DE10136147B4

DE10136147B4 - Photovoltaischer Wechselstromerzeuger

Info

Publication number: DE10136147B4
Application number: DE10136147A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Kolm
Original assignee: Kolm, Hendrik, Dipl.-Ing.
Current assignee: RES GMBH, 07318 SAALFELD, DE
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: DE10136147A1

Abstract

Photovoltaischer Wechselstromerzeuger, mit einer Vielzahl photovoltaischer Solarmodule (10a bis 10n), deren Nennleistung in Abhängigkeit von Parametern wie Sonnenintensität, Modultemperatur, Solartechnologie und Alterung schwankt, mit Gleichspannungswandlern (20a bis 20n), die ausgangsseitig parallel geschaltet und mit einem zentralen Wechselrichter (30) verbunden sind, welcher die von den Gleichspannungswandlern (20a bis 20n) erzeugte Zwischenkreis-Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz umformt, wobei jeder Solarmodul (10a bis 10n) mit einem individuellen Gleichspannungswandler (20a bis 20n) elektrisch verbunden ist, welcher die Ausgangsgleichspannung des zugeordneten Solarmoduls (10a bis 10n) in die wesentlich höhere Zwischenkreis-Gleichspannung transformiert, und wobei die Solarmodule (10a bis 10n) durch ihre individuellen Gleichspannungswandler (20a bis 20n) elektrisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Zwischenkreis-Gleichspannung als Trägersignal zur Übertragung von Steuerbefehlen an die Gleichspannungswandler (20a bis 20n) sowie von Meßdaten über Betriebsparameter der Solarmodule (10a bis 10n) von den Gleichspannungswandlern (20a bis 20n) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen photovoltaischen Wechselstromerzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Wechselstromerzeuger ist aus der Zeitschrift "Bulletin SEV/VSE", 10/96, Seiten 23 bis 29 bekannt.

Photovoltaische Solarmodule liefern eine Gleichspannung, deren Betrag von der Intensität von einer Reihe von Parametern, insbesondere der Sonneneinstrahlung, der Modultemperatur, der jeweiligen Solartechnologie und von Alterungserscheinungen der Solarzellen abhängig ist. Um die erzeugte elektrische Energie in ein Wechselstromnetz einspeisen zu können, muß der Betrag der Gleichspannung zuerst an den Gleichstrom-Mittelwert der Netzspannung angepaßt und in eine phasengleiche Wechselspannung mit der Netzfrequenz umgewandelt werden. Hierzu ist aus der DE 199 19 766 A1 bekannt, jeweils eine Anzahl von Solarmodulen elektrisch in Serie zu einen String zu verbinden und die Amplitude der Ausgangs-Gleichspannung jedes Strings mit Hilfe eines zugeordneten DC-DC-Konverters (Gleichspannungsumformers) an den Gleichstrom-Mittelwert einer Netzwechselspannung anzupassen. Die Ausgänge aller DC-DC- Konverter sind parallel geschaltet und mit dem Eingang eines zentralen Wechselrichters verbunden, welcher eine Wechselspannung mit der erforderlichen Netzfrequenz erzeugt.

Bei dem bekannten Wechselstromerzeuger bestimmt indessen innerhalb jedes Strings das schwächste Solarmodul die Gesamtleistung. Eine Minderleistung eines defekten Solarmoduls verringert die Leistung des jeweiligen ganzen Strings und äußert sich am Abfall der Gesamtleistung des Wechselrichters. Eine Erkennung des defekten Solarmoduls im Sinne einer „Moduldiagnose" ist daher nicht möglich. Darüber hinaus lassen sich die zu einem String verbundenen Solarmodule nicht in ihrem individuellen maximalen Leistungspunkt betreiben (sogenannter „Maximum-Power-Point-Betrieb", auch als „MPP-Tracking" bezeichnet), so daß eine optimale Leistungserzeugung der einzelnen Solarmodule nicht erzielbar ist.

Es ist ferner aus der DE 40 32 569 A1 bekannt, jedem einzelnen Solarmodul einen eigenen, integrierten Wechselrichter zuzuordnen und sämtliche Wechselrichter mit ihren Ausgängen parallel zu schalten. Jedes einzelne Solarmodul kann dabei in seinem maximalen Leistungspunkt betrieben werden. Ferner sind die Solarmodule untereinander vollständig entkoppelt, so daß sich Abschattungen von einzelnen Solarmodulen nicht negativ auf die Gesamtleistung auswirken. Schließlich kann jedes einzelne Solarmodul durch Zuordnung einer Adresse bei seiner Installation und mittels einer geeigneten Steuerelektronik im integrierten Wechselrichter auf seine Funktion überwacht werden, indem die Betriebsparameter Spannung, Strom, Leistung, Temperatur jedes einzelnen Solarmoduls an eine Zentrale gemeldet werden. Indessen ist der bauliche Aufwand, jedem Solarmodul einen eigenen Wechselrichter zuzuordnen, sehr hoch und führt zu erheblichen Anschaffungskosten. Hinzu kommt, daß der Ausgang jedes Wechselrichters über ein aufwendiges, teures Schaltorgan, beispielsweise in Form eines Netzschützes mit zwangsgeführten Kontakten und Lichtbogenstrecke, mit dem Netz verbunden werden muß, um entweder ein defektes Solarmodul oder die Gesamtanlage (zur Verhinderung eines Inselbetriebes) allpolig vom Netz zu trennen. Schließlich erweist sich die Integration des Wechselrichters in dem Solarmodul als wenig wartungsfreundlich, da bei einem Defekt des Wechselrichters das gesamte Solarmodul ausgebaut werden muß.

