DE102011017352A1

DE102011017352A1 - Verfahren und Anlage zur Überwachung und Steuerung einer Fotovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102011017352A1
Application number: DE201110017352
Authority: DE
Inventors: Bernd Willer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung ist eine Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung DE 10 2010 036 816.4 und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung einer Photovoltaik-Anlage. Beim Verfahren wird der durch den Strang (2) fließende Strom in jeder Modulkurzschlussdose (3) der Photovoltaikmoduchalteten Shunt-Widerstands (22) ermittelt, und, sobald der Strom durch den Strang (2) einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, das Photovoltaikmodul (1) mit Hilfe des Mikrocontrollers (14) unvollständig kurzgeschlossen. Gegenüber der Vorrichtung des Hauptpatents sind zu den Schaltungen, die sich in den Kurzschlussboxen (3) befinden, der Shunt-Widerstand (22), ein Verstärker und ein Komparator mit fester Referenz, hinzugefügt, wobei der Komparator die am Shunt-Widerstand (22) abfallende Spannung erfasst, mit einem Sollwert vergleicht und bei einer Unterschreitung ein Signal an den Mikrocontroller (14) abgibt.

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung einer Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) betreffen einen Zusatz zur DE 10 2010 036 816.4 „Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung einer Photovoltaik-Anlage”.
Das in DE 10 2010 036 816.4 beschriebene Verfahren und die dementsprechende Vorrichtung ermöglichen es, in einfacher Weise Photovoltaik-Anlagen auf Fehlfunktionen und Diebstahl zu überwachen. Hierzu werden in einer Überwachungseinheit bei Tag der Strom und nachts die Kapazität mindestens eines Strangs, der aus mehreren von in Serie oder seriell-parallel geschalteten Photovoltaikmodulen besteht, überwacht. Bei einem unregelmäßigen Verhalten des Stroms bzw. der Kapazität wird ein Alarm ausgegeben.
Werden die Photovoltaikmodule einer Photovoltaik-Anlage von der Sonne beschienen, dann steigt an allen Photovoltaikmodulen die Spannung auf die Betriebsspannung an. Im Gefahren-, Service- oder Fehlerfall wird der Strang vom Wechselrichter getrennt (Auftrennung des Strangs). In der Modulkurzschlussdose (Verbindungs-/Junction-Box) jedes Photovoltaikmoduls befindet sich eine Schaltung mit einem Mikrocontroller, der den Spannungsanstieg von der Betriebsspannung auf die Leerlaufspannung nach Auftrennung des Strangs registriert und veranlasst, dass dem Photovoltaikmodul eine niederohmige Last parallel geschaltet wird (unvollständiger Kurzschluss). Infolgedessen bricht die Ausgangsspannung jedes Photovoltaikmoduls stark ein und die Gesamtspannung des Strangs sinkt auf einen für Menschen ungefährlichen Wert.
Beim Verfahren (bzw. bei Verwendung der Vorrichtung) nach DE 10 2010 036 816.4 ist es jedoch, abhängig vom eingesetzten Wechselrichter, möglich, dass der Spannungsanstieg beim Auftrennen des Strangs nicht ausreicht, um den Mikrocontroller zum (unvollständigen) Kurzschluss des Moduls zu aktivieren. Zudem wird, wenn sich ein Havariefall (z. B. Brand) in der Nacht ereignet und sich bis zum Morgen fortsetzt, beim Übergang vom Nacht- in den Tagbetrieb der Photovoltaik-Anlage der Mikrocontroller automatisch zurückgesetzt, d. h., der (unvollständige) Kurzschluss wird aufgehoben und das Modul wird wieder aktiv. Bleiben nach dem Brandfall einzelne Module weiter in Serie miteinander verbunden, so können an deren Enden lebensgefährliche Spannungen anliegen.
Diese Nachteile werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 überwunden. Vorteilhafte Ausführungen werden in den Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 9 aufgezeigt.
Das vorliegende Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer Photovoltaik-Anlage entspricht grundsätzlich dem Verfahren nach Patentanmeldung DE 10 2010 036 816.4 , jedoch wird neben dem Spannungshub von Betriebs- auf Leerlaufspannung des Moduls an jedem der Photovoltaikmodule mittels eines Shunt-Widerstands (sehr niederohmig) der in dem Strang fließende Strom gemessen. Sinkt der Strom im Strang (und damit auch an jedem Photovoltaikmodul) auf null, bzw. auf einen zuvor definierten Minimalwert nahe null, werden, gesteuert durch die Mikrokontroller, alle Photovoltaikmodule im Strang unvollständig kurzgeschlossen. Diese Stromüberwachung am Photovoltaikmodul erfolgt zusätzlich, d. h., die bereits bestehende Überwachung des Spannungshubes bleibt unberührt.
Aufgrund der zusätzlich durchgeführten Stromüberwachung wird die (nach dem Verfahren gemäß DE 10 2010 036 816.4 ) im Fehlerfall erfolgende Auftrennung oder Trennung des Strangs vom Wechselrichter auch dann sicher erkannt, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der an den Photovoltaikmodulen anliegenden Spannung unter Last (= Betriebsspannung) und im Leerlauf zu gering für ein Ansprechen der Spannungsüberwachung ist. Auch bei einem in der Nacht beginnenden Havariefall (mit Auftrennen des Strangs oder Trennung des Strangs vom Wechselrichter), werden die Photovoltaikmodule am nächsten Morgen nicht aktiviert, da die Stromüberwachung erkennt, dass kein geschlossener Stromkreis mehr vorliegt und folglich kein Strom mehr fließt.
