CH700210A1 - Vorrichtung für Photovoltaikkraftwerke zur Einstellung des elektrischen Potentials an Photovoltaikgeneratoren. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine Nutzung von hoch-effizienten trafolosen Wechselrichtern (13) mit Photovoltaikgeneratoren (11) erlaubt, die nur mit beschränkten positiven oder negativen Eingangsspannungen beaufschlagt werden dürfen. Die Vorrichtung zur Wandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Spannung aus den Photovoltaikgeneratoren (11) umfasst einen trafolosen Inverter (13), der diese eingangsseitige Spannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umsetzt. Diese Wechselspannung wird mit einem Hochspannungstransformator (39) in eine Übertragungsspannung transformiert. Der trafolose Inverter (13) ist mit einer Potentialschiebeeinrichtung (23) zur Verschiebung des im Inverter (13) vorhandenen Spannungspotentials auf ein gewünschtes Niveau gegenüber dem Erdpotential versehen.

Description

  [0001]    Vorrichtung, zur Nutzung von hocheffizienten Wechselrichtern für den Einsatz mit Photovoltaikgeneratoren, die nur ein beschränktes positives oder negatives Spannungspotential tolerieren.

Stand der Technik:

  

[0002]    Die höchsten Wirkungsgrade bei Solarkraftwerken werden heutzutage mit sogenannten "trafolosen" Wechselrichtern erreicht, welche die Leistung ohne galvanische Trennung des Photovoltaikgenerators in die Netzwechselspannung umwandeln. Dies hat allerdings zur Folge, dass dem Photovoltaikgenerator gegenüber dem Erdpotential ein Potential mit einem Gleichspannungsanteil überlagert wird und an den Modulen des Photovoltaikgenerators positive und auch negative Spannungen gegenüber dem Erdpotential entstehen können. Dieser Umstand ist bei Photovoltaikgeneratoren, die aus Solarmodulen mit klassischer kristallinen Solarzellen bestehen, problemlos. Es gibt allerdings Solarmodultypen, bei denen eine anliegende DC Potentialdifferenz zwischen den stromführenden Modulen und Erdpotential zu Problemen führt.

   So wird aufgrund dieses Spannungspotentials gegenüber Erdpotential in Dünnschichtmodulen die Stabilität der Teilschichten gefährdet und es kann zum Beispiel eine Zersetzung von Teilschichten im Solarmodul stattfinden. Dieser Effekt wird auf den Transport von Ionen zurückgeführt, sofern ein negatives Potential der stromführenden Anlagenteile gegen Erde und eine ausreichende Spannung gegen Erde von < -100 Volt auftritt (Heribert Schmidt, OTTI PV Symposium Staffelstein, Deutschland März 2006). Bei kristallinen Solarmodulen mit rückseitiger Kontaktierung wurde beobachtet, dass eine Ertragsminderung stattfinden kann, falls sich ein Spannungspotential auf der Solarzellenvorderseite aufbaut.

  

[0003]    Zur Behebung dieser Problematik werden heute Inverter eingesetzt, die erlauben, dass am Photovoltaikgenerator ein definiertes Potential gegenüber dem Erdpotential anliegt, was zum Beispiel mittels eines Wechselrichters mit Transformator zur galvanischen Trennung erfolgen kann. Dies führt aber wegen des Transformators zu einer Minderung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung und verursacht zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Inverter. Kürzlich wurde ein neuer Wechselrichter auf den Markt gebracht, der speziell für den Einsatz bei Dünnschichtsolarmodul -Technologien konzipiert wurde. Er verwendet im Kern den Schaltungstyp des trafolosen Inverters, hat aber zusätzlich auf der Invertereingangsseite zu den Modulen einen DC/DC Wandler integriert.

   Damit lässt sich das störende DC Potential vermeiden, es resultieren aber aufgrund der zusätzlichen Baugruppen im Inverter sowohl ein tieferer Wirkungsgrad als auch höhere Herstellkosten.

