DE102011051954B4

DE102011051954B4 - Photovoltaikanlage mit Vorspannung am Wechselrichter

Info

Publication number: DE102011051954B4
Application number: DE201110051954
Authority: DE
Inventors: Steffen Notz; Jochen Hantschel
Original assignee: Refusol GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: EP2735071A1; DE102011051954A1; US20140306544A1; WO2013011046A1

Abstract

Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator (2) in eine ausgangsseitige Wechselspannung mit wenigstens einem transformatorlosen Wechselrichter (3), der einen Gleichspannungseingang (7) zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators (2) und einen Wechselspannungsausgang (8) aufweist; mit einer Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3), wodurch auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang (7) des Wechselrichters (3) beeinflusst wird; und mit einer induktiven HF-Entkopplungseinrichtung (52), die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters (3) eingerichtet ist, wobei die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine Induktivität (53) aufweist, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) in einem Zweig (42) zwischen Erde (44) und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters (3) hindurchgeführten Neutralleiter (22, 41) angeschlossen ist, oder die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse (12, 13, 14) des Wechselrichters (3) entsprechende Anzahl von Induktivitäten (54, 56, 57) aufweist, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss (12, 13, 14) und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zwischen Erde (44) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Photovoltaikanlage mit einer Vorspannungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung an einem Wechselrichter der Photovoltaikanlage.
Photovoltaikanlagen mit einem Photovoltaikgenerator, der aus der Sonnenenergie elektrische Energie erzeugt, einem Wechselrichter, der eine von dem Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt und diese bspw. in ein Energieversorgungsnetz einspeist, finden zunehmende Verwendung. Eine Photovoltaikanlage kann eine Vielzahl von Photovoltaikzellen und/oder Wechselrichtern aufweisen. Einzelne Photovoltaikzellen sind gewöhnlich zu einem Modul und ein oder mehrere Module zu sogenannten Strings in Reihe geschaltet, die den Photovoltaikgenerator bilden. Dieser liefert dann eine hohe Gleichspannung bis über 1000 Volt an den Wechselrichter, der diese in eine Wechselspannung und einen Wechselstrom mit einer mit dem zu speisenden Netz konformen Amplitude, Phase und Frequenz umwandelt. Zu diesem Zweck sind ein- oder dreiphasige Wechselrichter mit und ohne Transformator bekannt.
DE 102 21 592 A1 beschreibt einen transformatorlosen Photovoltaikwechselrichter in H- oder Vollbrückenbauweise, wobei die Verbindungsleitungen zum Abgriff der Brückenspannung jeweils über eine Drosselspule mit den Wechselspannungsausgangsanschlüssen verbunden sind. Die Drosselspulen dienen der Glättung des vom Wechselrichter ausgangsseitig erzeugten Wechselstroms. Bei symmetrischer Taktung der Schalter der H-Brückenschaltung des Wechselrichters, und wenn die eingesetzten Drosselspulen identische Induktivitäten aufweisen, können auf die hochfrequente Takturig der Schalter zurückzuführende Potentialsprünge vermieden werden.
DE 10 2004 037 446 B4 beschreibt einen transformatorlosen Photovoltaikwechselrichter in Halbbrückenbauweise in der ein- bis dreiphasigen Konfiguration mit einem Zwischenkreis am Eingang des Wechselrichters, der zwei in Reihe verbundene Kondensatoren aufweist, deren Verbindungspunkt mit einem Neutralleiter elektrisch verbunden, der an einen Schutzleiter angeschlossen ist. Zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Zwischenkreis ist ein symmetrischer Gleichspannungshochsetzer angeordnet, der die Generatorgleichspannung in eine bezüglich des Erdpotentials symmetrische Zwischenkreisspannung umsetzt. Am Ausgang des Wechselrichters sind LC-Netzfilter zur Glättung des Stromverlaufs vorgesehen.
