Strangstroms, also dahingehend ob der Strangstrom negativ wird. Falls der Strangstrom negativ werden sollte oder ein Zustand erreicht wird, der dem nahe kommt, steuert der MikroController 42 den seriellen Hybridschalter S1 dahingehend, dass dieser öffnet und die stromführende Verbindung des Photovoltaik-Strangs 10 zu dem zentralen Sammelpunkt 22a, 22b und zu dem Wechselrichter 26 unterbricht.
Damit alle Strangboxen 20 den jeweils zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 sauber vom Wechselrichter 26 trennen, wenn die gesamte Photovoltaik-Anlage 1 herunterfährt, werden, vorzugsweise und soweit vorhanden, die seriellen Hybridschalter S1 aller Schalteinrichtungen 38 aller Photovoltaik-Stränge ebenfalls geöffnet, sobald die Wechselrichterspannung U2 unterhalb einer vordefinierten Mindestspannung Ujmin liegt, wobei Ujmin z.B. im Bereich von etwa 30 Volt liegen kann.
Bezug nehmend auf Fig. 3 und 4 umfasst der Hybridschalter S1 eine Parallelschaltung aus einer Back-to-Back-Schaltung 50 zweier Halbleiterschalter, in diesem Beispiel zweier
Feldeffekt-Transistoren, genauer zweier MOS-FETs 52, und einem elektromechanischen Relais 54. Der Hybridschalter S1 als Ganzes ist für die volle nominelle Strangspannung und den vollen nominellen Strangstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 ausgelegt, welche
typischerweise bis zu 1000 Volt oder sogar 1500 Volt sowie z.B. 10 A betragen. Die MOS-FETs 52 weisen allerdings einen typischen Einschaltwiderstand, den sogenannten Resistance-Drain- Source-On oder kurz RDS-on, von in diesem Beispiel 690 mOhm auf. Dadurch kann bei einem typischen Photovoltaik-Strang 10 an den MOS-FETs 52 eine Verlustleistung im Bereich von einigen Watt entstehen. Z.B. entsteht bei einem RDS-on von 690 mOhm und einem nominellen Strangstrom von ln0m = 10 A eine rechnerische Verlustleistung PVL = RDS-on * (ln0m)2, d.h. in diesem Beispiel also PVL = 69 Watt. Da eine solche Verlustleistung insbesondere zum Einbau in vorhandene (Kunststoff-)Gehäuse unerwünscht ist, entlastet das Relais 54 die Back-to-Back- Schaltung 50 aus den beiden MOS-FETs 52 im Dauerbetrieb. D.h. der Einschaltvorgang wird zunächst von der Back-to-Back-Schaltung aus den beiden MOS-FETs 52 ausgeführt und wenn der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 für eine gewisse Mindestzeit im Produktionsbetrieb ist, wird das parallele Relais 54 geschlossen, um die MOS-FETs 52 zu entlasten. Dadurch wird einerseits die dauerhafte Erzeugung von hoher Verlustleistung an den MOS-FETs 52 vermieden und andererseits kann ein Relais 54 verwendet werden, das alleine nicht geeignet wäre, Schaltvorgänge bei einer nominellen DC-Strangspannung von 1000 V oder sogar 1500 V durchzuführen, ohne dass aufgrund der DC-Spannung eine erhöhte Gefahr eines nicht verlöschenden Lichtbogens entstünde. Der Hybridschalter S1 kann trotz der hohen Anforderungen an nominelle
Strangspannung, nominellen Strangstrom und die Gleichstrom-Anwendung mit handelsüblichen, relativ kleinen und kostengünstigen Bauteilen aufgebaut werden.
