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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer Photovoltaikanlage mit einem Wechselrichter, an dessen Eingangsklemmen die Ausgangsgleichspannung der Photovoltaikanlage gelegt ist und dessen Ausgang mit einem Versorgungsnetz verbindbar ist, und mit einer parallel zu den Eingangsklemmen geschalteten Batteriebank, wobei der Wechselrichter mit einem Regelelement zum Einstellen des maximalen Leistungspunkts (MPP) der Photovoltaikanlage versehen ist.
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Bei der Errichtung von Solarkraftwerken ist es in den Abnahmeverträgen mit dem zugehörigen Energieversorger zum Teil vorgesehen, eine vertraglich zugesicherte Mindestleistung innerhalb einer festgelegten Zeitspanne in das Versorgungsnetz einzuspeisen. So z. B. kann bei einem 2,4 Megawatt Solarkraftwerk gefordert werden, dass zwischen 11.00 Uhr und 17.00 Uhr eine Leistung von mindestens 60 Prozent, also ca. 1,5 Megawatt einzuspeisen ist. Je nach Wetterlage ist die Mindestleistung nicht immer alleine von der Solaranlage erzeugbar und es müssen Ersatzkraftwerke auf Gleichstrombasis, wie z. B. eine Batterie oder eine Brennstoffzelle hinzu geschalten werden. Bei länger prognostizierter Energieminderung muss dann auf der AC Seite ein Zusatzkraftwerk in die Pflicht genommen werden. Dies geschieht entweder durch Zukauf der Energiemenge bei einem anderen Energielieferanten oder durch Zuschalten eines Zusatzkraftwerkes auf der Wechselstromseite, z. B. in Form eines Dieselgenerators oder eines Gaskraftwerkes. Die in Frage kommenden Energielieferanten haben unterschiedliche Rüstzeiten, bis ihre Energie eingespeist werden kann. Dies reicht von quasi unmittelbar bei Entladen einer Batterie bis hin zu ca. 5 Minuten für das Anfahren eines Zusatzkraftwerks.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Anlage gemäß der 1 bekannt, bei der ein Photovoltaikgenerator, im folgenden auch kurz PV-Generator 1 in üblicher Weise auf die Eingangsklemmen 3, 3' eines Wechselrichters 5 geschaltet ist, an dessen Ausgang ein Versorgungsnetz 7 angeschlossen ist. An das Versorgungsnetz 7 ist ein zweiter Wechselrichter 5' angebunden, dessen Gleichspannungsseite zu einer Batterie oder Batteriebank 9 führt. Reicht die vom PV-Generator erbrachte Leistung nicht aus, so wird die Batterie über den zweiten Wechselrichter 5' in das Netz entladen und unterstützt so die minder leistende PV-Anlage 1. Die entleerte Batterie 9 wird anschließend mittels der Netzspannung wieder aufgeladen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist zum einen, dass zwei Wechselrichter 5, 5' erforderlich sind, was die Investitionskosten erhöht. Zum anderen werden im zweiten Wechselrichter 5' bei dessen Aufladung aus dem Versorgungsnetz 7 elektrische Verluste anfallen, die ebenfalls bezahlt werden müssen. Im Ergebnis werden zwei Wechselrichter 5, 5' eingesetzt, um in der PV-Anlage generierten Gleichstrom wieder in die Batterie zu laden.
