DE102010023549A1

DE102010023549A1 - Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen

Info

Publication number: DE102010023549A1
Application number: DE102010023549A
Authority: DE
Inventors: Marco Götz; Sebastian Engel
Original assignee: TRIMOS GmbH
Current assignee: DMOS GMBH, DE
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: WO2011150918A2; DE102010023549B4; WO2011150918A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaikgenerator (40) mit Schutzschaltungsanlage (1) für Photovoltaikmodule (2), wobei der Photovoltaikgenerator (40) eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (2) enthält, die über ein Gleichstromnetz (22) an einen Wechselrichter (41) angeschlossen sind, wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule (2) in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist, wobei die Photovoltaikmodule (2) über jeweils eine Modulelektronik (3) mit dem Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind. Es soll eine selbständige Trennung und eine aktive Zuschaltung eines Photovoltaikmoduls (2) möglich sein. Die Schutzschaltungsanlage (1) umfasst: – ein erstes Schaltelement S0 (7), das zwischen dem Photovoltaikmodul (2) und der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) angeordnet ist, – ein zweites Schaltelement S1 (8), das in einer die Modulelektronik (3) überbrückenden Kurzschlussleitung (17) geschaltet ist, – eine Ansteuerelektronik (9, 91), die mit den beiden Schaltelementen S0 (7) und S1 (8) in steuernder Verbindung steht und eine elektrische Versorgungseinheit (29) aufweist, – mindestens eine Messelektronik (10, 101, 102, 103), die an die Ansteuerelektronik (9) angeschlossen ist, und – eine Kommunikationselektronik (11, 111), die mit der Ansteuerelektronik (9, 91) energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik (3) befindlichen Leitstelle (14, 141) über eine Kommunikationsstrecke (23, 77, 78) signaltechnisch verbunden ist, wobei zur Modulelektronik (3) zumindest die Baugruppen (7, 8, 9, 10, 11, 29) gehören, die zwischen den Modulanschlüssen (12, 13) zum Photovoltaikmodul (2) und den Netzanschlüssen (4, 5) zur Stromversorgungsleitung (6) geschaltet sind und wobei für die Modulelektronik (3) zumindest über die steuerbaren Schaltelemente S0 (7) und S1 (8) zumindest entweder ein aktiver Zustand (38) mit Stromtransfer und Zuschaltung ins Gleichstromnetz (22) oder ein inaktiver Zustand (39) mit selbständiger Trennung vom Gleichstromnetz (22) einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen, wobei der Photovoltaikgenerator eine Anzahl von Photovoltaikmodulen enthält, die über ein Gleichstromnetz an einen Anschlusskasten eines Wechselrichters angeschlossen sind, wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist und wobei die Photovoltaikmodule über jeweils eine Modulelektronik mit dem Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Ein Problem besteht darin, dass im Gefährdungsfall keine selbständige Netztrennung eines Photovoltaikmoduls und die später nachfolgende aktive Zuschaltung des Photovoltaikmoduls an das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators nicht möglich sind.
Eine Schaltung zum Schutz für ein Photovoltaikmodul ist in der Druckschrift DE 10 2005 036 153 B4 beschrieben, wobei bei dem Photovoltaikmodul eine Mehrzahl von im Normalbetrieb und im Abschattungsfall arbeitenden Solarzellen in Reihe geschaltet sind. Mindestens ein steuerbares elektrisches, als Bypasselement dienendes Schaltelement ist dabei mit seiner Schaltstrecke parallel zu der Mehrzahl von Photovoltaikzellen geschaltet. Eine Versorgungsschaltung stellt eine Steuerspannung zur Ansteuerung der Steuerelektrode des Bypasselements bereit, wobei eine Trennschaltung zum Sperren der über die Schaltstrecke des Bypasselementes im Normalbetrieb liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung und zum Durchschalten der über die Schaltstrecke im Abschattungsfall mindestens einer Photovoltaikzelle liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung vorgesehen ist.
Diese Schutzschaltung bezieht sich auf die Reduktion der am Bypasselement entstehenden Verlustleistung im Abschattungsfall.
Ein Problem besteht darin, dass eine Netztrennung der Photovoltaikmodule im allgemeinen Gefährdungsfall nicht möglich ist, wobei die Netztrennung die Photovoltaikmodule stromlos durch eine vollständig galvanische Trennung vom Netz und den Netzanschluss spannungslos stellt.
Der Erfindung liegt die Aufgaben zugrunde, einen Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass eine selbständige Trennung eines Photovoltaikmoduls vom Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators zumindest im Gefährdungsfall möglich ist und danach auch eine aktive Zuschaltung des Photovoltaikmoduls an das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators wieder gewährleistet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 31 gelöst. Der Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen enthält eine Anzahl von Photovoltaikmodulen, die über ein Gleichstromnetz an einen Wechselrichter angeschlossen sind,
wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist und
wobei die Photovoltaikmodule über jeweils eine Modulelektronik mit dem Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators verbunden sind,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 zumindest folgende Baugruppen für die Schaltungsanlage vorgesehen sind:

– ein erstes Schaltelement S0, das in einem gleichstromnetznahen Leitungsabschnitt der Versorgungsstreckenleitung zwischen einem ersten Modulanschluss des Photovoltaikmoduls und einem ersten Netzanschluss der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes angeordnet ist,
– ein zweites Schaltelement S1, das in einer die Modulelektronik überbrückenden Kurzschlussleitung zwischen dem ersten Netzanschluss und einem zweiten Netzanschluss der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes geschaltet ist,
– eine Ansteuerelektronik, die mit den beiden Schaltelementen S0 und S1 in steuernder Verbindung steht und mit der Versorgungsstreckenleitung verbunden eine elektrische Versorgungseinheit aufweist,
– mindestens eine Messelektronik, die an die Ansteuerelektronik angeschlossen ist, und
– eine Kommunikationselektronik, die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik befindlichen Leitstelle über eine Kommunikationsstrecke signaltechnisch verbunden ist,