Z.B. haben sich die Relais des Typs RT.3T und RTS3L von TE Connectivity Ltd. (vgl. www.te.com) mit folgenden Eigenschaften als geeignet erwiesen:
1 Pol 16A,
1 Form A (NO) Kontakt (AgSn02 or W pre-make contact + AgSn02)
mono- oder bistabile Spule
5kV/10mm Spulenkontakt
verstärkte Isolation
WG Version: Produkt gemäß IEC60335-1
RTS3T: Elektronischer Ballast UL508/NEMA 410 bewertet
RTS3T: 165/20ms Einschaltspitzenstrom
Kontaktdaten RT.3T RTS3L
Kontaktanordnung 1 Form A (NO) Kontakt
Nennspannung 250VAC
Max. Schaltspannung 400VAC
Nennstrom 16A
Begrenzender Dauerstrom 16A, UL: 20A (RTS3L)
Begrenzender Einschaltstrom,
max. 20ms (Glühlampen) 165A peak 120A peak max. 200 s 800A peak
Schaltleistung max. 4000VA
Kontaktmaterial W (pre-make cont.) +AgSnÜ2 AgSn02 Kontaktart pre-make contact Single contact
Betriebsfrequenz, mit/ohne Last 360/3600h-1
Betriebs-/Auslösezeit max., DC Spule 10/5ms
Betriebs-/Rückstellzeit max., bistable version 10/1 Oms
Prellzeit max. 4ms Für die Back-to-Back-Schaltung 50 haben sich z.B. die MOSFETs des Typs STH12N120K5-2, STP12N120K5, STW12N120K5, oder STWA12N120K5 von ST (vgl. www.st.com) mit folgenden Eigenschaften als geeignet erwiesen:
Figure imgf000030_0001
RDS-on max. 690 mOhm
12 A
Figure imgf000030_0002
VGS Gate-Source Spannung ± 30 V
ID Drain-Strom bei Tc = 25°C 12 A
ID Drain-Strom bei Tc = 100°C 7,6 A
IDM Drain-Strom (gepulst) 48 A
PTOT Totale Dissipation bei Tc = 25°C 250 W
IAR Max Strom während wiederholter oder einzelner Puls-Lawine 4 A
EAS Einzelpuls-Lawinen-Energie 215 mJ dv/dt Spitzen-Dioden-Rückstellspannungsabfall 4,5V/ns dv/dt MOSFET dv/dt Unempfindlichkeit 50 V/ns
Mit einer solchen Hybridschaltung S1 bestehend aus dem Relais 54 und der MOSFET- Back-to-Back-Schaltung 50, sowie der zugehörigen Ansteuerelektronik kann der Photovoltaik- Strang sicher und langfristig an und abgeschaltet werden.
Es wird also mittels des Hybridschalters S1 die stromführende Verbindung zwischen dem zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 bzw. dem hiermit geschalteten Teil des DC-Generators 2 und dem zentralen Sammelpunkt 22a, 22b bzw. dem Wechselrichter 26, in diesem Beispiel sogar bidirektional, getrennt, d.h. es wird ein möglicher Stromfluss, in diesem Beispiel in beiden Richtungen, unterbrochen.
Wenn der Benutzer ein Triggersignal zum Abschalten initiiert, was hier mit der Prüfbedingung„U ext. Start = Off bezeichnet wird, öffnet die Steuereinrichtung 42 automatisch den Hybridschalter S1.
Beim Abschalten des Photovoltaik-Strangs 10 wird zunächst das Relais 54 und erst mit einer Zeitverzögerung danach die Back-to-Back-Schaltung 50 geöffnet, um den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 von dem zentralen Sammelpunkt 22a, 22b zu trennen. Die
Zeitverzögerung beim Anschalten und/oder Abschalten beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 200 ms bis 300 ms, was kurz genug ist, um die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 ohne besondere Kühlung nicht zu überlasten.
Fig. 4 zeigt den Hybridschalter S1 mit einer Ansteuerschaltung 60 zur Ansteuerung des
Relais 54 sowie eine genauere Darstellung der MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52.
