Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage mit einer Vielzahl von Photovoltaikmodulen, mindestens einem Wechselrichter und mindestens einem Transformator zur Einspeisung von elektrischer Leistung in ein Energieversorgungsnetz, wobei eine Filteranordnung zur Signalformung einer primärseitigen Wechselspannung am Transformator vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zum Betreiben einer solchen Photovoltaikanlage.The invention relates to a photovoltaic system with a plurality of photovoltaic modules, at least one inverter and at least one transformer for feeding electrical power into a power supply network, wherein a filter arrangement for signal shaping of a primary-side AC voltage is provided on the transformer. The invention further relates to methods for operating such a photovoltaic system.
Bei größeren Photovoltaikanlagen, insbesondere Freilandflächenanlagen, ist üblicherweise eine Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung direkt in ein Energieversorgungsnetz, z. B. ein 20 Kilovolt(kV)-Mittelspannungsnetz, vorgesehen. Solche Freilandflächenanlagen weisen in der Regel eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen auf, von denen jeweils mehrere zu sogenannten Strings serienverschaltet sind. Häufig wird eine Mehrzahl der Strings zusammengeschaltet, um die von ihnen erzeugte Leistung in Form von Gleichstrom einem von gegebenenfalls mehreren vorhandenen Wechselrichtern zuzuführen. Ausgansseitig sind die vorhandenen Wechselrichter jeweils über ein Wechselstrom-Niederspannungsschütz mit einem Primärkreis eines Transformators verbunden. Dabei kann für jeden Wechselrichter ein Transformator vorgesehen sein oder es können mehrere Wechselrichter mit einem Transformator, ggf. mit separaten Primärwicklungen, verbunden sein. Über den oder die sekundärseitigen Ausgänge des Transformators wird die erzeugte Leistung, gegebenenfalls über ein Koppelschütz, in das Energieversorgungsnetz eingespeist. Die Filteranordnung dient dabei der Signalformung der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung und insbesondere zur Entfernung von Frequenzanteilen, deren Frequenz nicht mit der Grundfrequenz des Wechselstroms übereinstimmt.For larger photovoltaic systems, in particular outdoor area systems, usually a feed of the electrical power generated directly into a power grid, z. B. a 20 kilovolt (kV) -Mittelspannungsnetz provided. Such outdoor area systems usually have a plurality of photovoltaic modules, of which several are connected in series to so-called strings. Often, a plurality of strings are interconnected to supply the power they generate in the form of direct current to one of possibly several existing inverters. On the output side, the existing inverters are each connected via an AC low-voltage contactor to a primary circuit of a transformer. In this case, a transformer can be provided for each inverter or it can be more than one inverter with a transformer, possibly with separate primary windings connected. The generated power, optionally via a coupling contactor, is fed into the energy supply network via the secondary-side outputs of the transformer. The filter arrangement serves for the signal shaping of the alternating voltage generated by the inverter and in particular for the removal of frequency components whose frequency does not coincide with the fundamental frequency of the alternating current.
Die Wechselstrom-Niederspannungsschütze werden dabei von Überwachungseinrichtungen gesteuert, um den jeweiligen Wechselrichter im Überstrom- oder Kurzschlussfall, bei Verletzung der geforderten Netzparameter (Spannung, Frequenz, eingespeiste Blindleistung usw.) oder beim Ausfall eines Wechselrichters selektiv vom Transformator abzukoppeln. Weiterhin werden die Wechselstrom-Niederspannungsschütze zur Trennung des Wechselrichters vom Netz bei fehlender oder ungenügender Sonneneinstrahlung eingesetzt, um einen Stromrückfluss durch die Photovoltaikmodule und eine Aufnahme von Verlustleistung durch die Filteranordnung unter Leistungsentnahme aus dem Netz zu verhindern. Die Ausstattung eines jeden Wechselrichters mit einem zugeordneten Wechselstrom-Niederspannungsschütz ist jedoch aufwändig und kostenintensiv.The AC low-voltage contactors are controlled by monitoring equipment to decouple the respective inverter in overcurrent or short circuit, in case of violation of the required network parameters (voltage, frequency, reactive power, etc.) or selectively in the event of failure of an inverter from the transformer. Furthermore, the AC low-voltage contactors are used to disconnect the inverter from the grid in the absence or insufficient sunlight to prevent current flow back through the photovoltaic modules and absorption of power loss through the filter assembly with power extraction from the network. However, equipping each inverter with an associated AC low voltage contactor is cumbersome and costly.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaikanlage zur Einspeisung von elektrischer Leistung in ein Energieversorgungsnetz zu schaffen, bei der eine Trennung vom Netz und eine Leistungsentnahme aus dem Netz auf eine weniger aufwändige Weise erreicht wird.It is therefore an object of the present invention to provide a photovoltaic system for feeding electric power into a power grid in which disconnection from the grid and power extraction from the grid is achieved in a less expensive manner.
Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaikanlage der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Transformator primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom-Niederspannungsausgang des Transformators verbunden ist, mindestens ein Gleichstrom-Schaltorgan zwischen den Photovoltaikmodulen und einem Gleichstromeingang des Wechselrichters angeordnet ist und die Filteranordnung über ein Schaltorgan mit dem Transformator verbunden ist.This object is achieved by a photovoltaic system of the type mentioned, in which the transformer is primary side directly connected to an AC low-voltage output of the transformer, at least one DC switching device between the photovoltaic modules and a DC input of the inverter is arranged and the filter assembly via a switching element with connected to the transformer.
