DE102008046606A1

DE102008046606A1 - Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102008046606A1
Application number: DE102008046606A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: DE102008046606B4; US20100164302A1; US8247923B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaik-Anlage mit einer Vielzahl von Photovoltaik-Modulen und mit einem an die Photovoltaik-Module angeschlossenen Gleichstrom-Motor (5) vorgeschlagen. Die Motorachse (17) ist an eine Welle (15) eines Drehstrom-Generator (13) angekoppelt, wobei der Drehstrom-Generator (13) an ein Stromversorgungsnetz (25) anschließbar ist. Die Motorachse (19) eines zweiten Gleichstrom-Motors (11) ist ebenfalls mit der Welle (15) verbindbar, und die von den Photovoltaik-Modulen erzeugte elektrische Energie (Q1, Q2) wird zunächst nur zum Antrieb eines Gleichstrom-Motors (5) verwendet und im weiteren Betriebsverlauf auf beide Gleichstrom-Motoren (5, 11) aufgeteilt. Der Ersatz eines einzigen großen Gleichstrommotors durch zwei kleinere, getrennt zuschaltbare Gleichstrommotoren mit geringerer Nennleistung erleichtert das Aufschalten der PV-Anlage an das Versorgungsnetz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaik-Anlage mit einer Vielzahl von Photovoltaik-Modulen und mit einem an die Photovoltaik-Module angeschlossenen Gleichstrom-Motor, dessen Motorachse an eine Welle eines Drehstrom-Generator ankoppelbar ist, wobei der Drehstrom-Generator an ein Stromversorgungsnetz anschließbar ist. Ziel dieses Verfahrens ist es, den bei einer großen Anlage vom Wechselstrom-Generator erzeugten Wechselstrom in das Stromversorgungsnetz, vorzugsweise in ein öffentliches Netz, einzuspeisen.
Die Erfindung betrifft auch eine Photovoltaik-Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Es sind Photovoltaik-Anlagen bekannt, bei denen der von den Photovoltaik-Modulen insgesamt gelieferte Gleichstrom mittels eines elektrischen Umformers oder Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt wird, der dann in das Stromversorgungsnetz eingespeist wird. Zur Zeit werden auf dem Markt für Großanlagen elektrische Wechselrichter angeboten, die für eine Leistung von bis zu 700 kW ausgelegt sind, die natürlich entsprechend teuer sind. Für eine Anlage größerer Leistung müssen mehrere elektrische Wechselrichter bereitgestellt werden. Beispielsweise werden heutzutage für eine Solar-Anlage einer Leistung von 2,5 MW mindestens 9 elektrische Wechselrichter eingesetzt, von denen jeder für eine Leistung von 330 kW ausgelegt ist.
So z. B. ist es aus der DE-A-100 61 724 bekannt, eine Vielzahl von elektronischen Wechselrichtern vorzusehen, die über ein relativ komplexes Steuerverfahren mittels einer Vielzahl von Schaltern an einen Betriebspunkt geführt werden, der für den einzelnen Wechselrichter optimal ist.
Wenngleich ein elektrischer Wechselrichter eine hohe Effizienz bei der Energieumsetzung hat, so ist doch zu verzeichnen, dass er aufgrund der in ihm enthaltenen Kondensatoren mit ziemlich großer elektrischer Kapazität relativ träge reagiert. Derzeit müssen zwischen 20 Sekunden und 3 Minuten angesetzt werden, bis ein solcher Wechselrichter an eine Änderung der momentan vorliegenden Sonnenenergie-Einstrahlung mittels seiner Regelungseinrichtung angepasst werden kann.
Die Erfindung basiert auf der bekannten Überlegung, dass für größere Anlagen von 1 MW und mehr, als Zwischenglied zwischen der Photovoltaikanlage und dem Versorgungsnetz die Kombination von einem Gleichstrom-Motor mit einem Wechselstrom-Generator Vorteile bringt. Gleichstrom-Motoren und Wechselstrom-Generatoren für solch hohe Leistungen sind auf dem Markt verfügbar. Ein großer Vorteil einer solchen Kombination gegenüber einer Mehrzahl von elektrischen Wechselrichtern liegt darin, dass sie infolge der geringen Anzahl an Komponenten weniger von statistischen Ausfällen betroffen ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass weniger Wartungseinsätze erforderlich sind. Und vorteilhaft ist auch, dass im Betrieb nur zwei Einheiten überwacht werden müssen.
Aus der DE 20 2006 002 726 U1 , von der die Erfindung ausgeht, ist ein Motor-Generator-Satz zum Betreiben an einer Solaranlage bekannt. Diese Schrift befasst sich jedoch lediglich mit der Mechanik des Motor-Generator-Satzes. Sie sieht auf einer Welle mehrere Polräder vor, die in jeweils einem eigenen Ständer laufen. Durch diese Maßnahme soll der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der regenerativen Energie erhöht werden, wie es auch das Anliegen der oben genannten DE-A-100 61 724 ist. Die Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Energie-Umformung ist jedoch nicht das Ziel der vorliegenden Erfindung.
In der Praxis hat es sich als schwierig erwiesen, einen elektromechanischen Maschinensatz bestehend aus einem Gleichstrommotor und einem Drehstromgenerator anzufahren, weil insbesondere morgens die benötigte Mindestenergie, die erforderlich ist, um den Maschinensatz auf eine für die Synchronisation erforderliche Drehzahl zu bringen, nicht ausreicht bzw. eine langwierige Synchronisation erfolgt. Ein elektromechanischer Maschinensatz von z. B. 4 MW hat ungefähr ein Gewicht von ca. 10000 kg und entsprechend große auf Drehzahl zu bringende Massen, die von der Solaranlage beim insbesondere morgendlichen Anfahren erst in Schwung gebracht werden müssen, um die Synchronisation mit dem Netz zu ermöglichen. Ferner wird bei langsam rotierender Maschine ein erhöhter Verbrauch der Kohlen anfallen. Dieses führt zu einem unerwünschten Verschleiß.