Es ist ferner aus der Zeitschrift "Bulletin SEV/VSE", 10/96, Seiten 23 bis 29 ein photovoltaischer Wechselstromerzeuger mit einer Vielzahl photovoltaischer Solarmodule bekannt, deren Nennleistung in Abhängigkeit von Parametern wie Sonnenintensität, Modultemperatur, Solartechnologie und Alterung schwankt. Jeder Solarmodul ist mit einem individuellen Gleichspannungswandler elektrisch verbunden, welcher die Ausgangsgleichspannung des zugeordneten Solarmoduls in eine wesentlich höhere Zwischenkreis-Gleichspannung transformiert. Durch ihre individuellen Gleichspannnungswandler sind die Solarmodule elektrisch entkoppelt. Sämtliche Gleichspannungswandler sind ausgangsseitig parallel geschaltet und mit einem zentralen Wechselrichter verbunden, welcher die von den Gleichspannungswandlern erzeugte Zwischenkreis-Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung mir vorgegebener Frequenz umformt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen photovoltaischen Wechselstromerzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die einzelnen Gleichspannungswandler auf einfache Weise individuell überwacht und gesteuert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen photovoltaischen Wechselstromerzeuger mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Wechselstromerzeugers nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselstromerzeugers;
2 ein Blockschaltbild eines Modulkonverters des erfindungsgemäßen Wechselstromerzeugers nach 1;
3 und 4 einen Vertikalschnitt bzw. eine Seitenansicht einer Sammelschiene mit daran befestigtem Modulkonverter nach 2.
Der in l als Blockschaltbild dargestellte photovoltaische Wechselstromerzeuger umfaßt eine Vielzahl von Solarmodulen 10a bis 10n, deren Gleichspannungsausgänge mit jeweils einem zugeordneten Gleichspannungsumformer (DC-DC-Konverter) 20a bis 20n verbunden sind. Vorzugsweise sind die DC-DC-Konverter 20a bis 20n als Aufwärtswandler nach dem BOOST-Prinzip ausgebildet. Die Gleichspannungsausgänge aller DC-DC-Konverter 20a bis 20n sind parallel an eine Sammelschiene 30 angeschlossen, deren vorzugsweise bauliche Ausgestaltung in den 3 und 4 dargestellt ist. Die Sammelschiene 30 ist mit dem Gleichspannungseingang eines zentralen Wechselrichters 40 verbunden, welcher in ein ein- oder dreiphasiges Wechselstronnetz einspeist oder einen ein- oder dreiphasigen Wechselstromverbraucher versorgt. Vorzugsweise ist der zentrale Wechselrichter 40 selbstgeführt ausgelegt. Ein im Wechselrichter 40 integrierter Mikroprozessor gibt den Sollwert für die Endstufe des Wechselrichters 40 vor und übernimmt die Leistungsregelung der Endstufe des Wechselrichters 40. Der integrierte Mikroprozessor im Wechselrichter 40 führt ferner als „Master" die Kommunikation mit den DC-DC-Konvertern 20a bis 20n und bildet die Schnittstelle zu optional vorgesehenen Geräten, nämlich einem Personalcomputer 50, einem Modem 60 und/oder einer Großbildanzeige 70.
Die umgeformte Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) auf der Sammelschiene 30 dient als Träger für die Übertragung von Meß- und Steuersignalen von und zu den Solarmodulen 10a bis 10n bzw. deren DC-DC-Konverter 20a bis 20n. Jeder Solarmodul 10a bis 10n und sein zugeordneter DC-DC-Konverter 20a bis 20n besitzt eine digital codierte Adresse und kann über diese Adresse individuell angesteuert werden sowie seine individuellen Kenndaten auf die Sammelschiene 30 übertragen. Die Steuerung und Überwachung der Solarmodule 10a bis 10n erfolgt durch den bereits erwähnten Mikroprozessor innerhalb des Wechselrichters 40. Der optional vorgesehene Personalcomputer 50 unterstützt mit seiner Software die Programmierung des Mikroprozessors innerhalb des Wechselrichters 40 für die Inbetriebnahme, Wartung und Reparatur der Gesamtanlage. Im Falle der Darstellung von Betriebsparametern auf der Großbildanzeige 70 unterstützt die Software des Personalcomputers 50 ferner die grafische Aufbereitung der Betriebsparameter durch den erwähnten Mikroprozessor im Wechselrichter 40. Die über die Sammelschiene 30 an den Wechselrichter 40 übertragenen Meßdaten können ferner über das optional vorgesehene Modem 60 und eine daran angeschlossene Telekommunikationsleitung an eine nicht gezeigte Netzzentrale weitergeleitet werden, wo die Meßdaten gespeichert, aufbereitet und ausgewertet werden.