Durch die unmittelbare Anbindung des Transformators an den Wechselrichter entfällt das kostenintensive primärseitige Wechselstrom-Niederspannungsschütz zwischen dem Wechselrichter und dem Transformator. Die Aufgaben des primärseitigen Wechselstrom-Niederspannungsschützes können von dem Gleichstrom-Schaltorgan und dem Schaltorgan, das der Filteranordnung vorgeschaltet ist, gemeinsam übernommen werden: Das Gleichstrom-Schaltorgan kann eingesetzt werden, um einen Rückstromfluss durch die Photovoltaikmodule zu verhindern und das Schaltorgan, das der Filteranordnung vorgeschaltet ist, kann unnötige Verlustleistungen in der Filteranordnung verhindern. Wegen der geringeren Strombelastung ist ein solches Schaltorgan weniger kostenintensiv als eines zur Trennung zwischen dem Wechselrichter und dem Transformator.The direct connection of the transformer to the inverter eliminates the costly primary-side AC low-voltage contactor between the inverter and the transformer. The tasks of the primary-side AC low-voltage contactor can be shared by the DC switching element and the switching element, which is upstream of the filter assembly: The DC switching device can be used to prevent a backflow through the photovoltaic modules and the switching element, that of the filter assembly upstream, can prevent unnecessary power losses in the filter assembly. Because of the lower current load such a switching device is less expensive than one for the separation between the inverter and the transformer.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Photovoltaikanlage ist kein Schaltorgan, insbesondere kein Schaltorgan, das angesteuert oder automatisch einschalten kann, in der Verbindung zwischen dem Transformator und dem Wechselstrom-Niederspannungsausgang des Wechselrichters vorhanden.In an advantageous embodiment of the photovoltaic system is no switching element, in particular no switching element that can be controlled or automatically turn on, in the connection between the transformer and the AC low-voltage output of the inverter available.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz gelöst, das sich dadurch auszeichnet, dass bei nicht zur Einspeisung ausreichender Erzeugung von elektrischer Leistung durch Photovoltaikmodule der Photovoltaikanlage die Photovoltaikmodule gleichspannungsseitig von einem Wechselrichter getrennt werden und eine primärseitige Filteranordnung zur Signalformung eines Wechselspannungssignals von dem Transformator getrennt wird, wohingegen der Wechselrichter wechselspannungsseitig über einen Transformator mit dem Energieversorgungsnetz verbunden bleibt.The object is further achieved by a method for operating a photovoltaic system for feeding into a power grid, which is characterized in that not be fed to feed sufficient electrical power generation by photovoltaic modules of the photovoltaic system, the photovoltaic modules DC voltage side of an inverter and a primary-side filter arrangement for Signaling of an AC signal is disconnected from the transformer, whereas the inverter remains connected on the AC side via a transformer to the power grid.
Die Vorteile des Verfahrens entsprechen denen der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage. The advantages of the method correspond to those of the photovoltaic system according to the invention described above.
Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Photovoltaikanlage und des Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments and advantageous developments of the photovoltaic system and the method are specified in the respective dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with the aid of three figures. The figures show:
1 eine Photovoltaikanlage zum Anschluss an ein Energieversorgungsnetz; 1 a photovoltaic system for connection to a power supply network;
2 drei verschiedene Ausgestaltungen einer Filteranordnung mit einem Schaltorgan und 2 three different embodiments of a filter assembly with a switching element and
3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Photovoltaikanlage. 3 a flowchart of an embodiment of a method for operating a photovoltaic system.
Die in der 1 dargestellte Photovoltaikanlage ist schematisch in vier Bereiche gegliedert: einen Photovoltaikgenerator 10, eine Wechselrichteranordnung 20, Wechselspannungskomponenten 30 und einen Bereich zur Netzanbindung 40.The in the 1 shown photovoltaic system is schematically divided into four areas: a photovoltaic generator 10 , an inverter arrangement 20 , AC components 30 and an area for network connection 40 ,
Der Bereich zur Netzanbindung 40 ist einfach in der Photovoltaikanlage enthalten. Die übrigen Bereiche 10, 20, 30 weisen jeweils mehrere, in 1 beispielhaft drei, unabhängige Zweige auf. In dem gezeigten Beispiel sind die Zweige jeweils genau gleich aufgebaut, sie könnten im Rahmen der Anmeldung jedoch auch einen verglichen miteinander ähnlichen Aufbau haben. In der 1 sind die Komponenten der einzelnen Zweige a, b, c durch einen an das jeweilige Bezugszeichen der Komponenten angehängten Zusatz a, b oder c voneinander unterschieden. Wenn im Folgenden ein Bezugszeichen ohne einen solchen Zusatz verwendet wird, bezieht es sich entweder auf alle entsprechenden Komponenten gemeinsam oder auf eine nicht näher spezifizierte Komponente, wobei die Zuordnung zu einem der Zweige unerheblich ist. Die Anzahl von drei Zweigen der Photovoltaikanlage ist dabei rein beispielhaft und nicht einschränkend. Die Erfindung ist für Photovoltaikanlagen mit einer beliebigen Anzahl von Zweigen einsetzbar.The area for network connection 40 is simply included in the photovoltaic system. The remaining areas 10 . 20 . 30 each have several, in 1 exemplified by three, independent branches. In the example shown, the branches are each constructed exactly the same, but they could also have a similar structure compared to each other in the context of the application. In the 1 the components of the individual branches a, b, c are distinguished from one another by a suffix a, b or c appended to the respective reference symbol of the components. In the following, when a reference number without such an addition is used, it refers either to all corresponding components in common or to an unspecified component, the assignment to one of the branches being irrelevant. The number of three branches of the photovoltaic system is purely exemplary and not restrictive. The invention can be used for photovoltaic systems with any number of branches.