Die Stromüberwachung in den Photovoltaikmodulen wird dadurch realisiert, dass bei der Vorrichtung (Anlage) nach DE 10 2010 036 816.4 zu jeder Schaltung in der Modulkurzschlussdose (Verbindungs-/Junction-Box), mit der jedes Photovoltaikmodul ausgestattet ist, ein Shunt-Widerstand, der jeweils in Serie zwischen zwei Photovoltaikmodulen des Strangs geschaltet ist, ein Verstärker und ein Komparator mit fester Referenz (Komparatorschaltung), hinzugefügt wird. Der Verstärker und der Komparator sind üblicherweise in einem oder zwei Bauteil(en), nämlich als Operationsverstärker, realisiert. Der Ausgang des Komparators ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers verbunden, wobei der Mikrocontroller so programmiert ist, dass er einen unvollständigen Kurzschluss des Photovoltaikmoduls bewirkt, sobald die Spannung über dem Shunt einen Minimalwert unterschreitet.
Die über dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung, die proportional zum durch den Shunt-Widerstand fließenden Strom ist, wird abgegriffen, verstärkt und dem Komparator zugeführt. Unterschreitet dieser Strom einen vorbestimmten Wert, schaltet der Komparator. Die Mikrokontroller erkennt dies und schließt das Photovoltaikmodul unvollständig kurz.
Damit die Photovoltaikmodule, sobald sich die Anlage wieder im Normalzustand befindet, zum Hochfahren der Photovoltaik-Anlage aktiv geschaltet werden können, wird der Vorrichtung nach DE 10 2010 036 816.4 ein Widerstand hinzugefügt, der über den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist und der es ermöglicht, dass (bevor der Wechselrichter aktiv wird und für einen Stromfluss sorgt) ein Strom durch die Stränge fließen kann, der zumindest größer als der vordefinierte Minimalwert der Stromüberwachung ist. Der Widerstand kann permanent über dem Eingang des Wechselrichters geschaltet und so hochohmig ausgeführt sein, dass er lediglich eine sehr geringe Verlustleistung verursacht. In einer alternativen Ausführung wird der Widerstand abgetrennt, sobald ein bestimmter Stromfluss durch den Wechselrichter erkannt wird und wieder zugeschaltet, wenn der Stromfluss unter einen Minimalwert sinkt.
Um die Stromüberwachung in den Photovoltaikmodulen zu ermöglichen, muss, anders als bei der Vorrichtung nach DE 10 2010 036 816.4 , nicht lediglich der Stromweg über den Wechselrichter, sondern auch der Stromweg über den Widerstand unterbrochen werden. Andernfalls fließt nach wie vor ein Strom über den Widerstand, wodurch ein Ansprechen der Stromüberwachung verhindert würde.
Die Aktivschaltung der Anlage nach einem Fehler erfolgt analog wie bei der Vorrichtung nach DE 10 2010 036 816.4 . Damit die Komparatorschaltung unabhängig von der im Photovoltaikmodul aufgebauten Spannung arbeiten kann, wird sie vom (in allen Anlagen vorhandenen) DC-DC-Wandler gespeist.
Optional können die Schaltungen in den Kurzschlussboxen jeweils mit einem Temperatursensor ausgestattet sein, der bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur (z. B. 200°C) durch Ansteuern des Mikrocontrollers einen unvollständigen Kurzschluss des Photovoltaikmoduls auslöst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.
Wie aus der Figur ersichtlich, wurden jeder Schaltung in den Modulkurzschlussdosen 3, ausgehend von der in der Hauptanmeldung offenbarten Schaltung (3), ein Operationsverstärker 21, der gleichzeitig die Funktion des Verstärkers und des Komparators erfüllt, sowie der Shunt-Widerstand 22 mit einem Widerstandswert im Milliohmbereich hinzugefügt. Der Shunt-Widerstand 22 ist jeweils in Serie zwischen zwei Photovoltaikmodule 1 geschaltet, d. h., der Strang wird nunmehr durch wechselweise in Serie geschaltete Shunt-Widerstände 22 und Photovoltaikmodule 1 gebildet.
Die beiden Komparator-Eingänge 23, 24 des Operationsverstärkers 21 sind parallel zum Shunt-Widerstand 22 geschaltet. An den Komparator-Eingängen 23, 24 liegt infolgedessen die am Shunt-Widerstand 22 abfallende Spannung, die zum Strom durch den Strang 2 proportional ist, an. Der Ausgang 25 des Operationsverstärker 21 ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers 14 verbunden, wobei der Mikrocontroller 14 so programmiert ist, dass er, wenn der Spannungswert am Shunt-Widerstand 22 einen Minimalwert von wenigen Mikrovolt unterschreitet, das Photovoltaikmodul mittels des Schalters 16 unvollständig kurz schließt.
Der Widerstand 26 ist mit den Eingängen des Wechselrichters 4 verbunden und hat einen Wert im hohen Kiloohmbereich. Der Widerstand 26 ermöglicht es, dass unabhängig vom Stromfluss durch den Wechselrichter ein minimaler Strom im Strang fließt, der ausreichend groß ist, um die Photovoltaik-Anlage in den Betriebszustand (alle Module aktiv) zu schalten. Beim Betrieb der Photovoltaik-Anlage tritt nur eine geringe Verlustleistung am Widerstand 26 auf.
Der (optionale) Temperatursensor 27 löst über den Mikrocontroller 14 ebenfalls einen unvollständigen Kurzschluss aus, wenn die Temperatur des Photovoltaikmoduls, z. B. im Falle eines Brandes, einen Maximalwert von 200°C übersteigt.
Bezugszeichenliste