Ausgehend von dieser Erkenntnis hat es sich vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, die Anfahrphase zu verkürzen und die Synchronisationsbedingungen früher zu erreichen, sowie den Verschleiß der Kommutator-Kohlen zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Motorachse eines zweiten Gleichstrom-Motors mit der Welle verbindbar ist, und dass die von den Photovoltaik-Modulen erzeugte elektrische Energie zunächst nur zum Antrieb eines Gleichstrom-Motors verwendet wird und im weiteren Betriebsverlauf auf beide Gleichstrom-Motoren aufgeteilt wird.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die gesamte zur Verfügung stehende Energie aller Photovoltaikmodule jeweils zum Anfahren eines der Gleichstrommotoren verwendet werden kann. Dieses verkürzt die Anlaufzeit bis zum Erreichen der Synchronisationsbedingungen, insbesondere der Anpassung der Drehzahl an die Netzfrequenz und die Einstellung der im Netz vorliegenden Phasenlage. Es wird also ein einziger, relativ großer und träger Gleichstrommotor durch zwei kleinere, leichter an Synchronisationsbedingungen anzupassende Gleichstrommotoren ersetzt.
Es ist vorteilhaft, wenn der erste Gleichstrom-Motor bis zum Erreichen seiner Nennleistung alleine mit dem Drehstrom-Generator verbunden ist, und erst anschließend bei Erreichung der Nennleistung des ersten Gleichstrom-Motors der zweite Gleichstrom-Motor zugeschaltet wird. Das bedeutet, dass der erste Gleichstrommotor bereits voll angepasst an die Netzbedingungen arbeitet und die halbe vorliegende von den Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Energie voll zum Anfahren des zweiten Gleichstrommotors genutzt werden kann. Es ist auch eine asymmetrische Aufteilung der zur Verfügung stehenden Energie möglich, beispielsweise 70% zu 30% zugunsten des zuzuschaltenden zweiten Gleichstrommotors.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste und/oder der zweite Gleichstrom-Motor über eine Kupplung mit der Welle des Drehstromgenerators verbindbar sind. Diese Maßnahme bedeutet ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Steuerung der Anlage. So z. B. besteht die Wahl, zuerst den ersten oder zuerst den zweiten Gleichstrommotor auf die Zuschaltbedingungen hin hochzufahren, und dann den jeweils anderen später. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, die Photovoltaik-Module in eine erste und in eine zweite Menge aufzuteilen, wobei die erste Menge die von ihr erzeugte Leistung an einem ersten Ausgang und die zweite Menge die von ihr erzeugten Leistung an einem zweiten Ausgang zur Verfügung stellt. Der erste und der zweite Ausgang sind dann jeweils mittels eines Schaltelementes mit dem Eingang des ersten bzw. des zweiten Gleichstrom-Motors verbindbar sind. Ein Brückenschalter verbindet im geschlossenen Zustand den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang.
Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, zwei an die Photovoltaik-Module zuschaltbare Gleichstrom-Motoren, die falls zugeschaltet von den Photovoltaik-Modulen mit einer Gleichspannung und einem Gleichstrom gespeist werden, einen Drehstrom-Generator, dessen Welle mit dem ersten und/oder dem zweiten Gleichstrom-Motor mittels jeweils einer Kupplung verbindbar ist und der zur Zuleitung der von ihm erzeugten Wechselspannung an ein Stromversorgungsnetz anschließbar ist.
Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die Photovoltaik-Module in eine erste und in eine zweite Menge aufgeteilt sind und dass die erste Menge die von ihr erzeugte Leistung an einem ersten Ausgang und die zweite Menge die von ihr erzeugten Leistung an einem zweiten Ausgang zur Verfügung stellt, wobei der erste und der zweite Ausgang jeweils mittels eines Schaltelementes mit dem Eingang des ersten bzw. des zweiten Gleichstrom-Motors verbindbar sind und dass ein Brückenschalter im geschlossenen Zustand den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang verbindet. Die erste und die zweite Menge sind bevorzugt gleich groß, insbesondere wenn die Nennleistung der beiden Gleichstrommotoren gleich groß sind. Wenn ein späterer Ausbau einer Photovoltaikanlage mit in die Planung einbezogen werden muss, ist es sinnvoll, Gleichstrommotoren mit unterschiedlicher Leistung vorzusehen, wobei die Nennleistung von einem der beiden dann bereits die Ausbaustufe mit berücksichtigen kann.
Für die Logistik des Transports und aus Gründen der Montagevereinfachung vor Ort, sowie einer Möglichkeit der Vorratshaltung von den elektromechanischen Konvertern ist es vorgesehen, dass die beiden Gleichstrom-Motoren, der Drehstromgenerator, eine zugehörige Steuer- und Regeleinheit, die Schalter und der Brückenschalter in einem Frachtcontainer fest installiert sind. Der Frachtcontainer kann als Ganzes verschifft und auf der Baustelle auf bereitstehende Fundamente verbracht werden, wobei lediglich noch die Zuführungskabel von den Photovoltaikmodulen und die Zuleitung zum Netz vorzunehmen sind.