Die Photovoltaikmodule können durch die Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes an einen Anschlusskasten des Wechselrichters angeschlossen sein, wobei die Verschaltung der Photovoltaikmodule mittels der Stromversorgungsleitung in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist, wobei die Photovoltaikmodule mit der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes über jeweils eine Modulelektronik auf einem ersten Potenzialniveau einer Versorgungsstreckenleitung und auf einem zweiten Potenzialniveau einer Potenzialleitung in Verbindung stehen, wobei die Potenzialniveaus über gleichstromnetzbezogene Netzanschlüsse der Modulelektronik mit der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Der Anschlusskasten des Wechselrichters kann sich innerhalb oder auch außerhalb des Wechselrichters befinden.
Die Kommunikationsstrecke als signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle und den jeweiligen Kommunikationselektroniken der Modulelektroniken ist wahlweise über Kabel und/oder kabelfrei, z. B. über Funk, ausgebildet.
Die Ansteuerelektronik ist einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (positives Potenzial, positive Spannung, Pluspole) und andererseits mit Masse oder mit der Potenzialleitung (negatives Potenzial, Minuspole) verbunden.
Von der Ansteuerelektronik ausgehend sind zum ersten Schaltelement S0 eine erste Steuerleitung und zum zweiten Schaltelement S1 eine zweite Steuerleitung geführt, wobei über die erste Steuerleitung die Schaltsignale zum Trennen und zum Schließen des Leitungsabschnittes der Versorgungsstreckenleitung an das erste Schaltelement S0 und über die zweite Steuerleitung die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der überbrückenden Kurzschlussleitung an das zweite Schaltelement S1 gesendet werden.
Das erste Schaltelement S0 befindet sich im Leitungsabschnitt der Versorgungsstreckenleitung und genau dort zwischen dem Versorgungsabgriff der Ansteuerelektronik zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik und dem ersten Netzanschluss der Kurzschlussleitung.
Zumindest ein Teil der Baugruppen der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage zum Schutz der Photovoltaikmodule kann sich in einer abgeschlossenen Dose befinden.
Die Baugruppen können sich innerhalb der Dose auf einer Leiterplatte befinden, die wahlweise in der Dose gehaltert eingebracht ist.
Die beiden Schaltelemente S0 und S1 sind im Wesentlichen elektronisch geschaltete Verbinder/Trenner des Photovoltaikmoduls mit den Modulanschlüssen und der elektrischen Stromversorgungsleitung mit den Netzanschlüssen zum Gleichstromnetz, wobei die Schaltelemente S0, S1 derart gesteuert schaltbar sind, dass die Modulelektronik in zwei zulässige stationäre Betriebszustände durch die auslösende Ansteuerelektronik schaltbar sind.
Sind die Schaltelemente S0 und S1 nicht durch die Ansteuerelektronik steuernd schaltbar, so kann in der Modulelektronik durch eine parallele Überbrückung der Schaltelemente S0 und S1 mit leitenden Bauelementen einen dritten zulässigen Zustand, einen passiven Zustand, aufweisen.
Die Ansteuerelektronik stellt aus der Photovoltaikmodulspannung über der Versorgungsstreckenleitung durch einen Spannungsregler eine geregelte Versorgungsspannung der Modulelektronik bereit, wobei bei kurzen Spannungseinbrüchen die elektrische Versorgung durch einen Stützkondensator in der Versorgungseinheit garantiert ist und ein Stromrückfluss aus dem Spannungsregler in das Photovoltaikmodul durch Dioden blockiert ist.
Im ersten zulässigen und normalen Betriebszustand, dem aktiven Zustand, sind das erste Schaltelement S0 geschlossen und das zweite Schaltelement S1 geöffnet, wobei das Photovoltaikmodul mit dem ersten Netzanschluss der Stromversorgungsleitung niederohmig verbunden ist, wobei im aktiven Zustand das Photovoltaikmodul eine Leistung über die Stromversorgungsleitung an das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators abgibt.
Im zweiten zulässigen Zustand, dem inaktiven Zustand, sind das erste Schaltelement S0 geöffnet und das zweite Schaltelement S1 geschlossen, wobei das Photovoltaikmodul vom Gleichstromnetz getrennt wird.
Im dritten zulässigen Zustand, dem passiven Zustand, ist die vom Photovoltaikmodul am Versorgungsabgriff der Versorgungsstreckenleitung zur Verfügung gestellte Spannung nicht ausreichend, um durch die Ansteuerelektronik die beiden Schaltelemente S0 und S1 gesteuert zu schalten. Im passiven Zustand ist das erste Schaltelement S0 vom ersten Netzanschluss zur Versorgungsstreckenleitung in Richtung zum ersten Modulanschluss leitend mittels mindestens eines ersten Schwellwertbauelements ausgebildet und das zweite Schaltelement S1 ist vom zweiten Netzanschluss zum ersten Netzanschluss leitend mittels mindestens eines zweiten Schwellwertbauelements ausgebildet. Die durchgängige leitende Ausbildung kann durch ein überbrückendes paralleles Schalten von z. B. einer Diode als Schwellwertbauelement zu jeweils einem der beiden Schaltelemente S1 und S0 erfolgen.
Durch den Versorgungsabgriff an der Versorgungsstreckenleitung sind die elektrische Versorgung der Ansteuerelektronik und somit der gesamten Modulelektronik bei Netztrennung mittels des offenen ersten Schaltelements S0 auch in einem inaktiven Zustand gewährleistet.
Die Leitstelle kann über Kabel oder über Funk als Medium der Kommunikationsstrecke mit der jeweiligen Kommunikationselektronik zumindest in signaltechnischer Verbindung stehen, wobei als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle ein erster Optokoppler mit einem Diodensender und einem Phototransistor des ersten Optokopplers dient, wobei der Phototransistor des ersten Optokopplers von Seiten der Kommunikationselektronik mit einer Versorgungsleitung von der Versorgungseinheit aus und mit einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger verbunden ist.
Die Übertragung der Signale retour seitens der Kommunikationselektronik in Richtung zur Leitstelle kann dadurch vorgesehen sein, dass zwischen der Leitstelle und der Kommunikationselektronik eine Kommunikationsstrecke mit einem Sendepfad und einem Empfangspfad vorhanden sind.
Durch die Einbringung eines Empfangspfades in die Kommunikationsstrecke ändert sich auch ein Teil Bauelemente in der Ansteuerelektronik zu einer alternativen Ansteuerelektronik.
Im Sendepfad liegt als Ausgangspunkt des Sendetelegramms ein Sender der Leitstelle, der mit einem ersten Sendetransistor und einer Spannungsquelle in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor aus der mit ihm verbundene erste Optokoppler bedient wird, wobei der nachgeschaltete erste Schmitttrigger der Kommunikationselektronik die vom Phototransistor des ersten Optokopplers übernommenen Signale des Sendetelegramms an den Empfänger der Ansteuerelektronik weiterleitet.
In der Ansteuerelektronik übernimmt ein dem Empfänger nachgeschalteter Befehlsdekocder die Funktionen des Empfangsregisters, des Vergleichers, des Fensterdekoders sowie die Funktionen des Speichers/der Speicher für Schlüsselwörter „A” und „B”, wobei vom Befehlsdekoder eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied besteht, wobei der Befehlsdekoder zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle aus definierten Empfangspfads mit einem Statusregister/Datenregister verbunden ist, dem ein Sender der Ansteuerelektronik nachgeordnet ist, wobei der Sender der Ansteuerelektronik mit einem Sendetransistor verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler der Kommunikationselektronik in Verbindung steht.
Die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers der Kommunikationselektronik ausgelösten Signale sind mit Unterstützung einer Stromquelle einem der Leitstelle zugehörigen zweiten Schmitttrigger zugeführt, wobei der Schmitttrigger an den mit ihm verbundenen Empfänger der Leitstelle das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm übergibt.
Die Leitstelle kann ganz oder teilweise in andere interne oder externe Geräte integriert sein, z. B. intern in den Anschlusskasten und/oder in den Wechselrichter.
Die in der Ansteuerelektronik befindliche elektrische Versorgungseinheit ist mit der Versorgungsstreckenleitung zum Photovoltaikmodul oder mit der Kurzschlussleitung sowie mit Masse/Masseleitung verbunden.
Der Sendepfad und der Empfangspfad der Kommunikationselektronik sind über eine Versorgungsleitung mit der elektrischen Versorgungseinheit der Ansteuerelektronik verbunden, wobei der mit der Stromquelle in Verbindung stehende Schmitttrigger mit einem Empfänger innerhalb der Ansteuerelektronik verbunden ist, dem ein Empfängerregister nachgeordnet ist, das parallel mit einem Speicher/jeweils einem Speicher für die beiden Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher geschaltet ist, wobei dem Vergleicher wiederum ein Fensterdetektor nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied in Verbindung steht, dessen Ausgang mit dem Speicher für Schlüsselwörter „A” und „B” über eine Signalleitung und mit einem Treiber verbunden ist.
Der Treiber kann derart ausgangsseitig ausgebildet sein, dass von ihm aus die erste Steuerleitung zum ersten Schaltelement S0 und die zweite Steuerleitung zum zweiten Schaltelement S1 geführt sind.
Die Leitstelle kann derart erweitert aufgebaut sein, dass von ihr aus ein aus dem Photovoltaikgenerator herausgelöstes Photovoltaikmodul mittels in einer Dose integrierten und damit dem Photovoltaikmodul festverbundenen Modulelektronik derart detektierbar ist, dass entweder ein Sendesignal, das von der Leitstelle aus auf dem Sendekabel des Sendepfades zur Kommunikationselektronik gesendet wird, auf dem Empfangskabel des Sendepfades durch eine der Kommunikationselektronik zugeordnete Quittierungsschaltung quittiert wird oder mittels eines Testes der durch die Kommunikationselektronik gebildeten Impedanz auf dem Sendekabel des Sendepfades bestätigt wird, wobei eine vorhandene Unterbrechung durch eine in der Leitstelle eingebrachte Signalschaltung signalisierbar ist.
Bei einer Kombination zwischen der Ansteuerelektronik und einer Messelektronik innerhalb der Modulelektronik zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen enthält die Messelektronik einen Spannungsteiler mit einem daran angeschlossenen AD-Wandler, wobei der Spannungsteiler die beiden Abgriffe an der Versorgungsstreckenleitung und der Potenzialleitung hat.
Der zugehörige AD-Wandler weist nachfolgend ein Datenregister mit einem Vergleicher auf, wobei parallel zum Datenregister zwei Schwellwertregister mit einem Schwellwertvergleicher von vorgegebenen Spannungsschwellwerten U1, U2 aus den beiden Schwellwertregistern an den Eingang des Vergleichers angeordnet sind, wobei dem Vergleicher ein Entprellfilter nachgeordnet ist, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung mit dem Schwellwertvergleicher und über eine Signalleitung mit dem Mehrfach-ODER-Glied in Verbindung steht, wobei ein dem Mehrfach-ODER-Glied nachgeordneter Treiber über die beiden Steuerleitungen mit den jeweiligen Schaltelementen S0 und S1 verbunden ist.
Entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen bezüglich der parameterbezogenen Schwellwertregister und des Vergleichers können auch für erhöhte Temperaturen und für Überströme vorgesehen sein.
Bei einer Kombination einer Messelektronik mit der Ansteuerelektronik bei Auftreten von Überstrom in der Potenzialleitung kann ein Messwiderstand eingeschaltet sein, der mit einem spannungsabgreifenden AD-Wandler zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Messwiderstand verbunden ist, wobei der AD-Wandler mit dem Datenregister der Ansteuerelektronik verbunden ist.
Bei einer Kombination einer Messelektronik mit der Ansteuerelektronik bei Auftreten einer erhöhten Temperatur kann die Messelektronik einen Thermofühler mit einem angeschlossenen AD-Wandler, der mit dem Datenregister der Ansteuerelektronik in Verbindung steht, aufweisen.
Die Schaltungen zur Feststellung von Unterspannung und/oder von Überstrom und/oder von überhöhten Temperaturen können in einer Kompakt-Messelektronik enthalten sein, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik wie in den genannten einzelnen Messelektroniken ausgebildet vorhanden sein können.
Das Verfahren zum Schutz von Photovoltaikmodulen in Photovoltaikgeneratoren, wobei der Photovoltaikgenerator eine Anzahl von Photovoltaikmodulen enthält, die über ein Gleichstromnetz an einen Wechselrichter angeschlossen sind,
wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist und
wobei die Photovoltaikmodule über jeweils eine Modulelektronik mit dem Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators verbunden sind,
unter Einsatz der vorgenannten Schaltungsanlage,
weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 31 folgende Schritte auf,
dass bei Auftreten von Gefährdungsfällen oder -zuständen an Photovoltaikmodulen eine selbständige Trennung der Modulelektronik und damit der Photovoltaikmodule vom Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators erfolgt,
dass während der Reparatur die Trennung der Modulelektronik beibehalten wird und
dass nach der Reparatur und/oder nach Beendigung des Gefährdungsfalles an den Photovoltaikmodulen eine Zuschaltung der Photovoltaikmodule in das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators ausgelöst wird,
wobei die selbständige Trennung, die Beibehaltung der Trennung und die Zuschaltung mittels definierter Telegramme einschließlich Schlüsselwörtern aus einer der Modulelektronik zugeordneten Leitstelle durchgeführt werden.
Ein zeitlich ständiger Vergleich von aus einer Signalfolge bestehenden Telegrammen aus der Leitstelle heraus über eine Kommunikationselektronik in einem Vergleicher der Ansteuerelektronik mit einem angebundenen Fensterdetektor in zwei aufeinanderfolgenden Zeitfenstern bei Vorliegen von definierten Schlüsselwörtern „A” und „B” wird durchgeführt,
wobei eine selbständige Trennung der Photovoltaikmodule vom Gleichstromnetz eingestellt wird,