Der Photovoltaikgenerator 10 weist eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen 11 auf, von denen jeweils mehrere zu einem Teilgenerator zusammen geschaltet sein können. Dazu können mehrere Photovoltaikmodule 11 beispielsweise zu Strings reihenverschaltet sein und mehrere Strings parallel geschaltet den Teilgenerator bilden. Symbolisch ist in der Figur nur ein Photovoltaikmodul 11 je Teilgenerator dargestellt. Jedem Teilgenerator ist ein Gleichstrom-Schaltorgan 12 zugeordnet, zum Beispiel ein Schütz. Zur Vereinfachung wird im Folgenden das Gleichstrom-Schaltorgan 12 beispielhaft als Gleichstrom (DC – Direct Current) Schütz 12 bezeichnet.The photovoltaic generator 10 has a variety of photovoltaic modules 11 each of which may be connected together to form a subgenerator. These can be several photovoltaic modules 11 for example, to strings in series and several strings connected in parallel form the subgenerator. Symbolic in the figure is only a photovoltaic module 11 displayed per subgenerator. Each subgenerator is a DC switching device 12 assigned, for example, a contactor. For simplicity, the DC switching element will be described below 12 exemplified as DC (Direct Current) contactor 12 designated.
Alle Teilgeneratoren eines Zweiges a, b oder c sind über die DC-Schütze 12 parallel an einen Ausgang 13a, b, c des Zweiges zusammenschaltbar. In 1 sind beispielhaft drei Teilgeneratoren je Zweig dargestellt. Auch diese Anzahl ist nicht einschränkend. Wie das Auslassungszeichen in der Figur andeutet, ist üblicherweise eine weit größere Anzahl an Teilgeneratoren pro Zweig vorgesehen. Auch die genannte Verschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 11 zu Strings sowie deren Parallelschaltung zu Teilgeneratoren ist lediglich beispielhaft. Andere Kombinationen aus Serien- und/oder Parallelschaltungen der Photovoltaikmodule 11, durch die die erzeugte Leistung der Photovoltaikmodule 11 an je einem Ausgang 13 pro Zweig zusammengeführt wird, sind ebenfall denkbar. Alternativ zu der gezeigten Ausstattung eines jeden Teilgenerators mit einem DC-Schütz 12 kann auch vorgesehen sein, dass einer Gruppe von zusammengeschalteten Teilgeneratoren ein DC-Schütz 12 zugeordnet ist. Für die im Rahmen der Anmeldung relevante Funktion der DC-Schütze wäre es letztlich ausreichend, wenn pro Gruppe a, b, c ein DC-Schütz 12 vorhanden ist, mit dem der entsprechende Ausgang 13 geschaltet werden würde. Wichtig ist, dass es eine Möglichkeit gibt, alle Photovoltaikmodule 11 des Photovoltaikgenerators DC-seitig von der Wechselrichteranordnung 20 zu trennen.All subgenerators of a branch a, b or c are over the DC contactors 12 parallel to an output 13a , b, c of the branch interconnectable. In 1 By way of example, three subgenerators per branch are shown. Also this number is not limiting. As indicated by the ellipsis in the figure, a far greater number of subgenerators are typically provided per branch. Also the mentioned interconnection of the individual photovoltaic modules 11 to strings and their parallel connection to subgenerators is merely exemplary. Other combinations of series and / or parallel circuits of photovoltaic modules 11 through which the generated power of the photovoltaic modules 11 at one output each 13 are brought together per branch are also conceivable. Alternatively to the shown equipment of each subgenerator with a DC contactor 12 can also be provided that a group of interconnected subgenerators a DC contactor 12 assigned. For the function of the DC contactors relevant in the context of the application, it would ultimately be sufficient if one DC contactor per group a, b, c 12 is present, with which the corresponding output 13 would be switched. It is important that there is a possibility, all photovoltaic modules 11 of the photovoltaic generator DC side of the inverter assembly 20 to separate.
Innerhalb der Wechselrichteranordnung 20 weist jeder Zweig a, b, c einen Wechselrichter 21 mit einem Gleichstromeingang 22 auf, der mit dem jeweiligen Ausgang 13a, b, c des Photovoltaikgenerators 10 verbunden ist. Der Eingangsstromkreis eines Wechselrichters wird auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet. Dementsprechend wird die am Gleichstromeingang 22 anliegende Spannung auch Zwischenkreisspannung Uz genannt. Typischerweise liegt die Zwischenkreisspannung Uz am optimalen Arbeitspunkt, bei dem der jeweilige Teil des Photovoltaikgenerators 10 unter (aktuellen) Betriebsbedingungen eine maximale elektrische Leistung abgibt, bei etwa 300–1500 V. Der Gleichspannungszwischenkreis wird vom Wechselrichter 21 gepulst belastet. Zur Glättung der Zwischenkreisspannung Uz und Einhaltung des optimalen Arbeitspunktes ist ein Zwischenkreiskondensator 23 vorhanden, der eine Zwischenkreiskapazität bereitstellt. In 1 ist der Zwischenkreiskondensator 23 separat dargestellt, häufig ist er jedoch in den Wechselrichter integriert.Within the inverter arrangement 20 each branch a, b, c has an inverter 21 with a DC input 22 on, with the respective output 13a , b, c of the photovoltaic generator 10 connected is. The input circuit of an inverter is also referred to as DC voltage intermediate circuit. Accordingly, the at the DC input 22 applied voltage also called DC link voltage Uz. Typically, the intermediate circuit voltage Uz is at the optimum operating point at which the respective part of the photovoltaic generator 10 under maximum (current) operating conditions gives a maximum electrical power, at about 300-1500 V. The DC link is from the inverter 21 pulsed loaded. To smooth the DC link voltage Uz and maintain the optimum operating point is a DC link capacitor 23 present, which provides a DC link capacity. In 1 is the DC link capacitor 23 shown separately, but often it is integrated into the inverter.