Aufgabe der Erfindung

  

[0004]    Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die einerseits hocheffiziente trafolose Wechselrichter umfasst, anderseits aber sicherstellt, dass nur zulässige Spannungspotentiale am Photovoltaikgenerator anliegen, ohne eine zusätzliche DC/DC Wandlungsstufe vorsehen und entsprechend eine Wirkungsgradeinbusse und eine Kostenerhöhung hinnehmen zu müssen.

Die Erfindung:

  

[0005]    Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 gelöst.

  

[0006]    Diese Vorrichtung dient der Wandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Spannung, insbesondere aus Photovoltaikgeneratoren. Sie umfasst wenigstens einen trafolosen Inverter. Mit diesem Inverter wird die eingangsseitige elektrische Spannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umgewandelt. Der Einsatz dieses Inverters ist vorgesehen in Anlagen, in denen die vom Inverter abgegebene Wechselspannung anschliessend mit einem Hochspannungstransformator in eine Übertragungsspannung transformiert wird.

  

[0007]    Die Vorrichtung ist erfindungsgemäss mit einer Potentialschiebeeinrichtung versehen. Diese Potentialschiebeeinrichtung ist eine elektronische Schaltung und dient je nach Fall entweder der Anhebung des im Inverter vorhandenen Spannungspotentials auf ein eingangsseitig minimales Niveau gegenüber dem Erdpotential oder aber zur Absenkung des im Inverter vorhandenen Spannungspotentials auf ein eingangsseitig maximales Niveau gegenüber dem Erdpotential.

  

[0008]    Wesentlich an der Potentialschiebeeinrichtung ist, dass diese das Arbeits-Spannungspotential im Inverter so verschiebt, dass eingangsseitig ein Grenzwert nicht über-oder unterschritten wird. Dieser Grenzwert ist abhängig von der Empfindlichkeit der Photovoltaikgeneratoren, die an den Inverter angeschlossen sind. Zweckmässige Grenzwerte liegen bei Dünnschichtmodulen bei -100 Volt.

  

[0009]    Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass bei Grosskraftwerken die erzeugte Wechselspannung, typischerweise 3 x 400 VAC, anschliessend mittels eines Transformators auf die gewünschte Übertragungsspannung von zum Beispiel 10 KV oder 20 KV transformiert wird und daher von der Übertragungsspannung galvanisch getrennt ist. Daher ist das ausgangsseitige Spannungsniveau des Inverters für die Transformation auf die Übertragungsspannung unerheblich.

  

[0010]    Wenn nun dem Wechselspannungseingangspotential des Hochspannungstransformators, was gleichzeitig auch der Ausgang des Wechselrichters ist, ein Gleich- oder Wechselspannungsanteil überlagert wird, verschiebt sich auch das Spannungspotential an der Eingangsseite des trafolosen Wechselrichters entsprechend. Es kann somit sichergestellt werden, dass das Potential an den Photovoltaikmodulen nie einen bestimmten Spannungswert überschreiten, bzw. unterschreiten, je nach Anforderung.

  

[0011]    Die Überlagerung einer Gleich- oder Wechselspannung am Niederspannungseingang des Hochspannungstransformators führt allerdings zu den Einschränkungen, dass keine weiteren Standardgeräte für einen 220/380 VAC Anschluss an dieses aus überlagerten Potentialen erreichte Potential angeschlossen werden können und dass die hocheffizienten trafolosen Inverter eventuell eine entsprechende Anpassung benötigen. Ferner sind auch Sicherheitsrelevante Aspekte aufgrund der Spannungsüberlagerung zu berücksichtigen.

  

[0012]    Bei grossen Solaranlagen können mehrere Inverter einen Transformator speisen, wobei der nun zusätzlich auftretende DC Gleichspannungsanteil auf dem AC-Netzabschnitt beim Trafoeingang hier nicht weiter stört, da dieses Subnetz zwischen Photovoltaikgenerator und Hochspannungstransformator nur zum Zwecke der Solarinverter und der Solarstromerzeugung aufgebaut ist und keine anderen Standardverbraucher versorgt. Allerdings ist es vorteilhaft, möglichst gleiche Invertertypen, bzw. Schaltungstopologien in einem AC Subnetz einzusetzen.