– wenn im Verlauf eines aktiven Zustand im ersten Zeitfenster, dessen Dauer t₆₆ festgelegt ist, das das Schlüsselwort „A” enthaltende Telegramm dem Schlüsselwort „A” im Speicher entspricht, zeitlich nachfolgend das von der Leitstelle eintreffende Telegramm nicht dem Schlüsselwort „A” entspricht und somit dem aktiven Zustand nachfolgend ein inaktiver Zustand eingestellt wird, und in einem zweiten Zeitfenster, dessen maximale Dauer t₆₇ festgelegt ist, ein Telegramm ohne das Schlüsselwort „A” empfangen wird, wobei das Photovoltaikmodul vom Gleichstromnetz getrennt und ein inaktiver Zustand eingestellt werden, oder es wird alternativ im zweiten Fenster das Schlüsselwort „A” innerhalb der vorgeschriebenen Dauer t₆₇ empfangen, dann wird der Fensterdetektor wieder auf das erste Fenster zurückgesetzt,

– indem der inaktive Zustand, in dem das Schlüsselwort „A” im Telegramm von der Leitstelle aus nicht gesendet, aber erwartet wird, solange bestehen bleibt, bis ein aus einer anderen Signalfolge bestehendes Schlüsselwort „B” von der Leitstelle aus zur Auslösung der Zuschaltung des Photovoltaikmoduls in einem Telegramm gesendet wird,

– wenn die Modulelektronik ein von der Leitstelle aus gesendetes Telegramm mit dem Schlüsselwort „B” erhält, das die Modulelektronik aus dem inaktiven Zustand in den aktiven und normalen Betriebszustand umschaltet, und das Telegramm mit dem Schlüsselwort „A” von der Leitstelle aus wieder gesendet und erwartet wird, wobei der Fensterdetektor wieder mit dem ersten Fenster zu neuen Vergleichen startet,

Das Schlüsselwort „A” ist als Signalfolge derart definiert, dass kein Gefährdungsfall und somit ein aktiver Zustand vorliegt und der Stromtransfer vom Photovoltaikmodul zum Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators durchgeführt wird.
Das Schlüsselwort „B” ist als Signalfolge derart definiert, dass der Gefährdungsfall und somit der inaktive Zustand beendet ist und der Stromtransfer vom Photovoltaikmodul zum Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators wieder zugeschaltet wird und der Stromtransfer durch die nachfolgend gesendete Abfolge des Telegramms mit dem Schlüsselwort „A” aus der Leitstelle, heraus stabil weitergeführt wird.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Photovoltaikgenerators mit einer Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen,
2 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage zum Schutz eines Photovoltaikmoduls aus Modulelektronik und Leitstelle, mit einer Verbindung zu modultrennenden und modulzuschaltenden Schaltelementen,
3 ein Schaltschema der Modulelektronik mit Ansteuerelektronik, einer Kommunikationselektronik einschließlich eines Sendepfades und einer dem Sendepfad angepassten Leitstelle,
4 zeitliche Darstellung von Zuständen der modultrennenden und modulzuschaltenden Schaltelemente in Verbindung mit den Signalen der Leitstelle, wobei
4a Abfolge von offenen und geschlossenen Schaltelementzuständen,
4b Abfolge von Schlüsselwort/Fenster-Signalen in der Kommunikationselektronik und
4c Abfolge von modultrennenden und modulzuschaltenden Schlüsselwort-Signalen aus der Leitstelle heraus
zeigen,
5 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einer Ansteuerelektronik, einer Kommunikationselektronik einschließlich Sendepfad und Empfangspfad und einer dem Sendepfad und dem Empfangspfad zugehörigen Leitstelle,
6 ein Schaltschema der Modulelektronik mit Ansteuerelektronik und mit einer Messelektronik als Spannungssensor,
7 ein Schaltschema der Modulelektronik mit Ansteuerelektronik und mit einer Messelektronik als Stromsensor,
und
8 ein Schaltschema der Modulelektronik mit Ansteuerelektronik und mit einer Messelektronik als Temperatursensor.
In 1 ist ein Photovoltaikgenerator 40 mit einer Schaltungsanlage 1 zum Schutz von Photovoltaikmodulen 2 dargestellt, wobei der Photovoltaikgenerator 40 eine Anzahl von Photovoltaikmodulen 2 enthält, die durch eine Stromversorgungsleitung 6 eines Gleichstromnetzes 22 über einen Anschlusskasten 42 an einen Wechselrichter 41 angeschlossen sind, wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule 2 mittels der Stromversorgungsleitung 6 in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist, wobei die Photovoltaikmodule 2 mit der Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 über eine Modulelektronik 3 auf einem ersten Potenzialniveau 12 einer Versorgungsstreckenleitung 16 und auf einem zweiten Potenzialniveau 13 einer Potenzialleitung 20 in Verbindung stehen, wobei die Potenzialniveaus 12, 13 über gleichstromnetzbezogene Netzanschlüsse 4, 5 der Modulelektronik 3 mit der Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 des Photovoltaikgenerators 40 verbunden sind.
Die in 1 und in 2 dargestellte Schaltungsanlage 1 zum Schutz für mindestens ein Photovoltaikmodul 2 enthält zumindest folgende Baugruppen:

– ein erstes Schaltelement S0 7, das in einem gleichstromnetznahen Leitungsabschnitt 43 der Versorgungsstreckenleitung 16 zwischen einem ersten Modulanschluss 12 (Pluspol) des Photovoltaikmoduls 2 und einem ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) der Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 angeordnet ist,
– ein zweites Schaltelement S1 8, das in einer die Modulelektronik 3 überbrückenden Kurzschlussleitung 17 zwischen dem ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) und einem zweiten Netzanschluss 5 (Minuspol) der Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 geschaltet ist,
– eine Ansteuerelektronik 9, die mit den beiden Schaltelementen S0 7 und S1 8 in steuernder Verbindung steht und mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden eine elektrische Versorgungseinheit 29 aufweist,
– mindestens eine Messelektronik 10, die an die Ansteuerelektronik 9 angeschlossen ist, und
– eine Kommunikationselektronik 11, die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik 9 energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik 3 befindlichen Leitstelle 14 signaltechnisch verbunden ist,

