BE1024308B1 - Photovoltaik-Anlage, Schutzschaltung und Verfahren zum selbständigen Abschalten eines Photovoltaik-Strangs - Google Patents

Photovoltaik-Anlage, Schutzschaltung und Verfahren zum selbständigen Abschalten eines Photovoltaik-Strangs Download PDF

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BE1024308B1
BE1024308B1 BE2017/5277A BE201705277A BE1024308B1 BE 1024308 B1 BE1024308 B1 BE 1024308B1 BE 2017/5277 A BE2017/5277 A BE 2017/5277A BE 201705277 A BE201705277 A BE 201705277A BE 1024308 B1 BE1024308 B1 BE 1024308B1
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photovoltaic
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voltage
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photovoltaic system
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Wolfgang Höft
Andreas Stefan Ende
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage (1) mit einer Schalteinrichtung (38) zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), eine Sicherheitsschaltung zum selbständigen bzw. automatisierten Abschalten eines Teils der Photovoltaik-Anlage oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) sowie ein Verfahren zum selbständigen bzw. automatisierten Abschalten des Teils der Photovoltaik-Anlage oder des zumindest einen 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 (U1) erzeugen, eine Sensoreinrichtung (46) zum Messen einer elektrischen Kenngröße des Photovoltaik-Stranges (10), insbesondere der Strangspannung (U1), eine Schalteinrichtung (38), welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage (1) oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten, eine Steuereinrichtung (42), welche ausgebildet ist, die elektrische Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung (38) auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung (38) der zumindest eine Teil der Photovoltaik-Anlage oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang abgeschaltet werden kann.

Description

(30) Prioritätsangaben :
(73) Inhaber :
PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG
32825, BLOMBERG
Deutschland (72) Erfinder :
HÖFT Wolfgang 32683 BARNTRUP Deutschland
ENDE Andreas Stefan 31860 EMMERTHAL Deutschland (54) Photovoltaik-Anlage, Schutzschaltung und Verfahren zum selbständigen Abschalten eines Photovoltaik-Strangs (57) Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage (1) mit einer Schalteinrichtung (38) zum An- und Abschalten zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10), eine Sicherheitsschaltung zum selbständigen bzw. automatisierten Abschalten eines Teils der Photovoltaik-Anlage oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) sowie ein Verfahren zum selbständigen bzw. automatisierten Abschalten des Teils der Photovoltaik-Anlage oder des zumindest einen Photovoltaik-Strangs (10) der PhotovoltaikAnlage (1). Die Photovoltaik-Anlage (1) umfasst: zumindest einen Photovoltaik-Strang (10), wobei der
Figure BE1024308B1_D0001
zumindest eine Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung (Ul) erzeugen, eine Sensoreinrichtung (46) zum Messen einer elektrischen Kenngröße des PhotovoltaikStranges (10), insbesondere der Strangspannung (Ul), eine Schalteinrichtung (38), welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage (1) oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten, eine Steuereinrichtung (42), welche ausgebildet ist, die elektrische Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung (38) auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung (38) der zumindest eine Teil der Photovoltaik-Anlage oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang abgeschaltet werden kann.
BELGISCHES ERFINDUNGSPATENT
FÖD Wirtschaft, K.M.B., Mittelstand & Nummer der Veröffentlichung : 1024308 Energie Einreichungsnummer : BE2017/5277
Amt für Geistiges Eigentum Internat. Klassifikation : H02S 50/00
Datum der Erteilung am : 23/01/2018
Der Minister für Unternehmen,
Aufgrund des Pariser Vertrags vom 20. März 1883 zum Schutz des Gewerbliches Eigentums ;
Aufgrund des Gezetzes vom 28. März 1984 über Erfindungspatente, Artikel 22, für die Anträgen vor dem 22. September 2014 eingeführt;
Aufgrund des Titels I “Erfindungspatente” des Buches XI des Wirtschaftsgesetzbuches, Artikel XI.24, für die Anträgen ab 22. September 2014 eingeführt ;
Aufgrund des königlichen Erlasses vom 2. Dezember 1986 über die Anmeldung, die Erteilung und die Aufrechterhaltung von Erfindungspatenten, Artikel 28;
Aufgrund des Protokolls aufgenommen am 21/04/2017 beim Amt für Geistiges Eigentum.
In Erwägung, dass für Patentanmeldungen, die unter den Anwendungsbereich des Titels 1, Buch XI, des Wirtschaftgesetzbuches fallen, in Übereinstimmung mit Artikel XI.19, § 4, zweiter Absatz, des Wirtschaftsgesetzbuches, wenn die Patentanmeldung Gegenstand eines Recherchenberichts ist, in dem eine mangelnde Einheitlichkeit der Erfindung im Sinne des Paragraphen 1 erwähnt wird, und wenn der Anmelder seine Anmeldung nicht beschränkt und keine Teilanmeldung einreicht in Übereinstimmung des Recherchenberichts, das erteilte Patent beschränkt sein wird auf die Patentansprüche wofür der Recherchenbericht erstellt wurde.
BESCHLIEßT :
Artikel 1. - Es wird ein Erfindungspatent erteilt an :
PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, Flachsmarktstrasse 8, 32825 BLOMBERG Deutschland;
vertreten von :
für die Dauer von 20 Jahren, vorbehaltlich der Zahlung der Patentjahresgebühren erwähnt in Artikel XI.48, §1 des Wirtschaftsgesetzbuches, für : Photovoltaik-Anlage, Schutzschaltung und Verfahren zum selbständigen Abschalten eines Photovoltaik-Strangs.