Die Erfindung ist anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei ist anzumerken, dass die 1 sich auf den Betrieb mit zwei Gleichstrommotoren, die 2 bis 5 sich auf die Regelungsgrundsätze eines elektromechanischen Konverters und die 6 bis 8 auf einen geeigneten Container zur Vorfertigung des elektromechanischen Konverters als in sich abgeschlossene Baueinheit, beziehen. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines elektromechanischen Konverters mit zwei Gleichstrommotoren;
2 den Vorlauf der maximalen Leistung MPP eines Solargenerators über der Zeit t im Zeitpunkt von 6 Uhr bis 18 Uhr eines Tages in einem Prinzipdiagramm;
3 einen typischen Strom/Spannungsverlauf I(U) einer Photovoltaik-Anlage;
4 eine I-U-Kennlinie;
5 eine Photovoltaik-Anlage zur näheren Erläuterung des Betriebs eines der beiden Gleichstrommotors;
6 einen schematischen Querschnitt durch einen Container mit elektromechanischem Konverter,
7 eine schematische Aufsicht auf den Container nach 6, und
8 einen möglichen Einsatz des Containers als Phasenschieber.
In der 1 ist mit Q1 eine erste Menge an Photovoltaikmodulen (in 1 nicht gezeigt) als erste Energiequelle bezeichnet, die ein erstes Ausgangsklemmenpaar 1 aufweist, an denen eine Gleichspannung U und ein Gleichstrom I abgreifbar sind. Über einen ersten Schalter 3 ist das Ausgangsklemmenpaar 1 mit einem ersten Gleichstrommotor 5 verbunden, um diesen anzutreiben.
Analog hierzu befinden sich auf der rechten Figurenseite eine zweite Menge Q2 an Photovoltaikmodulen als zweite Energiequelle, die ein zweites Ausgangsklemmenpaar 7 aufweist, an denen eine Gleichspannung U und ein Gleichstrom I abgreifbar sind. Über einen zweiten Schalter 9 ist das Ausgangsklemmenpaar 7 mit einem zweiten Gleichstrommotor 11 verbunden, um diesen anzutreiben.
Zwischen den beiden Gleichstrommotoren 5, 11 ist ein Drehstromgenerator 13 angeordnet, dessen Welle 15 mit den beiden Motorachsen 17, 19 der Gleichstrommotoren 5, 11 fluchtet. Die Generatorwelle 15 ist links und rechts vom Drehstromgenerator 13 herausgeführt und am jeweils freien Ende mit einer Kupplung 21, bzw. 23 versehen. Mittels der Kupplungen 21, 23 sind die Achsen 17, 19 der Gleichstrommotoren 5, 11 getrennt mit den Drehstromgenerator 13 verbindbar. Der Drehstromgenerator 13 weist ein elektrisches Anschlusselement 25 auf, um ihn an ein Stromversorgungsnetz (nicht gezeigt in 1) anzuschließen. Jeder der beiden Gleichstrommotoren ist mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden, wie sie später anhand der 2 bis 5 erläutert wird. Die dort beschriebene Steuer- und Regeleinheit ist mit einem Signalgenerator ausgerüstet, der die Betätigung eines Brückenschalters 27, der die Ausgangsklemmen 1 und 7 kurzschließt und öffnet, ausübt. Beim Anfahrbetrieb des ersten Gleichstrommotors 5 ist der Brückenschalter 25 geschlossen und die Leistung der zweiten Energiequelle Q2 steht ebenfalls am Eingang des ersten Gleichstrommotors 5 zur Verfügung. Erreicht die Leistung des ersten Gleichstrommotors 5 einen vorgegebenen Wert, insbesondere seine Nennleistung, wird der Brückenschalter 27 geöffnet. Die von der Energiequelle Q2 erzeugte elektrische Energie wird dann zum Anfahren und weiteren Betrieb des zweiten Gleichstrommotors 11 verwendet. Ist die Drehzahl dessen Achse 19 an die der Welle 25 angepasst, wird von der Steuer- und Regeleinheit ein Signal zur Einleitung des Einkupplungsvorgangs der Kupplung 23 gegeben. Nach erfolgter Ankopplung bilden die Achsen 17, 19 zusammen mit der Welle 15 einen gemeinsamen Drehverbund.
Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, einen elektromechanischen Konverter so auszubilden, dass die Anfahrbedingungen für den ersten Gleichstrommotor verbessert und für den zweiten Gleichstrommotor von Anfang an optimiert sind.
In 2 ist mit der durchgezogenen Kurve K der Verlauf der von einer Photovoltaik-Anlage maximal abgebbaren Leistung MPP (maximaler Leistungspunkt) im Laufe der Zeit t eines Tages zwischen 6 Uhr früh und 18 Uhr abends dargestellt. Es ist angenommen, dass keine Störungen durch Wolken oder durch große Temperaturänderungen eingetreten sind.
Gemäß dem hier vorliegenden Verfahren wird diese Kurve K durch Abtasten der Leistung P in regelmäßigen Zeitabständen t ermittelt, und es wird der ermittelte maximale Leistungspunkt MPP jeweils eingestellt, so dass die jeweils maximal mögliche Leistung MPP aus dem Solargenerator bezogen und an den Energieumrichter in Form eines fremderregten Gleichstrom-Motors und eines daran angekoppelten Drehstrom-Generators (vgl. 5) zur Weiterleitung an ein Drehstromnetz abgegeben wird. Das pendelnde Abtasten mittels einer Recheneinheit und eines daran angeschlossenen PI-Reglers ist durch den zackigen Verlauf an der durchgezogenen Kurve K verdeutlicht. Allerdings muss angemerkt werden, dass die Zeitintervalle Δt für das Abtasten im Bereich von 1 Sekunde, bevorzugt bei einer halben Sekunde oder weniger, liegen. Daraus ergibt sich, dass das in 2 dargestellte Diagramm MPP(t) bezüglich der Tageszeiten nicht maßstabsgerecht ist.