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Entsprechend liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung mit einem geringen technischen Aufwand so zu modifizieren, dass eine im Betrieb günstige Aufrechterhaltung einer festgelegten Mindestleistung ohne den Einsatz eines zweiten Wechselrichters oder anderer kostenintensiver Bauteile ermöglicht wird.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Batteriebank durch eine Vielzahl von in Reihe geschalteter Batterien oder Batteriegruppen gebildet wird, wobei eine vorbestimmte Anzahl von Batterien oder Batteriegruppen mit jeweils einem Anzapfungspol versehen sind, von denen ein entsprechend der Höhe eines gewünschten Entladestroms ausgewählter wahlweise über einen Trennschalter mit einer der Eingangsklemmen des Wechselrichters verbindbar ist. Sind zum Beispiel 10 Batterien zu jeweils 60 Volt in Reihe geschaltet, so werden Anzapfungspole bei 300 Volt, 360 Volt 420 Volt, 480 Volt und 540 Volt vorgesehen. Befindet sich die PV-Anlagenspannung auf einen Wert von zum Beispiel 400 Volt, so kann je nach geforderter Mindestleistung der Anzapfungspol von 420 V, 480 V oder 540 V herangezogen werden, was unterschiedliche Entladeströme nach sich zieht. Dabei ist es sinnvoll, wenn die Nennspannung der Batteriebank zumindest der Nennbetriebsspannung der Photovoltaikanlage entspricht. Die angegebenen Spannungswerte sind aus illustratorischen Gründen gewählt. In der Realität werden sehr viel kleinere Spannungsdifferenzen zwischen den Anzapfungstellen vorgesehen. So z. B. wird eine Spannungsverminderung um 6 Volt je nach Batterieladezustand einen doppelten Strom aus der Batteriebank ziehen. Aus diesem Grund ist es abweichend von dem illustrativen Beispiel in der Realität vorgesehen, dass neun Batterien zu jeweils 60 Volt ohne eine Anzapfung oder Abgriff versehen sind und eine der Batterien mit einer Anzahl von z. B. 4 bis 7 Abgriffen versehen ist, die jeweils für eine Spannungsdifferenz von 3 Volt stehen.
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Insbesondere bei entsprechend verfügbaren elektronischen Leistungsschaltern kann jeder Anzapfungspol mit einem fest zugeordneten Trennschalter verbunden sein. Dann wird jeweils der Trennschalter aktiviert, der möglichst annähernd zu dem gewünschten Zusatzstrom führt.
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Insbesondere bei einem mechanischen Schütz als Trennschalter kann das Schütz verfahrbar sein und ist wahlweise an einer der Anzapfungenspole kontaktierbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein verfahrbarer, weiterer Trennschalter vorgesehen ist, der mit einem anderen Anzapfungspol als der, der an den ersten Trennschalter angeschlossen ist, verbunden ist. Dabei sollten die beiden Trennschalter aneinander vorbei gleiten können, so dass ein Trennschalter, der sich auf einem höheren Anzapfungspol befindet, den auf dem kleineren Anzapfungspol befindlichen Trennschalter nach unten überspringen kann, so dass er dann derjenige Trennschalter ist, der auf dem kleineren Anzapfungspol liegt. Diese Variante mit zwei Trennschaltern erlaubt ein Umschalten auf verschiedene Batteriespannungen, ohne das eine Unterbrechung des Stromflusses erfolgt, wozu noch vorteilhafter Weise zwischen dem Trennschalter und dem Anzapfungspol eine Parallelschaltung einer Diode und eines Diodenschalters angeordnet ist, wobei die Durchflussrichtung der Diode zur Plus-Eingangsklemme des Wechselrichters weist. Die Positionsänderung der Trennschalter kann dabei durch Verfahren der Trennschalter auf einem Schienensystem erfolgen. Die Durchflussrichtung der Diode ist umzukehren, wenn die elektrische Verbindungsleitung vom Trennschalter zum Minuspol führt anstelle dass sie zum Pluspol führt, wie es in den folgenden Figuren gezeigt ist. Entsprechend wäre der Pluspol der Batteriebank mit dem Pluspol der PV-Anlage und dem des Wechselrichters dauerhaft verbunden.
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Zur Vermeidung eines Schadens aufgrund von Funkenbildung beim Trennen des Trennschalters unter Last sollte die Batterie oder Batteriebank hermetisch isoliert von dem oder den Trennschalter(n) untergebracht sein. Dies kann zum Beispiel mittels einer gasdichten Durchführung der Anzapfungspole durch eine Trennwand geschehen. Die Trennwand bildet dabei eine Begrenzungswand einer Kammer, in welcher die Batterien untergebracht sind.