7

8

9

10

11

29

3

12

13

2

4

5

6

3

7

8

38

22

39

22

Die Schaltungsanlage 1 zum Schutz der vorhandenen Photovoltaikmodule 2 in 1 besteht jeweils aus einer einem Photovoltaikmodul 2 zugehörigen Modulelektronik 3 und aus einer allen Photovoltaikmodulen 2 zugeordneten Leitstelle 14.
Die signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle 14 und den jeweiligen Kommunikationselektroniken 11 der Modulelektroniken 3 kann über Kabel und/oder kabelfrei, z. B. über Funk, ausgebildet sein. Zwischen der Leitstelle 14 und den Kommunikationselektroniken 11 kann somit eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung bestehen.
Die Ansteuerelektronik 9 ist einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung 16 (positive Spannung, Pluspole 12, 4) und andererseits mit Masse oder mit der Potenzialleitung 20 (Minuspole 13, 5) verbunden.
Von der Ansteuerelektronik 9 ausgehend sind zum Schaltelement S0 7 eine erste Steuerleitung 18 und zum zweiten Schaltelement S1 8 eine zweite Steuerleitung 19 geführt, wobei über die erste Steuerleitung 18 die Schaltsignale zum Trennen und zum Schließen des Leitungsabschnittes 43 der Versorgungsstreckenleitung 16 an das erste Schaltelement S0 7 und über die zweite Steuerleitung 19 die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der überbrückenden Kurzschlussleitung 17 an das zweite Schaltelement S1 8 gesendet werden.
In 2 befindet sich das erste Schaltelement S0 7 im Leitungsabschnitt 43 der Versorgungsstreckenleitung 16 und genau dort zwischen dem Versorgungsabgriff 21 der Ansteuerelektronik 9 zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik 3 und dem ersten Netzanschluss 4 der Kurzschlussleitung 17. Der Versorgungsabgriff 21 ist an eine elektrische Versorgungseinheit 29 geführt. Das zweite Schaltelement S1 8 ist zwischen dem ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) der Stromversorgungsleitung 6 und dem zweiten Netzanschluss 5 (Minuspol) der Stromversorgungsleitung 6 innerhalb der Kurzschlussleitung 17 geschaltet.
Zumindest ein Teil der Baugruppen 7, 8, 9, 10, 11, 29 der Schaltungsanlage 1 können sich in einer abgeschlossenen Dose (nicht eingezeichnet) befinden.
Die Baugruppen 7, 8, 9, 10, 11, 29 können sich innerhalb der Dose auf einer Leiterplatte (nicht eingezeichnet) befinden, die wahlweise in der Dose gehaltert eingebracht ist.
Die beiden Schaltelemente S0 7 und S1 8 sind damit elektronisch geschaltete Verbinder/Trenner des Photovoltaikmoduls 2 mit den Modulanschlüssen 12, 13 und der elektrischen Stromversorgungsleitung 6 mit den Netzanschlüssen 4, 5 zum Gleichstromnetz 22 und werden somit von der Ansteuerelektronik 9 durchgeschaltet (Schaltelement S0 7 geschlossen) oder gesperrt (Schaltelement S1 8 offen).
Der Modulanschluss 13 (Minuspol) des Photovoltaikmoduls 2 und der Netzanschluss 5 (Minuspol) der Stromversorgungsleitung 6 sind niederohmig miteinander verbunden. Mit den steuerbaren Schaltelementen S0 7, S1 8 können zwei zulässige stationäre Betriebszustände – ein aktiver Zustand 38 und ein inaktiver Zustand 39 – durch die Ansteuerelektronik 9 geschaltet sein.
Sind die Schaltelemente S0 7 und S1 8 durch einen Ausfall der elektrischen Versorgungseinheit 29 nicht schaltbar, so kann zum Schutz der Modulelektronik 3 in der Modulelektronik 3 eine parallele Überbrückung der Schaltelemente S0 7 und S1 8 mittels Schwellwertbauelementen 68, 69, die eine gleichgerichtete Stromleitung über die Kurzschlussleitung 17 in Richtung zum Versorgungsabgriff 21 ermöglichen, vorgesehen sein, wodurch ein dritter zulässiger Zustand, ein passiver Zustand, vorhanden ist.
Wie detailliert in 3 gezeigt ist, kann sich die Ansteuerelektronik 9 im aktiven Betriebszustand 38 und auch im inaktiven stationären Betriebszustand 39 mittels der in ihr enthaltenen Versorgungseinheit 29 energietechnisch versorgen. Dabei ist durch den Versorgungsabgriff 21 an der Versorgungsstreckenleitung 21 im Allgemeinen die elektrische Versorgung der Ansteuerelektronik 9 und somit der gesamten Modulelektronik 3 bei Netztrennung mittels des offenen Schaltelements S0 7 im inaktiven Zustand 39 gewährleistet.
Die Ansteuerelektronik 9 ist sehr stromsparend und kann auch bei niedrigen Spannungen des Photovoltaikmoduls 2 arbeiten. Unterspannungen, Überstrom und erhöhte Temperaturen können z. B. als Gefährdungszustände für die Modulelektronik 3 und das Photovoltaikmodul 2 auftreten.
In 3 ist auch ein Teil-Schaltschema der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage 1 mit einem Teil der Modulelektronik 3 aus der Ansteuerelektronik 9 und der Kommunikationselektronik 11 sowie mit der Leitstelle 14 detaillierter dargestellt, um das Auftreten möglicher Gefährdungsfälle und die Reaktionsmaßnahmen der Schutzschaltungsanlage 1 auf die Gefährdungsfälle näher zu erklären. In 3 ist die Kommunikation zwischen der Kommunikationselektronik 11 und der Leitstelle 14 bauelementebezogen der Einfachheit halber nur in eine Übertragungsrichtung (Sendepfad 77) angegeben.
Die Leitstelle 14 steht über eine leitungsausgebildete Kommunikationsstrecke 23 (Kabel) des Sendepfades 77 mit der Kommunikationselektronik 11 zumindest in signaltechnischer Verbindung. Als Übertrager der Signale von der Leitstelle 14 aus (Sendepfad 77) kann ein erster Optokoppler 24 mit einem Diodensender 25 und einem Phototransistor 26 dienen. Der Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 ist von Seiten der Kommunikationselektronik 11 mit einer Versorgungsleitung 27 von der Versorgungseinheit 29 und einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger 28 verbunden.
Dabei stellt die Ansteuerelektronik 9 aus der Photovoltaikmodulspannung über der Versorgungsstreckenleitung 16 durch einen Spannungsregler eine geregelte Versorgungsspannung der Modulelektronik 3 bereit. Bei kurzen Spannungseinbrüchen wird die elektrische Versorgung durch einen Stützkondensator 45 in der Versorgungseinheit 29 garantiert und ein Stromrückfluss aus dem Spannungsregler in das Photovoltaikmodul 2 durch Dioden 46, 47 blockiert. Dabei ist die erste Diode 46 mit dem Versorgungsabgriff 21 und die zweite Diode 47 mit dem Versorgungsabgriff 61 der Kurzschlussleitung 17 verbunden.
Die Ansteuerelektronik 9 detektiert selbständig die beschriebenen Gefährdungszustände und schaltet über die Schaltelemente S0 7 und S1 8 die Modulelektronik 3 in den inaktiven Zustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass eine selbständige Netztrennung vom Gleichstromnetz 22 vorliegt. Der inaktive Zustand 39 kann nur durch ein Freigabetelegramm 44 von der Leitstelle 14 der Modulelektronik 3, wobei das Freigabetelegramm 44 von der Kommunikationselektronik 11 empfangen wird, verlassen werden und in den normalen Betriebszustand 38 übergehen, bei dem das Schaltelement S0 7 geschlossen und das Schaltelement S1 8 geöffnet sind, was eine Aufhebung des Kurzschlusses über der Stromversorgungsleitung 6 darstellt und somit eine aktive Netzzuschaltung darstellt.
Die Funktionsweise der Modulelektronik 3 der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage 1 besteht prinzipiell in Folgendem:
Im definierten ersten zulässigen und normalen Betriebszustand, dem aktiven Zustand 38, sind das Schaltelement S0 7 geschlossen und das Schaltelement S1 8 geöffnet, wobei das Photovoltaikmodul 2 mit dem ersten Netzanschluss 4 der Stromversorgungsleitung 6 niederohmig verbunden ist. In dem aktiven Zustand 38 kann das Photovoltaikmodul 2 eine Leistung über die Stromversorgungsleitung 6 an das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 abgeben.
Im zweiten zulässigen Zustand, dem inaktiven Zustand 39, sind das Schaltelement S0 7 geöffnet und das Schaltelement S1 8 geschlossen, wobei das Photovoltaikmodul 2 vom Generatornetz 22 getrennt wird.
Im inaktiven Zustand 39 ist das Photovoltaikmodul 2 leistungsfrei geschaltet und die Netzanschlüsse 4, 5 sind kurzgeschlossen.
In der Modulelektronik 3 kann das Auftreten eines dritten zulässigen Zustandes, eines passiven Zustandes, vorgesehen sein, wenn die vom Photovoltaikmodul 2 am Versorgungsabgriff 21 zur Verfügung gestellte Spannung nicht ausreicht, um durch die Ansteuerelektronik 9 die beiden Schaltelemente S0 7 und S1 8 steuernd zu schalten. Im passiven Zustand das Schaltelement S0 7 sind vom ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) zur Versorgungsstreckenleitung 16 in Richtung zum ersten Modulanschluss 12 (Pluspol) und das zweite Schaltelement S1 vom zweiten Netzanschluss 5 (Minuspol) zum ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) jeweils leitend durch die Schaltelemente S0 7 und S1 8 parallel überbrückende Bauelemente ausgeführt.
Die parallel überbrückenden Bauelemente können die in Reihe leitend geschaltete Dioden 68 und 69 sein.
Das erste Schaltelement S0 7 kann in den 3, 5, 6, 7, 8 dabei parallel von einer ersten Überbrückungs-Diode 68 und das zweite Schaltelement S1 8 kann parallel von einer zweiten Überbrückungs-Diode 69 überbrückt sein, so dass sich der passive Zustand der Modulelektronik 3 einstellen kann.
Die Ansteuerelektronik 9 kann eine elektrische Versorgungseinheit 29 herkömmlicher Art besitzen, die mit der Versorgungsstreckenleitung 16 zum Photovoltaikmodul 2 oder mit der Kurzschlussleitung 17 sowie mit Masse/Masseleitung 20 verbunden ist. Schutzdiodenseitig ist die elektrische Versorgungseinheit 29 mit zwei gegeneinander geschalteten Dioden 46, 47 zu der Versorgungsstreckenleitung 16 bzw. zur Kurzschlussleitung 17 verbunden.
Während die Kommunikationselektronik 11 in 3 über Versorgungsleitung 27 mit der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 9 verbunden ist, ist der mit der konstanten Referenzstromquelle I_ref 48 in Verbindung stehende Schmitttrigger 28 mit einem Empfänger 30 innerhalb der Ansteuerelektronik 9 verbunden. Dem Empfänger 30 ist ein Empfängerregister 31 nachgeordnet, das parallel zu einem Speicher 32 für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher 33 angeschaltet ist. Dem Vergleicher 33 wiederum ist ein Fensterdetektor 34 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht, dessen Ausgang 36 mit dem Speicher 32 für die Schlüsselwörter „A” und „B” über die Rück-Signalleitung 62 und mit einem Treiber 37 verbunden ist.
Der Treiber 37 ist derart ausgangsseitig ausgebildet, dass von ihm aus eine erste Steuerleitung 18 zum ersten Schaltelement S0 7 und eine zweite Steuerleitung 19 zum zweiten Schaltelement S1 8 geführt ist.
Im Folgenden wird anhand der 4a, 4b und 4c erläutert, wie die Kommunikationselektronik 11 und die Leitstelle 14 nach dem Eintreten von Gefährdungsfällen und nach Beendigung und Behebung der Gefährdungsfälle miteinander umgehen.
Die 4a zeigt die schaltbaren Schaltelement-Zustände der beiden Schaltelemente S0 7 und S1 8, wobei der Zustand 38 den aktiven Zustand und der Zustand 39 den inaktiven Zustand angeben.
Das von der Leitstelle 14 gesendete Schlüsselwort „A” bedeutet: es liegt kein Gefährdungsfall vor und der Stromtransfer geht vom Photovoltaikmodul 2 zum Gleichstromnetz 6 des Photovoltaikgenerators 40.
4b zeigt die zeitlichen Erwartungszustands-Abläufe für das Schlüsselwort A und 4c zeigt die Schlüsselwort-Signalfolgen-Zuschaltungen für Schlüsselwort „A” und für Schlüsselwort „B”.
Die Funktionsweise der Kommunikationselektronik 11 zur Kommunikation mit der Leitstelle 14 und zum Empfang von deren Freigabetelegrammen 44 soll beispielhaft anhand der 3 gemeinsam mit den 4a, 4b, 4c erläutert werden.
Ist das Photovoltaikmodul 2 an die Stromversorgungsleitung 6, wie in 4a gezeigt, zugeschaltet, was den aktiven Zustand 38 darstellt, bei dem das Schaltelement 7 geschlossen und das Schaltelement 8 offen sind, erwartet die Ansteuerelektronik 9 ein von der Leitstelle 14 gesendetes, periodisch wiederkehrendes Telegramm 44, das ein Freigabetelegramm sein kann, wobei das Telegramm 44 über die Kommunikationselektronik 11 empfangen wird.
Das Freigabetelegramm 44 kann gegenüber den periodisch wiederkehrenden Telegrammen für den ungestörten Dauerbetrieb mit einem besonders markanten Impulssignal versehen sein, kann aber auch bei entsprechender Ausbildung dieses Impulssignals bereits in dem periodisch wiederkehrenden Telegramm enthalten.
Das periodisch wiederkehrende Telegramm 44 signalisiert somit einen ungefährdeten Photovoltaikgeneratorbetrieb. Das Telegramm 44 und sein Zeitregime sind realisierungsabhängig. Bleibt das periodisch wiederkehrende Telegramm 44 aus, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen Gefährdungszustand/-fall des Photovoltaikgenerators 40 und schaltet, wie in 4a gezeigt ist, die Schaltelemente S0 7 und S1 8 in den inaktiven Zustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass somit eine selbständige Netztrennung zum Photovoltaikmodul 2 vorliegt.