Am Steuereingang 62„Relais" erhält die Ansteuerschaltung 60 ein Normsignal (0/1) als Triggersignal von der Steuereinrichtung 42. Ein Bipolartransistor 64 schaltet gegen Erde 66 „GND". Parallel zu dem Relais 54 ist zur Funkenunterbrechung ein Freilaufbauelement, in diesem Beispiel eine Freilaufdiode 68 geschaltet. Die Gate-Spannung der Halbleiterschalteinrichtung 50 bzw. FET-Back-to-Back-Schaltung ist potentialfrei gegen Source.
Fig. 5 zeigt ein Schaltnetzteil 70 zur Ansteuerung der MOSFET-Back-to-Back- Schaltung 50/52. Über Drain 72 fließen bis zu 10 A. Ein Taktgeber 74 gibt einen 50/50-Takt mit etwa 200kHz auf die Schalttransistoren 76. Dieser Teil der Ansteuerung, welcher das
Ansteuersignal für die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 erzeugt, ist galvanisch von der MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 getrennt. Die galvanische Trennung wird mittels eines Leiterplattenübertragers 78 hergestellt.
Die Dioden V17, C35, C36 sorgen für die Gleichrichtung und Glättung der zerhackten Spannung von 19,4 V.
Ferner umfasst die Ansteuerung für die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 einen
Optokoppler 82, welcher eine galvanische Trennung von der Steuereinrichtung 42 bewirkt. Über den Steuerausgang 84 wird das Ansteuersignal bereit gestellt und die Spannung des Netzteils wird über den Optokoppler 82 an die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50/52 angeschaltet.
Die Anschlüsse Gate 86 und Source 88 sind die Leistungen die mit der MOSFET-Back- to-Back-Schaltung 50/52 verbunden sind.
Bezug nehmend auf Fig. 6 läuft die Start- und Abschaltsequenz der Schalteinrichtung 38 beispielweise wie folgt ab.
Zum Systemstart bei 102 ist der Hybridschalter S1 im Schritt 104 offen
(Halbleiterschalteinrichtung 50 und Relais 54 offen). In einer Abfrage im Schritt 106 wird geprüft, ob die Eingangsspannung U1 eine Mindestspannung U_min1 unterschreitet. Falls die Bedingung U1 <U_min1 , wobei im vorliegenden Beispiel U_min1 = 30 V DC ist, erfüllt ist und die
Benutzerfreigabe zum Starten (U ext. Start = on) vorliegt, werden in dem Schritt 108 mit dem Kurzschlussschalter S2 die Startimpulse ausgelöst, um den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 zu starten. Der serielle Hybridschalter S1 bleibt weiterhin offen und der Loop geht zurück zum Schritt 104.
Wenn nun durch die Startimpulse der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 gestartet ist, indem die zugehörigen Schutzschaltungen 14 die zugehörigen Photovoltaik-Module 12 an den Photovoltaik-Strang 10 elektrisch angeschaltet haben, sollte die Strangspannung U1 deutlich über dem vordefinierten Mindestwert U_min1 liegen - sofern kein Fehler vorliegt - und der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 nicht total beschattet ist. Nachdem also im Schritt 106 die Bedingung U1 <U_min1 bei normaler Einstrahlung und ohne Störung nicht mehr erfüllt ist und weiterhin die Benutzerfreigabe zum Starten (U ext. Start = on) vorliegt, erfolgt eine weitere Abfrage im Schritt 110 dahingehend, ob die Eingangsspannung U1 des zugehörigen
Photovoltaik-Strangs 10 größer oder gleich der Ausgangsspannung U2 des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 minus einem vordefinierten Schwellenwert U0 beträgt (U1 >=U2-U0), wobei U0 in diesem Beispiel 20 V DC beträgt, aber auch null sein könnte. Diese Bedingung soll vorzugsweise für eine vordefinierte Mindest-Zeit tO erfüllt sein, welche in diesem Fall tO = 1s beträgt. Ferner wird nochmals geprüft, ob die Spannung U1 größer oder gleich einem
Mindestwert U_min2 ist, um sicherzustellen, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 noch immer elektrisch angeschaltet ist, wobei in diesem Beispiel U_min2 = 150 V DC beträgt. Ferner wird wieder geprüft, ob die Benutzerfreigabe (U ext. Start = on) vorliegt. Wenn mindestens eine dieser drei Prüfbedingungen in dem Abfrageschritt 110 nicht erfüllt ist, geht der Loop zurück zum Schritt 104 und zur Abfrage 106.