ERFINDER :
HÖFT Wolfgang, Breslauer Ring 9, 32683, BARNTRUP;
ENDE Andreas Stefan, Ländert 31, 31860, EMMERTHAL;
PRIORITÄT(EN) :
ABSPALTUNG :
Teilantrag des früheren Antrags : Anmeldetag des früheren Antrags :
Artikel 2. - Dieses Patent wird erteilt ohne jede vorherige Prüfung der Patentfähigkeit der Erfindung, ohne Garantie des Verdienstes der Erfindung oder der Genauigkeit derer Beschreibung und auf eigene Gefahr des Patentanmelders/der Patentanmelder.
Brüssel, den 23/01/2018, In besonderer Vertretung :
BE2017/5277
Photovoltaik-Anlage, Schutzschaltung und Verfahren zum selbständigen
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 in Ansprechen auf die Vorgabe durch eine Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zum selbständigen Abschalten zumindest eines Teiles der Photovoltaik-Anlage oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs der Photovoltaik-Anlage.
Hintergrund der Erfindung
Eine Photovoltaik-Anlage umfasst typischerweise eine Vielzahl von PhotovoltaikModulen, 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 bzw. des Photovoltaik-Generators besteht bei Wartung oder bei Störfällen, wie z.B. bei einem Brand, die Gefahr, dass Personen lebensgefährlichen Spannungen ausgesetzt sein könnten.
Darüber hinaus ist die von einer Photovoltaik-Anlage erzeugte Anlagenspannung bzw. die von jedem einzelnen Photovoltaik-Modul abgegebene Modulspannung abhängig von verschiedenen Umgebungsbedingungen wie insbesondere der Temperatur. Die Modulspannung unterliegt regelmäßig einem Temperaturgradienten, wobei die Modulspannung mit sinkender Temperatur steigt. Eine Photovoltaik-Anlage ist daher typischerweise für die widrigsten Umgebungsbedingungen auszulegen, die am Installationsort möglicherweise auftreten können, so dass die Photovoltaik-Anlage in günstigen Bedingungen, d.h. ein hohes Maß an Sonneneinstrahlung bei dann warmen Photovoltaik-Modulen, typischerweise entfernt von ihren optimalen Arbeitsbedingungen arbeitet, um eventuelle Überspannungen sicher auszuschließen.
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Schließlich ist es regelmäßig im Anlagenbau von Photovoltaik-Anlagen zu berücksichtigen, dass bereits bei der Auslegung der Photovoltaik-Anlage oder aber bei der Zusammenschaltung der Photovoltaik-Module zu Fehlern kommen kann, wodurch Überspannungen in einzelnen Strängen der Photovoltaik-Anlage hervorgerufen werden können, die aus den vorgenannten Gründen auch eine Gefährdung darstellen können und beispielsweise zu Stromschlägen odereinem Brand führen können.
Es 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 weiteren deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin ist eine Strangabschaltvorrichtung zur Einzelstrangabschaltung in einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage beschrieben.
Die vorliegende Erfindung baut auf die vorgenannten Erfindungen auf, weshalb der Offenbarungsgehalt der DE 10 2016 117 049 sowie der weiteren eingereichten Patentanmeldungen (Anwaltsaktenzeichen 16PH 0346DEP und 16PH 0439DEP) hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
Ferner baut die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis auf, dass um z.B. einen Photovoltaik-Strang aus einem Verbund einer Parallelschaltung von Strängen bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage elektrisch zu trennen, ein geeigneter DC-Trenner erforderlich ist.
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
BE2017/5277 übergeordnete Fernsteuerung typischerweise nicht möglich ist. Außerdem sind solche handbetätigten DC-Haupttrennschalter vom Bauvolumen her groß und kostenintensiv und überdies auch nicht schnell schaltbar. Es sind auch motorbetriebene Notschalter bekannt, allerdings sind diese ebenfalls platz- und kostenintensiv. Eine selektive Freischaltung einzelner Photovoltaik-Stränge oder gar Teile eines Photovoltaik-Stranges 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 und dies die Grundlage für zahlreiche Anwendungsfälle bietet.
Die vorliegende Erfindung hat sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe gestellt, eine Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die Überspannungen besonders in einzelnen PhotovoltaikSträngen, ggf. in Teilen von Photovoltaik-Strängen oder in einer Mehrzahl von PhotovoltaikSträngen, beispielsweise verursacht durch Fehlplanung, Fehler bei der Installation oder durch klimatische Einflüsse wie insbesondere der Temperatur, bereits auf Strangebene sicher zu verhindern. Die hierfür angepasste Mess- und Schalteinrichtung ist bei den in PhotovoltaikAnlagen typischen DC-Strangspannungen und DC-Strangströmen kostengünstig, zuverlässig und
BE2017/5277 langlebig, weist eine geringe Verlustleistung auf und kann in kleinem Bauraum untergebracht werden. Diese Mess- und Schalteinrichtung ist ggf. auch dafür geeignet, in vorhandene Photovoltaik-Anlagen nachgerüstet zu werden.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die eine Erhöhung der Abgabeleistung bereits auf Strangebene der PhotovoltaikAnlage im Vergleich zu bekannten Photovoltaik-Anlagen erlaubt, ohne die Sicherheit hinsichtlich möglicher Überspannungen einzuschränken.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzschaltung für eine Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die bereits auf Strangebene vor Überspannungen wirksam schützt und erlaubt, die Abgabeleistung auf Strangebene der Photovoltaik-Anlage zu erhöhen.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum selbständigen Abschalten bevorzugt eines Photovoltaik-Strangs, oder eines Teils eines Photovoltaik-Strangs oder einer Mehrzahl von Photovoltaik-Strängen, einer Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, das ein hohes Maß an Sicherheit bietet indem es vor Überspannungen schützt; Ferner bietet das Verfahren eine hohe Flexibilität, z.B. bei der Wartung, und ist für den Benutzer komfortabel zu bedienen.