Für einen Inselbetrieb des Wechselstromerzeugers nach 1 kann zur Stabilisierung der Wechselspannung bei schwankender Sonneneinstrahlung und damit schwankender Zwischenkreisspannung auf der Sammelschiene 30 optional ein Netzpuffer 100 vorgesehen werden. Der Netzpuffer 100 umfaßt einen Akkumulator 101 und einen nachgeschalteten Laderegeler 102, der die Sammelschiene 30 angeschlossen ist. Der Laderegler 102 ist vorzugsweise mit einem Tiefentladeschutz ausgerüstet. Anstelle eines Akkumulators 101 kann auch eine Brennstoffzelle vorgesehen werden, welche mit einem Wasserstoffelektrolyseur sowie Speichern für Wasserstoff und Sauerstoff versehen ist.
Durch die Zuordnung jeweils eines individuellen DC-DC-Konverters 20a bis 20n zu jedem einzelnen Solaromodul 10a bis 10n wird erreicht, daß der individuelle DC-DC-Konverter 20a...20n die von dem zugeordneten Solarmodul 10a...10n erzeugte Gleichspannung (Modulspannung) auf die Zwischenkreisspannung der Sammelschiene 30 transformiert. Diese Zwischenkreisspannung ist wesentlich höher als die Modulspannung und liegt im Bereich zwischen 150 V_DC und 500 V_DC, vorzugsweise bei 350 V_DC. Auf diese Weise läßt sich über die DC-DC-Konverter 20a bis 20n eine Leistungsanpassung für jedes einzelne Solarmodul 10a bis 10n erzielen, so daß jedes Solarmodul 10a bis 10n in seinem maximalen Leistungspunkt betrieben werden kann (MPP-Tracking). Die Parallelschaltung aller DC-DC-Konverter 20a bis 20n auf eine Sammelschiene 30 vereinfacht darüber hinaus die Planung der Gesamtanlage des Wechselstromerzeugers und dessen Installation. Es muß – im Gegensatz zum eingangs erläuterten Stand der Technik – nicht mehr berücksichtigt werden, welches Solarmodul mit welchem anderen Solarmodul verschaltet werden muß, damit Teilabschattungen und unterschiedliche Ausrichtungen nach der Sonneneinstrahlung sich nicht nachteilig auf die Gesamtanlage auswirken. Abschattungen einzelner Solarmodule 10a bis 10n durch Gebäudeteile wirken sich infolge der individuellen Leistungsanpassung der Solarmodule 10a bis 10n nach der Erfindung nicht mehr – wie nach dem Stand der Technik – auf das Gesamtsystem, sondern nur noch auf die davon betroffenen Solarmodule aus. Durch ihre individuellen DC-DC-Konverter 20a bis 20n werden die Solarmodule 10a bis 10n elektrisch vollständig entkoppelt, was zur Folge hat, daß eine Minderleistung eines Solarmoduls infolge von Abschattung oder ein Ausfall eines Solarmoduls infolge eines Defektes keine Auswirkung auf den Betrieb der anderen Solarmodule hat. Ein weiterer Vorteil der individuellen DC-DC-Konverter 20a bis 20n besteht darin, daß neben dem schon erwähnten MPP-Tracking jedes einzelnen Solarmoduls 10a bis 10n die Leistung jedes einzelnen Solarmoduls 10a bis 10n durch Messung und Auswertung der individuellen Betriebsgrößen Strom und Spannung laufend überwacht werden kann. Die individuellen Meßwerte dieser Betriebsgrößen werden ebenso wie die gemessene Temperatur des betreffenden Solarmoduls 10a bis 10n in der bereits erwähnten Weise über die Sammelschiene 30 an den zentralen Wechselrichter 40 übertragen. Die Datenerfassung in den einzelnen DC-DC-Konvertern 20a bis 20n sowie die Messung der Temperatur der Solarmodule 10a bis 10n erfolgt entweder analog mit anschließender Analog/Digitalwandlung oder unmittelbar auf digitalem Wege, so daß auf der Sammelschiene 30 die Meßwerte als digitale Daten an den Wechselrichter 40 übertragen werden.
Auch für die Wartung bietet die individuellen Zuordnung der DC-DC-Konverter 20a bis 20n zu den einzelnen Solarmodulen 10a bis 10n den Vorteil, daß für die zu wartenden Solarmodule lediglich der zugeordnete DC-DC-Konverter ausgeschaltet zu werden braucht, während alle übrigen DC-DC-Konverter in Betrieb bleiben und weiter Energie liefern können.