Sind jedoch alle diese drei Prüfbedingungen in der Abfrage 110 erfüllt, wird in Schritt 111 geprüft, ob der Strangstrom I größer ist, als ein vordefinierter Schwellenwert Ijmin, wobei Ijmin in diesem Beispiel 500 mA (in positiver Richtung) beträgt. Ist diese Prüfbedingung nicht erfüllt, steuert der Mikrocontroller 42 im Schritt 112a den seriellen Hybridschalter S1 , derart, dass zunächst nur die Halbleiterschalteinrichtung 50 bzw. Back-to-Back-Schaltung schließt. Ist diese Prüfbedingung I > Ijmin erfüllt, steuert der Mikrocontroller 42 im Schritt 112b den seriellen Hybridschalter S1 , derart, dass die Back-to-Back-Schaltung 50 geschlossen bleibt und nun auch das Relais 54 schließt. In beiden Fällen 112a, 112b wird der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 an den zentralen Sammelpunkt 22a, 22b bzw. den Wechselrichter 26 angeschaltet und der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 speist elektrische Leistung hier über den zentralen
Sammelpunkt 22a, 22b in den Wechselrichter 26 ein, wobei der Hybridschalter S1 aber erst nach dem Schließen des Relais 54 im Schritt 112b, d.h. im Zustand für den Dauer-Produktionsbetrieb, besonders verlustarm arbeitet. Dadurch dass die Halbleiterschalteinrichtung 50 bzw. Back-to- Back-Schaltung alleine bereits vorher im Schritt 112a geschlossen wird, bewirkt diese Routine im Schritt 112b ein zeitlich versetztes Schließen des Relais 54 erst nach einer Verzögerung nach dem Schließen der Halbleiterschalter-Back-to-Back-Schaltung 50 im Schritt 112a. Die zeitliche Verzögerung beträgt in dem vorliegenden Beispiel etwa 200 ms bis 300 ms, was kurz genug ist, um die MOSFET-Back-to-Back-Schaltung 50 nicht zu überlasten, selbst wenn der volle nominelle Strangstrom fließen sollte.
Das Relais 54 übernimmt den Stromfluss in diesem Beispiel erst ab I > 500 mA und braucht nur eine geringe Spannung von typischerweise 1 Volt zu schalten, so dass ein relativ kleines, kostengünstiges und insbesondere nicht zum Schalten von 1000 V DC ausgelegten Relais verwendet werden kann, wie z.B. mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften.
Während des Produktionsbetriebs wird dann in einem Prüfschritt 114 dauerhaft oder regelmäßig geprüft, a) ob ein negativer Strom größer oder gleich einem vordefinierten
Mindestwert LReverse vorliegt, und zwar über eine vordefinierte Mindest-Zeit t1 (t1 = 1s), oder b) ob die Eingangsspannung U1 einen vordefinierten Mindestwert U_min3 (hier U1_min3 = 150V) unterschreitet oder c) ob die Benutzerfreigabe nicht vorliegt (U ext. Start = Off). Der Mindestwert LReverse für den negativen Strom liegt typischerweise im Milli-Ampere-Bereich. In diesem Beispiel ist daher die entsprechende Prüfbedingung, ob einer negativer Strom von mindestens 20 mA vorliegt (l_Reverse<=-20mA). Solange alle drei Prüfergebnisse a), b), c) negativ sind, d.h. logisch a) OR b) OR c) = NO, wird der Hybridschalter S1 geschlossen gehalten.