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, wobei der zumindest eine Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine gemeinsame bzw. addierte Strangspannung erzeugen. Sie liefern 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). 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 erfindungsgemäße Photovoltaik-Anlage umfasst ferner eine Sensoreinrichtung zum Messen einer elektrischen Kenngröße des Photovoltaik-Stranges, insbesondere der
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Strangspannung, eine Schalteinrichtung, welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung an- und abzuschalten, sowie eine Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, die elektrische Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung der zumindest eine Teil des Photovoltaik-Strangs oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang abgeschaltet werden kann.
Photovoltaik-Anlagen sind je nach Einsatzort verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Je nach Temperaturgradient der einzelnen Solarzelle ändert sich vor allem aufgrund entsprechend der Umgebungstemperatur bzw. der Modultemperatur die Offenspannung und die Leistungsabgabe des Photovoltaik-Moduls. Ein beispielhafter und typischer Wert für den Temperaturgradienten bei der Offenspannung ist -0,4%/K. Dies bedeutet, dass PhotovoltaikAnlagen typischerweise mit einem „Sicherheitsabstand“ von einigen hundert Volt zum vorgenannten derzeitigen Spannungslimit von 1000 V bzw. 1500 V geplant und ausgeführt werden. Beispielsweise darf auch an besonders kalten Wintertagen keinesfalls die Leerlaufspannung eines Photovoltaik-Strangs das Spannungslimit überschreiten.
Jedoch treten höhere Verluste bei kleinen Spannungen und hohen Strömen auf, so dass eine mit einer höheren Spannung und ggf. demgegenüber kleineren Strömen arbeitende Photovoltaik-Anlage nicht nur eine höhere Leistung durch eine größere Zahl an PV-Modulen aufweisen kann, sondern auch mit einem besseren Wirkungsgrad arbeitet.
Auf Modulebene mit einer typischen Nenn-Leerlaufspannung von 37 V kann der temperaturbedingte Spannungsunterschied beispielsweise zwischen einer kalten Winternacht mit -20°C und Modultemperaturen im Sommer unter direkter Sonneneinstrahlung von +65°C, also bei einem Temperaturhub von 85 K, Werte von typisch 12,58 V bei vorgenanntem Temperaturgradienten erreichen. Dies entspricht 34% der Nenn-Leerlaufspannung. In einem typischen Photovoltaik-Strang von 25 Modulen summiert sich die Spannungsdifferenz in dem vorgenannten Beispiel auf 314,5 Volt. Die Anlage muss also entsprechend ausgelegt werden, dass im Winter keinesfalls das Spannungslimit von beispielsweise 1000 V überschritten wird.
Dies kostet der Photovoltaik-Anlage im Sommer viel Leistungspotential, das nicht ausgeschöpft werden kann, da die Anlage mit einer deutlich niedrigeren Strangspannung betrieben wird, um mögliche Überschläge oder einen Brand der Solaranlage sicher zu vermeiden.
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Da jedoch im Sommer stets der meiste Ertrag gesammelt wird und die PhotovoltaikAnlage im Winter aufgrund der geringen Sonneneinstrahlung, dem konstruktiv festgelegten Winkel der PV-Module zur Sonne und je nach Standort auch durch Abschattung und Schneebedeckung in Summe deutlich weniger Leistung abgibt, ist es wirtschaftlich sinnvoll, den zumindest einen Photovoltaik-Strang oder die gesamte Photovoltaik-Anlage an wenigen Tagen im Winter abzuschalten, wenn eine Überspannung droht, und an diesen Tagen auf den verhältnismäßig geringen Ertrag zu verzichten. Im Sommer kann dagegen der Ertrag optimiert werden, so dass der potentielle Ausfall im Winter schnell ausgeglichen wird.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Anlage ist aber auch vor Überspannungen geschützt, wenn die Anlage beispielsweise nicht von Fachpersonal geplant wird und bei der Planung oder dem Aufbau der Photovoltaik-Anlage Fehler passieren. Beim Überschreiten eines vordefinierten Schwellenwertes, typischerweise des Spannungslimits von 1000V oder 1500 V, ist die erfindungsgemäß geschützte Photovoltaik-Anlage so ausgelegt, dass der Teil des Photovoltaik-Strangs oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang abgeschaltet wird. Dies hat ebenfalls Bedeutung für den Fall, dass die Photovoltaik-Anlage von einem äußeren Signal, beispielsweise über ein vom Wechselrichter gesteuertes Kommunikationssignal, ein- und ausgeschaltet werden kann und der Anlagenbetreiber die unmittelbare Anschaltung nicht mehr beeinflusst.
Die Photovoltaik-Anlage kann ferner eine weitere Sensoreinrichtung umfassen, insbesondere einen Umgebungstemperatursensor zum Messen der Umgebungstemperatur der Photovoltaik-Anlage oder einen Modultemperatursensor zum Messen zumindest einer Modultemperatur der Photovoltaik-Module, wobei das Messsignal der Sensoreinrichtung an die Steuereinrichtung ausgegeben und von der Steuereinrichtung mit ausgewertet wird.