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Im Strompfad der Reihenschaltung der Batterien ist ein Strommesssensor vorgesehen, der mit einer Steuereinheit verbunden ist, die in Zusammenwirken mit der MPP-Regelvorrichtung des Wechselrichters die Gleichspannung an den Eingangsklemmen so einstellt, dass ein gewünschter Strom aus oder zur Batteriebank fließt. Die gewünschte Höhe des Entladestroms ist dabei das ausschlaggebende Kriterium, unabhängig von der Fehlanpassung an der PV-Anlage, die durch die aufgeprägte Batteriespannung auf einen der oben genannten Werte von 300 Volt, 360 Volt 420 Volt, 480 Volt oder 540 Volt gesetzt wird. Analog kann überschüssige Energie der PV-Anlage durch Einstellung eines geeigneten MPP Wertes in die Batteriebank geladen werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:
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1 die Anordnung einer Zusatzbatterie nach dem Stand der Technik;
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2 einen typischen Strom/Spannungszusammenhang einer Photovoltaikanlage;
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3 eine erste Ausführungsform der Erfindung; und
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4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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Zunächst ist anzumerken, dass ein Wechselrichter zwar eine hohe Effizienz bei der Energieumsetzung hat, jedoch aufgrund seiner großen Kapazitäten relativ träge ist, um die von den Photovoltaikmodulen erzeugte Leistung an den maximalen Leistungspunkt zu bringen. In der erläuternden 2 ist eine typische Strom/Spannungskurve 10 eines Photovoltaikmoduls dargestellt. Diese Kurve weist einen maximalen Leistungspunkt (MPP) auf, bei dem die schraffiert dargestellte integrierte Fläche eine maximale Größe entsprechend einer maximalen zur Verfügung gestellten Leistung aufweist. Die Regelung des Wechselrichters erfolgt durch eine iterative Annäherung an diesen Leistungspunkt MPP, indem entlang des Doppelpfeils P vor- und zurückgeregelt wird, bis man auf den MPP gelangt. Je nach Sonneneinstrahlung, Temperatur der Halbleiterelemente etc. ändert sich dieser MPP fortlaufend und die Regelung muss permanent einen neuen MPP suchen und einstellen. Dabei steht das träge Regelverhalten des Wechselrichters einem zügigen Nachlaufverhalten zum aktuellen MPP im Wege. Derzeit müssen zwischen 20 Sekunden und 3 Minuten angesetzt werden, bis ein Wechselrichter an eine momentan vorliegende Sonnenenergieeinstrahlung angepasst ist. Entweder Wetter bedingt oder auch durch diese Trägheit wird möglicherweise eine Leistungsabgabe unterhalb der erforderlichen Mindestleistung generiert, was durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kompensiert wird.
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Unter einer Batteriebank im Sinne vorliegender Erfindung wird dabei jedwede Form und Größe von Speichermitteln für elektrische Energie verstanden. Die Batteriebank 9 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 aus zehn Batterien 9', die ihrerseits wieder eine Vielzahl von parallel und in Reihe geschalteten Einzelbatterien aufweisen können. Hinter der ersten Batterie 9' ist eine Schnittwelle 11 gezeigt und die letzten vier elektrisch zum Pluspol der PV-Anlage und des Wechselrichters 5 weisenden Batterien 9' sind wieder dargestellt. An beliebiger Stelle im Stromzweig der Batterien, insbesondere zwischen einem später erläuterten Abgriff 19 und einem Pol 3, 3' des Wechselrichters 5, ist ein Strommesssensor 13 vorgesehen, der den von oder zu den Batterien fließenden Strom misst. Der Strommesssensor 13 gibt sein Messsignal an eine Steuereinheit 15 weiter, die über eine Signalleitung 17 im Datenaustausch mit dem Wechselrichter 5 steht. In dem Wechselrichter 5 ist eine auf dem einschlägigen Fachgebiet sattsam bekannte und bezüglich ihrer Funktion zuvor anhand der 2 beschriebene MPP(Maximum Power Point)-Regeleinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, die den Arbeitspunkt der PV-Anlage 1 entlang der in der 2 gezeigten Kurve führt.