Anschließend wird ein weiterer Prüfschritt 116 durchgeführt, indem in einer
Fehlerüberwachung abgefragt wird, ob die Temperatur < 130°C beträgt und ob die
Differenzspannung zwischen U1 und U2 größer als 2V beträgt. Falls auch diese Fehlerprüfung negativ ausfällt wird der Loop zum Prüfschritt 111 geschlossen. Die Schritte 111-116 bilden demnach einen dauerhaften beziehungsweise kontinuierlichen Überwachungskreis für den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 daraufhin, dass auch im Produktionsbetrieb keine unerwünschten Werte der überwachten elektrischen Kenngrößen auftreten.
Falls die Abfrage in dem Schritt 114 ergibt, dass eine der drei genannten
Prüfbedingungen positiv ist, d.h. logisch a) OR b) OR c) = YES, z.B. wenn ein unerwünscht hoher negativer Rückstrom vorliegt, weil z.B. der zugehörige Photovoltaik-Strang 10 erheblich stärker abgeschattet ist als die anderen Photovoltaik-Stränge, oder weil der zugehörige Photovoltaik- Strang 10 soweit an Strangspannung verloren hat, dass die Schwellenbedingung U1 <U_min3 erfüllt ist, oder weil die benutzergesteuerte Abschaltanforderung an der Steuereinrichtung 42 vorliegt (U ext. Start = Off), geht der Loop zurück zum Schritt 104, d.h. der Hybridschalter S1 öffnet, wobei erst das Relais 54 geöffnet wird und erst nach einer zeitlichen Verzögerung die Halbleiterschalteinrichtung 50. Vorzugsweise ist der Hybridschalter S1 bzw. sowohl die
MOSFETs 52 als auch das Relais 54 als Schließer (Normally Open) ausgebildet, so dass der Hybridschalter S1 als Ganzes automatisch in den geöffneten Zustand fällt, wenn nicht die MOSFETs 52 und das Relais 54 von der Steuereinrichtung 42 in dem geschlossenen Zustand (Loop 111-116) gehalten werden. Auch hierbei wird, falls erforderlich, die zeitliche Verzögerung sichergestellt. Der Loop 111-116 repräsentiert demnach den Produktionsbetrieb des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10.
Der Benutzer kann in dem Schritt 114 durch Triggern der Bedingung U ext. Start = Off, nach Wunsch in den Loop 111-116 eingreifen, um die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 benutzergesteuert vom Wechselrichter 26 zu trennen bzw. den zugehörigen Photovoltaik-Strang 10 benutzergesteuert abzuschalten. Wenn so
benutzergesteuert durch Triggern der Bedingung U ext. Start = Off die Abfrage in dem Schritt 114 auf„ja" gesetzt wird, wird der Loop 111-116 unterbrochen und der Pfad der Prüf-/Steuerroutine geht zum Schritt 104, in welchem der Hybridschalter S1 öffnet, selbst dann wenn alle elektrischen Kenngrößen die vordefinierten Prüfbedingungen erfüllen. Der Benutzer hat hiermit also die Möglichkeit die Abschaltung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 benutzergesteuert nach eigenem Ermessen zu triggern bzw. auszulösen. Auch hierbei wird, falls erforderlich, die zeitliche Verzögerung sichergestellt.
Wenn die Fehlerüberwachung im Schritt 116 ein positives Ergebnis ergibt, d.h. wenn eine der beiden genannten Fehlerbedingungen zutrifft, wird in einem Schritt 118 der
Hybridschalter S1 wie im Schritt 114 geöffnet und zusätzlich der Meldeausgang getoggelt, der eine Fehlermeldung für den Benutzer abgibt. Anschließend wird der Zyklus mit dem Schritt 120 beendet. Dies signalisiert typischerweise eine Störung.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, jeden mit einer solchen Schalteinrichtung 38 ausgerüsteten gestarteten bzw. im Produktionsbetrieb befindlichen Photovoltaik-Strang 10 benutzergesteuert kontrolliert abzuschalten, d.h. vom Stromabnehmer 26 zu trennen. Dies wird mittels des Hybridschalters S1 aus einer Parallelschaltung aus einer MOSFET-Back-to-Back- Schaltung 50 und einem Relais 54 und einer entsprechenden Steuerung z.B. gemäß Fig. 6 bewerkstelligt.
