DE102008059293A1 - Solar power generation unit for generating controlled, sinusoidal alternating voltage, has combination consisting of photovoltaic module, solar power buffer storage, regulating and switching module, input converter and output converter - Google Patents

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Abstract

The unit has a combination consisting of a photovoltaic module (1), a solar power buffer storage (2), a regulating and switching module (3), an input converter (4), an output converter (5), an alternating-current converter (6) and a synchronized network bypass (7), which are provided in a common housing. Batteries of the solar power-buffer storage are operated in series circuit. The photovoltaic module is connected with the regulating and switching module, and the buffer storage is electrically connected with the regulating and switching module.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung zur Erzeugung einer geregelten, sinusförmigen, unterbrechungsfreien Wechselspannung aus einer über Photovoltaik Module erzeugten Gleichspannung. Es werden elektrische Geräte und Anlagen versorgt, die für eine korrekte und fehlerfreie Funktion, eine unterbrechungsfreie Versorgung mit einer 50 Hz oder 60 Hz Sinus-Wechselspannung benötigen.The The invention relates to a power supply for generating a regulated, sinusoidal, uninterruptible AC voltage from a DC voltage generated by photovoltaic modules. There are electrical devices and supplies that for a correct and error-free function, an uninterrupted Need supply with a 50 Hz or 60 Hz sine wave AC voltage.

Zur Zeit werden solche Geräte nur als Anlagen, die von der Präsenz des Stromnetzes abhängig sind, angeboten. Nachteilig dabei ist, dass bei heutigen Anlagen ohne Solarunterstützung keine netztunabhängige Versorgung der Verbraucher möglich ist.to Time will be such devices only as attachments, by the presence are dependent on the power grid, offered. The disadvantage here is that in today's facilities without solar support no network independent Supply to consumers possible is.

Es besteht daher die Aufgabe eine Anlage zu schaffen um ohne Stromnetzpräsenz eine unabhängige, unterbrechungsfreie Stromversorgung der angeschlossenen Verbraucher zu gewährleisten.It There is therefore the task of creating a system to power without a presence independent, uninterruptible power supply to the connected consumers to ensure.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht insbesondere darin, dass durch die Integration eines über Photovoltaik gespeisten Batterie-Pufferspeichers in Verbindung mit einem Regelungs- und Umschaltmodul eine autarke vom Stromnetz bei Tageslicht unabhängige Erzeugung einer geregelten, sinusförmigen Wechselspannung möglich wird, bestehend aus einer Kombination von mindestens einem Photovoltaik-Modul, mindestens einem Solar-Puffer-Speicher, einem Regelungs- und Umschaltmodul, einem Eingangskonverter, einem Ausgangsinverter, einem Wechselrichter, einer synchronisierten Netzumgehung.The inventive solution this Task is in particular that through the integration of a photovoltaic powered battery buffer in conjunction with a control and switching module a self-sufficient Independent generation of a regulated, self-contained power supply in daylight sinusoidal AC voltage is possible, consisting of a combination of at least one photovoltaic module, at least one solar buffer memory, a regulation and switching module, an input converter, an output inverter, an inverter, a synchronized network bypass.

Der Vorteil besteht darin, dass durch die Integration eines über Photovoltaik gespeisten Batterie-Pufferspeichers in Verbindung mit einem Regelungs- und Umschaltmodul in der Kombination mit mindestens einem Photovoltaik-Modul, mindestens einem Solar-Puffer-Speicher, einem Regelungs- und Umschaltmodul, einem Eingangskonverter, einem Ausgangsinverter, einem Wechselrichter, einer synchronisierten Netzumgehung, eine autarke vom Stromnetz bei Tageslicht unabhängige Erzeugung einer geregelten, sinusförmigen Wechselspannung möglich wird.Of the Advantage is that by integrating a via photovoltaic supplied battery buffer in conjunction with a control and switching module in combination with at least one photovoltaic module, at least one solar buffer memory, a regulation and switching module, an input converter, an output inverter, an inverter, a synchronized network evasion, a stand-alone from the mains independent in daylight Generation of a regulated, sinusoidal AC voltage is possible.

Einweiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Kombination dieser Komponenten mit dem Einsatz von Photovoltaik Modulen eine wesentliche Reduzierung der Kraftwerkskapazitäten und somit eine Schonung der für die Stromerzeugung benötigten Ressourcen erreicht wird.Another Advantage is that by combining these components With the use of photovoltaic modules a substantial reduction the power plant capacities and thus a protection of for Electricity generation needed resources is reached.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diese Stromversorgung überall dort einzusetzen wo eine netzunabhängige, geregelte, unterbrechungsfreie Netzversorgung benötigt wird.According to the invention, it is proposed this power supply everywhere where to use a network-independent, regulated, uninterruptible power supply needed becomes.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der 1 näher erläutert.The invention is based on the 1 explained in more detail.

Das Photovoltaik-Modul (1) dient als Energiequelle zur Erzeugung einer Gleichspannung durch die Nutzung der natürlichen Sonneneinstrahlung. Das Photovoltaik-Modul (1) weist durch sein optimiertes Temperatur- und Schwachlichtverhalten einen hohen Wirkungsgrad auf. Weiterhin wird durch den besonderen Glas/Glas Aufbau wird ein hoher Schutz gegenüber Umwelteinflüssen erreicht.The photovoltaic module ( 1 ) serves as an energy source for generating a DC voltage through the use of natural solar radiation. The photovoltaic module ( 1 ) has a high efficiency due to its optimized temperature and low light behavior. Furthermore, the special glass / glass construction ensures high protection against environmental influences.

Die Aufgabe des Solarstrom-Pufferspeichers (2) besteht darin, dass die vom Photovoltaik-Modul (1), in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung erzeugte Energie, für eine zeitverzögerte Nutzung gespeichert wird. Der Solarstrom-Pufferspeicher (2) besteht aus mindestens einer wartungsfreien, gasdichten Batterie. Die Batterien sind so beschaffen, dass sie in Reihen- und Parallelschaltung betrieben werden können.The task of the solar power buffer storage ( 2 ) is that of the photovoltaic module ( 1 ), depending on the solar radiation generated energy, for a time-delayed use is stored. The solar power storage tank ( 2 ) consists of at least one maintenance-free, gas-tight battery. The batteries are designed so that they can be operated in series and parallel connection.

Das Regelungs- und Umschaltmodul (3) ist das zentrale Steuermodul zur Überwachung und Speicherung der über den Lichteintrag erzeugten Solarenergie. Dieses Modul steuert den Funktionszustand des Eingangskonverters (4), des Ausgangsinverters (5) sowie des Wechselrichters (6) in Abhängigkeit vom Ladezustand des Solarstrom-Pufferspeichers (2). Das Regelungs- und Umschaltmodul (3) regelt die Solarspannung und passt diese auf die im Gleichspannungskreis des Solarstrom-Pufferspeichers (2) verlangte Spannungshöhe an. Weiterhin überwacht das Regelungs- und Umschaltmodul (3) die optimale Ladung der Batterien und verhindert eine Überladung oder Tiefentladung. Je nach Batterieauslegung wird das Regelungs- und Umschaltmodul (3) auf die erforderliche Batteriespannungsgrenzen programmiert. Tritt der Fall ein, dass aus Gründen zu schlechter Lichtverhältnisse der Solarstrom-Pufferspeicher (2) in die Nähe seiner Entladegrenze kommt schaltet das Regelungs- und Umschaltmodul (3) die Eingangshilfsspannung (8) zu, so dass die Zwischenkreisspannung über den Eingangskonverter (4) erzeugt wird. Sobald der Solarstrom-Pufferspeicher (2) wieder einen akzeptablen Ladezustand erreicht hat wird die Eingangshilfsspannung (8) abgeschaltet und die Energieversorgung wird ausschließlich über das Photovoltaik-Modul (1) realisiert. Das Regelungs- und Umschaltmodul (3) ist so ausgelegt, dass auch nachträglich bei bereits gelieferten und installierten Komponenten, der Leistungsbereich erweitert werden kann.The regulation and switching module ( 3 ) is the central control module for monitoring and storing the solar energy generated via the light entry. This module controls the functional state of the input converter ( 4 ), the output inverter ( 5 ) as well as the inverter ( 6 ) depending on the state of charge of the solar power buffer memory ( 2 ). The regulation and switching module ( 3 ) regulates the solar voltage and adjusts it to the DC voltage circuit of the solar energy storage tank ( 2 ) demanded voltage level. Furthermore, the control and switching module ( 3 ) the optimal charge of the batteries and prevents overcharging or deep discharge. Depending on the battery configuration, the control and switching module ( 3 ) programmed to the required battery voltage limits. If the case occurs that, for reasons of poor lighting conditions, the solar power storage tank ( 2 ) comes close to its discharge limit switches the control and switching module ( 3 ) the input auxiliary voltage ( 8th ), so that the DC link voltage via the input converter ( 4 ) is produced. Once the solar power storage tank ( 2 ) has again reached an acceptable state of charge, the input auxiliary voltage ( 8th ) and the power supply is exclusively via the photovoltaic module ( 1 ) realized. The regulation and switching module ( 3 ) is designed in such a way that the performance range can be extended later on already delivered and installed components.