Die Umgebungs- oder Modultemperatur kann in einem einfachen Beispiel herangezogen werden, um den Grund der Abschaltung des Photovoltaik-Stranges zu protokollieren. Mit der Ermittlung der Umgebungs- oder Modultemperatur kann allerdings auch eine drohende Überschreitung eines Schwellenwertes, also typischerweise einer zu erwartenden Überschreitung des Spannungslimits von 1000 V oder 1500 V, antizipiert werden. Wenn eine Überschreitung des Schwellenwertes zu erwarten ist, kann dann eventuell bereits vorbeugend oder auch erst bei Überschreiten des Schwellenwertes nur ein Teil eines Photovoltaik-Stranges abgeschaltet werden, so dass die verbleibenden Solarmodule des Photovoltaik-Stranges weiter eine Leistung abgeben können. Die Umgebungs- oder Modultemperatur kann schließlich aber
BE2017/5277 auch zur Überwachung der gemessenen Strangspannung protokolliert werden und ggf. damit die Korrektheit der Spannungsmessung durch die Sensoreinrichtung damit überprüft werden.
Die Photovoltaik-Anlage kann ferner einen der Steuereinrichtung zugeordneten Speicherbereich zum Ablegen des Schwellenwertes aufweisen. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall dazu ausgebildet sein, für den Vergleich der elektrischen Kenngröße des zumindest einen Photovoltaik-Stranges mit dem Schwellenwert auf den Speicherbereich zuzugreifen, um diesen auszulesen. Bevorzugt ist der im Speicherbereich abgelegte Schwellenwert durch Benutzereingabe veränderbar, so dass auf sich ändernde Anforderungen, beispielsweise eine Änderung des Spannungslimits, mit einfachen Mitteln reagiert werden kann und in diesem Fall ggf. keine neue Schaltung benötigt würde.
Die Schalteinrichtung der Photovoltaik-Anlage ist seriell in die Strangleitung eingebaut, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung an- und abzuschalten, d.h. den zumindest einen Photovoltai k-Strang von dem Stromabnehmer, z.B. von einem zentralen Sammelpunkt oder von einem Wechselrichter, elektrisch zu trennen.
Die Schalteinrichtung der Photovoltaik-Anlage umfasst bevorzugt 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 PhotovoltaikStrang erzeugten Strangstrom.
Beim Anschalten des Photovoltaik-Strangs mit der bevorzugten Schalteinrichtung schaltet also insbesondere die Halbleiterschalteinrichtung den Photovoltai k-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
BE2017/5277 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 weist ferner bevorzugt einen Hybridschalter mit einem Relais und einer parallel zu dem Relais geschalteten Halbleiterschalteinrichtung mit zumindest einem Halbleiterschalter auf.
Der Hybridschalter kann einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand definieren, wobei in dem geschlossenen Zustand photovoltaisch erzeugter Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang zu einem Stromabnehmer durchgeleitet wird und der Hybridschalter in dem geöffneten Zustand die Durchleitung von photovoltaisch erzeugtem Strom aus dem zumindest einen Photovoltaik-Strang unterbricht. Die Steuereinrichtung kann dann insbesondere ferner dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf eine Benutzereingabe den Hybridschalter benutzergesteuert zu öffnen.
Der Hybridschalter kann in einer Ausführungsform 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 FeldeffektTransistoren, vorzugsweise MOSFETs, umfassen.
Die Schalteinrichtung, die Steuereinrichtung und die mit der Steuereinrichtung verbundene Sensoreinrichtung zum Messen der elektrischen Kenngröße des zumindest einen zugehörigen Photovoltaik-Stranges ist in einer bevorzugten Ausführungsform in einem gemeinsamen Schalteinrichtungsgehäuse beherbergt.
In einem weiteren Beispiel kann die Steuereinrichtung 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.
Die Sensoreinrichtung kann im Übrigen beispielsweise einen Eingangsspannungssensor umfassen, welcher die strangseitige Eingangsspannung U1 an der
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Schalteinrichtung misst, d.h. die Strangspannung. Ferner kann die Sensoreinrichtung einen Ausgangsspannungssensor, welcher die stromabnehmerseitige Ausgangsspannung U2 an der Schalteinrichtung misst, umfassen.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung U1 und/oder auf die gemessene stromabnehmerseitige Ausgangsspannung U2 den zugehörigen Photovoltaik-Strang an den zentralen Sammelpunkt elektrisch anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt.
Der Schwellenwert ist insbesondere eine Schwellenspannung für die Strangspannung des zumindest einen Photovoltaik-Stranges. Der Wert der Schwellenspannung ist bevorzugt größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise 1250 V +/- 30%. In typischen aktuellen Anwendungsfällen in Deutschland könnte die Schwellenspannung beispielsweise auf 1000 V oder 1500 V entsprechend der derzeit gültigen Normen gesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist auch eine Schutzschaltung, die ausgebildet ist für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage zum Abschalten eines Teils eines Photovoltaik-Strangs oder von zumindest einem Photovoltaik-Strang einer Photovoltaik-Anlage von einem Stromabnehmer. Die Schutzschaltung kann so hergerichtet sein, dass diese als einfache Nachrüstoption für bestehende Solaranlagen eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Schutzschaltung umfasst eine Sensoreinrichtung zum Messen einer elektrischen Kenngröße des Photovoltaik-Stranges, insbesondere der Strangspannung, eine Schalteinrichtung, welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang mit der Schalteinrichtung von einem Stromabnehmer an- und abzuschalten sowie eine Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, die elektrische Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung der zumindest eine Teil des Photovoltaik-Strangs oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer abgeschaltet werden kann.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum selbständigen oder auch „automatisierten“ Abschalten zumindest eines Teils einer Photovoltaik-Anlage oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage, wobei der zumindest eine PhotovoltaikStrang durch Photovoltaik-Module gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell
BE2017/5277 miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung erzeugen. Das Verfahren umfasst die Schritte Festlegen einer Schwellenspannung, Messen der in dem zumindest einen PhotovoltaikStrang erzeugten aktuellen Strangspannung mit einer Sensoreinrichtung, Vergleichen der aktuellen Strangspannung mit der Schwellenspannung und bei Überschreiten der Schwellenspannung durch die aktuelle Strangspannung automatisches Triggern (U ext. Start =
Off) einer Schalteinrichtung durch ein Triggersignal, um den zumindest einen Photovoltaik-Strang oder den Teil eines Photovoltaik-Strangs von dem Stromabnehmer abzuschalten.