Der in der Strangbox 20 verbaute Hybridschalter S1 ist in der Lage den Photovoltaik- Strang 10 aufzutrennen und den Stromfluss zu unterbinden. Dies veranlasst die in dem vorliegenden Beispiel an den Photovoltaik-Modulen 12 verbauten Schutzschaltungen 14 (z.B. Phoenix Contact SCK-RSD-100) ebenfalls abzuschalten. Mit anderen Worten deaktivieren sich also in dem vorliegenden Beispiel dann automatisch die an den Photovoltaik-Modulen 12 verbauten Schutzschaltungen 14 und schalten die einzelnen Photovoltaik-Module 12 ab, so dass der gesamte Photovoltaik-Strang 10 nicht nur elektrisch von dem zentralen Sammelpunkt 22a, 22b getrennt wird, sondern auch keine berührgefährliche Spannung mehr führt.
Zum Starten des Photovoltaik-Strangs 10 werden über die Strangleitung 16
Startimpulse an die Schutzschaltungen 14 der Photovoltaik-Module 12 des zugehörigen Photovoltaik-Strangs 10 gesendet (Schritt 108), um den unbelasteten Photovoltaik-Strang 10 wieder zu aktivieren, aber noch nicht unmittelbar an den zentralen Sammelpunkt 22a, 22b anzuschließen. Danach wird die Prüfroutine mit Schritten 110-116 gemäß Fig. 6 durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein An- und Abschalten des zumindest einen Photovoltaik-Strangs 10 über eine (Modul-)übergeordnete Steuereinheit und stellt eine vorteilhafte Funktion für den Kunden dar, um nicht nur im Notfall, sondern auch z.B. zu
Wartungszwecken Photovoltaik-Stränge oder ganze Bereiche eines DC-Generators 2 abzuschalten.
Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Schalteinrichtung 38 auf kleinem Bauvolumen eine große Leistung bei geringer Verlustleistung geschaltet werden. Bevorzugt beträgt die nominelle Leistung des Photovoltaik-Strangs 10 mindestens 10 kW, welche von dem Hybridschalter S1 als Ganzes geschaltet werden kann. Die Verlustleitung des Hybridschalters S1 beträgt jedoch bei nominell 1000 V und 10 A kleiner oder gleich 10 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 2 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 W, wenn das Relais 54 den Strom kommutiert. Es werden die Vorteile der verschiedenen Schaltarten (elektromechanisch, Halbleiter) sinnvoll miteinander kombiniert. Beim Einschalten übernimmt die Halbleiterschalteinrichtung 50 den ersten Schaltvorgang um die bis zu 1000 V im ggf. kleinen Lastbereich (z.B. bis 500 mA) ein und wieder aus zu schalten. Hier wird der bezogen auf die DC- Anwendung wichtige Vorteil der Halbleiterschalteinrichtung 50 genutzt, große Spannungen ohne Funkenüberschlag schalten zu können. Nach dem Schalten der Halbleiterschalteinrichtung 50 geht es aber dann vorrangig darum, die Verlustleistung des fließenden Stromes in den Griff zu bekommen. Hierfür sind die Produktparameter eines Halbleiters nicht ideal geeignet, denn mit steigender Spannung an UBS steigt auch der interne Durchleitwiderstand RDS-on. Hierfür werden die Vorteile eines elektromechanischen Schalters in Form eines Relais 54 genutzt. Relais in kleiner Bauform sind zwar nicht in der Lage hohe Gleichspannungen zu trennen, aber dafür sind große Ströme bis z.B. 16 Ampere unproblematisch.
