DE102010046744A1

DE102010046744A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung für eine lastgeführte Photovoltaikanlage im Inselbetrieb

Info

Publication number: DE102010046744A1
Application number: DE102010046744A
Authority: DE
Inventors: Arsim Ahmeti; Manfred Diez; Johannes Rarbach
Original assignee: ELTA ELEKTROTECHNIK GmbH; OTTO DIEZ ELEKTROMASCHINENBAU; OTTO DIEZ ELMASCH BAU
Current assignee: ELTA ELEKTROTECHNIK GmbH; OTTO DIEZ ELEKTROMASCHINENBAU; OTTO DIEZ ELMASCH BAU
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die Erfindung dient zur Einspeisung von elektrischer Energie in einen Gleichstromeingang (3) eines an seinem Ausgang (5) eine Wechselstromlast versorgenden Inselwechselrichters (4) aus einer ersten Energiequelle welche aus einer Anordnung von Photovoltaikmodulen (2) besteht. Zudem ist eine zweite Energiequelle (7) vorgesehen. Mittels der ersten Energiequelle erfolgt alleine ein Eintrag von elektrischer Energie, solange der Maximal-Power-Point (b) auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (a) der Anordnung der Photovoltaikmodule (2) noch nicht erreicht ist. Bei Erreichen des Maximal-Power-Point (b) und einer weiteren Verbraucherlasterhöhung der Wechselstromlast arbeitet die Anordnung der Photovoltaikmodule (2) weiterhin am Maximal-Power-Point (b) und der zur vollständigen Energieversorgung der Wechselstromlast fehlende Energieeintrag erfolgt durch die zweite Energiequelle (7) mittels des Stromeintrags (d).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für eine lastgeführte Photovoltaikanlage im Inselbetrieb.
Photovoltaikanlagen werden insbesondere durch das Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetz verstärkt in vielen Ausführungen eingesetzt. Als gemeinsames Merkmal derartiger Photovoltaikanlagen speisen dabei immer in Serien- und Parallelverbunden angeordnete Photovoltaikmodule ihren Energiegewinn in die Gleichspannungsseite eines Solarwechselrichters ein. Dabei können auch Energiespeicher, zum Beispiel Akkumulatoren mit den zugehörigen Ladereglern, als Energiespeicher auf der Gleichspannungsseite Verwendung finden.
Aus der DE 199 37 410 A1 ist ein mehrstufiger dreiphasiger Solarwechselrichter für Netzrückspeise- und Inselbetrieb bekannt. Im Netzrückspeisebetrieb speist der Solarwechselrichter seine Energie netzgeführt in ein vorhandenes Versorgungsnetz ein. Im Inselbetrieb versorgt der Solarwechselrichter selbstgeführt die Wechselstromverbraucherlast direkt, ohne die Ankopplung eines Versorgungsnetzes. Im Netzrückspeisebetrieb regelt ein Maximum-Power-Point-Tracker die Eingangsimpedanz des Solarwechselrichters so ein, dass die Photovoltaikmodule entsprechend der Sonneneinstrahlung und der Modultemperatur und der damit verkoppelten I-U-Kennlinie der Module eine maximale elektrische Leistung abgeben können.
Der Maximum-Power-Point ist durch eine Mpp-Spannung und einen Mpp-Strom gekennzeichnet. Belastet man die Photovoltaikmodule über diesen Punkt hinaus bricht die Spannung der Photovoltaikmodule rapide zusammen. Im Inselbetrieb ist durch Zuschaltung und Abschaltung von Teillasten auf der Wechselstromverbraucherseite dafür zu sorgen, dass die Verbraucherlast dem Energieeintrag der Photovoltaikmodule angepasst ist. Wird bei Fehlanpassung der Maximal-Power-Point der Photovoltaikmodule überfahren, bricht die Leistung der Module zusammen und eine Wechselrichterabschaltung wird herbeigeführt.