In 3 ist mit der durchgezogenen Kurve oder Kennlinie S1 eine typische Strom/Spannungskurve I(U) einer Photovoltaik-Anlage für eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte Sonneneinstrahlung dargestellt. Diese Kurve oder Kennlinie S1 weist einen maximalen Leistungspunkt MPP1 auf. Dieser Punkt MPP1 ist dadurch definiert, dass hier die schraffiert dargestellte Fläche eine maximale Größe, entsprechend einer maximal vom Solargenerator zur Verfügung gestellten Leistung P, besitzt.
Die Regelung des genannten elektromotorischen Konverters erfolgt, wie im Folgenden näher ausgeführt, durch eine iterative Annäherung an diesen Leistungspunkt. Dazu wird, beispielsweise beim Punkt P' oder beim Punkt P'' beginnend, mehrfach entlang der Kurve S1 vor- bzw. zurückgeregelt, bis man auf dem maximalen Leistungspunkt MPP1 angelangt ist. Die Punkte P' und P'' entsprechen dabei erfahrungsgemäßen Ausgangspunkten E' bzw. E'', von denen aus der Erregerstrom E incremental erhöht bzw. erniedrigt wird.
Diese iterative Annäherung soll an einem willkürlich herausgegriffenen Beispiel verdeutlich werden.
Es wird angenommen, dass P1 (entsprechend P') der Startpunkt ist. Diesen Wert P1 ergibt also die erste Messung von I und U und die daraus resultierende Ermittlung der Leistung P, die von den Photovoltaik-Modulen an den Gleichstrom-Motor (vgl. 5) abgegeben wird. Nach einer Zeit Δt = 0,5 sec ändert die Recheneinheit (vgl. 5) über die erste Regeleinheit (vgl. 5) den Erregerstrom E um einen geringen Betrag. Damit verringert sich die Gleichspannung U. Die Recheneinheit ermittelt nun aus den neuen Werten von I und U einen Leistungswert P2. Sie stellt gleichzeitig fest, dass dieser Leistungswert P2 im Vergleich zum vorherigen Leistungswert P1 gestiegen ist.
Nach einer weiteren Zeit Δt = 0,5 sec ändert die Recheneinheit über die Regeleinheit wiederum den Erregerstrom um eine geringen Betrag. Dies geht einher mit einer weiteren Verringerung der Gleichspannung U. Die Recheneinheit ermittelt nun einen Leistungswert P3. Sie stellt wiederum fest, dass dieser Leistungswert P3 im Vergleich zum vorhergehenden Leistungswert P2 gestiegen ist.
Wiederum nach einer Zeit Δt = 0,5 sec wird der Erregerstrom entsprechend geringfügig geändert. Nun wird der weiter erhöhte Leistungswert P4 erreicht. Dies ist – das sei hier angenommen – gleichzeitig der maximale Leistungswert MPP1, was allerdings von der Recheneinheit zunächst nicht festgestellt werden kann.
Nach einer weiteren Zeit Δt = 0,5 sec erniedrigt die Recheneinheit auf dem bereits erläuterten Wege wiederum über den Erregerstrom die Spannung U. Sie misst nunmehr den Wert P5 und stellt fest, dass die Leistung von P4 nach P5 gefallen ist. Zwischen P3 und P5 muss also zu diesem Zeitpunkt irgendwo der maximale Leistungspunkt MPP1 liegen.
Die Recheneinheit erhöht nach einer weiteren Zeit Δt = 0,5 sec die Gleichspannung U, was dazu führt, dass im wieder erreichten Punkt P4 die Leistung P wieder gestiegen ist. Probehalber geht sie dann nach Verstreichen der Zeit Δt zum Punkt P3 zurück. Von dort kehrt sie jedoch wieder zum Punkt P4 zurück und testet entsprechend wieder Punkt P5.
Die Recheneinheit versucht also fortan, durch Pendeln um den Leistungs-Punkt P4, d. h. durch Erhöhen und Erniedrigen der Gleichspannung U, diesen Wert MPP1 festzuhalten.
In 4 ist eine Spannungs-Zeit-Kurve U(t) dargestellt. Die durchgezogene Kurve U(MPP) entspricht dabei der idealen Spannung im maximalen Leistungspunkt MPP. Und die gezackte Kurve entspricht der incrementalen Annäherung an diese jeweils vorherrschende ideale Spannung.
Es soll noch einmal festgehalten werden, dass in 3 die jeweilige Leistung P gekennzeichnet ist durch die die einzelnen Punkte begrenzenden Vierecke, von denen nur das zu P4 gehörende Viereck schraffiert hervorgehoben ist.
Je nach Sonneneinstrahlung und/oder Temperatur ändert sich die in 3 dargestellte Kennlinie S1 fortlaufend. Bei einer Änderung kann sich also z. B. die (gestrichelte) Kurve S2 ergeben. Dadurch ergibt sich ein neuer maximaler Leistungspunkt, beispielsweise der Wert MPP2. Die erläuterte Regelung sorgt nun dafür, dass die Gleichspannung U so eingestellt wird, dass der Solargenerator im neuen maximalen Leistungspunkt MPP2 betrieben wird.
In 5 sind mit der 1 überschneidende Bauteile mit anderen Bezugszeichen versehen. Sie zeigt eine Photovoltaik-Anlage 101 mit einem Solargenerator 103, der eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen 105 aufweist. Jedes Modul 105 umfasst wiederum eine Vielzahl von Photovoltaik-Zellen. Die Module 105 sind in bekannter Weise zu Strängen verbunden, an deren Enden Anschlüsse 107 zum Abgriff der erzeugten Gleichspannung U und des daraus resultierenden Gleichstroms I vorgesehen sind. Je nachdem, wie viel Gleichstrom I von der an den Anschlüssen 7 angeschlossenen Last abgenommen wird, stellt sich die z. B. in den Kurven S1 und S2 der 3 entsprechende Gleichspannung U ein.