Die vorzugsweise vorgesehene Ausbildung der DC-DC-Konverter 20a bis 20n als BOOST-Konverter (Aufwärtswandler nach dem BOOST-Prinzip) hat den Vorteil, daß der Wirkungsgrad von BOOST-Konvertern gegenüber anderen Wandlerschaltungen am größten ist. Beispielsweise wurde in einer Versuchsanordnung mit einem Dünnschicht-Solarmodul von 50 Wp Nennleistung, 65 V_DC Nennspannung und 0,77 A Nennstrom ein Wirkungsgrad des DC-DC-Konverters von 98,4 % erzielt, wobei die Schaltung für 100 W ausgelegt wurde.
Der zentrale Wechselrichter 30 ist je nach Größe der Gesamtanlage ein- oder dreiphasig ausgeführt und ist vorzugsweise mit Leistungstransistoren in MOSFET- oder in Trench – IGBT – Technik (MOSFET = Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor; IGBT = Insulate Gate Bipolar Transistor) ausgerüstet. Derartige Leistungstransistoren weisen niedrigste Einschaltverluste auf. Mit ihnen lassen sich bei geeigneter Konstruktion Klirrfaktoren der Wechselrichterbrücken von weniger als 3 % erzielen.
Im Vergleich zu den Kosten für individuelle Wechselrichter für jedes Solarmodul, wie dies im Stand der Technik vorgesehen ist, ist die erfindungsgemäße Zuordnung von individuellen DC-DC-Konvertern 20a bis 20n zu den einzelnen Solarmodulen 10a bis 10n mit zentralem Wechselrichter erheblich kostengünstiger. Die Kosten für einen DC-DC-Konverter in BOOST-Technologie betragen nur etwa 20 % der Kosten eines leistungsmäßig vergleichbaren Wechselrichters. Gleichzeitig verringert sich der Aufwand für die Steuerung erheblich, da die Meß- und Steuerdaten nicht auf der Netzspannungsebene (wie beim Stand der Technik) sondern über die 350 V_DC Sammelschiene 30 übertragen werden müssen. Die Sammelschiene 30 bzw. die daran anliegende Zwischenkreisspannung stellt ein vom Wechselstromnetz vollständig entkoppeltes Kommunikationsnetz zwischen den Solarmodulen 10a bis 10n und deren DC-DC-Konvertern 20a bis 20n einerseits und dem zentralen Wechselrichter 30 andererseits dar. Auf ein kostenintensive Schaltung zur Verschlüsselung (Codierung) und Entschlüsselung (Decodierung) der Meß- und Steuerdaten kann daher verzichtet werden. Dieser Vorteil, ohne großen Kostenaufwand mit jedem Solarmodul Informationen austauschen zu können, soll an Hand des folgendes Beispiels dargestellt werden:
Bei Solaranlagen, welche in ein Gebäudedach oder in eine Gebäudefassade integriert sind, kommen zum Teil mehrere tausend Solarmodule zum Einsatz. Diese Solarmodule werden von Handwerkern wie Dachdecker oder Fassadenbauer installiert, wobei zahlreiche Einbauvorschriften und herstellerseitige Vorgaben für die Installation der Solarmodule zu beachten sind. Insbesondere kommt der Hinterlüftung für die Paneele der Solarmodule große Bedeutung bei, damit nicht durch eine unzulässige Erwärmung der Solarzellen deren Wirkungsgrad enorm absinkt oder der gesamte Solarmodul zerstört wird. Die Installationsarbeiten dauern bei derartigen großen Gesamtanlagen mehrere Wochen und es besteht vor Inbetriebnahme der Gesamtanlage im Falle einer fehlenden Datenkommunikation mit den einzelnen Solarmodulen keine Möglichkeit, die bereits installierten Solarmodule zu überwachen. Bei dem erfindungsgemäßen Wechselstromerzeuger besteht hingegen jederzeit vor, bei und nach der Inbetriebnahme des Gesamtsystems die Möglichkeit, auch abschnittsweise je nach Installationsfortschritt die bereits installierten Teile der Gesamtanlage auf Fehlerfreiheit zu überprüfen, selbst wenn noch keine Verbindung zum zentralen Wechselrichter hergestellt ist. Eine solche fehlende Verbindung kann von Fall zu Fall beispielsweise durch ein Programmier- und Diagnosegerät hergestellt werden, das mit den bereits installierten Solarmodulen und deren individuell zugeordneten DC-DC-Konvertern über die 350 V_DC – Sammelschiene 30 kommuniziert. Gleichzeitig kann das Programmier- und Diagnosegerät dazu benutzt werden, um den einzelnen Solarmodulen individuelle Adressen zuzuteilen. Auf diese Weise ist es möglich, noch während der Bauphase, also solange noch die Baugerüste für den Zugang zu den installierten Solarmodulen vorhanden sind, den Baufortschritt laufend zu überwachen und auftretende Fehler oder Mängel zu beseitigen. Nach erfolgter Inbetriebnahme des fertig installierten Gesamtsystems kann über die gesamte Betriebsdauer jedes einzelne Solarmodul und dessen zugeordneter DC-DC-Konverter überwacht werden. tritt bei einem Solarmodul eine Störung auf, so wird durch Übertragung der Fehlerart und der betreffenden Moduladresse sofort das gestörte Solarmodul lokalisiert, ohne daß mehrere hundert oder gar tausend weitere Solarmodule einzeln überprüft werden müssen. Neben der Moduladresse kann für jeden Solarmodul dessen Bautyp und dessen Hersteller gespeichert werden, was die Fehlerdiagnose und Fehlerbeseitigung erleichtert. Es können daher mit Vorteil auch baulich und elektrisch unterschiedliche Solarmodule in dem erfindungsgemäßen Wechselstromerzeuger verwendet und auf die 350 V_DC – Sammelschiene 30 geschaltet werden, wenn dabei DC-DC-Konverter verwendet werden, welche auf die unterschiedlichen Solarmodule in geeigneter Weise angepaßt sind. Der Einsatz baulicher unterschiedlicher Solarmodule kann sich beispielsweise zwingend dadurch ergeben, daß im Fassadenbereich andere gestalterische Anforderungen an die Solarmodule gestellt werden als im Dachbereich und umgekehrt.