In der Regel arbeiten Photovoltaikanlagen im Netzrückspeisebetrieb, damit sich die Anlagen durch die Rückspeisevergütung amortisieren. In vielen südlichen, von der Sonneneinstrahlung begünstigten, Erdregionen werden keine Rückspeisevergütungen durch die Energieversorger erstattet. Deshalb ist Netzrückspeisebetrieb dort bedeutungslos und ohne Anwendung. In diesen Regionen ist es nur sinnvoll eine Photovoltaikanlage im Inselbetrieb zum einzigen Zweck der Eigenversorgung zu betreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für einen möglichst energieeffizienten Betrieb einer lastgeführten Photovoltaikanlage im Inselbetrieb bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung dient zur Einspeisung von elektrischer Energie in einen Gleichstromeingang eines an seinem Ausgang eine Wechselstromlast versorgenden Inselwechselrichters aus einer ersten Energiequelle. Diese besteht aus einer Anordnung von Photovoltaikmodulen. Zudem ist eine zweite Energiequelle vorgesehen. Mittels der ersten Energiequelle erfolgt alleine ein Eintrag von elektrischer Energie, solange der Maximal-Power-Point auf der Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung der Photovoltaikmodule noch nicht erreicht ist. Bei Erreichen des Maximal-Power-Point und einer weiteren Verbraucherlasterhöhung der Wechselstromlast arbeitet die Anordnung der Photovoltaikmodule weiterhin am Maximal-Power-Point und der zur vollständigen Energieversorgung der Wechselstromlast fehlende Energieeintrag erfolgt durch die zweite Energiequelle.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 dient insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein maximal möglicher Energieeintrag aus der Anordnung der Photovoltaikmodule dem Inselwechselrichter zugeführt. Dabei erfolgt der Energieeintrag allein durch die Photovoltaikmodule solange der Maximal-Power-Point der Anordnung der Photovoltaikmodule noch nicht erreicht ist. Bei Erreichen des Maximal-Power-Point der Photovoltaikmodule erfolgt durch das Aktivierungsmittel die Aktivierung der zweiten Energiequelle, die dann, wenn die Verbraucherlast noch weiter erhöht wird, einen additiven Energiebeitrag zur vollständigen Versorgung der Verbraucherlast liefert. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass die Anordnung der Photovoltaikmodule auch bei vorhandener Verbraucherlasterhöhung am Maximal-Power-Point arbeitet, das heißt Einbruch der Leistung der Photovoltaikmodule, der bei einem Überschreiten des Maximal-Power-Point erfolgen würde, wird vermieden.
Der Betrieb der beiden Energiequellen ist damit optimal und energieeffizient aufeinander abgestimmt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Energiequelle einen Netzgleichrichter auf, dessen Ausgang auf den Gleichstromeingang des Inselwechselrichters geführt ist. Zur Ausbildung des Aktivierungsmittels ist der Netzgleichrichter mit einem Sollwert für die an seinem Ausgang einzuregelnde Gleichspannung beaufschlagt, wobei der Sollwert der Maximal-Power-Point-Spannung der Anordnung der Photovoltaikmodule entspricht.
Das so ausgebildete Aktivierungsmittel ist schaltungstechnisch einfach realisierbar und stellt zuverlässig sicher, dass bei erhöhter Verbraucherlast bei der Anordnung der Photovoltaikmodule der Maximal-Power-Point nicht überschritten wird sondern vielmehr die Photovoltaikmodule bei dem Maximal-Power-Point betrieben werden und so ihren maximal möglichen Energieeintrag in den Inselwechselrichter liefern. Die Sollwertvorgabe erfolgt besonders vorteilhaft über Softwareparameter in der Software des Netzgleichrichters. Generell kann dabei im Netzgleichrichter ein sogenannter Maximal-Power-Point-Tracker vorgesehen sein, mit dem eine Nachführung des Sollwerts auf sich durch Temperatureinflüsse oder dergleichen ändernde Werte des Maximal-Power-Point möglich ist.
Falls am Einsatzort der erfindungsgemäßen Anordnung ein öffentliches Stromnetz verfügbar ist, wird vorteilhaft dieses Stromnetz als zweite Energiequelle genutzt. Für den Fall, dass ein solches Stromnetz nicht verfügbar ist, kann auch ein mit Brennstoff betriebenes Stromaggregat als zweite Energiequelle genutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine lastgeführte Photovoltaikanlage im Inselbetriebe.