Beim Anschalten wird erst die Halbleiterschalteinrichtung 50, und dann zeitverzögert das Relais eingeschaltet 54. Beim Abschalten erfolgt dies entsprechend umgekehrt, ebenfalls mit Zeitverzögerung. Das Relais 54 schaltet somit sowohl beim Anschalten als auch beim Abschalten nur noch die verbleibende Restspannung, über der Halbleiterschalteinrichtung 50, bzw. den MOSFETs 52, kommutiert aber auf Grund des geringen Durchleitwiederstands fast den kompletten Strom. Somit ist die Schalteinrichtung 38 dazu geeignet 1000 V mit 10 A
Gleichspannung/Gleichstrom bei geringer Verlustleitung zu schalten. Somit können mit der Erfindung ein Photovoltaik-Strang 10 oder Teile des DC-Generators 2 baugrößenoptimal und kostenoptimal kontrolliert ein und aus geschaltet werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der
Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Claims

Photovoltaik-Anlage (1) umfassend:
zumindest einen Photovoltaik-Strang (10), wobei der zumindest eine
Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung erzeugen, eine Schalteinrichtung (38), welche seriell in die Strangleitung eingebaut ist, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten,
wobei die Schalteinrichtung (38) einen Hybridschalter (S1) mit einem Relais (54) und einer parallel zu dem Relais (54) geschalteten Halbleiterschalteinrichtung (50) mit zumindest einem Halbleiterschalter umfasst.
Photovoltaik-Anlage (1) nach Anspruch 1 ,
wobei der Hybridschalter (S1) einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand definiert und in dem geschlossenen Zustand photovoltaisch erzeugten Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang (10) zu einem Stromabnehmer durchleitet und in dem geöffneten Zustand die Durchleitung von photovoltaisch erzeugtem Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang (10) unterbricht, und
wobei eine Steuereinrichtung (42) umfasst ist, welche dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf eine Benutzereingabe den Hybridschalter (S1) benutzergesteuert zu öffnen.
Photovoltaik-Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Halbleiterschalter ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein MOSFET
(52) ist.
Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Hybridschalter (S1) dazu ausgebildet ist, in dem geöffneten Zustand den Stromfluss in beiden Richtungen zu unterbrechen. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Hybridschalter (S1) eine Parallelschaltung aus dem Relais (54) und einer Back-to-Back-Schaltung (50) aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere eine Parallelschaltung aus einem Relais (54) und einer Back-to-Back-Schaltung (50) aus zwei Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), umfasst.
Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Schalteinrichtung (38) dazu ausgebildet ist,
beim Anschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs (10) zunächst die Halbleiterschalteinrichtung (50), insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), zu schließen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach das Relais (54) zu schließen und/oder
beim Abschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs (10) zunächst das Relais (54) zu öffnen und erst nach einer zeitlichen Verzögerung danach die
Halbleiterschalteinrichtung (50), insbesondere den oder die Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), zu öffnen.
Photovoltaik-Anlage (1) nach Anspruch 6,
wobei die zeitliche Verzögerung beim Anschalten und/oder beim Abschalten kleiner oder gleich 2000 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 700 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 ms beträgt, zumindest wenn in dem Photovoltaik-Strang (10) ein Strangstrom fließt, der im Wesentlichen dem Nennstrom entspricht.
Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Schalteinrichtung (38) eine Steuereinrichtung (42) und eine mit der Steuereinrichtung (42) verbundene Sensoreinrichtung (46, 48) zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang (10) enthält, wobei die Steuereinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf die mit der
Sensoreinrichtung (46, 48) gemessene zumindest eine elektrische Kenngröße den zugehörigen Photovoltaik-Strang (10) an den Stromabnehmer elektrisch anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt, wobei die Sensoreinrichtung insbesondere umfasst: einen Eingangsspannungssensor (46), welcher die strangseitige Eingangsspannung (U1 ) an der Schalteinrichtung (38) misst und/oder
einen Ausgangsspannungssensor (48), welcher die stromabnehmerseitige Ausgangsspannung (U2) an der Schalteinrichtung (38) misst, und
wobei die Steuereinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung (U1 ) und/oder auf die gemessene stromabnehmerseitige Ausgangsspannung (U2) den zugehörigen Photovoltaik-Strang (10) an den zentralen Sammelpunkt (22a, b) elektrisch anzuschalten, wenn eine
Benutzerfreigabe vorliegt.