Der Eingangskonverter (4) formt die von der Eingangshilfsspannung (8) gelieferte Wechselspannung in eine geregelte Referenz-Gleichspannung um. Bei ungenügender Sonneneinstrahlung kann der Eingangskonverter (4) auch zur Ladeerhaltung des Solarstrom-Pufferspeichers (2) zugeschaltet werden. In diesem Fall wird eine für den Solarstrom-Pufferspeicher benötigte Erhaltungs-Ladespannung zur Verfügung gestellt. Die Steuerung und Zuschaltung wird von dem Regelungs- und Umschaltmodul (3) übernommen.The input converter ( 4 ) forms the of the input auxiliary voltage ( 8th ) supplied AC voltage in a regulated reference DC voltage. In insufficient sunlight, the Input converter ( 4 ) also for the charge retention of the solar power buffer storage ( 2 ) are switched on. In this case, a trickle charge voltage required for the solar power storage tank is provided. The control and connection is controlled by the control and switching module ( 3 ) accepted.

Die Komponenten Ausgangsinverter (5) und Wechselrichter (6) sind direkt an einander gekoppelt. Der Ausgangsinverter (5) wird über den Gleichspannungszwischenkreis des Solarstrom-Pufferspeichers (2) oder im Notfall über den Eingangskonverter (4) versorgt. Der Ausgangsinverter (5) erzeugt eine Phasen und Amplituden kontrollierte Sinusspannung, welche durch den Wechselrichter (6) als einphasige oder dreiphasige Wechselspannung an den Ausgang (9) weitergeleitet wird. Es kann eine 50 Hz oder 60 Hz Sinusspannung erzeugt werden. Innerhalb der Komponenten Ausgangsinverter (5) und Wechselrichter (6) wird über eine Kontrolllogik die komplette Notfallsteuerung bei Ausfall der Solarstromerzeugung, sowie bei einem Defekt innerhalb des Versorgungskreislaufes für die Verbraucher, die Steuerung der synchronisierten Netzumgehung erreicht. Die Kontrolllogik ist Mikrokontroller gesteuert aufgebaut. Durch diese Konzeption ist eine variable Programmierung und Anpassung an unterschiedliche Leistungen und Frequenzen möglich.The components output inverter ( 5 ) and inverters ( 6 ) are directly coupled to each other. The output inverter ( 5 ) is connected via the DC voltage intermediate circuit of the solar power buffer ( 2 ) or in an emergency via the input converter ( 4 ) provided. The output inverter ( 5 ) generates a phase and amplitude controlled sinusoidal voltage through the inverter ( 6 ) as a single-phase or three-phase AC voltage to the output ( 9 ) is forwarded. A 50 Hz or 60 Hz sine wave voltage can be generated. Within the components output inverter ( 5 ) and inverters ( 6 ) is achieved via a control logic, the complete emergency control in case of failure of the solar power generation, as well as a defect within the supply circuit for the consumer, the control of synchronized network bypass. The control logic is microcontroller controlled. This design allows variable programming and adaptation to different power and frequencies.