2: Strom-Spannungs-Kennlinie für die Anordnung gemäß 1.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 für eine lastgeführte Photovoltaikanlage im Inselbetrieb. Die Photovoltaikanlage weist in bekannter Weise eine Anordnung von in Reihen- und Parallelverbunden verschalteten Photovoltaikmodulen 2 auf. Die Anordnung der Photovoltaikmodule 2 bildet eine erste Energiequelle zur Energieversorgung von nicht gesondert dargestellten Wechselstromverbrauchern.
Die Anordnung von Photovoltaikmodulen 2 speist Energie in einen Gleichstromeingang 3 eines Inselwechselrichters 4 ein. Der Inselwechselrichter 4 stellt an seinem Ausgang 5 eine Wechselspannung mit stabiler Amplitude und Frequenz zur Versorgung der Wechselstromverbraucher bereit. Ein Netzgleichrichter 6 wirkt ebenfalls auf den Gleichstromeingang 3 des Inselwechselrichters 4. Dabei entnimmt der Netzgleichrichter 6 seine Energie einer zweiten Energiequelle 7, die von der ersten Energiequelle unabhängig ist. Im einfachsten Fall besteht die zweite unabhängige Energiequelle 7 aus einem öffentlichen Stromnetz. Alternativ kann die zweite Energiequelle 7 aber auch ein mit Brennstoff betriebenes Stromaggregat sein.
Die Funktion der Anordnung gemäß 1 wird im Folgenden anhand der in 2 dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinie a erläutert.
In 2 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie a der Photovoltaikmodule 2 aufgetragen. Der Maximum-Power-Point b dieser Strom-Spannungs-Kennlinie a ist gekennzeichnet durch die Spannung Upp und den Strom Ipp. Werden die Photovoltaikmodule 2 über den Strom Ipp hinaus weiter belastet, bricht die Spannung rapide zusammen und damit auch die elektrische Leistung.
Dies zeigt 2 mit der Strom-Spannungs-Kennlinie a, die unterhalb des Stroms I_pp im Wesentlichen konstant und bei Werten oberhalb von I_pp rasch einbricht.
Um diesen Einbruch zu vermeiden, wird der Netzgleichrichter 6 als Aktivierungsmittel eingesetzt, der die zweite Energiequelle 7 dann aktiviert, wenn gerade der Maximal-Power-Point b der Anordnung der Photovoltaikmodule 2 angefahren ist. Diese Funktion wird dadurch erhalten, dass der Netzgleichrichter 6 mit einem Sollwert für die an seinem Ausgang einzuregelnde Gleichspannung beaufschlagt wird, wobei der Sollwert für diese Ausgangsgleichspannung der aktuellen Maximal-Power-Point-Spannung Upp der Photovoltaikmodule 2 entspricht.
Dadurch wird erreicht, dass die zweite Energiequelle 7 nur anteilig den Energiebeitrag zur vollständigen Versorgung der Verbraucherlast am Ausgang 5 des Inselwechselrichters 4 liefert, welchen die erste Energiequelle bestehend aus den Photovoltaikmodulen 2 nicht mehr über ihren maximalen Maximal-Power-Point b hinaus beitragen kann. Dadurch können die Kosten für die Energieentnahme aus dem öffentlichen Stromnetz minimal gehalten werden, oder aber, bei nicht vorhandenem öffentlichem Stromnetz können die Kosten für den Brennstoff des Stromaggregates minimal gehalten werden. Besonders letzteres wegen ist die Erfindung ideal für Inselstromversorgungen in sonnenreichen Erdregionen, wo auch keine öffentlichen Stromversorgungsnetze zur Verfügung stehen.
Das Verhalten des Gesamtsystems von 1 ist in 2 durch die Kennlinie c veranschaulicht. Diese Kennlinie c beschreibt die resultierende Strom-Spannungs-Kennlinie a am Gleichstromeingang 3 des Inselwechselrichters 4. Der Netzgleichrichter 6 hält durch seine Sollwertvorgabe die Spannung im Maximum-Power-Point b konstant, so dass durch den zusätzlichen Stromeintrag d durch den Netzgleichrichter 6, der zur vollständigen elektrischen Versorgung der Verbraucherlast notwendige Arbeitspunkt e auf der Kennlinie c erreicht wird. Weiterhin ist in 2 der Stromeintrag der Photovoltaikmodule 2 mit f bezeichnet.