  

[0013]    Diese zusätzlich benötigte Potentialschiebeeinrichtung zur Anhebung oder Absenkung des Spannungspotentials am Photovoltaikgenerator gegenüber dem Erdpotential kann separat vom Inverter aufgebaut sein oder aber auch in den Inverter integriert sein. Bei mehreren Invertern ist lediglich eine Potentialschiebeeinrichtung notwendig.

  

[0014]    Das vorgeschlagen Prinzip der Erdspannungsführung muss nicht auf DC-Spannungen beschränkt bleiben, sondern kann auch auf Wechselsignale übertragen werden oder es könnte eine Kombination von Gleichspannung und Wechselspannung überlagert werden. Mit einer Wechselspannungsüberlagerung ist es zusätzlich auch möglich, kapazitive Ableitströme vom Photovoltaikgenerator gegenüber Erde zu reduzieren. Das überlagerte Potential kann eine fixe Spannung sein oder aber auch aktiv nachgeregelt werden mittels einer Messung des Potentials am Photovoltaikgenerator.

  

[0015]    Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist daher vorteilhaft geeignet für eingangsseitig an die Vorrichtung angeschlossene Photovoltaikgeneratoren, die mit negativen Spannungspotential arbeiten und lediglich ein positives Spannungspotential bis zu einem Maximalwert von zum Beispiel +200V tolerieren, oder mit positivem Spannungspotenzial arbeiten und lediglich ein negatives Spannungspotential zum Beispiel bis -200 V tolerieren. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt das Betreiben solcher Photovoltaikgeneratoren ohne einen teuren zwischengeschalteten DC/DC-Wandler oder den Einsatz eines Wechselrichters mit Transformator.

  

[0016]    Solche Photovoltaikgeneratoren weisen zweckmässigerweise Dünnschichtmodule oder rückseitig kontaktierte kristalline Solarmodule auf. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt daher die Entwicklung neuer Generationen von Photovoltaikgeneratoren, die bisherige Vorgaben nicht mehr zu erfüllen brauchen und die noch empfindlicher auf ein bestimmtes Spannungspotential reagieren oder bei denen ein besonderes Spannungspotential notwendigerweise vorliegen muss.

  

[0017]    Vorteilhaft ist an die Vorrichtung ausgangsseitig ein Hochspannungstransformator angeschlossen, der die Ausgangs-Wechselspannung in eine Übertragungs-Wechselspannung transformiert.

  

[0018]    Bei Grossanlagen mit mehreren trafolosen Invertern, deren Ausgänge zusammengeschaltet sind, ist lediglich eine einzige Potentialschiebeeinrichtung notwendig. Dadurch können gegenüber Invertern mit DC/DC-Wandlern erhebliche Kosten eingespart werden, da jeder Inverter einen DC/DC-Wandler benötigt.

  

[0019]    Eine einfache Variante der Potentialschiebeeinrichtung ist zweckmässigerweise derart ausgebildet, dass sie dem Spannungspotential in den Invertern eine Gleichspannung überlagert.

  

[0020]    Sie kann aber auch derart ausgebildet sein, dass sie dem Spannungspotential in den Invertern eine Wechselspannung oder sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung überlagert. Das dem Hochspannungstransformator zugespiesene Spannungspotential kann, wie oben ausgeführt, ein beinahe beliebiges Spannungspotential gegenüber der Erde annehmen (>+/-500 Volt). Wesentlich für den Hochspannungstransformator ist die Differenz zwischen den beiden Ausgängen des Inverters.

  

[0021]    Um sicherzustellen, dass die gewünschten Grenzwerte der Photovoltaikgeneratoren eingehalten werden, kann eine Regeleinrichtung zur Regelung der überlagerten Spannung aufgrund eines Messwerts am Eingang des Inverters oder der Inverter vorhanden sein. Für die Messung dieses Messwerts ist zweckmässigerweise ein Messgerät an den Photovoltaikgenerator oder eingangsseitig an den Inverter angeschlossen. Weiter kann eine Stromüberwachung gegenüber Erdpotential eingerichtet sein, um beim Auftreten von unzulässigen Ableitströmen auf das Erdpotential, Schaltungsmassnahmen einzuleiten.