Bei dem Verfahren zum selbständigen Abschalten zumindest eines Teiles einer Photovoltaik-Anlage oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs einer Photovoltaik-Anlage kann die festgelegte Schwellenspannung in einem Speicherbereich einer Steuereinrichtung abgelegt sein. In dieser Ausführung ist der Schwellenwert besonders leicht digital zugänglich und ggf. mit programmatischen Mitteln veränderbar, so dass eine Anpassung an Spannungsvorgaben oder an sich ändernden Umgebungsbedingungen oderdgl. mittels „Update“ geändert werden kann.
Die selbständig abgeschaltete Photovoltaik-Anlage kann beispielsweise mittels Triggern (U ext. Start = On) der Schalteinrichtung des zumindest einen Photovoltaik-Strangs durch ein Triggersignal wieder an den Stromabnehmer angeschaltet werden, um den Teil des PhotovoltaikStrangs oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang wieder anzuschalten.
Es kann vorteilhaft sein, die Umgebungstemperatur bzw. die Modultemperatur für das Verfahren zu berücksichtigen. Das Verfahren kann in einer Ausführungsform daher die weiteren Schritte Messen der Umgebungstemperatur bzw. der Modultemperatur mit der Sensoreinrichtung und Berücksichtigen der gemessenen Umgebungstemperatur bzw. Modultemperatur bei dem Vergleichen der aktuellen Strangspannung mit der Schwellenspannung oder bei dem Wiederanschalten des Teils des Photovoltaik-Strangs oder des zumindest einen PhotovoltaikStrangs umfassen.
Die Schalteinrichtung ist im Gleichstromteil des Photovoltaik-Generators, vorzugsweise vor dem zentralen Sammelpunkt eingebaut und schaltet hier den zumindest einen PhotovoltaikStrang 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
BE2017/5277 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 oder automatisiert 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-Modulüberbergreifenden 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
BE2017/5277 die zugehörige Schalteinrichtung bzw. die zugehörigen Schalteinrichtungen den bzw. die zugehörigen Photovoltaik-Stränge abschaltet bzw. abschalten. Die Strangbox kann besonders vorteilhaft auch durch ein Signal von der Schutzschaltung oder durch ein in der Strangbox von der Steuereinrichtung erzeugten Signal den Photovoltaik-Strang 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 PhotovoltaikStrangs. 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 PhotovoltaikStrang 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 PhotovoltaikStränge 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 Photovoltai k-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
BE2017/5277 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 erzeugtes 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.
Weiter vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein selbständig bzw. automatisiert erzeugtes Strangabschalt-Triggersignal in Ansprechen auf das Signal der Sensoreinrichtung zu erzeugen, also typischerweise in Ansprechen auf die Strangspannung, 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 schaltende oder schaltbare und/oder elektronisch gesteuerte Schalteinrichtung.
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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 PhotovoltaikStrang 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 FeldeffektTransistor, 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 Photovoltaikunterbrochen werden. Dies ist bei Multistrang-Photovoltaik-Anlagen besonders vorteilhaft, für die vorliegend beanspruchte Erfindung jedoch optional.
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Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Hybridschalter eine Back-to-BackSchaltung aus zwei Halbleiterschaltern bzw. Transistoren, insbesondere eine Back-to-BackSchaltung 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-BackSchaltung 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
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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 l_min überschreitet, bzw. nach einer zeitlichen Verzögerung nachdem der durch die Strangleitung fließende photovoltaisch erzeugte Strom I einen vordefinierten Schwellenwert l_min 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
BE2017/5277 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
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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 Photovoltai k-Generators der von der Schalteinrichtung geschaltet wird, also insbesondere der zugehörige Photovoltai k-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
BE2017/5277 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 Schalteinrichtung 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
BE2017/5277 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 PhotovoltaikModule 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
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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 MultistrangPhotovoltaik-Anlage wirkt, verhindert diese zusätzlich, dass ein Querstrom so groß wird, dass sich die Richtung des Stromflusses in dem zugehörigen Photovoltai k-Strang umkehrt, d.h. ein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltai k-Strang fließt. Das kann insbesondere mit der Back-to-Back-Schaltung aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere der Back-to-BackSchaltung aus zwei Feldeffekttransistoren, z.B. MOSFETs, erreicht werden. In vorteilhafter weise können also unerwünschte Rückströme verhindert werden, welche ansonsten entstehen könnten, wenn der zugehörige Photovoltai k-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 PhotovoltaikStrangs 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 Photovoltai k-Strangs aufweist. Ferner vorzugsweise weist die Schalteinrichtung am sammelpunktseitigen Ausgang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol und einen MinuspolAnschluss für den Minuspol der Verlängerung der Strangleitung, die zu dem zentralen Sammelpunkt führt, auf. Die Anschlüsse an dem Gehäuse sind vorzugsweise als PhotovoltaikSteckverbinder, 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 PhotovoltaikStrangs und den zentralen Sammelpunkt bzw. den gemeinsamen Wechselrichter eingefügt werden kann, um eine vorhandene Multistrang-Photovoltaik-Anlage nachzurüsten.