Die synchronisierte Netzumgehung (7) wird über die Kontrolllogik zugeschaltet. Die Netzumgehung wir phasensynchron zum Hilfsnetz geschaltet, sodass die Verbraucher unterbrechungsfrei weiterversorgt werden. Die synchronisierte Netzumgehung (7) wird auch über die Kontrolllogik bei einer zugelassenen Überlastspitze aktiviert und die benötigte Spitzenleistung parallel zum Wechselrichter (6) zugespeist. Durch diese zeitlich begrenzte Sonderfunktion können kurzeitig auftretende Spitzenlasten ohne Fehlfunktion der Stromversorgung ausgeglichen werden. Im Fall eines Defekts der Anlage oder wenn eine störungsfreie Versorgung über den Wechselrichter (6) nicht mehr gewährleistet ist, wird die synchronisierte Netzumgehung (7) durch die Kontrolllogik als Notmechanismus zugeschaltet. In diesem Fall werden die Verbraucher direkt über das eingehende Hilfsnetz versorgt. Netzunterbrechungen werden nicht mehr ausgeglichen.The synchronized network bypass ( 7 ) is switched on via the control logic. The network bypass is switched synchronously to the auxiliary network, so that the consumers continue to be supplied without interruption. The synchronized network bypass ( 7 ) is also activated via the control logic with an approved overload peak and the required peak power parallel to the inverter ( 6 ). This time-limited special function allows temporary peak loads to be compensated without a malfunction of the power supply. In the event of a fault in the system or if a fault-free supply via the inverter ( 6 ) is no longer guaranteed, the synchronized network bypass ( 7 ) is activated by the control logic as an emergency mechanism. In this case, the consumers are supplied directly via the incoming auxiliary network. Network interruptions are no longer compensated.

Die Eingangshilfsspannung (8) versorgt den Eingangskonverter (4). Bei ungenügender Sonneneinstrahlung oder einer Entladung des Solarstrom-Pufferspeicher (2) nahe der Tiefentladengrenze werden die Verbraucher unterbrechungsfrei und geregelt weiterversorgt. Bei einer Funktionsstörung wird die Eingangshilfsspannung (8) durch die synchronisierte Netzumgehung (7) direkt zu den Verbrauchern weitergeschaltet. Die Eingangshilfsspannung (8) wird über Netzfilter gegen Störungen entkoppelt. Die Leistungsentnahme durch die Eingangshilfsspannung (8) ist über eine PFC Schaltung (Power Faktor Korrektur) auf den Leistungsfaktor 1 angepasst.The input auxiliary voltage ( 8th ) supplies the input converter ( 4 ). In the case of insufficient solar radiation or a discharge of the solar power storage tank ( 2 ) near the deep discharge limit, consumers will continue to be supplied without interruption and with regular service. In the event of a malfunction, the input auxiliary voltage ( 8th ) through the synchronized network bypass ( 7 ) directly to the consumers. The input auxiliary voltage ( 8th ) is decoupled via mains filter against interference. The power taken by the input auxiliary voltage ( 8th ) is via a PFC circuit (power factor correction) on the power factor 1 customized.

Am Ausgang (9) werden die zu versorgenden Verbraucher angeschlossen. Der Ausgang (9) wird auf Kurzschluss, Überstrom und Überlastung überwacht. Die Verbraucher werden kontinuierlich und innerhalb der geforderten Spannungsgrenzen versorgt. Wenn die Netzumgehung aktiviert ist, werden die Verbraucher direkt mit dem eingehenden Stromnetz versorgt. Eine unterbrechungsfreie Versorgung ist in diesem Notfall nicht mehr gewährleistet.At the exit ( 9 ) the consumers to be supplied are connected. The exit ( 9 ) is monitored for short circuit, overcurrent and overload. The loads are supplied continuously and within the required voltage limits. When network bypass is enabled, consumers are powered directly from the incoming power grid. An uninterruptible supply is no longer guaranteed in this emergency.