An die Anschlüsse 107 ist ein Gleichstrom-Motor 109 angeschlossen. Hierbei handelt es sich um eine fremderregte Gleichstrom-Maschine, die eine Erregerwicklung 111 aufweist. Die Welle 113 des Gleichstrom-Motors 109 treibt einen Drehstrom-Generator 115, speziell einen Drehstrom-Generator höherer Ausgangsspannung, an. Der Generator 115 ist zur Abgabe seiner Wechselspannung U_w an ein Drehstromnetz 17 angeschlossen. Dieses Drehstromnetz 117 ist hier ein öffentliches Netz von z. B. 400 Volt. Es ist also bezüglich Frequenz und Spannungshöhe konstant. Der Generator 115 läuft im Normalbetrieb mit konstanter Drehzahl. Er ist in diesem Normalbetrieb auf die Frequenz des Drehstromnetzes 117 in bekannter Weise synchronisiert.
Weiterhin ist eine Recheneinheit 119 vorgesehen. Dieser ist u. a. zur rechnerischen Ermittlung des maximalen Leistungspunkts MPP des Solargenerators 15 vorgesehen. Ihr erster Eingang ist mit der am Gleichstrom-Motor 109 anliegenden Gleichspannung U beaufschlagt. Und ihrem zweiten Eingang wird von einem Strommessglied 121 der Istwert des Gleichstroms I, der von dem Solargenerator 10 an den Gleichstrom-Motor 109 abgegeben wird, zugeführt.
Von der Recheneinheit 119 wird zur Ermittlung des maximalen Leistungspunkts MPP des Solargenerators 103 für die aktuelle Sonneneinstrahlung und die aktuelle Temperatur ein Ausgangssignal abgegeben. Dieses Ausgangssignal wird z. B. nach der Erklärung zu 3 alle 0,5 sec zur Verfügung gestellt. Das Ausgangssignal ist als neuer Sollwert U* für die Gleichspannung U zu betrachten.
Dieser Sollwert U* wird dem zweiten Eingang einer ersten Regeleinheit 123 zugeführt, wobei der erste Eingang mit der am Gleichstrom-Motor 109 anliegenden Gleichspannung U beaufschlagt ist. Die Regeleinheit 123 ist bevorzugt ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler). Sein Ausgangssignal ΔU entspricht der Regelabweichung. Es wird dazu verwendet, auf die Erregung des Gleichstrom-Motors 109, speziell auf den Erregerstrom E, Einfluss zu nehmen. Das Ausgangssignal ΔU bewirkt damit, je nach Größe, eine Feldschwächung oder Feldverstärkung.
Das Ausgangssignal ΔU wird zu dieser Einflussnahme dem ersten Eingang einer zweiten Regeleinheit 125 zugeführt. Diese zweite Regeleinheit 125 ist bevorzugt ein PI-Regler. Sie ist eine Regeleinrichtung für den Erregerstrom E. Somit kann das zugeführte Ausgangssignal ΔU als Erregerstrom-Sollwertsignal E* angesehen werden. Dem zweiten Eingang wird von einem Erregerstrom-Messglied 127 im Erregerstromkreis der Istwert E des Erregerstroms zugeleitet. Der Vergleich der beiden Signale ΔU = E* und E ergibt am Ausgang der zweiten Regeleinheit 125 ein Ausgangssignal ΔE, das die Regelabweichung repräsentiert und das direkt zur Einstellung des Erregerstroms E verwendet wird. Der Erregerstrom E wird von einem steuerbaren Netz-Gleichrichter 129 geliefert, der eingangsseitig an das Drehstromnetz 117 angeschlossen ist. Er ist ausgangsseitig an die Erregerwicklung 111 angeschlossen. Natürlich kann auch eine andere Energiequelle eingesetzt werden. Der Netz-Gleichrichter 129 speist die Erregerwicklung 111 mit dem erforderlichen Erregerstrom E.
Es ist somit festzuhalten, dass hier der Gleichspannungsregelung für die Eingangsspannung U des Gleichstrom-Motors 109 eine Erregerstromregelung für den Erregerstrom E in der Erregerwicklung 111 untergeordnet ist.
Die Anpassung und das Aufsuchen des MPP erfolgt incremental, d. h. in kleinen Schrittänderungen des Erregerstroms E, wobei von der erwähnten Pendelung Gebrauch gemacht wird.
Die beschriebene Steuerung und Regelung ist für jeden der in der 1 dargestellten Gleichstrommotoren 5, 11 anwendbar. Bei der erfindungsgemäßen Anlage mit zwei Gleichstrommotoren 5, 11 kommt noch die in Verbindung mit der 1 beschriebene Steuerung des Brückenschalters 27 und die Erzeugung des Betätigungssignals zum Ein- und Auskoppeln der Kupplungen 21 und 23 hinzu.
Im Folgenden wird anhand der 6 bis 8 die Unterbringung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Konverters in einen Überseecontainer beschrieben. Es ist zu beachten, dass gleiche Bauteile mit anderen Bezugszeichen versehen sind.