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In der 3 ist als erste Ausführungsform eine erfindungsgemäße Anlage gezeigt, wobei die Batteriebank 9 lediglich mit ihrem Minuspol mit dem Minuspol der PV-Anlage 1 verbunden ist. Der Pluspol der letzten Batterie 9' ist elektrisch isoliert und mit einem Anzapfungspol oder Abgriff 19d versehen. Bei den letzten vier Batterien 9' der Reihenschaltung befinden sich weitere Anzapfungspole 19a, 19b und 19c jeweils an einer Verbindungsbrücke 21 zwischen zwei benachbarten Batterien 9'. Oberhalb der Batteriebank 9 sind zwei Trennschalter TS gezeigt, von denen einer mit dem tiefgestellten Index n (für niedrig) versehen ist, und der andere mit dem hochgestellten Index h (für hoch). ”Hoch” und ”tief” beziehen sich dabei auf die Position der Trennschalter TS im jeweiligen Zustand zueinander bezogen auf die an der Batteriebank 9 abzugreifende Spannung. Der mit Index h bezeichnete Trennschalter TSh ist dabei der Trennschalter TS, welcher sich aktuell auf dem höheren Spannungsabgriff oder Anzapfungspol 19a–19d der Batteriebank 9 befindet. Analog beschreibt der Index n den Trennschalter TSn, der sich aktuell auf dem niedrigeren Spannungsabgriff oder Anzapfungspol 19a–19d der Batteriebank 9 befindet. Anstelle des Minuspols als feste Verbindung kann auch der Pluspol gewählt werden, wobei die Trennschalter TS dann mit dem Minuspol verbunden werden.
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Zwischen den Trennschaltern TS und dem Abgriff 19 ist jeweils die Parallelschaltung einer Diode 23 mit einem Diodenschalter DS vorgesehen. Auch beim Diodenschalter DS gilt die gleiche obige Indexstruktur mit den Bezeichnungen h für den höheren Spannungsabgriff und n für den niedrigeren.
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Die Verfahrbarkeit der aus dem Trennschalter TS, der Diode 23 und dem Diodenschalter DS gebildeten Schalteinheit ist durch jeweils einen geraden Doppelpfeil 25 angedeutet. Da die beiden Schalteinheiten aneinander vorbei gleiten können, kann jede Schalteinheit auf einen beliebigen freien Abgriff oder Anzapfungspol 19a–19d verbunden werden. Dazu können übliche Messerkontakte oder andere dem Fachmann bekannte Kontaktierungsmöglichkeiten hergenommen werden. Die Verschiebbarkeit ist auch durch die symbolisch gewellten Zuleitungen 27 zwischen dem Pluspol der PV-Anlage 1 und dem Trennschalter TS angedeutet, in welche noch jeweils ein Strommesssensor zur Messung der Ströme Ih und In eingebaut ist. Die Werte der gemessenen Ströme Ih und In werden über ein nicht gezeigtes Signalkabel an eine Steuereinheit 15 gegeben, zu welcher auch die Schaltleitungen 29 für die Betätigung der Trennschalter TS und der Diodenschalter DS führen. Schließlich ist die Steuereinheit 15 noch mit der MPP-Regeleinrichtung im Wechselrichter 5 verbunden.