Transformatorlose Wechselrichter, die ohne galvanische Trennung des Photovoltaikgenerators Leistung in die Netzwechselspannung umwandeln, werden bevorzugt, weil sie kleiner bauen, kostengünstiger sind und gegenüber transformatorbasierten Wechselrichtern einen deutlich besseren Wirkungsgrad haben. Allerdings ist aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung zwischen Gleich- und Wechselspannungsseite nicht möglich, an dem positiven bzw. negativen Pol der Photovoltaikmodule ein definiertes Potential in Bezug auf die Erde, bspw. durch Erdung, festzulegen. Ein definiertes Potential gegenüber dem Erdpotential am Photovoltaikgenerator kann aber erforderlich sein, um z. B. gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf Obergrenzen für Potentialunterschiede an Anlagenteilen zu genügen, um die Erfassung von Isolationsfehlern zu ermöglichen, um eine TCO-Korrosion oder eine Wirkungsgradverschlechterung an bestimmten Photovoltaikmodulen zu vermeiden, etc.
Bspw. ist festgestellt worden, dass sich an bestimmten Photovoltaikmodulen, insbesondere an Dünnschichtmodulen, irreparable Schäden durch sogenannte „TCO-Korrosion”, eine Korrosion an einer transparenten, elektrisch leitfähigen Beschichtung, der sogenannten TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxide), bilden können. Die TCO-Schicht korrodiert unter dem Einfluss von Feuchtigkeit und Wärme, was zum Ausfall einzelner Bereiche von Photovoltaikmodulen und schließlich zum Verlust der Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls führen kann. Es ist bekannt, dass sich die TCO-Korrosion schneller bzw. verstärkter ausbildet, wenn die Photovoltaikzellen negative elektrische Potentiale gegen Erde aufweisen.
Umgekehrt sind bei kristallinen Photovoltaikmodulen mit rückseitiger Kontaktierung der Photovoltaikzellen Wirkungsgradverluste beobachtet worden, falls die Photovoltaikzellen im Betrieb ein positives Spannungspotential zur Erde haben. Die Wirkungsgradverluste scheinen auf einen Polarisationseffekt aufgrund einer statischen Ladung, die sich auf der Oberfläche der Photovoltaikzelle aufbaut, zurückzuführen sein und können reduziert werden, wenn die Photovoltaikzellen unter dem Erdpotential, also bei einem negativeren Potential als das Erdpotential gehalten werden.
Aus den vorgenannten Gründen empfehlen die Hersteller derartiger Photovoltaikmodule, Wechselrichter mit galvanisch trennenden Transformatoren einzusetzen, die das Anlegen eines definierten Potentials gegenüber dem Erdpotential am Photovoltaikgenerator erlauben. Gleichzeitig soll je nach Art des eingesetzten Photovoltaikgenerators sein negativer bzw. positiver Pol geerdet werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Photovoltaikzellen von Dünnschichtmodulen bzw. rückseitig kontaktierten kristallinen Modulen eine negative bzw. positive Spannung gegenüber der Erde annehmen können. Erkauft wird dies jedoch durch den Einsatz eines transformatorbasierten Wechselrichters, der schwerer und größer baut, die Herstellungs- und Installationskosten erhöht und den Wirkungsgrad verringert.
In der WO 2008/154918 A1 wird im Zusammenhang mit Dünnschichtmodulen eine transformatorlose Wechselrichtereinheit vorgeschlagen, die einen zwischen dem negativen Photovoltaikgeneratorpol und dem negativen Eingang des Wechselrichters geschalteten Hochsetzsteller aufweist. Durch den Einsatz des Hochsetzstellers kann die Kennlinie der Photovoltaikmodule derart beeinflusst werden, dass negative elektrische Potentiale zur Erde und damit mögliche Korrosionsschäden reduziert werden. Der Hochsetzsteller verursacht jedoch ebenfalls höhere Herstellungs- und Betriebskosten sowie Wirkungsgradverluste.
WO 2010/078669 A1 beschreibt ein Photovoltaikkraftwerk mit einem Photovoltaikgenerator und einem transformatorlosen Wechselrichter und schlägt vor, an dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters eine Potentialschiebeeinrichtung vorzusehen, die der Wechselspannung einen Spannungsanteil überlagert, durch den sich auch das Potential an der Gleichspannungseingangsseite des Wechselrichters anheben oder absenken lässt. Die überlagerte Spannung der Potentialschiebeeinrichtung kann Gleichspannung und/oder Wechselspannung sein. Die überlagerte Spannung kann auch durch Erfassung von Messwerten am Eingang des Wechselrichters geregelt werden.