Die Ausgestaltung gemäß der Erfindung sieht vor, dass in dem Maschinenraum ein zweiter Gleichstrommotor montiert ist, der auf die gemeinsame Welle wirkt und dass der erste und/oder der zweite Gleichstrommotor jeweils über eine Schaltkupplung an die Welle anschließbar und von der Welle abtrennbar sind, wobei der erste Gleichstrommotor mit der erzeugten Energie eines ersten Teils der Photovoltaikanlage betrieben wird und der. zweite Gleichstrommotor mit der erzeugten Energie eines zweiten Teils der Photovoltaikanlage betrieben wird und dass die Steuervorrichtung und die Stromzufuhrkabel zu den Gleichstrommotoren so ausgebildet sind, dass die Zufuhr der im ersten Teil der Photovoltaikanlage erzeugten Energie derart umschaltbar ist, dass sie zusätzlich zur Zufuhr der im zweiten Teil der Photovoltaikanlage erzeugten Energie zum Antrieb des zweiten Gleichstromgenerators eingesetzt wird.
In der 6 ist mit 201 ein Container bezeichnet, der mit einer ersten Zwischenwand 203 versehen ist, die das Innere des Containers 201 in einen ersten und einen zweiten Innenraum 205 bzw. 207 unterteilt. Die erste Zwischenwand 203 genügt dabei den Anforderungen, die von dem Land des jeweiligen Einsatzes an Mittelspannungsanlagen gestellt werden. Die erste Zwischenwand 203 kann geschlossen aus Metall gefertigt sein oder durch ein metallisches Gitter gebildet werden, welches an eine geeignete Erdung (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Unter Mittelspannung wird eine Spannung verstanden, die von dem lokalen Energieversorgungsunternehmen herangezogen wird, um Ortschaften oder Stadtteile mit elektrischem Strom zu versorgen. Sie liegt in der Regel zwischen 12 und 35 KV. Der erste Innenraum 5 weist eine zweite Zwischenwand auf, die ihn in einen Maschinenraum 209 und in einen Kontrollraum 211 unterteilt. Im Maschinenraum 209 ist ein Gleichstrommotor 213 und ein Wechselstromgenerator oder Synchrongenerator 215 untergebracht. Im Kontrollraum 211 befindet sich die zugehörige Steuervorrichtung für die Steuerung der Maschinen 213, 215 und eine angeschlossene Photovoltaikanlage 216. Die in den Räumen 27, 209, 211 verlegten Leitungen sind im Einzelnen nicht gezeigt. Es handelt sich um die üblichen Verbindungen, wie z. B. die Steuerleitungen zu dem Gleichstrommotor 213 und dem Drehstromgenerator 215, die Versorgungsleitungen für eine Steuervorrichtung 217, die Leitungsverbindung zu dem Generator 215 etc.
Der Gleichstrommotor 213 und der Wechselstromgenerator 215 werden mit einer gemeinsamen ein- oder mehrteiligen Welle 219 betrieben, die zwischen den Maschinen 213, 215 eine erste Schaltkupplung 221 aufweist, die geeignet ist bei entsprechendem Steuersignal von der Steuervorrichtung 217 her, den Gleichstrommotor 213 von dem Drehstromgenerator zu trennen oder beide miteinander zu verbinden. In dem Maschinenraum 209 ist ein zweiter Gleichstrommotor2 23 montiert, der ebenfalls auf die gemeinsame Welle 219 wirkt und der über eine zweite Schaltkupplung 225 an die Welle 219 anschließbar und von der Welle 219 abtrennbar ist.
Der erste Gleichstrommotor 213 wird mit der erzeugten Energie eines ersten Teils PV1 der Photovoltaikanlage 216 betrieben und der zweite Gleichstrommotor2 23 mit der erzeugten Energie eines zweiten Teils PV2 der Photovoltaikanlage. Dabei ist es unerheblich, ob eine große Photovoltaikanlage in die zwei Teile PV1 und PV2 aufgeteilt wird, die z. B. unterschiedliche Himmelsausrichtung haben können, oder ob es sich um zwei räumlich getrennte Anlagen PV1 und PV2 handelt die an den dann gemeinsamen Konvertercontainer 1 angeschlossen sind. Die Steuervorrichtung 217 und die Stromzufuhrkabel zu den Gleichstrommotoren 213 und 223 sind so ausgebildet, dass die Zufuhr der im ersten Teil PV1 der Photovoltaikanlage 216 erzeugten Energie derart umschaltbar ist, dass sie zusätzlich zur Zufuhr der im zweiten Teil PV2 der Photovoltaikanlage 216 erzeugten Energie zum Antrieb des zweiten Gleichstromgenerators 223 eingesetzt wird. Bei dieser Betrachtung ist es willkürlich, welcher der erste und welcher der zweite Gleichstrommotor 213, 223 ist. Es ist genauso gut denkbar, die Zufuhr der im zweiten Teil PV2 erzeugten Energie dem ersten Teil PV1 zugeordneten Gleichstrommotor 213 zuzuschlagen. Diese Vorgehensweise ist besonders sinnvoll, wenn die Teile der Photovoltaikanlage oder besser des Photovoltaiksystems einige 100 Meter oder Kilometer voneinander entfernt sind. Dann nämlich kann es bei wechselnder Bewölkung bedeutsam sein, wenn die Energie, die von der von Wolken abgeschatteten Photovoltaikanlage PV1 erzeugt wird und selber nicht ausreicht, um den zugeordneten Gleichstrommotor effizient anzutreiben, zum Einspeisen zu der anderen Photovoltaikanlage PV2 verwendet wird, die womöglich zur selben Zeit in einem Sonnenbereich liegt.