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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
BE2017/5277 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 IO. Der vordefinierte Schwellenwert IO 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 IO ausgewählt wird aus einem Intervall [11,12], wobei 11 ein negativer Sicherheitswert ist, bei welchem der zugehörige PhotovoltaikStrang beschädigt werden könnte und I2 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
BE2017/5277 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
BE2017/5277 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 Photovoltai k-Strangs einen vordefinierten Schwellenwert U_min übersteigt, z.B. um zu gewährleisten, dass der zugehörige Photovoltai k-Strang zu diesem Zeitpunkt eine hinreichende Leistung erzeugen kann.
Die Schalteinrichtung verbindet im geschlossenen Zustand den zugehörigen Photovoltai k-Strang elektrisch mit dem Stromabnehmer und unterbricht im offenen Zustand die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltai k-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 Photovoltai k-Strangs im Normalzustand der Schalteinrichtung zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltai k-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 Photovoltai k-Stränge, vorzugsweise in allen Photovoltai k-Strängen, jeweils Schutzschaltungen aufweisen, mittels welchen die Photovoltaik-Module einzeln von dem zugehörigen Photovoltai k-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 welche 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 Photovoltai k-Strang eine Startschaltung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, solche oder andere Schutzschaltungen der einzelnen Photovoltaik-Module des zugehörigen Photovoltai k-Strangs wieder zu aktivieren. Solche Startschaltungen für die Photovoltai k-Stränge sind in der WO2014/122325 A1 genauer beschrieben, auf welche hiermit Bezug genommen und welche diesbezüglich hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
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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-Modulübergreifenden Schalteinrichtung bzw. Strangbox ausgerüstet.
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.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Photovoltaik-Anlage mit parallelen Photovoltaik-Strängen,
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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 MOSFETBack-to-Back-Schaltung,
Fig. 5 einen Schaltplan für ein Schaltnetzteil zur Ansteuerung der MOSFET-Back-to-BackSchaltung,
Fig. 6 ein schematisches Ablaufdiagramm für das Starten, Überwachen und Abschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm für das Starten, Prüfen, Überwachen 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 PhotovoltaikStrang 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
BE2017/5277 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.
Die Strangbox 20 weist in diesem Beispiel einen Modultemperatursensor 49b auf, um die unmittelbare Temperatur des Photovoltaik-Moduls 12 zu messen und diese oder eine daraus abgeleitete Information an die Steuereinrichtung weiterzuleiten.
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 PhotovoltaikStrang 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
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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, 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 PhotovoltaikStrangs 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
BE2017/5277 des Photovoltai k-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 Photovoltai k-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 Photovoltai k-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 Photovoltai k-Strangs 10 entweder größer ist als die Wechselrichterspannung U2 oder nur um einen vorbestimmten Schwellenwert U0 (geringfügig) kleiner ist als die Wechselrichterspannung U2. Mit anderen Worten ist eine Schaltbedingung für den seriellen Hybridschalter S1 zum elektrischen Anschalten des Photovoltai k-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 Photovoltai k-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 Photovoltai k-Strangs 10. Erst wenn eine solche Schaltbedingung, welche von elektrischen Kenngrößen des zugehörigen Photovoltai k-Strangs 10 und ggf. den anderen Photovoltaiksträngen abhängt, erfüllt ist, steuert die Steuereinrichtung 42 den seriellen
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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 U_min liegt, wobei U_min 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-DrainSource-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 lnom = 10 A eine rechnerische Verlustleistung Pvl = RDS-on * (lnom)2, d.h. in
BE2017/5277 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-BackSchaltung 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:
Pol 16A,
Form A (NO) Kontakt (AgSnO2 or W pre-make contact + AgSnO2) mono- oder bistabile Spule 5kV/10mm Spulenkontakt verstärkte Isolation
WG Version: Produkt gemäß IEC60335-1
RTS3T: Elektronischer Ballast UL508/NEMA410 bewertet RTS3T : 165/20ms Einschaltspitzenstrom
Kontaktdaten
Kontaktanordnung Nennspannung Max. Schaltspannung Nennstrom
Begrenzender Dauerstrom Begrenzender Einschaltstrom,
RT.3T RTS3L
Form A (NO) Kontakt
250VAC
400VAC
16A
16A, UL: 20A(RTS3L)
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max. 20ms (Glühlampen) 165A peak 120A pea
max. 200ps 800A peak
Schaltleistung max. 4000VA
Kontaktmaterial W (pre-make cont.) +AgSnO2 AgSnO2
Kontaktart pre-make contact single conte
Betriebsfrequenz, mit/ohne Last 360/3600h-1
Betriebs-/Auslösezeit max., DC Spule 10/5ms
Betriebs-/Rückstellzeit max., bistable version 10/10ms
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:
Vos: 1200 V
RDS-on max. 690 mOhm Id 12A
Ptot 250 W
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 MOSFETBack-to-Back-Schaltung 50, sowie der zugehörigen Ansteuerelektronik kann der PhotovoltaikStrang sicher und langfristig an und abgeschaltet werden.
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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 = Off1 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.
Ferner weist die Strangbox 20 in der gezeigten Ausführung einen Speicher 43 auf, der der Steuereinrichtung 42 zugeordnet und für die Speicherung eines Schwellenwertes vorgesehen ist.
Die Strangbox 20 kann optional auch einen Umgebungstemperatursensor 49a aufweisen, mit der die Umgebungstemperatur gemessen wird, um beispielsweise die Beeinflussung der Umgebungstemperatur auf die Strangspannung U1 zu erfassen.
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-BackSchaltung 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
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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-Backto-Back-Schaltung 50/52 verbunden sind.