Das Telegramm 44 wird in der Leitzentrale 14 in Spannungsmodulation der Kommunikationsstrecke 23 in Form eines Zweidrahtbusses des Sendepfades 77 umgesetzt, der in Verbindung mit einem ersten Optokoppler 24 der Kommunikationselektronik 11 steht. Die Spannungsmodulation wird an der Kommunikationselektronik 11 durch eine Lichtdiode 25 in Lichtimpulse umgesetzt, die fallen auf einen Phototransistor 26 fallen, der abhängig von der Lichtintensität seinen Strom ändert. Die Lichtdiode 25 und der Phototransistor 26 sind Teil des ersten Optokopplers 24. Mit Hilfe einer konstanten Referenzstromquelle 48 wird der sich ändernde Strom in eine Spannungsmodulation in der Kommunikationselektronik 11 gewandelt. Die Spannungsänderung wird mit einem ersten Schmitttrigger 28 in ein zweiwertiges Logiksignal konvertiert. Es entsteht ein Bitstrom. Der dem ersten Schmitttrigger 28 nachfolgende digitale Empfänger 30 setzt den Bitstrom in Abhängigkeit des Protokolls zu einem Telegramm zusammen, das im Empfangsregister 31 abgelegt wird.
Das Verfahren zum Schutz eines Photovoltaikmoduls 2/der Photovoltaikmodule 2 wird durch die Schaltungsanlage 1 folgendermaßen unterstützt:
Befindet sich die Modulelektronik 3 im aktiven Zustand 38, so wird das aus einer Signalfolge bestehende Telegramm in einem Vergleicher 33 mit einem angebundenen Fensterdetektor 34 in zwei aufeinander folgenden Zeitfenstern 66, 67 mit dem Vorliegen eines Schlüsselwortes „A” verglichen. Im ersten Zeitfenster 66, dessen Länge t₆₆ festgelegt ist, darf das Telegramm nicht dem Schlüsselwort „A” entsprechen. Geschieht dies, wird das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 6 getrennt (inaktiver Zustand 39). Im zweiten Zeitfenster 67, dessen maximale Länge t₆₇ festgelegt ist, muss ein Telegramm mit dem Schlüsselwort „A” empfangen werden. Geschieht dies nicht, wird das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 6 getrennt (inaktiver Zustand 39). Wird im zweiten Fenster 67 das Schlüsselwort „A” innerhalb der vorgeschriebenen Zeit t₆₇ empfangen, dann wird der Fensterdetektor 34 wieder auf das erste Fenster 66 zurückgesetzt.
Der inaktive Zustand 39 bleibt solange bestehen, bis ein aus einer anderen Signalfolge bestehendes Schlüsselwort „B” von der Leitstelle 14 gesendet wird. Ist das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 6 getrennt (inaktiver Zustand 39), dann erwartet die Modulelektronik 3, auf oben beschriebene Art, das Schlüsselwort „B” in 4c und geht in den normalen Betriebszustand 38 über (Schaltelement 7 S0 geschlossen, Schaltelement 8 S1 offen). Danach startet sofort der Fensterdetektor 34 mit dem ersten Fenster 66.
Der aktuelle Betriebszustand der Modulelektronik 3 und der erkannte Gefährdungszustand kann in einer alternativen Schaltung zur ersten Kommunikationselektronik 11 einschließlich eines Sendepfades 77 der Kommunikationsstrecke 23 mittels einer in 5 dargestellten zweiten Kommunikationselektronik 111 einschließlich des Sendepfades 77 und eines Empfangspfades 78 durch ein Rück-Telegramm 80 von der Kommunikationselektronik 111 aus an die erweiterte zweite Leitstelle 141 übermittelt werden. Dabei kann entweder die Leitstelle 141 die Kommunikationselektronik 111 über die Kommunikationsstrecke 23 abfragen oder die Kommunikationselektronik 111 übermittelt bei Übergang in den jeweiligen Betriebszustand, insbesondere in den inaktiven Zustand 39 den Zustandsübergang in Form eines Empfangstelegramms 80 an die Leitstelle 141 selbständig.
Auch der Empfangspfad 78 wird über die Versorgungsleitung 27 der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 91 bedient.
Die Rück-Übertragung von Signalen seitens der Kommunikationselektronik 111 in Richtung zur Leitstelle 141 kann mittels folgender Bauelemente in folgender in 5 dargestellter verbindender Verschaltung vorgesehen sein:
Während sich die Sendepfade 77 der beiden Kommunikationselektroniken 11 und 111 weitgehend ähneln, kann sich durch die Einbringung eines Empfangspfades 78 in die Kommunikationselektronik 111 auch ein Teil der bisherigen Ansteuerelektronik 9 zur alternativen Ansteuerelektronik 91 ändern.
Im Sendepfad 77 ist der Ausgangspunkt des Sendetelegramms 44 aus der Leitstelle 141 ein Sender 76, der mit einem ersten Sendetransistor 75 und einer Spannungsquelle 79 in Verbindung steht. Vom ersten Sendetransistor 75 wird der mit ihm verbundene erste Optokoppler 24 bedient. Der erste Schmitttrigger 28 der Kommunikationselektronik 111 leitet die vom Phototransistor des ersten Optokopplers 24 übernommenen Signale des Sendetelegramms 44 an den Empfänger 30 der Ansteuerelektronik 91 weiter.
In der Ansteuerelektronik 91 übernimmt ein dem Empfänger 30 nachgeschalteter Befehlsdekocder 70 die Funktionen des Empfangsregisters 31, des Vergleichers 33, des Fensterdekoders 34 sowie die Funktionen des Speichers 32 für die Schlüsselwörter „A” und „B”. Vom Befehlsdekoder 70 besteht eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied 35. Der Befehlsdekoder 70 ist zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle 141 aus definierten Empfangspfads 78 mit einem Statusregister/Datenregister 71 verbunden, dem ein Sender 72 der Ansteuerelektronik 91 nachgeordnet ist. Der Sender 72 ist mit einem Sendetransistor 74 verbunden, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler 73 in Verbindung steht. Die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers 7 ausgelösten Signale werden mit Unterstützung einer Stromquelle 83 einem zweiten Schmitttrigger 81 zugeführt, der an den mit ihm verbundenen Empfänger 82 das digitalisierte Empfangstelegramm 80 über den Betriebszustand der Modulelektronik 3 übergibt.
In der alternativen Verschaltung kann zwischen der Leitstelle 141 und der Kommunikationselektronik 111 also ein Sendepfad 77 und ein Empfangspfad 78 vorhanden sein, wobei die letzteren beiden die Kommunikationsstrecke 23 darstellen können.
Die Modulelektronik 3 befindet sich im Wesentlichen, wie in 5 gezeigt ist, in einer Dose 85. Dabei kann die Leitstelle 141 derart erweitert aufgebaut sein, dass von ihr aus ein aus dem Photovoltaikgenerator 40 gelöstes Photovoltaikmodul 2 mit einer in der Dose 85 integrierten und damit dem Photovoltaikmodul 2 festverbundenen Modulelektronik 3 derart detektiert werden kann, dass entweder ein Sendesignal, das von der Leitstelle 141 aus auf dem Sendekabel des Sendepfades 77 gesendet wird, auf dem Empfangskabel des Sendepfades 77 durch eine der Kommunikationselektronik 111 zugeordnete Quittierungsschaltung (nicht eingezeichnet) quittiert wird, z. B. durch Senden eines Quittierungssignals an die Leitstelle 141 oder mittels eines Testes der durch die Kommunikationselektronik 111 gebildeten Impedanz auf dem Sendekabel des Sendepfades 77 bestätigt wird. Wird entweder das Sendesignal nicht quittiert oder die Impedanz ist außerhalb eines vorgegebenen und erwarteten Wertebereiches (z. B. hochohmig durch Herauslösen der mit dem Photovoltaikmodul 2 festverbundenen Modulelektronik 3), so wird ein unerwünschtes Entfernen des Photovoltaikmoduls 2 aus dem Photovoltaikgenerator 40 detektiert oder ein fehlerhafter Anschluss des Photovoltaikmoduls 2 an den Photovoltaikgenerator 40 angegeben. Die vorhandene Unterbrechung kann durch eine in der Leitstelle 141 eingebrachte Signalschaltung (nicht eingezeichnet) signalisiert werden. Damit kann auch ein zusätzlicher Diebstahlschutz gewährleistet sein.
In 6 ist eine beispielhafte Kombination zwischen der Ansteuerelektronik 9 und einer Messelektronik 101 innerhalb der Modulelektronik 3 zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen U dargestellt.
Die Messelektronik 101 in 6 enthält einen Spannungsteiler 38 mit einem daran angeschlossenen AD-Wandler 39, wobei der Spannungsteiler 49 die Abgriffe 57, 58 an der Versorgungsstreckenleitung 16 und der Potenzialleitung 20 hat.
Der AD-Wandler 50 hat nachfolgend ein Datenregister 51 mit einem Vergleicher 55, wobei parallel zum Datenregister 51 zwei Schwellwertregister 52 und 53 mit einem Schwellwertvergleicher 54 von Spannungsschwellwerten U1, U2 aus den beiden Schwellwertregistern 52, 53 an den Eingang des Vergleichers 55 angeordnet sind. Dem Vergleicher 55 ist ein Entprellfilter 56 nachgeordnet, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung 59 mit dem Schwellwertvergleicher 54 und über eine Signalleitung 60 mit dem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht. Der dem Mehrfach-ODER-Glied 35 nachgeordnete Treiber 37 ist über die beiden Steuerleitungen 18, 19 mit den jeweiligen Schaltelementen S0 7 und S1 8 verbunden.
Die Messelektronik 101 erfasst über den Spannungsteiler 49 eine Modulspannung U (aktuelle Spannung) und gibt den jeweiligen Spannungswert U an die Ansteuerelektronik 9 weiter. Unterschreitet der aktuelle Spannungswert (Unterspannung) U einen vorgegebenen Spannungsschwellwert U1, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen durch die Unterspannung U verursachten Gefährdungszustand und schaltet die Schaltelemente S0 7 und S1 8 in den inaktiven Zustand 39, wobei das Schaltelement S0 7 offen und das Schaltelement S1 8 geschlossen ist, und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei auch hier zu einer selbständigen Netztrennung.
Zur Erkennung des gefährdenden Zustands wird die aktuelle Unterspannung U durch die Messelektronik 101 in 6 mittels Spannungsteilers 49 und Analog-Digital-Wandlers 50 in digitalisierter Form in ein Datenregister 51 geschrieben. In der Ansteuerelektronik 9 wird dieser Wert mit einem programmierbaren Schwellwert U1 des Schwellwertregisters 52 verglichen und entprellt. Fällt die Spannung U unter einen kritischen Wert, geht die Ansteuerelektronik 9 in den inaktiven Zustand 39. Mittels eines Logikschalters 54 wird in dem Zustand der Spannungsschwellwert U1 auf einen Spannungsschwellwert U2 (Schwellwert U2 > Schwellwert U1) um einen programmierbaren Wert (Hysteresefunktion) erhöht. Der inaktive Zustand 39 in 5a kann nur mit dem Senden des Freigabetelegramms 44 unter der Bedingung, dass der aktuelle Spannungswert U höher als der Spannungsschwellwert U2 ist, verlassen werden.
Entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen in der Ansteuerelektronik 9 bezüglich der Schwellwertregister und des Vergleichers und der bereits angegebenen Baugruppen können auch für erhöhte Temperaturen und für Überströme vorgesehen sein.
In 7 ist ein Schaltschema der Kombination der Messelektronik 102 mit der Ansteuerelektronik 9 bei Auftreten von Überstrom als weiterem Gefährdungszustand dargestellt.
Dazu kann in der Potenzialleitung 20 ein Messwiderstand 65 eingeschaltet sein, der mit einem spannungsabgreifenden AD-Wandler 63 zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Messwiderstand 65 verbunden ist. Der AD-Wandler 63 ist mit dem Datenregister 51 verbunden.
Somit kann die Messelektronik 10 den durch die Potenzialleitung 20 fließenden Modulstrom erfassen und den Stromstärkewert I an die Ansteuerelektronik 9 durch eine Spannungsmessung weitergeben. Überschreitet der aktuelle Stromstärkewert I vorgegebene Stromstärkewerte I1, I2, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen durch überhöhten Strom verursachten Gefährdungszustand und schaltet die Schaltelemente S0 7 und S1 8 in den inaktiven Zustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei auch zu einer selbständigen Netztrennung.
In 8 ist ein Schaltschema der Kombination der Messelektronik 103 mit der Ansteuerelektronik 9 bei Auftreten einer überhöhten Temperatur als weiterer Gefährdungszustand dargestellt.
Dazu enthält die Messelektronik 103 einen Thermofühler 15 mit einem angeschlossenen AD-Wandler 64, der mit dem Datenregister 51 der Ansteuerelektronik 9 in Verbindung steht.
Die Messelektronik 103 erfasst die aktuelle Temperatur T am Photovoltaikmodul 2 und in der Dose 15 und gibt über den AD-Wandler 64 die digitalisierten Temperatur-Signale T an die Ansteuerelektronik 9 weiter. Überschreiten die aktuellen Temperaturwerte T vorgegebene Temperaturwerte (Schwellwerte) T1, T2, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen durch überhöhte Temperatur T verursachten Gefährdungszustand und schaltet die Schaltelemente S0 7 und S1 8 in den inaktiven Zustand 39, bei dem das Schaltelement S0 7 offen und das Schaltelement S1 8 geschlossen sind, und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Anschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei zu einer selbständigen Netztrennung.
Die parameterbezogenen Messelektroniken 101, 102, 103 mit den Baugruppen-Schaltungen zur Feststellung von Parametern wie Unterspannung U und/oder Überstrom I und/oder überhöhten Temperaturen T können in einer Kompakt-Messelektronik 10 gemäß 2 enthalten sein, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik 9 wie in den genannten parameterbezogenen Messelektroniken 101, 102, 103 ausgebildet sein können.
Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage 1 sind, dass