Daraus folgt, dass die Steuervorrichtung 217 für die Überwachung und Steuerung des ersten PV1 und des zweiten Teils PV2 der Photovoltaikanlage 216 ausgelegt ist, und die dem ersten PV1 oder zweiten Teil PV2 der Photovoltaikanlage zugeordnete Schaltkupplung 221 oder 225 bei Unterschreiten eines zur Verfügung stehenden ersten Mindestenergiewerts von der Welle 219 getrennt wird und bei Überschreiten eines zur Verfügung stehenden zweiten Mindestenergiewerts zugeschaltet wird. Dadurch ist es möglich, zumindest immer einen der beiden Gleichstrommotoren 213, 223 an einen effizienten Arbeitspunkt zu betreiben.
In dem zweiten Innenraum 207 des Containers 201 ist ein Transformator 227 untergebracht, der die von dem Drehstromgenerator 215 erzeugte Leistung von 400 Volt auf eine Mittelspannung von z. B. 20 KV hoch transformiert. Die 20 kV Sekundärseite des Transformators 227 ist über entsprechende Kabel2 29, die durch eine Öffnung 231 im Boden des Containers 201 geführt werden mit dem EVU-Netz (siehe 8) verbunden. An seiner Außenwand können am Container 201 Steckverbindung 233 angebracht sein, die zum Anschluss der Steuervorrichtung, der Stromzufuhr zum Gleichstrommotor, des Transformators, Kontrollgeräte etc. ausgebildet sind.
Der Container 201 ist vorzugsweise ein 40 Fuß Standard Frachtcontainer, bei dem an einer Stirnseite der erste Innenraum 205 durch eine erste Tür 235 und der zweite Innenraum 207 durch eine zweite Tür 237 von außen zugänglich sind. Die zweite Tür 237 ist eine Doppelflügeltür, die sich über die gesamte Stirnseite des Containers 201 erstreckt und die im wesentlichen über ihre gesamte Fläche mit Aussparungen versehen ist, hinter denen Filterelemente 239 angeordnet sind. Die erste Tür auf der anderen Stirnseite des Containers 201 angeordnet. Der Zugang zum Maschinenraum 209 ist über eine dritte Tür 241 möglich, die sich in einer zweiten Zwischenwand 243 befindet, die wie bereits zuvor ausgeführt, den ersten Innenraum 205 in den Maschinenraum20 9 und den Kontrollraum 211 unterteilt. Oberhalb der Gleichstrommotoren 213, 223 ist das Containerdach mit einem Lüfter/Lüftern 245 versehen.
Die 8 zeigt in der Übersicht ein gängiges Energie-Verteiler-Schema vom Kraftwerk KW über die angeschlossenen Hochspannungsleitungen, dem Mittelspannungs-Umspannverteiler bis zum örtlichen 400 Volt Verbraucher. Die gezeigte Mittelspannungsverteilung ist als 20 KV Netz dargestellt und in einem Ring angeordnet, an welchen eine Anzahl an Ortschaften oder Stadtteilen 249 angeschlossen sind. In den einzelnen Ortschaften sind auf Hausdächern Photovoltaikanlagen montiert, die die erzeugte Energie über elektronische Wechselrichter in das Netz einspeisen. Das Netz wurde ursprünglich ohne private Einspeisungen ausgelegt, derart dass eine elektrisch am Entferntesten liegende Ortschaft 251 trotz des Spannungsabfalls an vorher an den Ring angeschlossene Ortschaften 249 noch eine ausreichende Spannung zum Betrieb der elektrischen Geräte hatte. Diese Einstellung erfolgt üblicherweise an dem Umspannwerk Hochspannung auf Mittelspannung und nicht in den örtlichen 20 KV Verteilerstationen, die ein festes Übersetzungsverhältnis haben. Durch die immer weiter zunehmende private Einspeisung durch Wind- und Sonnenenergieanlagen haben sich insbesondere tagsüber die Spannungsverhältnisse verändert. Das Umspannwerk Hoch- auf Mittelspannung kann mit einem geringeren Übersetzungsverhältnis arbeiten, da die lokalen Einspeisungen das Netz stützen. Anders ist es nachts, wenn der Großteil der regenerativen Energieerzeuger ausfällt. Dann besteht die Gefahr, dass die am Entferntesten liegende Ortschaft 251 nur noch mit einer geringen Spannung von z. B. 19 KV versorgt wird, was zu einer Beschädigung oder zum Ausfall von elektrischen Geräten führen kann. Eine Anpassung über die Hochspannungsumspannstation ist umständlich und teuer.
Hier wird Abhilfe geschaffen, indem der cos phi des Wechselstromgenerators 215 mittels einer Einstelleinheit 253 einstellbar ist, die einen Eingang aufweist, an dem drahtgebunden oder per Funk ein Sollwert des gewünschten cos phi anlegbar ist. Durch diese Maßnahme, die auch von dem erfindungsgemäßen nicht Container gebundenen elektro-mechanischen Konverter vorgenommen werden kann, kann Blindleistung erzeugt werden, die einen zu hohen Spannungsabfall in der entferntesten Ortschaft 251 verhindert.