Weiterhin sind innerhalb der Wechselrichteranordnung 20 noch in jedem der Zweige ein Hilfstransformator 25, Hilfskomponenten 26, eine Pufferbatterie 27 sowie eine Vorladeeinrichtung 28 vorhanden. Der Hilfstransformator 25 dient der Stromversorgung der Hilfskomponenten 26. Typischerweise werden die Hilfskomponenten mit Gleichstrom versorgt. Eine entsprechende Gleichrichter- und Regelschaltung ist aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Beispielhaft ist in der Figur ein Lüfter als Hilfskomponente 26 eingezeichnet. Weitere Hilfskomponenten sind Überwachungseinrichtungen und Einrichtungen zur Steuerung des jeweiligen Wechselrichters 21 sowie zur Datenerfassung und Datenfernübertragung. Weiterhin wird die vom Hilfstransformator 25 heruntertransformierte Spannung zum Aufladen oder zur Ladungserhaltung der Pufferbatterie 27 eingesetzt. Diese Funktion der Pufferbatterie 27 und der Vorladeeinrichtung 28 werden weiter unten näher erläutert.Furthermore, within the inverter arrangement 20 still in each of the branches an auxiliary transformer 25 , Auxiliary components 26 , one Backup battery 27 and a pre-charging device 28 available. The auxiliary transformer 25 serves the power supply of the auxiliary components 26 , Typically, the auxiliary components are supplied with direct current. A corresponding rectifier and control circuit is not shown for reasons of simplicity. By way of example, in the figure, a fan as an auxiliary component 26 located. Further auxiliary components are monitoring devices and devices for controlling the respective inverter 21 as well as for data acquisition and remote data transmission. Furthermore, that of the auxiliary transformer 25 down-converted voltage for charging or maintaining the charge of the buffer battery 27 used. This function of the backup battery 27 and the pre-charging device 28 will be explained in more detail below.
Jeder der Wechselrichter 21 hat einen Wechselstromausgang 24, der mit üblicherweise drei Phasen unmittelbar mit einer Primärseite eines Transformators 31 zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz 41 verbunden ist. Unmittelbar bedeutet dabei insbesondere, dass zwischen dem Wechselrichter 21 und dem Transformator 31 kein Schaltorgan vorgesehen ist, das angesteuert oder automatisch einschalten kann. Eine Verbindung unter Zwischenschaltung einer Sicherung, eines Trenners oder eines anderen Schutzorgans, das automatisch trennen, aber nicht wieder einschalten kann, soll im Rahmen der Anmeldung dagegen von dem Begriff unmittelbar umfasst sein. Bei einer anmeldungsgemäßen Photovoltaikanlage steht also auf der Primärseite (d. h. der Niederspannungsseite) zwischen Wechselrichter und Transformator kein Schaltorgan bereit, das zum regelmäßigen und nicht manuellen Trennen des Transformators von und Wiederverbinden des Transformators mit dem Wechselrichter geeignet ist. Ein Trenn-, Schutz- oder Sicherungsorgan, das fehlerbedingt öffnet oder manuell, z. B. zu Wartungszwecken, geöffnet werden kann und manuell wieder geschlossen werden kann, kann dagegen vorhanden sein.Each of the inverters 21 has an AC output 24 , which usually has three phases directly with a primary side of a transformer 31 for feeding into a power supply network 41 connected is. Immediately means in particular that between the inverter 21 and the transformer 31 no switching device is provided which can be activated or switched on automatically. A connection with the interposition of a fuse, a disconnector or other protective device, which can automatically disconnect, but can not turn on again, should in the context of the application, however, be directly covered by the term. In a photovoltaic system according to the application, therefore, there is no switching element on the primary side (ie the low-voltage side) between the inverter and the transformer which is suitable for regular and non-manual disconnection of the transformer and reconnection of the transformer to the inverter. A separation, protection or safety device that opens error or manually, eg. B. for maintenance purposes, can be opened and closed manually, however, may be present.
Für jeden Wechselrichter 21a, b, c ist im gezeigten Beispiel genau ein Transformator 31a, b, c vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, zwei oder mehr Wechselrichter auf einen Transformator zu führen, der ggf. mit mehreren Primärwicklungen ausgestattet ist.For every inverter 21a , b, c is exactly one transformer in the example shown 31a , b, c provided. However, it is also conceivable to run two or more inverters on a transformer, which is optionally equipped with multiple primary windings.