1. bei Auftreten von Gefährdungsfällen oder -zuständen an Photovoltaikmodulen 3 eine selbständige Trennung vom Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 erfolgt und
2. nach der Reparatur und/oder Beendigung des Gefährdungsfalles an den Photovoltaikmodulen 2 eine aktive Zuschaltung der Photovoltaikmodule 2 in das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 durchgeführt wird,

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Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen
2: Photovoltaikmodul
3: Modulelektronik
4: erster Netzanschluss (Pluspol)
5: zweiter Netzanschluss (Minuspol)
6: Stromversorgungsleitung
7: erstes Schaltelement S0
8: zweite Schaltelement S1
9: Ansteuerelektronik
91: Ansteuerelektronik
10: Messelektronik
101: Messelektronik für Parameter Unterspannung
102: Messelektronik für Parameter Überstrom
103: Messelektronik für Parameter erhöhte Temperaturen
11: Kommunikationselektronik
111: Kommunikationselektronik
12: erster Modulanschluss (Pluspol)
13: zweiter Modulanschluss (Minuspol)
14: Leitstelle
141: Leitstelle
15: Thermofühler
16: Versorgungsstreckenleitung
17: Kurzschlussleitung
18: erste Steuerleitung
19: zweite Steuerleitung
20: Potenzialleitung
21: Versorgungsabgriff
22: Gleichstromnetz
23: Kommunikationsstrecke
24: Optokoppler
25: Diode
26: Phototransistor
27: Versorgungsleitung
28: Schmitttrigger
29: Versorgungseinheit der Modulelektronik
30: Empfänger
31: Empfängerregister
32: Speicher für Schlüsselwörter
33: Vergleicher
34: Fensterdetektor
35: Mehrfach-ODER-Glied
36: Ausgang
37: Treiber
38: aktiver Zustand
39: inaktiver Zustand
40: Photovoltaikgenerator
41: Wechselrichter
42: Anschlusskasten
43: Leitungsabschnitt
44: Telegramm
45: Stützkondensator
46: erste Diode
47: zweite Diode
48: konstante Referenzstromquelle
49: Spannungsteiler
50: AD-Wandler
51: Datenregister
52: erstes Schwellwertregister
53: zweites Schwellwertregister
54: Logikschalter
55: Vergleicher
56: Entprellfilter
57: Abgriff
58: Abgriff
59: Rückkopplungs-Signalleitung
60: Signalleitung
61: Versorgungsabgriff an Kurzschlussleitung
62: Signalleitung
63: AD-Wandler
64: AD-Wandler
65: Messwiderstand
66: erstes Fenster
67: zweites Fenster
68: erste Überbrückungs-Diode
69: zweite Überbrückungs-Diode
70: Befehlsdekoder
71: Statusregister/Datenregister
72: Sender
73: zweiter Optokoppler
74: zweiter Sendetransistor
75: erster Sendetransistor
76: Sender der Leitstelle
77: Sendepfad
78: Empfangspfad
79: Spannungsquelle
80: Empfangstelegramm
81: zweiter Schmitttrigger
82: Empfänger der Leitstelle
83: Stromquelle
84: Signalleitung zum Mehrfach-ODER-Glied
85: Dose
U: aktuelle Spannung
U1: erster Spannungsschwellwert
U2: zweiter Spannungsschwellwert
I: aktuelle Stromstärke
I1: erster Stromstärkeschwellwert
I2: zweiter Stromstärkeschwellwert
T: aktuelle Temperatur
T1: erster Temperaturschellwert
T2: zweiter Temperaturschwellwert
t₆₆: erste Fensterzeitdauer
t₆₇: zweite Fensterzeitdauer
U_ref: konstante Referenzspannungsquelle
I_ref: konstante Referenzstromquelle

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 102005036153 B4 [0003]