Damit ergibt sich folgendes Verhalten der Anordnung gemäß 1. Solange die Verbraucherlast so gering ist, dass der Maximal-Power-Point b der Photovoltaikmodule 2 noch nicht erreicht ist, übernimmt allein die Anordnung der Photovoltaikmodule 2 den Energieeintrag in den Inselwechselrichter 4, die zweite Energiequelle 7 ist dann noch deaktiviert. Bei Erreichen des Maximal-Power-Point b wird die zweite Energiequelle 7 über den Netzgleichrichter 6 aktiviert. Durch die Sollwertvorgabe am Ausgang des Netzgleichrichters 6 wird bei weiterer Erhöhung der Verbraucherlast erreicht, dass die Spannung Upp nicht unterschritten wird und der Arbeitspunkt e eingenommen wird, so dass die Photovoltaikmodule 2 am Maximal-Power-Point b arbeitend den maximal möglichen Energieeintrag (Stromeintrag f) liefern und die darüber hinaus benötigte Energie von der zweiten Energiequelle 7 über den Netzgleichrichter 6 in den Inselwechselrichter 4 eingetragen wird (Stromeintrag d).
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Photovoltaikmodul
3: Gleichstromeingang
4: Inselwechselrichter
5: Ausgang
6: Netzgleichrichter
7: zweite Energiequelle
a: Strom-Spannungs-Kennlinie
b: Maximal-Power-Point
c: Kennlinie
d: Stromeintrag
e: Arbeitspunkt
f: Stromeintrag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19937410 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Einspeisung von elektrischer Energie in einen Gleichstromeingang (3) eines an seinem Ausgang (5) eine Wechselstromlast versorgenden Inselwechselrichters (4) aus einer ersten Energiequelle, bestehend aus einer Anordnung von Photovoltaikmodulen (2) und einer zweiten Energiequelle (7), wobei mittels der ersten Energiequelle alleine ein Eintrag von elektrischer Energie erfolgt, solange der Maximal-Power-Point (b) auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (a) der Anordnung der Photovoltaikmodule (2) noch nicht erreicht ist, und wobei bei Erreichen des Maximal-Power-Point (b) und einer weiteren Verbraucherlasterhöhung der Wechselstromlast die Anordnung der Photovoltaikmodule (2) weiterhin am Maximal-Power-Point (b) arbeitet und der zur vollständigen Energieversorgung der Wechselstromlast fehlende Energieeintrag durch die zweite Energiequelle (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiequelle (7) von einem öffentlichen Stromversorgungsnetz gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiequelle (7) von einem mit Brennstoff betriebenen stromerzeugenden Aggregat gebildet ist.
Schaltungsanordnung (1) zur Einspeisung von elektrischer Energie in einen Gleichstromeingang (3) eines an seinem Ausgang (5) eine Wechselstromlast versorgenden Inselwechselrichters (4), wobei einerseits eine erste Energiequelle bestehend aus einer Anordnung von Photovoltaikmodulen (2) und andererseits eine zweite Energiequelle (7) über ein Aktivierungsmittel auf den Gleichstromeingang (3) geführt sind, wobei die zweite Energiequelle (7) über das Aktivierungsmittel deaktiviert ist und mittels der ersten Energiequelle alleine ein Eintrag von elektrischer Energie erfolgt, solange der Maximal-Power-Point (b) auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (a) der Anordnung noch nicht erreicht ist, und wobei bei Erreichen des Maximal-Power-Point (b) die zweite Energiequelle (7) mittels der Aktivierungsmittel aktiviert wird, so dass bei einer weiteren Verbraucherlasterhöhung der Wechselstromlast die Anordnung der Photovoltaikmodule (2) weiterhin am Maximal-Power-Point (b) arbeitet und der zur vollständigen Energieversorgung der Wechselstromlast fehlende Energieeintrag durch die zweite Energiequelle (7) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiequelle (7) einen Netzgleichrichter (6) aufweist, dessen Ausgang auf den Gleichstromeingang (3) des Inselwechselrichters (4) geführt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Aktivierungsmittels der Netzgleichrichter (6) mit einem Sollwert für die an seinem Ausgang einzuregelnde Gleichspannung beaufschlagt ist, wobei der Sollwert der Maximal-Power-Point-Spannung der Anordnung der Photovoltaikmodule (2) entspricht.