Für jeden Zweig a, b, c der Photovoltaikanlage ist eine Filteranordnung 34 vorhanden, die jeweils über ein Schaltorgan (Schütz) 35 mit dem Wechselstromausgang 24 des jeweiligen Wechselrichters 21 und somit auch primärseitig mit dem jeweiligen Transformator 31 verbunden ist. Die Filteranordnungen 34 dienen der Signalformung der Wechselspannungssignale an den Ausgängen der Wechselrichter 21. Insbesondere entfernen sie Komponenten bei anderen Frequenzen als der Grundfrequenz, was zu einem möglichst rein sinusförmigen Signal führt. Sie werden daher auch als Sinusfilter bezeichnet. Die Filteranordnungen 34 können kapazitive, induktive und ohmsche Komponenten aufweisen. Ohmsche Komponenten sind dabei aufgrund von unvermeidlichen Innenwiderständen regelmäßig vorhanden, was zur Umsetzung einer unerwünschten, aber unvermeidlichen Verlustleistung in den Filteranordnungen 34 führt.For each branch a, b, c of the photovoltaic system is a filter assembly 34 available, each via a switching element (contactor) 35 with the AC output 24 of the respective inverter 21 and thus also on the primary side with the respective transformer 31 connected is. The filter arrangements 34 are used to signal the AC signals at the outputs of the inverters 21 , In particular, they remove components at frequencies other than the fundamental frequency, resulting in a signal that is as purely sinusoidal as possible. They are therefore also called sine filters. The filter arrangements 34 can have capacitive, inductive and resistive components. Ohmic components are regularly present due to unavoidable internal resistance, resulting in the implementation of an undesirable but unavoidable power dissipation in the filter assemblies 34 leads.
Die Schutze 35 ermöglichen, die Filteranordnungen 34 von den Wechselstromausgängen 24 der Wechselrichter 21 zu trennen, wenn die Wechselrichter 21 nicht aktiv sind, d. h. nicht takten, die Transformatoren jedoch noch mit dem Energieversorgungsnetz 41 verbunden sind und somit die Wechselstromausgänge 24 über das Energieversorgungsnetz 41 mit Spannung beaufschlagt sind. Durch die Trennung wird die Umsetzung einer Verlustleistung bzw. eines Blindstroms in den Filteranordnungen 34 für einen solchen Betriebszustand der Photovoltaikanlage 1, in dem eine Filterung in der Regel nicht erforderlich ist, verhindert.The protectors 35 allow the filter arrangements 34 from the AC outputs 24 the inverter 21 to disconnect when the inverters 21 are not active, ie do not clock, the transformers but still with the power grid 41 are connected and thus the AC outputs 24 over the energy supply network 41 are charged with voltage. Due to the separation, the implementation of a power loss or a reactive current in the filter assemblies 34 for such an operating state of the photovoltaic system 1 , in which filtering is usually not required prevents.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Photovoltaikanlage 1 kann vorgesehen sein, in einem solchen Betriebszustand abweichend die Schütze 35 dennoch zu schließen, falls die Bereitstellung von (insbesondere kapazitiver) Blindleistung von einem Netzbetreiber des Energieversorgungsnetzes 41 temporär gewünscht und signalisiert wird.In an advantageous embodiment of the photovoltaic system 1 can be provided in such an operating condition deviating the shooter 35 nevertheless, if the provision of (in particular capacitive) reactive power from a grid operator of the power grid 41 temporarily desired and signaled.
2 zeigt drei mögliche Ausgestaltungen einer Filteranordnung 34 mit jeweiligem Schaltorgan 35 zum Betrieb mit einem dreiphasigen Wechselstromnetz. In allen drei Teilfiguren 2a, 2b, 2c kennzeichnen die Pfeile links und rechts der Anordnungen die Verbindung zum Wechselrichter 21 einerseits und zum Transformator 31 andererseits. 2 shows three possible embodiments of a filter arrangement 34 with respective switching element 35 for operation with a three-phase AC mains. In all three subfigures 2a . 2 B . 2c The arrows on the left and right of the assemblies indicate the connection to the inverter 21 on the one hand and to the transformer 31 on the other hand.
Im Beispiel der 2a ist die Filteranordnung 34 durch Kondensatoren 36 in einer sternförmigen Anordnung gebildet. Im Beispiel der 2b sind zusätzlich Widerstände 37 in Reihe zu den Kondensatoren 36 vorgesehen. 2c zeigt eine Filteranordnung 34, gebildet durch Kondensatoren 36 in einer Dreiecksanordnung. Alternativ können auch in einer solchen Dreiecksanordnung analog zu dem Beispiel aus 2b Widerstände in Reihe zu den Kondensatoren 36 bzw. in Reihe zum Schaltorgan 35 vorgesehen sein. In allen Figuren ist der Übersichtlichkeit halber nur jeweils ein Kondensator 36 bzw. Widerstand 37 mit einem Bezugszeichen versehen.In the example of 2a is the filter arrangement 34 through capacitors 36 formed in a star-shaped arrangement. In the example of 2 B are additional resistors 37 in series with the capacitors 36 intended. 2c shows a filter assembly 34 , formed by capacitors 36 in a triangle arrangement. Alternatively, in such a triangular arrangement analogous to the example of 2 B Resistors in series with the capacitors 36 or in series with the switching element 35 be provided. In all figures, for the sake of clarity, only one capacitor each 36 or resistance 37 provided with a reference numeral.
Bevorzugt liegt die Leistung des Transformators 31 im Bereich von 0,5 bis 35 Megavoltampere (MVA). Dieses korrespondiert mit Strömen im Zwischenstromkreis, die sich bei der oben genannten Zwischenstromkreisspannung von 300–1500 V noch mit tragbaren Leitungsquerschnitten ohne zu große ohmsche Verluste übertragen lassen. Gleichzeitig ermöglicht der genannte Leistungsbereich den Aufbau einer Freilandflächenanlage, ohne dass die Anzahl von parallelen Zweigen mit jeweils eigenem Wechselrichter 21 und Transformator 31 zu groß und damit der Aufbau unökonomisch wird. Bevorzugt ist der Transformator 31 ein Mittelspannungstransformator, ausgelegt für eine Netzspannung von 20 kV.The power of the transformer is preferred 31 in the range of 0.5 to 35 megavolt ampere (MVA). This corresponds to currents in the intermediate circuit, which are still at the above-mentioned intermediate circuit voltage of 300-1500 V. can be transmitted with portable cable cross sections without excessive ohmic losses. At the same time, the mentioned power range enables the construction of an outdoor area system without the number of parallel branches, each with its own inverter 21 and transformer 31 too big and so that the structure becomes uneconomical. The transformer is preferred 31 a medium voltage transformer designed for a mains voltage of 20 kV.