Photovoltaik-Anlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Schalteinrichtung (38) für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet ist, und/oder
wobei der Hybridschalter (S1 ) eine bezogen auf den Nennstrom des zumindest einen Photovoltaik-Strangs berechnete Verlustleistung von kleiner oder gleich 10 W, vorzugsweise von kleiner oder gleich 5 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 2 W, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 W erzeugt, wenn die Halbleiterschalteinrichtung (50) und das Relais (54) geschlossen sind, und/oder
wobei die Halbleiterschalteinrichtung (50) für eine DC-Schaltspannung von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% ausgebildet ist.
Photovoltaik-Anlage (1 ) nach einem der Ansprüche 3-9, wobei der oder die
Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs (52),
für eine Drain-Source-Spannung (VDS) von größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise von 1250 V +/- 30% und/oder
für einen Drain-Strom (ID) von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% ausgebildet sind.
11. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der Ansprüche 3-10,
wobei der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), ein Resistance-Drain-Source-On von größer oder gleich 100 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 300 mOhm, vorzugsweise größer oder gleich 500 mOhm, vorzugsweise von 690 mOhm +/- 40% aufweisen und/oder
wobei der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), eine bezogen auf den Nennstrom des zumindest einen Photovoltaik-Strangs (10) berechnete Verlustleistung von größer oder gleich 2 W, von größer oder gleich 5 W, von größer oder gleich 10 W, insbesondere von größer oder gleich 40 W erzeugen, wenn der oder die Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFETs (52), geschlossen sind und das Relais (54) geöffnet ist.
12. Photovoltaik-Anlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das Relais (54) für einen DC-Durchleitstrom von größer oder gleich 5 A, vorzugsweise größer oder gleich 8 A, vorzugsweise größer oder gleich 10 A, vorzugsweise von 12,5 A +/- 40% und/oder für einen DC-Schaltstrom von kleiner oder gleich 8 A, insbesondere kleiner oder gleich 6 A, insbesondere kleiner oder gleich 4 A, insbesondere von 2 A +/- 50% ausgebildet ist und/oder
wobei das Relais (54) eine maximale AC-Schaltspannung von kleiner oder gleich 800 V, insbesondere kleiner oder gleich 500 V, insbesondere von 400 V +/-50% aufweist.
13. Elektronisch gesteuerte Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung ausgebildet für den
Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Abschalten von zumindest einem Photo voltaik-Strang (10) von einem Stromabnehmer, wobei die Gleichstrom-Hybrid-Schalteinrichtung einen Hybridschalter (S1) aus einem Relais (54) und einer parallel zu dem Relais (54) geschalteten
Halbleiterschalteinrichtung (50) umfasst.
14. Verwendung einer Schalteinrichtung (38) umfassend einen Hybridschalter (S1) aus einem Relais (54) und einer parallel zu dem Relais (54) geschalteten Halbleiterschalteinrichtung (50), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum An- und Abschalten zumindest eines Teils eines Photovoltaik-Generators (2) im DC-Teil einer Photovoltaik- Anlage (1). 15. Verfahren zum benutzergesteuerten Abschalten und Wiederanschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) einer Photovoltaik-Anlage (1), insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte:
benutzergesteuertes Triggern (U ext. Start = Off) einer Schalteinrichtung (38) des zumindest einen Photovoltaikstrangs (10) durch ein Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang (10) von dem Stromabnehmer abzuschalten,
benutzergesteuertes Triggern (U ext. Start = On) der Schalteinrichtung (38) des zumindest einen Photovoltaik-Strangs (10) durch ein Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang (10) wieder an den Stromabnehmer anzuschalten,
gegebenenfalls in Ansprechen auf die Erfüllung weiterer Prüfbedingungen.
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