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Die geschilderte Vorrichtung wird wie folgt betrieben. Dabei wird davon ausgegangen, dass während des Betriebszustands mit zufriedenstellender Erzeugung an Solarenergie die Batteriebank spannungsmäßig mitschwimmt. Das soll bedeuten, dass jeweils der Abgriff 19a–19d gewählt ist, der der zum aktuellen MPP gehörenden Spannung am nächsten kommt. Um ein Zahlenbeispiel einzuführen, soll dies z. B. der vorletzte Anzapfungspol 19c sein. (Genauso gut ist es denkbar, beide Trennschalter TS offen zu halten und so die PV-Anlage vollständig unabhängig von der Batteriebank 9 zu betreiben.) Über die Strommesssensoren 13 wird entsprechend nur ein geringer Strom In oder Ih gemessen, je nachdem, welcher Trennschalter TSn bzw. TSh geschlossen ist. Die mit dem Abgriff 19c involvierten ersten neun Batterien 9' werden entsprechend der dem Maximalen Leistungspunkt MPP zugeordneten Spannung immer leicht geladen oder entladen. Wird am Leistungsmesser des Wechselrichters 5 ein drohender unzulässig hoher Leistungsabfall registriert, weil z. B. eine Wolke die PV-Anlage abschattet, würde die MPP-Regeleinrichtung einen anderen maximalen Arbeitspunkt (MMP) suchen, der trotz Minderleistung durchaus eine höhere Spannung U aber auch einen kleineren Strom I und damit eine geringere Leistung haben kann. Hier setzt die Erfindung ein, indem dieser Zustand von der Steuereinheit 15 erfasst wird und diese an die MPP-Regeleinheit die Anweisung gibt, den MPP zu verlassen und auf eine niedrigere Spannung zu setzen, obwohl dann eine Fehlanpassung mit noch geringerer Leistungsausbeute der PV-Anlage 1 ansteht. Diese geringere Spannung soll z. B. 400 Volt sein. Um jetzt eine Entladung aus der Batteriebank 9 zu erhalten, muss der Pluspol der PV-Anlage mit einer höheren Spannung aus der Batteriebank 9 versorgt werden als diese 400 Volt. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zum Abgriff 420 Volt verspricht nach dem zuvor eingegebenen Regelalgorithmus eine ausreichende Batterieunterstützung, so dass einer der Trennschalter TS zu diesem Abgriff 19a verfahren wird. Dies ist im vorliegenden Fall zweckmäßigerweise der Trennschalter TSh, der auf dem höheren Spannungsabgriff 19c sitzt. Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Steuereinrichtung 15 diese Position bereits vorausschauend kontaktiert hat. So bleiben die Trennschalter TSh und TSn eng beieinander und werden immer nur mit einer geringen Spannungsdifferenz, entsprechend der Größe des Spannungssprungs belastet und nicht mit der gesamten Systemspannung von 600 Volt.
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Aufgrund der höheren Spannung des Batterieabgriffs 19a im Vergleich zur gesetzten Spannung von 400 Volt am Eingang des Wechselrichters 5 wird ein Ausgleichsstrom In zusätzlich zum photovoltaisch generierten Strom I in den Wechselrichter fließen und die Einspeiseleistung unterstützen. Reicht der Ausgleichsstrom In nicht aus, muss der Pluspol 3' des Wechselrichters 5 mit einem höheren Anzapfungspol, wie z. B. dem Abgriff 19b verbunden werden.
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Das Laden der Batteriebank 9 erfolgt in der Regel in Zeitspannen, in welcher wieder ausreichend photovoltaisch erzeugte Energie zur Verfügung steht. Es ist aber auch denkbar, eine externe Ladequelle hinzuzuziehen. Das Laden der unteren Batterien 9' in der Nähe des Minuspols der PV-Anlage 1 ist dabei unkritisch, da es auch bei geringen Betriebsspannungen der PV-Anlage 1 erfolgen kann. Ein Laden zumindest einzelner elektrisch in der Nähe des Pluspols gelegenen Batterien 9' kann erzwungen werden, indem über eine geringe Fehlanpassung des Maximalen Leistungspunktes MPP ein Betrieb der PV-Anlage 1 mit einer höheren Spannung, als die MPP-Regelung vorgibt, eingestellt wird.
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Der nicht leistungsunterbrochene Wechsel von einem Abgriff 19 zu einem anderen Abgriff 19 erfolgt dabei immer nach folgender Systematik:
- – Der Wechsel eines niedrigeren Spannungsabgriffs auf einen höheren Spannungsabgriff folgt bei einem Ausgangszustand von TSh offen, DSh offen, TSn geschlossen und DSn geschlossen dabei mit folgenden Schritten. Zunächst wird DSn geöffnet, dann wird TSh geschlossen, anschließend wird TSn geöffnet und schließlich DSh geschlossen.