Kurzbeschreibung der Figuren

  

[0022]    
<tb>Fig. 1.<sep>zeigt schematisch eine bekannte Inverter-Anordnung mit einem Photovoltaikgenerator.


  <tb>Fig. 3.<sep>zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung.


  <tb>Fig. 5<sep>zeigt schematisch den Spannungszeitverlauf gegenüber dem Erdpotential am Ausgang des bekannten Inverters.


  <tb>Fig. 7<sep>zeigt schematisch den Spannungsverlauf gegenüber dem Erdpotential am Photovoltaikgenerator.


  <tb>Fig. 9<sep>zeigt schematisch den Spannungsverlauf gegenüber dem Erdpotential am Ausgang der erfindungsgemässen Vorrichtung.


  <tb>Fig. 11<sep>zeigt schematisch den Spannungsverlauf gegenüber dem Erdpotential am einen und am anderen Anschluss des Photovoltaikgenerators.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

  

[0023]    In Fig. 1 ist eine bekannte Inverter-Anordnung bestehend aus Photovoltaikgenerator 11, Wechselrichter 13 mit den Anschlüssen 17 und 18 zur Netzeinspeisung dargestellt. Die bei dieser bekannten Anordnung auftretenden Spannungspotentiale gegenüber dem Erdpotential sind in den Fig. 5 und 7 dargestellt. Fig. 5 zeigt den Verlauf des Spannungspotentials am Ausgang 17, während Fig. 7 den Verlauf des Spannungspotentials an den beiden Polen 14 und 15 des Eingangs zeigt. Die Gegenüberstellung zeigt, dass an beiden Eingängen die Wechselspannung des Ausgangs zu einer wellenförmigen Verlauf der Eingangsspannung führt, wobei der Abstand der beiden wellenförmigen Spannungsverläufen 71 und 73 an den Eingängen 14 und 15 dem vom Photovoltaikgenerator 11 produzierten Spannungspotential entspricht.

  

[0024]    Eine Ausführung der Erfindung ist in Fig. 3dargestellt. Gezeigt ist ein Photovoltaikgenerator 11, ein Wechselrichter oder Inverter 13 mit Eingängen 14 und 15 und Anschlüssen 17 und 18 zur Netzeinspeisung. Weiter ist die Vorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle 23 zur Erzeugung einer Gleichspannung 21 zwischen dem Erdpotential 19 und dem Anschluss 18 ausgerüstet. Weiter ist der eingangsseitige Teil des Hochspannungstransformators 39 mit den Anschlüssen 31 (Sternpunkt) und den Anschlüssen 33, 35, 37 für die einzelnen Phasen dargestellt. Der Photovoltaikgenerator 11 ist mit einem typischen, hoch-effizienten Wechselrichter 13 verbunden. Der Ausgang 18 des Wechselrichters 13 ist mit einem Gleichspannungspotential 21 beaufschlagt.

   Das Gleichspannungspotential wird durch die Schaltung 23 erzeugt, die hier aus einem Transformator 25, einem Gleichrichter 27 und einem Spannungsregler 29 besteht. Die Anschlüsse 17 und 18 des Wechselrichters werden mit dem Transformator 39 verbunden, wobei der Anschluss 18 mit dem Sternpunkt 31 des Transformators 39 verbunden ist und der Anschluss 17 mit dem Eingang 33 verbunden wird. An den Anschlüssen 33, 35 und 37 können weitere Wechselrichter angeschlossen werden.