Der schaltungstechnische Aufbau eines DC-DC-Konverters 20a ... 20n ist beispielhaft an Hand einer in 2 dargestellten Funktionseinheit veranschaulicht. Diese Funktionseinheit wird nachstehend als Modulkonverter 20 bezeichnet. Der Modulkonverter 20 enthält als wichtigstes Bauteil einen geregelten Leistungssteller 1, welcher die Umformung der Ausgangsgleichspannung des Solarmoduls 10 in die höhere Zwischenkreis-Gleichspannung vornimmt.
Das Solarmodul 10 ist in 2 als gestrichelter Block angedeutet und ist baulich von dem Modulkonverter 20 getrennt. Vorzugsweise ist der Modulkonverter 20 innerhalb einer Anschlußdose des Solarmoduls 10 untergebracht, welche in üblicher Weise auf der Unterseite des Solarmoduls 10 aufgeklebt ist und als Gehäuse für die Klemmverbindung zwischen den empfindlichen Anschlußfahnen der einzelnen Solarzellen des Solarmoduls und einem Anschlußkabel bildet, das aus der Anschlußdose heraus geführt ist. Alternativ zur Unterbringung in der Anschlußdose des Solarmoduls kann der Modulkonverter 20 in einem gesonderten Gehäuse untergebracht werden, das entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 auf der Unterseite der Stromschiene 30 befestigt ist und über einen Anschlußkontakt mit dem aus der Anschlußdose des Solarmoduls heraus geführten Anschlußkabel verbunden wird.
Der Modulkonverter 20 gemäß 2 weist vier getrennte Sensoren 2, 3, 4 und 5 zur Messung der elektrischen Gleichspannung (Sensor 2), des elektrischen Gleichstroms (Sensor 3), der Temperatur (Sensor 4) und der Erschütterungen (Sensor 5) des Solarmoduls 10 auf. Der Leistungssteller 1 ist mit dem Gleichspannungsausgang des Solarmoduls 10 verbunden und führt zu einer Schnittstelle 9 mit der in 2 nicht gezeigten Sammelschiene 30. Der Leistungssteller 1 wird von einem Mikroprozessor 6 gesteuert. Dem Mikroprozessor 6 werden die Ausgangsgleichspannung des Solarmoduls 10 und die Ausgangsgleichspannung des Leistungsstellers 1 als Ist-Werte zugeführt. Des weiteren ist der Mikroprozessor 8 zur Datenkommunikation über ein Modem 8 mit der Schnittstelle 9 für die in 2 nicht gezeigte Sammelschiene 30 verbunden. Die Sensoren 2 bis 5 liefern ihre Meßsignale in analoger Form an den Mikroprozessor 6, welcher die Meßsignale in digitale Daten umwandelt und sowohl zur Steuerung des Leistungsstellers 1 verwendet als auch über die Sammelschiene 30 ( 1) zum Wechselrichter 40 (1) überträgt.
Der Mikroprozessor 6 bildet somit das Meß- und Steuerorgang des in 2 dargestellten Modulkonverters 20. Im einzelnen übernimmt der Mikroprozessor 6 folgende Funktionen:

– Übernahme und nicht-flüchtige Speicherung der Adresse des Solarmoduls 10, beispielsweise in einem EEPROM-Speicher (= Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory);
– Messung der Modulspannung, des Modulstroms und der Modultemperatur;
– Messung von Erschütterungen (bei Einbau des Modulkonverters 20 in die Anschlußdose des Solarmoduls 10), um die Überschreitung eines festgelegten Grenzwertes, beispielsweise durch äußere Einwirkungen wie Vandalismus, einen Alarm auszulösen;
– Messung der Zwischenkreisspannung und des Zwischenkreisstroms auf der Sammelschiene 30;
– Berechnung des für ein MPP-Tracking erforderlichen Stellwinkels für die Pulsweitenmodulation des Leistungsstellers 1;
– Berechnung der vom Solarmodul 10 gelieferten elektrischen Leistung und der vom Leistungssteller 1 auf die Sammelschiene 30 eingespeisten elektrischen Leistung sowie des sich daraus ergebenden Wirkungsgrades des Leistungsstellers 1 ;
– Aufbereitung der Meßdaten zur Übertragung auf der Sammelschiene 30;
– Ausschalten des Leistungsstellers 1 in Abhängigkeit von Schaltbefehlen, die vom zentralen Wechselrichter 40 über die Sammelschiene 30 empfangen werden.