Jedem Transformator 31 kann, wie dargestellt, ein Sicherungsorgan 32 und ein Lasttrennschalter 33 zugeordnet sein, die in Reihe mit der jeweiligen Sekundärwicklung der Transformatoren 31 geschaltet sind. Alternativ kann auch ein Leistungsschalter vorgesehen sein.Every transformer 31 can, as shown, a safety device 32 and a switch-disconnector 33 be assigned in series with the respective secondary winding of the transformers 31 are switched. Alternatively, a circuit breaker may be provided.
Als Sicherungsorgan 32 kann beispielsweise eine träge Schmelzsicherung eingesetzt werden, die sowohl bei Überstrom als auch im Kurzschlussfall trennt. Wenn jedem Transformator genau ein Wechselrichter zugeordnet ist – wie im dargestellten Beispiel – schützt das Sicherungsorgan 32 sowohl den Transformator als auch den Wechselrichter vor Überstrom.As a security organ 32 For example, an inert fuse can be used which disconnects both in the event of overcurrent and in the event of a short circuit. If exactly one inverter is assigned to each transformer - as in the example shown - the safety device protects 32 Both the transformer and the inverter from overcurrent.
Als Lasttrennschalter 33 wird bevorzugt ein Federspeichertrenner mit manuellem Aufzug und elektromagnetischer Auslösung eingesetzt. Der Auslösemechanismus ist dabei mit einer Fehlerüberwachungseinrichtung des jeweiligen Wechselrichters 21 verbunden, so dass der Lasttrenner 33 im Fehlerfall automatisch den entsprechenden Zweig selektiv vom Energieversorgungsnetz 41 trennt. Bei Bedarf kann z. B. für Wartungsarbeiten natürlich auch manuell getrennt werden. Ein Federspeichertrenner mit manuellem Aufzug ist hier ausreichend und aus Kostengründen gegenüber einem motorischen Aufzug bevorzugt, insbesondere da der Lasttrennschalter 33 im normalen Betrieb der Photovoltaikanlage nicht betätigt wird, wie weiter unten genauer ausgeführt ist.As a switch-disconnector 33 For example, a spring accumulator separator with manual winding and electromagnetic triggering is preferably used. The triggering mechanism is provided with an error monitoring device of the respective inverter 21 connected so that the disconnector 33 in the event of a fault, automatically select the appropriate branch selectively from the power grid 41 separates. If necessary, z. B. for maintenance, of course, be separated manually. A spring accumulator separator with manual elevator is here sufficient and cost reasons over a motorized elevator preferred, especially as the switch-disconnector 33 is not operated in normal operation of the photovoltaic system, as explained in more detail below.
Zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung in das Energieversorgungsnetz 41 sind die durch die Sicherungsorgane 32 und die Lasttrennschalter 33 einzeln abgesicherten Sekundärstromkreise gemeinsam über ein Koppelschütz 42 mit dem Energieversorgungsnetz 41 verbunden. Das Koppelschütz 42 wird von einer Überwachungseinrichtung 43 angesteuert, die überprüft, ob für das Energieversorgungsnetz 41 vorgeschriebene Toleranzgrenzen für Parameter wie Spannungsamplitude, Phasenlage, Blindleistung, Frequenz usw. eingehalten werden. Wenn einer dieser Parameter den vorgeschriebenen Toleranzbereich verlässt, wird die Photovoltaikanlage durch das Koppelschütz 42 vom Energieversorgungsnetz 41 getrennt.For feeding the generated electrical power into the power grid 41 are those by the security organs 32 and the switch-disconnectors 33 individually protected secondary circuits together via a coupling contactor 42 with the power supply network 41 connected. The coupling contactor 42 is from a monitoring device 43 controlled, which checks whether for the power grid 41 prescribed tolerance limits for parameters such as voltage amplitude, phase angle, reactive power, frequency, etc. are observed. If one of these parameters leaves the prescribed tolerance range, the photovoltaic system will pass through the coupling contactor 42 from the power supply network 41 separated.
Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage anhand eines Flussdiagramms in der 3 beschrieben. Das Verfahren kann. zum Beispiel im Zusammenhang mit einer Photovoltaikanlage gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden. Benutzte Bezugszeichen beziehen sich auf 1.The following are methods for operating a photovoltaic system based on a flowchart in the 3 described. The procedure can. For example, in the context of a photovoltaic system according to the in 1 embodiment shown are performed. Used reference numbers refer to 1 ,
Zunächst wird die Photovoltaikanlage in einem Schritt S1 (3) in einem Normalbetrieb betrieben. Dabei erzeugen die Photovoltaikmodule 11 im Bereich des Photovoltaikgenerators 10 durch ausreichende Sonneneinstrahlung genügend elektrische Energie zur Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 41.First, the photovoltaic system is in a step S1 ( 3 ) operated in a normal mode. The photovoltaic modules generate this 11 in the area of the photovoltaic generator 10 sufficient solar energy sufficient energy for feeding into the power grid by sufficient solar radiation 41 ,
Im Normalbetrieb sind die DC-Schütze 12 geschlossen und die Wechselrichter 21 werden getaktet, um elektrische Leistung von Gleich- in Wechselstrom umzusetzen. Der Zwischenkreis wird bei einer optimalen Arbeitspunktspannung betrieben. Üblicherweise sind im jeweiligen Wechselrichter 21 Mittel zum Einstellen und Nachführen des optimalen Arbeitspunkts vorgesehen (MPP Tracking – Maximum Power Point Tracking). Entsprechend der Spannung Uz im Zwischenkreis ist der Zwischenkreiskondensator 23 aufgeladen. Weiterhin sind sowohl die Lasttrennschalter 33 der einzelnen Zweige a, b, c der Photovoltaikanlage geschlossen als auch das gemeinsame Koppelschütz 42, so dass alle Wechselrichter 21 über die entsprechenden Transformatoren 31 in das Energieversorgungsnetz 41 einspeisen. Die Schütze 35 sind geschlossen, um die Filteranordnungen 34 zur Signalformung einzusetzen.In normal operation, the DC contactors 12 closed and the inverters 21 are clocked to convert electrical power from DC to AC. The DC link is operated at an optimum operating point voltage. Usually in the respective inverter 21 Means for setting and tracking the optimal working point provided (MPP Tracking - Maximum Power Point Tracking). According to the voltage Uz in the DC link is the DC link capacitor 23 charged. Furthermore, both the switch disconnectors 33 the individual branches a, b, c of the photovoltaic system closed as well as the common coupling contactor 42 so all inverters 21 about the corresponding transformers 31 into the power grid 41 feed. The shooter 35 are closed to the filter assemblies 34 to use for signal shaping.
Am Wechselstromausgang 24 eines jeden Wechselrichters 21 wird vom Hilfstransformator 25 Leistung entnommen, die zur Versorgung der Hilfskomponenten 26 benutzt wird. Die vom Hilfstransformator 25 bereitgestellte Spannung wird zudem zum Aufladen oder zur Ladungserhaltung der Pufferbatterie 27 eingesetzt. Die Vorladeeinrichtung 28 ist im Normalbetrieb nicht aktiv.At the AC output 24 of each inverter 21 is from the auxiliary transformer 25 Power taken to supply the auxiliary components 26 is used. The from the auxiliary transformer 25 Provided voltage is also used to charge or maintain the charge of the backup battery 27 used. The pre-charging device 28 is not active during normal operation.
Wenn die von den Photovoltaikmodulen 11 erzeugte elektrische Leistung z. B. nachts oder bei vollständiger Verschattung nicht mehr für eine Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 41 ausreicht (Schritt S2), werden in einem folgenden Schritt S3 die DC-Schütze 12a, b, c von einer in der Figur nicht dargestellten Steuereinrichtung geöffnet, um einen Stromrückfluss durch die Photovoltaikmodule 11 zu verhindern. Das Schalten der DC-Schütze 12 kann dabei selektiv für die einzelnen Zweige a, b, c erfolgen, da die Einstrahlungsbedingungen nicht zwingend bei allen Photovoltaikmodulen 11 der verschiedenen Zweige a, b, c gleich sind. Die Möglichkeit selektiv zu schalten, erlaubt auch das Abschalten fehlerbehafteter Zweige a, b, c. Zudem wird in dem Schritt S3 die Taktung der Wechselrichter 21 unterbrochen, wenn die zugeordneten DC-Schütze 12 geöffnet sind.If that of the photovoltaic modules 11 generated electrical power z. B. no longer at night or with complete shading for a feed into the power grid 41 is sufficient (step S2), in a following step S3, the DC contactors 12a , b, c opened by a control device, not shown in the figure, to a current return flow through the photovoltaic modules 11 to prevent. Switching the DC contactors 12 can be done selectively for the individual branches a, b, c, since the irradiation conditions are not mandatory in all photovoltaic modules 11 of the different branches a, b, c are the same. The possibility to switch selectively also allows the switching off of faulty branches a, b, c. In addition, in step S3, the clocking of the inverters 21 interrupted when the associated DC contactors 12 are open.
Die Lasttrennschalter 33 und das Koppelschütz 42 bleiben geschlossen, so dass alle Wechselrichter 21, auch solche deren zugeordnete DC-Schütze 12a, b, c geöffnet sind, mit ihrem jeweiligen Wechselstromausgang 24 indirekt über die Transformatoren 31 an das Energieversorgungsnetz 41 angekoppelt sind.The switch-disconnector 33 and the coupling contactor 42 stay closed, so all inverters 21 , even those whose associated DC contactors 12a , b, c are open with their respective AC output 24 indirectly via the transformers 31 to the power grid 41 are coupled.
Da die Wechselrichter 21 nicht takten, beeinflussen sie die Signalform am Wechselstromausgang 24 nicht negativ. Daher werden in einem folgenden Schritt S4 die Schütze 35 geöffnet, um die Filteranordnungen 34 abzutrennen und eine Umsetzung von Verlustleistung zu unterbinden.Because the inverters 21 do not clock, they affect the waveform at the AC output 24 not negative. Therefore, in a following step S4, the shooters 35 opened to the filter arrangements 34 to separate and prevent implementation of power loss.