Claims (10)

Solar-Stromerzeugung zur Erzeugung einer geregelten, sinusförmigen, unterbrechungsfreien Wechselspannung dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus mindestens einem Photovoltaik-Modul (1), mindestens einem Solarstrom-Pufferspeicher (2), einem Regelungs- und Umschaltmodul (3), einem Eingangskonverter (4), einem Ausgangsinverter (5), einem Wechselrichter (6) und einer synchronisierten Netzumgehung (7) besteht.Solar power generation for generating a regulated, sinusoidal, uninterruptible AC voltage, characterized in that a combination of at least one photovoltaic module ( 1 ), at least one solar power storage tank ( 2 ), a control and switching module ( 3 ), an input converter ( 4 ), an output inverter ( 5 ), an inverter ( 6 ) and a synchronized network bypass ( 7 ) consists. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Photovoltaik-Modul (1) elektrisch mit einem Regelungs- und Umschaltmodul (3) verbunden ist, mindestens ein Solarstrom-Pufferspeicher (2) elektrisch mit einem Regelungs- und Umschaltmodul (3) verbunden ist, ein Regelungs- und Umschaltmodul (3) elektrisch mit einem Eingangskonverter (4) und einem Ausgangsinverter (5) und einem Photovoltaik-Modul (1) verbunden ist, ein Eingangskonverter (4) elektrisch mit einem Regelungs- und Umschaltmodul (3) und einem Ausgangsinverter (5) und einer Eingangshilfsspannung (8) und einer synchronisierten Netzumgehung (7) und einem Wechselrichter (6) verbunden ist, ein Ausgangsinverter (5) elektrisch mit einem Eingangskonverter (4) und einem Regelungs- und Umschaltmodul (3) und einem Wechselrichter (6) verbunden ist, ein Wechselrichter (6) elektrisch mit einem Ausgangsinverter (5) und einer Eingangshilfsspannung (8) und einem Ausgang (9) verbunden ist, eine synchronisierten Netzumgehung (7) elektrisch mit einem Wechselrichter (6) und einer Eingangshilfsspannung (8) und einem Ausgang (9) verbunden ist.Solar power generation according to claim 1, characterized in that at least one photovoltaic module ( 1 ) electrically with a control and switching module ( 3 ), at least one solar power storage tank ( 2 ) electrically with a control and switching module ( 3 ), a regulation and switching module ( 3 ) electrically with an input converter ( 4 ) and an output inverter ( 5 ) and a photovoltaic module ( 1 ), an input converter ( 4 ) electrically with a control and switching module ( 3 ) and an output inverter ( 5 ) and an input auxiliary voltage ( 8th ) and a synchronized network bypass ( 7 ) and an inverter ( 6 ), an output inverter ( 5 ) electrically with an input converter ( 4 ) and a regulation and switching module ( 3 ) and an inverter ( 6 ), an inverter ( 6 ) electrically with an output inverter ( 5 ) and an input auxiliary voltage ( 8th ) and an output ( 9 ), a synchronized network bypass ( 7 ) electrically with an inverter ( 6 ) and an input auxiliary voltage ( 8th ) and an output ( 9 ) connected is. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Komponenten (3) bis (7) in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.Solar power generation according to claim 1 or 2, characterized in that the components ( 3 ) to ( 7 ) are in a common housing. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien des Solarstrom-Pufferspeichers (2) in Reihenschaltung betrieben werden.Solar power generation according to claim 1 to 3, characterized in that the batteries of the sun larstrom buffer storage ( 2 ) are operated in series connection. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien des Solarstrom-Pufferspeichers (2) in Parallelschaltung betrieben werden.Solar power generation according to claim 1 to 4, characterized in that the batteries of the solar power buffer memory ( 2 ) are operated in parallel. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (9) eine einphasige Sinusspannung aufweist.Solar power generation according to claim 1 to 5, characterized in that the output ( 9 ) has a single-phase sine voltage. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (9) eine dreiphasige Sinusspannung aufweist.Solar power generation according to claim 1 to 6, characterized in that the output ( 9 ) has a three-phase sine voltage. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine Sinusspannung von 50 Hz. erzeugt wird.Solar power generation according to claim 1 to 7 characterized characterized in that a sine wave voltage of 50 Hz. is generated. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Sinusspannung von 60 Hz. erzeugt wird.Solar power generation according to claim 1 to 8 characterized characterized in that a sine wave voltage of 60 Hz. is generated. Solar-Stromerzeugung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Komponenten (2) einem getrennten Gehäuse befinden.Solar power generation according to claim 1 to 9, characterized in that the components ( 2 ) are located in a separate housing.
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