1: PV-Modul
1.1: Klemme
1.2: Klemme
2: Strang
3: Modulkurzschlussdose
4: Wechselrichter
5: Steuereinheit
6: Trennschalter
7: Versorgungsteil mit Akkumulator
8: Mikro-Controller
9: Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer
10: Stromsensor
11: Galvanische Trennung
12: Alarmzentrale
13: Leuchtdioden
14: Mikro-Controller
15: Spannungswandler
16: Kurzschlussschalter
17: Last
18: Spannungsteiler
18.1: Widerstand
18.2: Widerstand
19: Reset-Signal
20: Rücksetzeinrichtung
21: Operationsverstärker
22: Shunt-Widerstand
23: erster Eingang des Operationsverstärkers
24: zweiter Eingang des Operationsverstärker
25: Ausgang des Operationsverstärker
26: Widerstand
27: Temperatursensor

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 102010036816 [0001, 0002, 0004, 0006, 0007, 0008, 0010, 0011, 0012]

Claims

Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer Photovoltaik-Anlage nach DE 10 2010 036 816.4 , dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Strang (2) fließende Strom in jeder Modulkurzschlussdose (3) der Photovoltaikmodule (1) mittels eines seriell in den Strang (2) geschalteten Shunt-Widerstands (22) ermittelt wird, wobei, sobald der Strom durch den Strang (2) einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, das Photovoltaikmodul (1) mit Hilfe des Mikrocontrollers (14) unvollständig kurzgeschlossen, wodurch am Photovoltaikmodule (1) nur eine minimale Restspannung bestehen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um festzustellen, ob der Strom durch den Strang (2) den vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, die über dem Shunt-Widerstand (22) abfallende Spannung, die zum Strom durch den Strang (2) proportional ist, abgegriffen, verstärkt und einem Komparator zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, um es zu ermöglichen, dass beim Übergang von Nacht zu Tag oder nach einem Fehler die Stränge wieder aktiv geschaltet werden können, mittels eines Widerstands (26), der parallel zum Eingang des Wechselrichters (4) geschaltet ist, ein Stromfluss durch die Stränge (2), der größer als der Minimalwert für die Stromüberwachung ist, erfolgt, wobei im Fehlerfall sowohl der Wechselrichter (4) als auch der Widerstand (26) von den abzuschaltenden Strängen (2) elektrisch getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (26) permanent mit dem Eingang des Wechselrichters verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (26) vom Strang (2) elektrisch getrennt wird, sobald der Strom durch den Wechselrichter einen bestimmten Minimalwert überschreitet, und wieder zugeschaltet wird, wenn der Strom unter einen Minimalwert sinkt.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorrichtung nach DE 10 2010 036 816.4 zu jeder Schaltung in der Modulkurzschlussdose (3), mit der jedes Photovoltaikmodul (1) ausgestattet ist, ein Shunt-Widerstand (22), der jeweils in Serie zwischen zwei Photovoltaikmodule (1) des Strangs (2) geschaltet ist, ein Verstärker und ein Komparator mit fester Referenz, hinzugefügt sind, wobei der Komparator die am Shunt-Widerstand (22) abfallende, verstärkte Spannung erfasst, mit einem Sollwert vergleicht und bei einer Unterschreitung ein Signal an den Mikrocontroller (14) abgibt.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker und der Komparator in Operationsverstärker-Technik (21) ausgeführt sind, wobei die zwei Komparator-Eingänge (23, 24) des Operationsverstärkers (22) parallel zum Shunt-Widerstand (22) geschaltet sind und der Ausgang des Operationsverstärkers (25) mit einem Eingang des Mikrocontrollers (14) verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (14) derart programmiert ist, dass er einen unvollständigen Kurzschluss des Photovoltaikmoduls (1) bewirkt, sobald die Spannung an den Eingängen (23, 24) des Operationsverstärker (22) den Minimalwert unterschreitet.
Anlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (21) vom DC-DC-Wandler gespeist wird.