Bezug nehmend auf Fig. 6 läuft eine einfache Start-, Überwachungs- und Abschaltsequenz der Schalteinrichtung 38 beispielsweise folgend ab.
Zum Systemstart bei 102 ist der Photovoltai k-Strang 10,10‘ von dem Stromabnehmer 26 elektrisch getrennt. Der Photovoltai k-Strang 10 wird gestartet, indem die zugehörigen Photovoltaik-Module 12 elektrisch angeschaltet werden, woraufhin die Strangspannung U1 steigt.
Der Photovoltai k-Strang 10 wird elektrisch mit dem Stromabnehmer 26 verbunden.
Im Betrieb des Photovoltaik-Strangs 10, aber ggf. auch schon vor Anschaltung des Photovoltaik-Strangs 10 an den Stromabnehmer 26, wird die Strangspannung U1 im Schritt 113 kontinuierlich, d.h. typischerweise in festgelegten Prüfintervallen, gemessen. Die von der Sensoreinrichtung 46, also insbesondere dem Strangspannungssensor 46 gemessene Strangspannung U1 oder ein daraus abgeleitetes Signal wird an die Steuereinrichtung 42 weitergeleitet, welche im Schritt 115 prüft, ob die Strangspannung U1 unter dem Schwellenwert, d.h. in diesem Beispiel unterhalb von 1000 V DC liegt. Ist dies nicht der Fall, läuft der Betrieb weiter und eine nächste Spannungsmessung kann im vorgegebenen Prüfintervall stattfinden.
Stellt jedoch die Steuereinrichtung in Schritt 115 fest, dass die elektrische Kenngröße des Photovoltaik-Strangs 10, also insbesondere die Strangspannung U1, den Schwellenwert überschreitet, wird ein Triggersignal zur Stringabschaltung erzeugt und an die Schalteinrichtung 38 ausgegeben. Es erfolgt in Schritt 118 die Strangabschaltung. Nach Abschaltung des Photovoltaik-Strangs 10 von dem Stromabnehmern 26 geht die Photovoltaik-Anlage 1 in Schritt 120 in den ausgeschalteten Zustand .
Bezug nehmend auf Fig. 7 läuft die Start- und Abschaltsequenz der Schalteinrichtung 38 mit Überwachung der Strangspannung beispielweise wie folgt ab.
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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 l_min, wobei l_min 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 > l_min erfüllt, steuert der Mikrocontroller 42 im Schritt 112b den seriellen
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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-toBack-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.
Weiter wird während des Produktionsbetriebs in einem Überwachungsschritt 115 insbesondere in regelmäßigen Prüfintervallen die Eingangsspannung U1 von der Sensoreinrichtung 46 überwacht. Die gemessene Spannung oder eine davon abgeleitete Größe wird an die Steuereinrichtung 42 ausgegeben, welche diesen Wert mit dem in dem Speicherbereich 43 der Steuereinrichtung 42 abgelegten Schwellenwert US vergleicht. Ist die
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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) OR d) = 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) oder die Strangspannung U1 größer ist als die Schwellenspannung US, 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
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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.
Gegebenenfalls kann die Überwachung mit Schritt 115 auch so logisch verknüpft sein, dass eine Überschreitung der Schwellenspannung US bei einem positiven Ergebnis ebenfalls mit Schritt 118 der Meldeausgang getoggelt wird und eine Fehlermeldung für den Benutzer ausgegeben wird. Dies ist beispielsweise im Rahmen der Installation der Photovoltaikanlage sinnvoll, da in diesem Fall eine Überspannung eher einer fehlerhaften Installation zuzuordnen sein mag und eine Überspannung in diesem Fall den Betrieb der Photovoltaik-Anlage vollständig beendet.
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-BackSchaltung 50 und einem Relais 54 und einer entsprechenden Steuerung z.B. gemäß Fig. 7 bewerkstelligt.
Der in der Strangbox 20 verbaute Hybridschalter S1 ist in der Lage den PhotovoltaikStrang 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
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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. 7 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 wiederaus zu schalten. Hier wird der bezogen auf die DCAnwendung 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, überder 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
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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 5 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.
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Claims (16)

  1. Patentansprüche:
    1. Photovoltaik-Anlage (1) umfassend:
    zumindest einen Photovoltai k-Strang (10), wobei der zumindest eine Photovoltai k-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung (U1) erzeugen, eine Sensoreinrichtung (46) zum Messen einer elektrischen Kenngröße des Photovoltai k-Stranges (10), insbesondere der Strangspannung (U1), eine Schalteinrichtung (38), welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage (1) oder den zumindest einen PhotovoltaikStrang mit der Schalteinrichtung (38) an- und abzuschalten, eine Steuereinrichtung (42), welche ausgebildet ist, die elektrische Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung (38) auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung (38) der zumindest eine Teil der Photovoltaik-Anlage oder der zumindest eine Photovoltai k-Strang abgeschaltet werden kann.
  2. 2. Photovoltaik-Anlage (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine weitere Sensoreinrichtung (49), insbesondere einen Umgebungstemperatursensor (49a) zum Messen der Umgebungstemperatur der Photovoltaik-Anlage (1) oder einen Modultemperatursensor (49b) zum Messen zumindest einer Modultemperatur der Photovoltaik-Module (12), wobei das Messsignal der Sensoreinrichtung an die Steuereinrichtung ausgegeben und von der Steuereinrichtung mit ausgewertet wird.