- – Der Wechsel eines höheren Spannungsabgriffs zu einem niedrigeren erfolgt bei einem Ausgangszustand von TSh und DSh geschlossen mit TSn und DSn offen nach folgendem Muster. Zunächst wird DSh geöffnet, dann TSn geschlossen, danach wird TSh geöffnet und schließlich wird DSn geschlossen.
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Es ist anzumerken, dass die Diodenschalter DS weggelassen werden können, wenn die Verluste in der Diode hinnehmbar sind.
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Durch die beschriebene Maßnahme wird erreicht, dass bei Abfall der Solaranlage unter die Mindestleistung, aus der Batterie heraus der Fehlbetrag eingespeist werden kann, und dies ohne Unterbrechung. Da die Batterie nur über einen beschränkten Zeitraum von einigen Minuten den Fehlbetrag an Energie ausgleichen kann, ist es sinnvoll, ein Ersatzkraftwerk zur Einspeisung ins Netz vorzubereiten, sobald sich abzeichnet, dass die bei der Photovoltaikanlage vorliegende Unterschreitung der Mindestleistung nicht nur vorübergehender Natur ist, wie z. B. eine einzelne vorbeiziehende Wolke. Insofern sollte das Zuschalten der Batterie mit dem Anfahren eines Ersatzkraftwerks oder dem Zuschaltvorgang eines bereits laufenden Ersatzkraftwerks verbunden werden. Das Ersatzkraftwerk ist zur Lieferung von Gleichstrom geeignet und kann dabei ein herkömmlicher Dieselgenerator mit Gleichrichter sein, der in ca. 1 Minute die ergänzende Leistung zur Verfügung stellen kann, oder aber eine Gasturbine, deren Vorbereitung zur Einspeiseunterstützung nur wenige Minuten beträgt. Die Zeitspanne, die zwischen der Anforderung durch die Steuer- und Regeleinheit 13 bis zum eigentlichen Zuschalten des Aggregats auf den Wechselrichter 5 vergeht, liegt also vorteilhafter Weise zwischen 1 und 5 Minuten, insbesondere zwischen 2 und 4 Minuten.
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Ein mögliches Kriterium kann sein, dass das Produkt aus der von den Photovoltaik-Modulen erzeugter elektrischer Leistung und einer Zeitspanne (also das Integral über die Leistung) einen vorwählbaren Mindestwert unterschreitet. Es sind weitere Kriterium vorstellbar, die die Natur des beobachteten Leistungsabfalls der Photovoltaikanlage berücksichtigen, wie z. B. harte Schatten – Licht Wechsel, Schäfchenwolken, Hochnebel etc. Wenn die photovoltaisch erzeugte Energie aufgrund des Netzzustands nicht benötigt wird, kann sie zu einem Laden der Batteriebank 9 herangezogen werden, wodurch sich die am Ausgang des Wechselrichters 5 abgegebene Leistung entsprechend verringert.
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In der 4 ist noch eine zweite Variante der Erfindung gezeigt, bei der auf die Verfahrbarkeit der Trenneinheiten (Trennschalter TS, Diode 23 und Diodenschalter DS) verzichtet wird und stattdessen jeder Anzapfungspol mit einer ihm fest zugeordneten Trenneinheit verbunden wird. Die Abläufe sind analog zu den zuvor beschriebenen, außer, dass das Verfahren oder Versetzen der Trenneinheiten entfällt und dafür mehr Trenneinheiten zu installieren sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- PV-Generator
- 3, 3'
- Eingangsklemme
- 5, 5'
- Wechselrichter
- 7
- Versorgungsnetz
- 9, 9'
- Batteriebank
- 11
- Schnittstelle
- 13
- Strommesssensor
- 15
- Steuer- und Regeleinheit
- 17
- Signalleitung
- 19a–19d
- Anzapfungspol
- 21
- Verbindungsbrücke
- 23
- Diode
- 25
- Doppelpfeil
- 27
- Wellung in der Zuleitung
- 29
- Schaltleitung
- TS
- Trennschalter
- DS
- Diodenschalter
- P
- Doppelpfeil