Liste der Bezugszeichen zu 1

Q1: erste Energiequelle
Q2: zweite Energiequelle
1: Ausgangsklemmenpaar Q1
3: erster Schalter
5: erster Gleichrichter
7: Ausgangsklemmenpaar Q2
9: zweiter Schalter
11: zweiter Gleichstrommotor
13: Drehstromgenerator
15: Welle
17: Motorachse erster Gleichstrommotor
19: Motorachse zweiter Gleichstrommotor
21: erste Kupplung
23: zweite Kupplung
25: Anschlusselement
27: Brückenschalter

Liste der Bezugszeichen zu den 2 bis 5

101: Photovoltaik-Anlage
103: Solargenerator
105: Photovoltaik-Modul
107: Anschluss
109: Gleichstrom-Motor
111: Erregerwicklung
113: Welle
115: Drehstrom-Generator
117: Drehstromnetz, Stromversorgungsnetz
119: Recheneinheit
121: Strommessglied
123: erste Regeleinheit
125: zweite Regeleinheit
127: Erregerstrom-Messglied
129: Netzstromrichter
K: Kurve
t: Zeit;
Δt: Zeitintervall; zeitlich festgelegter Schritt
S1: Kurve, Kennlinie
S2: Kurve, Kennlinie
P: Leistung
E: Erregerstrom(signal)
MPP: Leistungs-Höchstwert, max. Leistungspunkt
U: Gleichspannung
I: Gleichstrom
E': erster Erfahrungswert des Erregerstroms
E'': zweiter Erfahrungswert des Erregerstroms
U_w: Wechselspannung
ΔU: Ausgangssignal der ersten Regeleinheit 23
ΔE: Ausgangssignal der zweiten Regeleinheit 25
U*: Ausgangssignal der Recheneinheit 19; Sollwert der Gleichspannung

Liste der Bezugszeichen zu den 6 bis 8

201: Container
203: 1. Zwischenwand
205: 1. Innenraum
207: 2. Innenraum
209: Maschinenraum
211: Kontrollraum
213: 1. Gleichstrommotor
215: Wechselstromgenerator
216: PV-Anlage
217: Steuervorrichtung
219: Welle
221: 1. Schaltkupplung
223: 2. Gleichstrommotor
225: 2. Schaltkupplung
227: Transformator
229: 20 KV Kabel
231: Öffnung Containerboden
233: Steckverbinder
235: 1. Tür
237: 2. Tür
239: Filterlement
241: 3. Tür
243: 2. Zwischenwand
245: Lüfter
247: Ring
249: Ortschaft
251: entfernteste Ortschaft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10061724 A [0004, 0007]
- DE 202006002726 U1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaik-Anlage mit einer Vielzahl von Photovoltaik-Modulen und mit einem an die Photovoltaik-Module angeschlossenen Gleichstrom-Motor (5; 213), dessen Motorachse (17) an eine Welle (15; 219) eines Drehstrom-Generator (13; 215) ankoppelbar ist, wobei der Drehstrom-Generator (13; 215) an ein Stromversorgungsnetz (25; 229) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorachse (19) eines zweiten Gleichstrom-Motors (11; 223) mit der Welle (15; 219) verbindbar ist, und dass die von den Photovoltaik-Modulen erzeugte elektrische Energie (Q1, Q2) zunächst nur zum Antrieb eines Gleichstrom-Motors (5; 213) verwendet wird und im weiteren Betriebsverlauf auf beide Gleichstrom-Motoren (5, 11; 213, 223) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichstrom-Motor (5) bis zum Erreichen seiner Nennleistung alleine mit dem Drehstrom-Generator (13) verbunden ist, und erst anschließend bei Erreichung einer vorgegebenen Leistung, insbesondere im Bereich zwischen 65% und 80% der Nennleistung des ersten Gleichstrom-Motors (5), der zweite Gleichstrom-Motor (11) zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Gleichstrom-Motor (5, 11) über eine Kupplung (21, 23) mit der Welle (15) des Drehstromgenerators (13) verbindbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module in eine erste (Q1) und in eine zweite Menge (Q2) aufgeteilt sind, dass die erste Menge (Q1) die von ihr erzeugte Leistung an einem ersten Ausgang (1) und die zweite Menge (Q2) die von ihr erzeugten Leistung an einem zweiten Ausgang (7) zur Verfügung stellt, wobei der erste und der zweite Ausgang (1, 7) jeweils mittels eines Schaltelementes (3, 9) mit dem Eingang des ersten bzw. des zweiten Gleichstrom-Motors (5, 11) verbindbar sind und dass ein Brückenschalter (27) vorgesehen ist, der im geschlossenen Zustand den ersten Ausgang (1) mit dem zweiten Ausgang (7) verbindet.
Photovoltaik-Anlage (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, zwei an die Photovoltaik-Module zuschaltbare Gleichstrom-Motoren (5, 11), die falls zugeschaltet von den Photovoltaik-Modulen mit einer Gleichspannung (U) und einem Gleichstrom (I) gespeist werden, einen Drehstrom-Generator (13), dessen Welle (15) mit dem ersten und/oder dem zweiten Gleichstrom-Motor (5, 11) mittels jeweils einer Kupplung (21, 23) verbindbar ist und der zur Zuleitung der von ihm erzeugten Wechselspannung (U_w) an ein Stromversorgungsnetz (25) anschließbar ist.
Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module in eine erste und in eine zweite Menge aufgeteilt sind, dass die erste Menge die von ihr erzeugte Leistung (Q1) an einem ersten Ausgang (1) und die zweite Menge die von ihr erzeugte Leistung (Q2) an einem zweiten Ausgang (7) zur Verfügung stellt, wobei der erste und der zweite Ausgang (1, 7) jeweils mittels eines Schaltelementes (3, 9) mit dem Eingang des ersten bzw. des zweiten Gleichstrom-Motors (5, 11) verbindbar sind und dass ein Brückenschalter (27) im geschlossenen Zustand den ersten Ausgang (1) mit dem zweiten Ausgang (7) verbindet.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das die erste und die zweite Menge (Q1, Q2) ungefähr gleich groß sind und dass die beiden Gleichstrom-Motoren (5, 11) gleiche Nennleistung haben.
Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennleistung der Gleichstrom-Motoren (5, 11) zwischen 1 MW und 3 MW liegt.
Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gleichstrom-Motoren (5, 11), der Drehstromgenerator (13), eine zugehörige Steuer- und Regeleinheit, die Schalter (3, 9) und der Brückenschalter (27) in einem Frachtcontainer fest installiert sind.