  3. 3. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen der Steuereinrichtung (42) zugeordneten Speicherbereich (43) zum Ablegen des Schwellenwertes, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, für den Vergleich der elektrischen Kenngröße des zumindest einen Photovoltai k-Stranges (10) mit dem Schwellenwert auf den Speicherbereich zuzugreifen,
    BE2017/5277 wobei insbesondere der im Speicherbereich abgelegte Schwellenwert durch
    Benutzereingabe veränderbar ist.
  4. 4. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, 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.
  5. 5. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, 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 die Steuereinrichtung (42) insbesondere dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf das auf den Spannungsvergleich generierte Signal den Hybridschalter (S1) selbständig bzw. automatisiert zu öffnen oder in Ansprechen auf eine Benutzereingabe den Hybridschalter (S1) benutzergesteuert zu öffnen.
  6. 6. 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.
  7. 7. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (38), die Steuereinrichtung (42) und die mit der Steuereinrichtung (42) verbundene Sensoreinrichtung (46,48) zum Messen der Strangspannung des zumindest einen zugehörigen Photovoltaik-Stranges (10) in einem gemeinsamen Schalteinrichtungsgehäuse beherbergt.
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  8. 8. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, in Ansprechen auf die mit der Sensoreinrichtung (46,48) gemessene zumindest eine elektrische Kenngröße den zugehörigen Photovoltai k-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 Photovoltai k-Strang (10) an den zentralen Sammelpunkt (22a,b) elektrisch anzuschalten, wenn eine Benutzerfreigabe vorliegt.
  9. 9. Photovoltaik-Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schwellenwert eine Schwellenspannung für die Strangspannung des zumindest einen Photovoltai k-Stranges (10) ist, und wobei die Schwellenspannung größer oder gleich 300 V, vorzugsweise größer oder gleich 600 V, vorzugsweise größer oder gleich 800 V, vorzugsweise 1250 V +/- 30% beträgt.
  10. 10. Schutzschaltung ausgebildet für den Gleichstromteil einer Photovoltaik-Anlage (1), insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zum Abschalten eines Teils der Photovoltaik-Anlage oder von zumindest einem Photovoltai k-Strang (10) der PhotovoltaikAnlage von einem Stromabnehmer (26), wobei die Schutzschaltung eine Sensoreinrichtung (46,48) zum Messen einer elektrischen Kenngröße des Photovoltai k-Stranges (10), insbesondere der Strangspannung (U1 ), eine Schalteinrichtung (38), welche in die Strangleitung eingebaut ist, um zumindest einen Teil der Photovoltaik-Anlage (1) oderden zumindest einen Photovoltai k-Strang mit der Schalteinrichtung (38) von einem Stromabnehmer an- und abzuschalten sowie eine Steuereinrichtung (42), welche ausgebildet ist, die elektrische
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    Kenngröße mit einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere einer Schwellenspannung, zu vergleichen und in Ansprechen auf den Vergleich ein Signal an die Schalteinrichtung (38) auszugeben, so dass mit der Schalteinrichtung (38) der zumindest eine Teil der Photovoltaik-Anlage oder der zumindest eine Photovoltaik-Strang von dem Stromabnehmer abgeschaltet werden kann, umfasst.
  11. 11. Verfahren zum selbständigen Abschalten zumindest eines Teils einer Photovoltaik-Anlage (1) oder zumindest eines Photovoltaik-Strangs (10) einer Photovoltaik-Anlage (1) insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Photovoltaik-Strang durch Photovoltaik-Module (12) gebildet wird, welche mittels einer Strangleitung seriell miteinander verschaltet sind und so eine Strangspannung (U1) erzeugen, umfassend folgende Schritte:
    Festlegen eines Schwellenwertes, insbesondere einer Schwellenspannung, Messen einer in dem zumindest einen Photovoltaik-Strang erzeugten aktuellen elektrischen Kenngröße, insbesondere der Strangspannung, mit einer Sensoreinrichtung (46),
    Vergleichen der aktuellen elektrischen Kenngröße mit dem Schwellenwert, bei Überschreiten des Schwellenwertes durch die aktuelle elektrische Kenngröße automatisches Abschalten des zumindest einen Photovoltaik-Stranges (10) oder des Teils der Photovoltaik-Anlage (1) von dem Stromabnehmer (26).
  12. 12. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das automatische Abschalten des zumindest einen Photovoltaik-Stranges (10) oder des Teils der Photovoltaik-Anlage (1) von dem Stromabnehmer (26) ein Triggern (U ext. Start = Off) einer Schalteinrichtung (38) durch ein Triggersignal von einer Steuereinrichtung (42) umfasst.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der festgelegte Schwellenwert in einem Speicherbereich (43) einer Steuereinrichtung (42) abgelegt ist.
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  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit dem Schritt
    Triggern (U ext. Start = On) der Schalteinrichtung (38) des zumindest einen Photovoltaik-Strangs (10) durch ein Triggersignal, um den Teil der Photovoltaik-Anlage (1) oder den zumindest einen Photovoltaik-Strang (10) wieder an den Stromabnehmer (26)
    5 anzuschalten.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, zusätzlich mit dem Schritt
    Messen der Umgebungstemperatur oder der Modultemperatur mit der Sensoreinrichtung (49,49a, 49b) und
    10 Berücksichtigen der gemessenen Umgebungstemperatur oder der
    Modultemperatur bei dem Vergleichen der aktuellen elektrischen Kenngröße mit dem Schwellenwert oder bei dem Wiederanschalten des Teils der Photovoltaik-Anlage oder des zumindest einen Photovoltaik-Strangs (10).
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    AC-Netz
    2δ?χ î ......-28
    AC
    DC
    24b ' .kW*
    22 b %—4
    I 1717* 'Ί Out L^T11
    Ouï —17
    10·' 32 x y
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    Ext.
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