Claims

Photovoltaikgenerator (40) mit Schaltungsanlage (1) zum Schutz von Photovoltaikmodulen (2), wobei der Photovoltaikgenerator (40) eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (2) enthält, die über ein Gleichstromnetz (22) an einen Wechselrichter (41) angeschlossen sind, wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule (2) in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist und wobei die Photovoltaikmodule (2) über jeweils eine Modulelektronik (3) mit dem Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest folgende Baugruppen für die Schaltungsanlage (1) vorgesehen sind: – ein erstes Schaltelement S0 (7), das in einem gleichstromnetznahen Leitungsabschnitt (43) der Versorgungsstreckenleitung (16) zwischen einem ersten Modulanschluss (12) des Photovoltaikmoduls (2) und einem ersten Netzanschluss (4) der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) angeordnet ist, – ein zweites Schaltelement S1 (8), das in einer die Modulelektronik (3) überbrückenden Kurzschlussleitung (17) zwischen dem ersten Netzanschluss (4) und einem zweiten Netzanschluss (5) der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) geschaltet ist, – eine Ansteuerelektronik (9, 91), die mit den beiden Schaltelementen S0 (7) und S1 (8) in steuernder Verbindung steht und mit der Versorgungsstreckenleitung (16) verbunden eine elektrische Versorgungseinheit (29) aufweist, – mindestens eine Messelektronik (10, 101, 102, 103), die an die Ansteuerelektronik (9) angeschlossen ist, und – eine Kommunikationselektronik (11, 111), die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik (9, 91) energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik (3) befindlichen Leitstelle (14, 141) zumindest signaltechnisch über eine Kommunikationsstrecke (23, 77, 78) verbunden ist, wobei zur Modulelektronik (3) zumindest die Baugruppen: erstes Schaltelement S0 (7), zweites Schaltelement S1 (8), Ansteuerelektronik (9, 91), Messelektronik (10, 101, 102, 103), Kommunikationselektronik (11, 111) und elektrische Versorgungseinheit (29) gehören, die zwischen den Modulanschlüssen (12, 13) zum Photovoltaikmodul (2) und den Netzanschlüssen (4, 5) zur Stromversorgungsleitung (6) geschaltet sind und wobei für die Modulelektronik (3) zumindest über die steuerbaren Schaltelemente S0 (7) und S1 (8) zumindest entweder ein aktiver Zustand (38) mit Stromtransfer und Zuschaltung ins Gleichstromnetz (22) oder ein inaktiver Zustand (39) mit selbständiger Trennung vom Gleichstromnetz (22) einstellbar sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikmodule (2) durch die Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) an einen Anschlusskasten (42) des Wechselrichters (41) angeschlossen sind, wobei die Verschaltung der Photovoltaikmodule (2) mittels der Stromversorgungsleitung (6) in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist, wobei die Photovoltaikmodule (2) mit der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) jeweils über eine Modulelektronik (3) auf einem ersten Potenzialniveau (12) einer Versorgungsstreckenleitung (16) und auf einem zweiten Potenzialniveau (13) einer Potenzialleitung (20) in Verbindung stehen, wobei die Niveaus (12, 13) über gleichstromnetznahe Netzanschlüsse (4, 5) der Modulelektronik (3) mit der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die signaltechnische kommunikative Verbindung in Form einer Kommunikationsstrecke (23) zwischen der Leitstelle (14, 141) und den jeweiligen Kommunikationselektroniken (11, 111) der Modulelektroniken (3) wahlweise über Kabel und/oder kabelfrei ausgebildet ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (9, 91) einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (16) und andererseits mit Masse oder mit der Potenzialleitung (20) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Ansteuerelektronik (9, 91) ausgehend zum ersten Schaltelement S0 (7) eine erste Steuerleitung (18) und zum zweiten Schaltelement S1 (8) eine zweite Steuerleitung (19) geführt sind, wobei über die erste Steuerleitung (18) die Schaltsignale zum Trennen und zum Schließen des Leitungsabschnittes (43) der Versorgungsstreckenleitung (16) an das erste Schaltelement S0 (7) und über die zweite Steuerleitung (19) die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der die Modulelektronik (3) überbrückenden Kurzschlussleitung (17) an das zweite Schaltelement S1 (8) gesendet werden.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Schaltelement S0 (7) im Leitungsabschnitt (43) der Versorgungsstreckenleitung (16) und dort zwischen dem Versorgungsabgriff (21) für die Ansteuerelektronik (9, 91) zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik (3) und dem ersten Netzanschluss (4) der Kurzschlussleitung (17) befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Baugruppen (7, 8, 9, 10, 11, 29) in einer abgeschlossenen Dose befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen (7, 8, 9, 10, 11, 29) sich innerhalb der Dose auf einer Leiterplatte befinden, die wahlweise in der Dose gehaltert eingebracht ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schaltelemente S0 (7) und S1 (8) elektronisch geschaltete Verbinder/Trenner des Photovoltaikmoduls (2) mit den Modulanschlüssen (12, 13) und der elektrischen Stromversorgungsleitung (6) mit den Netzanschlüssen (4, 5) zum Gleichstromnetz (22) sind, wobei die Schaltelemente S0 (7), S1 (8) in zwei zulässigen stationären Betriebszuständen (38, 39) durch die Ansteuerelektronik (9, 91) steuernd geschaltet sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (9, 91) aus der Photovoltaikmodulspannung über der Versorgungsstreckenleitung (16) durch einen Spannungsregler eine geregelte Versorgungsspannung für die Modulelektronik (3) bereitstellt, wobei bei kurzen Spannungseinbrüchen die elektrische Versorgung durch einen Stützkondensator (45) in der Versorgungseinheit (29) garantiert und ein Stromrückfluss aus dem Spannungsregler in das Photovoltaikmodul (2) durch entgegengerichtet geschaltete Dioden (46, 47) blockiert sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungseinheit (29) mit der Versorgungsstreckenleitung (16) zum Photovoltaikmodul (2) oder mit der Kurzschlussleitung (17) sowie mit Masse/Masseleitung (20) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulelektronik (3) mindestens zwei Betriebszustände aufweist, wobei sich die Modulelektronik (3) in einem ersten und normalen Betriebszustand, einem aktiven Zustand (38) befindet, wobei das erste Schaltelement S0 (7) geschlossen und das zweite Schaltelement S1 (8) geöffnet sind und wobei das Photovoltaikmodul (2) mit dem Netzanschluss (4) der Stromversorgungsleitung (6) niederohmig verbunden ist, wobei im aktiven Zustand (38) das Photovoltaikmodul (2) eine Leistung über die Stromversorgungsleitung (6) an das Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) abgibt, oder in einem zweiten zulässigen Zustand, einem inaktiven Zustand (39) befindet, wobei das erste Schaltelement S0 (7) geöffnet und das zweite Schaltelement S1 (8) geschlossen sind, wobei das Photovoltaikmodul (2) vom Generatornetz (22) getrennt wird.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Versorgungsabgriff (21) an der Versorgungsstreckenleitung (21) die elektrische Versorgung der Ansteuerelektronik (9, 91) und somit der gesamten Modulelektronik (3) bei Netztrennung mittels des offenen ersten Schaltelements S0 (7) auch im inaktiven Zustand (39) gewährleistet sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulelektronik (3) einen dritten zulässigen Zustand, einen passiven Zustand, aufweist, wobei im passiven Zustand das Schaltelement S0 (7) vom ersten Netzanschluss (4) zur Versorgungsstreckenleitung (16) in Richtung zum ersten Modulanschluss (12) und das zweite Schaltelement S1 (8) vom zweiten Netzanschluss (5) zum ersten Netzanschluss (4) jeweils mindestens ein das Schaltelement S0 (7) und das Schaltelement S1 (8) leitend und parallel überbrückendes Bauelement aufweisen.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement S0 (7) parallel von einer ersten Überbrückungs-Diode (68) und das zweite Schaltelement S1 (8) parallel von einer zweiten Überbrückungs-Diode (69) überbrückt sind, so dass ein passiver Zustand der Modulelektronik (3) einstellbar ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstelle (14, 141) über eine Kommunikationsstrecke (23) mit der Kommunikationselektronik (11, 111) zumindest in signaltechnischer Verbindung steht, wobei in der Kommunikationselektronik (11, 111) in einem Sendepfad (77) als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle (14, 141) ein erster Optokoppler (24) mit einem Diodensender (25) und einem Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) dient, wobei der Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) von Seiten der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einer Versorgungsleitung (27) von der Versorgungseinheit (29) aus und einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger (28) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationselektronik (11, 111) über die Versorgungsleitung (27) mit der elektrischen Versorgungseinheit (29) der Ansteuerelektronik (9, 91) verbunden ist, wobei der mit der konstanten Referenzstromquelle I_ref (48) in Verbindung stehende Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einem Empfänger (30) innerhalb der Ansteuerelektronik (9, 91) verbunden ist, dem ein Empfängerregister (31) nachgeordnet ist, das parallel mit mindestens einem Speicher (32) für Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher (33) geschaltet ist, wobei dem Vergleicher (33) wiederum ein Fensterdetektor (34) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied (35) in Verbindung steht, dessen Ausgang (36) mit dem Speicher (32) für Schlüsselwörter „A” und „B” über eine Signalleitung (62) und mit einem Treiber (37) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (37) derart ausgangsseitig ausgebildet ist, dass von ihm aus eine erste Steuerleitung (18) zum ersten Schaltelement S0 (7) und eine zweite Steuerleitung (19) zum zweiten Schaltelement S1 (8) geführt sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leitstelle (141) und der Kommunikationselektronik (111) als Kommunikationsstrecke (23) ein Sendepfad (77) und ein Empfangspfad (78) vorhanden sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rück-Übertragung von Signalen zu den Betriebszuständen seitens der Kommunikationselektronik (111) in Richtung zur Leitstelle (141) vorgesehen ist, wobei sich durch die Einbringung des Empfangspfades (78) in die Kommunikationselektronik (111) auch ein Teil der bisherigen Ansteuerelektronik (9) zur alternativen Ansteuerelektronik (91) ändert.