  

[0025]    Wie aus den Fig. 9 und 11 ersichtlich ist, wird mit der Schaltung 23 der ausgangsseitigen Wechselspannung eine Gleichspannung überlagert, wodurch der Spannungsverlauf vom Niveau 53, wo es um das Spannungspotential der Erde pendelt, auf ein positiveres Spannungspotential 91 angehoben. Dies bewirkt die Anhebung der eingangsseitigen Spannungsverläufe 71 (Eingang 14) und 73 (Eingang 15) um denselben Betrag. Damit resultiert am Eingang 14 ein positiverer Spannungsverlauf 75, und am Eingang 15 ein negativerer angehobener Spannungsverlauf 77 gegenüber dem Erdpotential. Der Betrag, um welchen die beiden Spannungsverläufe auf der Eingangsseite angehoben werden, ist durch die Schaltung 23 bestimmbar. Damit kann das tiefste auftretende Spannungspotential oder auch das höchste positive Spannungspotential bestimmt werden.

   Das tiefste auftretende negative Potential ist in Fig. 11 auf den Wert bei Bezugsziffer 79 begrenzt.

  

[0026]    Die Erfindung betrifft zusammengefasst eine Vorrichtung, die eine Nutzung von hoch-effizienten trafolosen Wechselrichtern mit Photovoltaikgeneratoren erlaubt, die nur mit beschränkten positiven oder negativen Eingangsspannungen beaufschlagt werden dürfen. Die Vorrichtung zur Wandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Spannung aus den Photovoltaikgeneratoren umfasst einen trafoloser Inverter, der diese eingangsseitige Spannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umsetzt. Diese Wechselspannung wird mit einem Hochspannungstransformator in eine Übertragungsspannung transformiert. Der trafolose Inverter ist mit einer Einrichtung zur Verschiebung des im Inverter vorhandenen Spannungspotentials auf ein gewünschtes Niveau gegenüber dem Erdpotential versehen.

   Dies hat auf die Ausgangsleistung und das Spannungspotential der von den Hochspannungstransformatoren generierten Hochspannung keinerlei Einfluss, da das Übertragungspotential vom Eingangspotential in den Transformatoren galvanisch getrennt ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Wandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Spannung, insbesondere aus Photovoltaikgeneratoren (11), mit wenigstens einem trafolosen Inverter (13) in eine ausgangsseitige Wechselspannung, mit dem Ziel, diese Wechselspannung insbesondere mit einem Hochspannungstransformator (39) in eine Übertragungsspannung zu transformieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer Potentialschiebeeinrichtung zur Anhebung des im Inverter (13) vorhandenen Spannungspotentials auf ein eingangsseitig minimales Niveau gegenüber dem Erdpotential oder zur Absenkung des im Inverter vorhandenen Spannungspotentials auf ein eingangsseitig maximales Niveau gegenüber dem Erdpotential versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eingangsseitig an die Vorrichtung angeschlossene Photovoltaikgeneratoren (11), die mit positivem Spannungspotenzial arbeiten und lediglich ein negatives Spannungspotential bis -100V tolerieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikgeneratoren (11) Dünnschichtmodule aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikgeneratoren (11) rückseitig kontaktierte kristalline Solarmodule aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen ausgangsseitig angeschlossenen Hochspannungstransformator (39) zur Transformation der Ausgangs-Wechselspannung in eine Übertragungs-Wechselspannung.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mehreren trafolosen Invertern (13), deren Ausgänge zusammengeschaltet sind, und einer einzigen Potentialschiebeeinrichtung (23).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialschiebeeinrichtung (23) derart ausgebildet ist, dass sie dem Spannungspotential in den Invertern (13) eine Gleichspannung überlagert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialschiebeeinrichtung (23) derart ausgebildet ist, dass sie dem Spannungspotential in den Invertern (13) eine Wechselspannung überlagert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialschiebeeinrichtung (23) derart ausgebildet ist, dass sie dem Spannungspotential in den Invertern (13) eine Gleich- und eine Wechselspannung überlagert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung zur Regelung der überlagerten Spannung aufgrund eines Messwerts am Eingang (14, 15) des Inverters (13) oder der Inverter oder am Ausgang des Photovoltaikgenerators (11).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Stromüberwachung gegenüber Erdpotential, um beim Auftreten von unzulässigen Ableitströmen auf das Erdpotential, Schaltungsmassnahmen einzuleiten.