Die Berechnung des Wirkungsgrades des Leistungsstellers 1 dient dazu, durch ständigen Vergleich mit früher ermittelten Werten Rückschlüsse auf Funktionsstörungen (beispielsweise ein teilweiser Windungsschluß der BOOST – Drossel) zu gewinnen, die sich nicht durch andere Meßgrößen erfassen lassen und zu einer schleichenden Verschlechterung der Funktionsweise, nicht aber zum Totalausfall des Leistungsstellers 1 führen. Die Kommunikation zwischen dem Wechselrichter 40 und den Modulkonvertern 20 dient nicht nur zur Überwachung des Betriebszustandes der Modulkonverter 20 und der damit individuell verbundenen Solarmodule 10, sondern auch zur Feststellung eines Diebstahls von Solarmodulen 10, da ein gestohlener Solarmodul 10 keine Antwort mehr auf die Anforderung des Wechselrichters 40 zur Übermittlung von Meßdaten mehr liefert.
Die Leistungsregelung des Leistungsstellers 1 nach dem MPP-Tracking-Prinzip erfolgt vorzugsweise nach folgendem Algorithmus:
Der Leistungssteller 1 wird vom Mikroprozessor 6 (2) durch ein Stellwinkel-Steuersignal angesteuert, welches eine Pulsweitenmodulation der Ausgangsspannung des Leistungsstellers 1 erzeugt. Ein kleiner Stellwinkel bedeutet dabei, daß vom Leistungssteller 1 wenig Leistung auf die Sammelschiene 30 „gepumpt" wird. Im eingeschwungenen Zustand wird genau diejenige Leistung auf die Sammelschiene 30 „gepumpt", die vom Solarmodul 10 geliefert wird. Das digitale Stellwinkel-Steuersignal besteht beispielsweise aus einer Folge von Digitalworten mit einer Wortlänge von 12 Bit. Damit kann der Stellwinkel in 2¹² = 4096 verschiedenen Schritten vom Mikroprozessor 6 variiert werden.
Um festzustellen, ob der Solarmodul 10 noch in seinem maximalen Leistungspunkt (MPP) arbeitet, erhöht der Mikroprozessor 6 schrittweise, beispielsweise alle 1,0 ms, den Stellwinkel des Leistungsstellers 1 um jeweils einen der 4096 Schritte. Anschließend wird die sich ergebende Modulleistung aus den momentanen Meßwerten errechnet und der sich ergebende Wert mit dem gespeicherten Werte der vor dem betreffenden Schritt errechneten Modulleistung verglichen. Hat sich durch die Erhöhung des Stellwinkels die Modulleistung vergrößert (was gleichbedeutend damit ist, daß der Betriebspunkt für die maximale Leistung noch nicht erreicht ist), wird der Stellwinkel weiter um einen Schritt erhöht. Im umgekehrten Falle (was gleichbedeutend damit ist, daß der Betriebspunkt für die maximale Leistung gerade überschritten wurde) wird der Stellwinkel wieder um einen Schritt verringert. Es werden also die zeitlichen Inkremente der Leistungsdifferenz für die Stellwinkelberechnung herangezogen. Mit dieser Methode kann sich der Mikroprozessor an den Betriebspunkt für die maximale Leistung heran tasten und mit einem Fehler von 0,02% (entsprechend der Auflösung in 2¹² = 4096 Schritten) auf den Betriebspunkt maximaler Leistung regeln (MPP-Tracking).
In den 3 und 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die bauliche Ausbildung der Sammelschiene 30 dargestellt. Die Sammelschiene 30 wird in geeigneter Weise unterhalb der Solarmodule 10 an einer Dachlattung oder an einer Wand eines Gebäudes befestigt, je nach dem, ob die Solarmodule 10 auf dem Dach oder an der Fassade des Gebäudes angebracht sind. Die Sammelschiene 30 weist als Schienenkörper 31 ein Strangpreßprofil (3) aus vorzugsweise Aluminium auf. An den beiden Längsseiten des Schienenkörpers 31 ist jeweils eine T-förmige Längsnut 32 ausgebildet, in welche die Köpfe von nicht gezeigten Befestigungsbolzen aus vorzugsweise Edelstahl eingeführt werden können. Die Befestigungsbolzen lassen sich innerhalb der zugeordneten Längsnut 32 beliebig verschieben, so daß sie gegebenenfalls über verstellbare Haltewinkel an beliebigen Stellen einer nicht gezeigten Tragkonstruktion (Gebäudewand, Dachlattung) angeschraubt werden können. Dabei kann die Befestigung wahlweise als Festlager oder als Loslager ausgeführt werden, um eine ungehinderte thermische Ausdehnung des metallischen Schienenkörpers 31 relativ zu der Tragkonstruktion ohne Übertragung von Dehnungskräften zu ermöglichen.