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendepfad (77) der Ausgangspunkt des Sendetelegramms (44) ein Sender (76) der Leitstelle (141) ist, der mit einem ersten Sendetransistor (75) und einer Spannungsquelle (79) in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor (75) der mit ihm verbundene erste Optokoppler (24) bedient wird, wobei der erste Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (111) die vom Phototransistor des ersten Optokopplers (24) übernommenen Signale des Sendetelegramms (44) an den Empfänger (30) der Ansteuerelektronik (91) weiterleitet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerelektronik (91) ein dem Empfänger (30) nachgeschalteter Befehlsdekocder (70) die Funktionen des Empfangsregisters (31), des Vergleichers (33), des Fensterdekoders (34) sowie die Funktionen des Speichers (32) für Schlüsselwörter „A” und „B” übernimmt, wobei vom Befehlsdekoder (70) eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied (35) besteht, wobei der Befehlsdekoder (70) zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle (141) aus definierten Empfangspfads (78) mit einem Statusregister/Datenregister (71) verbunden ist, dem ein Sender (72) der Ansteuerelektronik (91) nachgeordnet ist, wobei der Sender (72) der Ansteuerelektronik (91) mit einem Sendetransistor (74) verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler (73) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers (73) in der Kommunikationselektronik (91) ausgelösten Signale mit Unterstützung einer Stromquelle (83) einem zweiten Schmitttrigger (81) der Leitstelle (141) zugeführt sind, wobei der Schmitttrigger (81) an den mit ihm verbundenen Empfänger (82) das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm (80) übergibt.
Photovoltaikgenerator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstelle (141) derart erweitert aufgebaut ist, dass von ihr aus ein aus dem Photovoltaikgenerator (40) herausgelöstes Photovoltaikmodul (2) mittels in einer Dose (85) integrierten und damit dem Photovoltaikmodul (2) festverbundenen Modulelektronik (3) derart detektierbar ist, dass entweder ein Sendesignal, das von der Leitstelle (141) aus auf dem Sendekabel des Sendepfades (77) zur Kommunikationselektronik (111) gesendet wird, auf dem Empfangskabel des Sendepfades (77) durch eine der Kommunikationselektronik (111) zugeordnete Quittierungsschaltung quittiert wird oder mittels eines Testes der durch die Kommunikationselektronik (111) gebildeten Impedanz auf dem Sendekabel des Sendepfades (77) bestätigt wird, wobei eine vorhandene Unterbrechung durch eine in der Leitstelle (141) eingebrachte Signalschaltung signalisierbar ist.
Photovoltaikgenerator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kombination zwischen der Ansteuerelektronik (9, 91) und der Messelektronik (101) innerhalb der Modulelektronik (3) zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen (U) die Messelektronik (101) einen Spannungsteiler (38) mit einem daran angeschlossenen AD-Wandler (39) enthält, wobei der Spannungsteiler (49) die Abgriffe (57, 58) an der Versorgungsstreckenleitung (16) und der Potenzialleitung (20) hat.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der AD-Wandler (50) nachfolgend ein Datenregister (51) mit einem Vergleicher (55) aufweist, wobei parallel zum Datenregister (51) zwei Schwellwertregister (52) und (53) mit einem Schwellwertvergleicher (54) von Schwellwerten (U1, U2) aus den beiden Schwellwertregistern (52, 53) an den Eingang des Vergleichers (55) angeordnet sind, wobei dem Vergleicher (55) ein Entprellfilter (56) nachgeordnet ist, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung (59) mit dem Schwellwertvergleicher (54) und über eine Signalleitung (60) mit dem Mehrfach-ODER-Glied (35) in Verbindung steht, wobei ein dem Mehrfach-ODER-Glied (35) nachgeordneter Treiber (37) über die beiden Steuerleitungen (18, 19) mit den jeweiligen Schaltelementen S0 (7) und S1 (8) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen bezüglich der Schwellwertregister (52, 53) und des Vergleichers (55) auch für erhöhte Temperaturen (T) und für Überströme (I) vorgesehen sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kombination der Messelektronik (102) mit der Ansteuerelektronik (9, 91) bei Auftreten von Überstrom (I) in der Potenzialleitung (20) ein Messwiderstand (65) eingeschaltet ist, der mit einem spannungsabgreifenden AD-Wandler (63) zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Messwiderstand (65) verbunden ist, wobei der AD-Wandler (63) mit dem Datenregister (51) der Ansteuerelektronik (9, 91) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kombination der Messelektronik (103) mit der Ansteuerelektronik (9, 91) bei Auftreten einer erhöhten Temperatur (T) die Messelektronik (103) einen Thermofühler (15) mit einem angeschlossenen AD-Wandler (64), der mit dem Datenregister (51) der Ansteuerelektronik (9, 91) in Verbindung steht, aufweist.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroniken (101, 102, 103) mit den Baugruppen-Schaltungen zur Feststellung der Parameter von Unterspannung (U) und/oder von Überstrom (I) und/oder von überhöhten Temperaturen (T) in einer Kompakt-Messelektronik (10) enthalten sind, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik (9, 91) wie in den parameterbezogenen Messelektroniken (101, 102, 103) ausgebildet sind.
Verfahren zum Schutz von Photovoltaikmodulen (2) in Photovoltaikgeneratoren (40), wobei der Photovoltaikgenerator (40) eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (2) enthält, die über ein Gleichstromnetz (22) an einen Wechselrichter (41) angeschlossen sind, wobei eine Verschaltung der Photovoltaikmodule (2) in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung vorgesehen ist und wobei die Photovoltaikmodule (2) über jeweils eine Modulelektronik (3) mit dem Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind, unter Einsatz einer Schaltungsanlage (1) nach den Ansprüchen 1 bis 30, durch folgende Schritte gekennzeichnet, dass bei Auftreten von Gefährdungsfällen oder -zuständen an Photovoltaikmodulen (3) eine selbständige Trennung der Modulelektronik (3) und damit der Photovoltaikmodule (2) vom Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) erfolgt, dass während der Reparatur die Trennung der Modulelektronik (3) beibehalten wird und dass nach der Reparatur und/oder nach Beendigung des Gefährdungsfalles an den Photovoltaikmodulen (2) eine Zuschaltung der Photovoltaikmodule (2) in das Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) ausgelöst wird, wobei die selbständige Trennung, die Beibehaltung der Trennung und die Zuschaltung mittels definierter Telegramme einschließlich Schlüsselwörtern aus einer der Modulelektronik (3) zugeordneten Leitstelle (14, 141) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch einen zeitlich ständigen Vergleich von aus einer Signalfolge bestehenden Telegrammen aus der Leitstelle (14, 141) heraus über eine Kommunikationselektronik (111, 111) in einem Vergleicher (33) der Ansteuerelektronik (9, 91) mit einem angebundenen Fensterdetektor (34) in zwei aufeinanderfolgenden Zeitfenstern (66, 67) bei Vorliegen von definierten Schlüsselwörtern „A” und „B”, wobei eine selbständige Trennung der Photovoltaikmodule (2) vom Gleichstromnetz (22) eingestellt wird, – wenn im Verlauf eines aktiven Zustand im ersten Zeitfenster (66), dessen Dauer t₆₆ festgelegt ist, das das Schlüsselwort „A” enthaltende Telegramm (44) dem Schlüsselwort „A” im Speicher (32) entspricht, zeitlich nachfolgend das von der Leitstelle (14, 141) eintreffende Telegramm (44) nicht dem Schlüsselwort „A” entspricht und somit dem aktiven Zustand (38) nachfolgend ein inaktiver Zustand (39) eingestellt wird, und in einem zweiten Zeitfenster (67), dessen maximale Dauer t₆₇ festgelegt ist, ein Telegramm ohne das Schlüsselwort „A” empfangen wird, wobei das Photovoltaikmodul (2) vom Gleichstromnetz (22) getrennt und ein inaktiver Zustand (39) eingestellt werden, oder es wird alternativ im zweiten Fenster (67) das Schlüsselwort „A” innerhalb der vorgeschriebenen Dauer t₆₇ empfangen, dann wird der Fensterdetektor (34) wieder auf das erste Fenster (66) zurückgesetzt, wobei eine Beibehaltung der Trennung des Photovoltaikmoduls (2) vom Gleichstromnetz (22) eingestellt wird, – indem der inaktive Zustand (39), in dem das Schlüsselwort „A” im Telegramm von der Leitstelle (14, 141) aus nicht gesendet, aber erwartet wird, solange bestehen bleibt, bis ein aus einer anderen Signalfolge bestehendes Schlüsselwort „B” von der Leitstelle (14, 141) aus zur Auslösung der Zuschaltung des Photovoltaikmoduls (2) in einem Telegramm gesendet wird, wobei eine Zuschaltung des Photovoltaikmoduls (2) ans Gleichstromnetz (22) ausgelöst wird, – wenn die Modulelektronik (3) ein von der Leitstelle (14, 141) aus gesendetes Telegramm mit dem Schlüsselwort „B” erhält, das die Modulelektronik (3) aus dem inaktiven Zustand (39) in den aktiven und normalen Betriebszustand (38) umschaltet, und das Telegramm mit dem Schlüsselwort „A” von der Leitstelle (14, 141) aus wieder gesendet und erwartet wird, wobei der Fensterdetektor (34) wieder mit dem ersten Fenster (66) zu neuen Vergleichen startet, wobei sich die Signalfolge des Schlüsselwortes „A” und die Signalfolge des Schlüsselwortes „B” wahlweise in der Anzahl und/oder der Dauer und/oder in der Amplitude der Signale unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlüsselwort „A” als Signalfolge derart definiert ist, dass kein Gefährdungsfall und somit ein aktiver Zustand (38) vorliegt und der Stromtransfer vom Photovoltaikmodul (2) zum Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlüsselwort „B” als Signalfolge derart definiert ist, dass der Gefährdungsfall und somit der inaktive Zustand (39) beendet ist und der Stromtransfer vom Photovoltaikmodul (2) zum Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) wieder zugeschaltet wird und der Stromtransfer durch die nachfolgend gesendete Abfolge des Telegramms (44) mit dem Schlüsselwort „A” aus der Leitstelle (14, 141) heraus stabil weitergeführt wird.