Über den Hilfstransformator 25 werden in dem Fall die Hilfskomponenten 26 vom Energieversorgungsnetz 41 mit Energie versorgt. Bedingt durch die Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators 23 wird die Zwischenkreispannung Uz zunächst aufrechtgehalten. Da die Arbeitsspannung im Zwischenkreis regelmäßig größer als die Scheitelspannung der am Wechselstromausgang 24 des Wechselrichters 21 anliegenden Wechselspannung ist, sinkt die Zwischenkreispannung Uz mit einer Zeitkonstante im Bereich von Minuten auf diesen Scheitelwert der Wechselspannung.About the auxiliary transformer 25 in this case the auxiliary components 26 from the power supply network 41 energized. Due to the DC link capacitance of the DC link capacitor 23 the DC link voltage Uz is initially maintained. Since the working voltage in the DC link is regularly greater than the peak voltage at the AC output 24 of the inverter 21 is present, the DC link voltage Uz decreases with a time constant in the range of minutes to this peak value of the AC voltage.
Wenn nach Wiedereinsetzen der Einstrahlung (Schritt S5) von den Photovoltaikmodulen 11 wieder Leistung bereitgestellt wird, werden in einem Schritt S6 zunächst die Schütze 35 geschlossen. Dieses kann „hart”, d. h. jederzeit und ohne Rücksicht auf die Phasenlage vorgenommen werden, da der in die Filteranordnung 34 fließende Maximalstrom, zum Beispiel bedingt durch die Innenwiderstände ihrer Komponenten, nicht so groß ist, dass es zu einer Beschädigung oder zu einem Auslösen des Sicherungsorgans 32 kommt. In einem folgenden Schritt S7 werden die Wechselrichter 21 wieder getaktet und stellen in den jeweiligen Gleichspannungszwischenkreisen einen gewünschten Gleichspannungs-Sollwert ein. Daraufhin werden schließlich die DC-Schütze 12 eingeschaltet. Die Photovoltaikanlage 1 befindet sich damit wieder im Normalbetrieb.When after reinserting the irradiation (step S5) from the photovoltaic modules 11 again power is provided, in a step S6 first the shooter 35 closed. This can be done "hard", ie at any time and without regard to the phase position, as in the filter assembly 34 flowing maximum current, for example due to the internal resistance of their components, is not so great that it may damage or trigger the fuse element 32 comes. In a following step S7, the inverters 21 clocked again and set in the respective DC voltage intermediate circuits a desired DC voltage setpoint. Then finally the DC contactors 12 switched on. The photovoltaic system 1 is thus back in normal operation.
In dem zuvor beschriebenen Verfahren werden die Gleichstrom-Schaltorgane 12 beim Betrieb der Photovoltaikanlage folglich regelmäßig geschaltet. Entsprechend der Häufigkeit der den Schaltvorgängen zugrunde liegenden Ereignisse (Tag/Nacht-Wechsel, vollständige Verschattung) sind sie daher bevorzugt für häufige Schaltzyklen ausgelegt. Besonders bevorzugt sind sie für mehr als 20.000 Schaltzyklen ausgelegt. Diese Zahl an Schaltzyklen ergibt sich aus einer projektierten Lebensdauer von 20 Jahren für eine Photovoltaikanlage und einer Annahme von etwa drei Schaltzyklen pro Tag für die den Schaltvorgängen zugrunde liegenden Ereignisse.In the method described above, the DC switching devices 12 consequently switched regularly during operation of the photovoltaic system. According to the frequency of the switching events underlying events (day / night change, full shading), they are therefore preferably designed for frequent switching cycles. Most preferably, they are designed for more than 20,000 switching cycles. This number of switching cycles results from a projected lifetime of 20 years for a photovoltaic system and an assumption of about three switching cycles per day for the events underlying the switching operations.
Neben dem beschriebenen Einsatzzweck im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahren können die Gleichstrom-Schaltorgane 12 auch für andere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Abtrennung einzelner fehlerhafter Strings oder als Brandschutztrenner. Es ist für diese Einsatzzwecke durchaus bekannt, Photovoltaikanlagen mit Schaltorganen zwischen Photovoltaikmodulen und einem Wechselrichter vorzusehen. Von diesen unterscheiden sich die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eingesetzten Gleichstrom-Schaltorgane 12 abgesehen von ihrem Einsatzzweck durch ihre Fähigkeit, regelmäßig geschaltet zu werden.In addition to the described application in the context of the method according to the invention, the DC switching devices 12 can also be used for other purposes, for example, for the separation of individual faulty strings or as fire protection separator. It is well known for these purposes to provide photovoltaic systems with switching devices between photovoltaic modules and an inverter. Of these, the DC switching elements used in the context of the present application differ 12 apart from their purpose by their ability to be switched regularly.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1010
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Photovoltaikgeneratorphotovoltaic generator
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1111
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Photovoltaikmodulphotovoltaic module
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1212
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Gleichstrom-Schaltorgan (DC-Schütz)DC switching device (DC contactor)
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2020
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WechselrichteranordnungInverter assembly
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2121
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Wechselrichterinverter
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2222
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GleichstromeingangDC input
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2323
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ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
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2424
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WechselstromausgangAC output
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2525
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Hilfstransformatorauxiliary transformer
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2626
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Hilfskomponentenauxiliary components
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2727
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PufferbatterieBackup battery
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2828
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Vorladeeinrichtungprecharge
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3030
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WechselspannungskomponentenAC components
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3131
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Transformatortransformer
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3232
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Sicherungsorgansafety element
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3333
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LasttrennschalterSwitch disconnectors
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3434
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FilteranordnungA filter assembly
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3535
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Schaltorganswitching element
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3636
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Kondensatorcapacitor
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3737
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Widerstandresistance
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4040
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NetzanbindungskomponentenGrid connection components
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4141
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EnergieversorgungsnetzPower grid
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4242
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Koppelschützcoupling contactor
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4343
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Überwachungseinrichtungmonitoring device