An der Unterseite des Schienenkörpers 31 sind drei T-förmige Längsnuten 33 nebeneinander ausgebildet, die jeweils zur Aufnahme einer T-förmigen Stromschiene 34 aus Kupfer und einer Kunststoffauskleidung 35 dient, welche die Stromschiene 34 umhüllt und gegenüber dem Schienenkörper 31 elektrisch isoliert. Das Profil der Kunststoffauskleidung 35 ist so gewählt, daß für die darin eingelassene Stromschiene 34 Berührungsschutz nach geltenden Unfall-Verhütungs-Vorschriften gegeben ist. Die mittlere Stromschiene 34 führt den Pluspol, während die beiden seitlichen Stromschienen jeweils den Minuspol führen. Die doppelte Ausführung des Minuspols ermöglicht es, mit einer einzigen Bauart für den Modulkonverter 20 (2) das Solarmodul 10 wahlweise von rechts oder von links an den Modulkonverter 20 anzuschließen, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll. Der Schienenkörper 31 aus Metall bildet eine elektrische Abschirmung für die Stromschienen 34, wobei der Schienenkörper 31 elektrisch mit dem Schutzleitersystem oder in dem Blitzableitersystem eines Gebäudes verbunden werden kann.
Wie die 3 und 4 ferner zeigen, ist an der Unterseite der Profilschiene ein quaderförmiges metallisches Gehäuse 20a befestigt, in welches der Modulkonverter 20 (2) eingesetzt ist, falls der Modulkonverter 20 nicht bereits in der Anschlußdose des Solarmoduls 10 eingebaut ist. Für den Fall eines Einbaus des Modulkonverters 20 in die Anschlußdose des Solarmoduls 10 dient das quaderförmige Gehäuse 20a lediglich als Stromabnehmer oder Kontaktumsetzer, welcher die Stromschienen 34 mit seitlichen Anschlußkontakten 20b des Gehäuses 20a elektrisch leitend verbindet. An seiner Oberseite weist das Gehäuse 20a zwei Federkontakte 20e zur elektrischen Verbindung mit der mittleren Stromschiene 34 und einer der beiden seitlichen Stromschienen 34 auf. An einer Seite des metallischen Gehäuses 20a befinden sich Pluspol- und Minuspol-Anschlußkontakte 20b (4) beispielsweise in Form einer Steckerbuchse zum Herstellen einer Kabelverbindung mit der Anschlußdose des Solarmoduls 10.
Zum Montieren des metallischen Gehäuses 20a an dem Schienenkörper 31 weist der Schienenkörper 31 an jeder Seiten einen nach unten vorstehenden Bund auf. Das Gehäuse 20a wird zuerst zwischen dem rechten und linken Bund des Schienenkörpers 31 eingesetzt. Anschließend wird von der Unterseite des Gehäuses 20a her im Bereich zwischen dessen beiden seitlichen Anschlußkontakten 20b (4) eine U-förmige Halteklammer 20c aus Federstahl über das Gehäuse 20a geschoben und nach oben gedrückt, bis die beiden hakenförmigen Enden der Halteklammer 20c in die seitlichen Längsnuten 32 des Schienenkörpers 31 einrasten. Die Halteklammer 20c weist an ihrer Basis zwischen ihren beiden Schenkeln eine Federnase 20d auf, welche nach erfolgtem Einrasten der Klammerenden in die Längsnuten 32 eine dauerhafte punktförmige Anpreßkraft auf das Gehäuse 20a und dessen Federkontakte 20e erzeugt, um deren Berührungskontakt mit den Stromschienen 34 zuverlässig zu gewährleisten. Über die Halteklammer 20c ist das Gehäuse 20a elektrisch mit dem Schienenkörper 31 und damit mit dem Schutzleiter- bzw. Blitzableitersystem des Gebäudes verbunden.
In der Darstellung nach 3 wird von dem Gehäuse 20a außer der mittleren Pluspol-Stromschiene 34 nur die linke Minuspol-Stromschiene 34 kontaktiert, da die beiden seitlichen Anschlußkontakte 20b des Gehäuses 20a ebenfalls auf der linken Seite der Sammelschiene 30 liegen. Die rechte Minuspol-Stromschiene 34 bleibt unkontaktiert, wie aus der Darstellung in 3 deutlich erkennbar ist. Soll die rechte Minuspol-Stromschiene 34 kontaktiert werden, so wird das Gehäuse 20a in der horizontalen Ebene um 180° gedreht, so daß dessen beide seitlichen Anschlußkontakte 20b auf der rechten Seite der Sammelschiene 30 zu liegen kommt. In diesem Falle bleibt dann die linke Minuspol-Stromschiene 34 unkontaktiert.

Claims

Photovoltaischer Wechselstromerzeuger, mit einer Vielzahl photovoltaischer Solarmodule (10a bis 10n), deren Nennleistung in Abhängigkeit von Parametern wie Sonnenintensität, Modultemperatur, Solartechnologie und Alterung schwankt, mit Gleichspannungswandlern (20a bis 20n), die ausgangsseitig parallel geschaltet und mit einem zentralen Wechselrichter (30) verbunden sind, welcher die von den Gleichspannungswandlern (20a bis 20n) erzeugte Zwischenkreis-Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz umformt, wobei jeder Solarmodul (10a bis 10n) mit einem individuellen Gleichspannungswandler (20a bis 20n) elektrisch verbunden ist, welcher die Ausgangsgleichspannung des zugeordneten Solarmoduls (10a bis 10n) in die wesentlich höhere Zwischenkreis-Gleichspannung transformiert, und wobei die Solarmodule (10a bis 10n) durch ihre individuellen Gleichspannungswandler (20a bis 20n) elektrisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Zwischenkreis-Gleichspannung als Trägersignal zur Übertragung von Steuerbefehlen an die Gleichspannungswandler (20a bis 20n) sowie von Meßdaten über Betriebsparameter der Solarmodule (10a bis 10n) von den Gleichspannungswandlern (20a bis 20n) vorgesehen ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gleichspannungswandler (20a bis 20n) pulsweitenmoduliert ist und sein Stellwinkel derart steuerbar ist, daß der zugeordnete Solarmodul (10a bis 10n) in seinem maximalen Leistungspunkt betrieben wird.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungswandler (20a bis 20n) als BOOST-Konverter ausgebildet sind.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Wechselrichter (30) aus Leistungstransistoren in Metall-Oxid-Silicium-(MOS)-Technik aufgebaut ist.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Wechselrichter (40) aus bipolaren Leistungstransistoren mit isolierter Steuerelektrode (Trench-IGBT's) aufgebaut ist.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Zwischenkreis-Gleichspannung im Bereich von 150 V_DC bis 500 V_DC liegt.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Zwischenkreis-Gleichspannung gepuffert ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungspufferung der erhöhten Zwischenkreis-Gleichspannung ein Akkumulator (101) mit einem nachgeschalteten Laderegeler (102) vorgesehen ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laderegeler (102) mit einem Tiefentladeschutz ausgerüstet ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungspufferung der erhöhten Zwischenkreis-Gleichspannung eine Brennstoffzelle mit Wasserstoffelektrolyseur und Speichern für Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Solarmodul (10a bis 10n) eine eigene Adresse zugeordnet ist, und daß jeder Steuerbefehl mit einer Adressierinformation versehen ist, welche die Adresse desjenigen Solarmoduls (10a...10n) enthält, für welches der jeweilige Steuerbefehl bestimmt ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gleichspannungswandler (20a bis 20n) einen Leistungssteller (1), einen den Leistungssteller (1) steuernden Mikroprozessor (8) und ein mit dem Mikroprozessor verbundenes Modem (8) zum Auskoppeln von Steuerbefehlen aus der Zwischenkreis-Gleichspannung sowie zum Einkoppeln von Meßdaten auf die Zwischenkreis-Gleichspannung aufweist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gleichspannungswandler (20) ferner Sensoren (2 bis 5) für Betriebsparameter des zugeordneten Solarmoduls (10) aufweist, daß die Sensoren (2 bis 5) elektrisch mit dem Mikroprozessor (8) verbunden sind, und daß der Mikroprozessor (6) die Meßsignale der Sensoren (2 bis 5) sowohl zur Steuerung des Leistungsstellers (1) als auch zur Übertragung auf die Zwischenkreis-Gleichspannung aufbereitet.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sammelschiene (30) für die Zwischenkreis-Gleichspannung vorgesehen ist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschiene (30) einen metallischen Schienenkörper (31) aus einem Strangpreßprofil aufweist, an dessen Unterseite Längsnuten (33) zur Aufnahme von Stromschienen (34) ausgebildet sind.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenkörper (31) ferner seitliche Längsnuten (32) zur Aufnahme der Köpfe von Befestigungsbolzen aufweist.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nuten (32) Kunststoffauskleidungen (35) eingesetzt sind, welche die Stromschienen (34) gegenüber dem Schienenkörper (31) elektrisch isolieren.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterseite des Schienenkörpers (31) ein metallisches Gehäuse (20a) befestigbar ist, welches Federkontakte (20e) zum Kontaktieren der Stromschienen (34) des Schienenkörpers (31) aufweist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gehäuse (20a) auf einer Seite Anschlußkontakte (20b) zur elektrischen Verbindung mit dem zugeordneten Solarmodul (10) aufweist.
Wechselstromerzeuger nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Befestigen des metallischen Gehäuses (20a) auf der Unterseite des Schienenkörpers (31) eine U-förmige Halteklammer (20c) aus Federstahl vorgesehen ist, deren hakenförmige Enden in die seitlichen Längsnuten (32) des Schienenkörpers (31) einrasten.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß drei nebeneinande angeordnete Stromschienen (34) vorgesehen sind, von denen die mittlere Stromschiene den Pluspol führt und eine der beiden seitlichen Stromschienen den Minuspol führt.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in das metallische Gehäuse (20a) der Gleichspannungswandler (20) eingesetzt ist.
Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungswandler (20) in eine Anschlußdose auf der Unterseite des Solarmoduls (10) eingesetzt ist.