In ähnlicher Weise wird auch in der WO 2010/051812 A1 und in der Veröffentlichung „Ground-Voltage-Control (GVC) For Transformerless Inverters In PV Power Plants Prevents TCO Corrosion And Polarisation Effects” von Dr. F. Haase, Dr. U. Borup, 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 6–10 September 2010, Valencia, Spain, vorgeschlagen, an dem Wechselspannungsausgang eines transformatorlosen Photovoltaikwechselrichters eine Offsetspannungsquelle vorzusehen, durch die auch das Gleichspannungspotential an der Eingangsseite des Wechselrichters indirekt gesteuert werden kann, um alle Potentiale an den Anschlüssen der Photovoltaikmodule gegenüber Erde je nach Modulart alle positiv oder alle negativ zu machen. Die Offsetspannung kann gesteuert, programmiert oder abgeschaltet werden. Durch Überwachung des aus der Offsetspannungsquelle fließenden Stroms können Isolationsfehler erfasst werden.
Durch die vorgeschlagene Überlagerung einer Vorspannung (Verschiebespannung, Offsetspannung) am Wechselspannungsausgang eines transformatorlosen Wechselrichters kann sichergestellt werden, dass das Potential an den Photovoltaikmodulen je nach Anforderung nie einen bestimmten Spannungswert über- bzw. unterschreitet. Damit lassen sich die vorerwähnten TCO-Korrosionen und Polarisationseffekte vermeiden. Allerdings ist am Ausgang des Wechselrichters ein Transformator erforderlich, der die Ausgangsspannung des Wechselrichters auf eine gewünschte Spannung zur Übertragung über Hochspannungsleitungen bzw. zur Einspeisung in ein Netz transformiert. Die der Wechselspannung überlagerte Vorspannung ist dann aufgrund der anschließenden Transformation unerheblich.
Die Potentialschiebeeinrichtung bzw. Offsetspannungsquelle der vorbekannten Photovoltaikanlagen ist zwischen Erde und dem Sternpunkt bzw. Neutralanschluss des ausgangsseitigen Transformators angeschlossen. Dadurch liegt das Potential des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts nicht mehr frei, sondern wird festgehalten bzw. ist geklemmt. Dieses Klemmen des Potentials des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts kann jedoch zu Ableitströmen führen. Konventionelle Wechselrichter für Photovoltaikanlagen weisen zu Voll- oder Halbbrücken geschaltete Schalterelemente auf, die gemäß einem vorgegebenen Taktmuster und Modulationsverfahren mit hoher Frequenz von bis zu etwa 20 kHz getaktet werden. Bedingt durch diese hochfrequente Taktung der Schalterelemente springt bei einer dreiphasigen Wechselrichterkonfiguration das Spannungspotential an den Wechselspannungsanschlüssen und insbesondere auch an dem Sternpunkt bzw. Neutralpunkt mit relativ hoher Amplitude und hoher Frequenz, die der dreifachen Taktfrequenz entspricht. Wird nun das Potential des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts festgehalten, müssen parasitäre Kapazitäten eines Photovoltaikgenerators, die relativ groß, jedenfalls viel größer als entsprechende parasitäre Kapazitäten auf der Ausgangsseite des Wechselrichters sind, umgeladen werden, womit hohe Verschiebungsströme an dem Photovoltaikgenerator und damit hohe Ableitströme auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters verbunden sind.
An sich sind die kapazitiven Ableitströme Blindströme und somit verlustfrei. Jedoch können sie unter Umständen, wenn sie z. B. über den Schutzleiter abfließen, ein Gefahrenpotential darstellen, weil bei einer Unterbrechung des Schutzleiters und gleichzeitiger Berührung des Photovoltaikgehäuses ein lebensgefährlicher Körperstrom durch die berührende Person fließen könnte. Dies ist zu vermeiden.
Außerdem ist es schwierig, zwischen einem Ableitstrom und einem Fehlerstrom zu differenzieren, der aufgrund eines Fehlers, z. B. einer schadhaften Isolierung, bei einem Kontakt einer spannungsführenden Leitung mit einer geerdeten Person fließt. Um einen hinreichenden Personenschutz zu gewährleisten müssen elektrische Geräte als Vorsichtsmaßnahme bei einem bestimmten Fehlerstrom vom Netz getrennt werden. Insofern kann sich der Wechselrichter hier selbstständig vom Netz trennen, wenn der Ableitstrom zu groß wird. Dies kann den Betrieb stören und die Erzeugungsleistung mindern.
Außerdem können Ableitströme, wenn sie als Kreisströme über den Wechselrichter und die Vorspannungsquelle fließen, diese beschädigen. Darüber hinaus erschweren Ableitströme die Erfassung von Isolationsfehlern.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden Unzulänglichkeiten zu beseitigen und insbesondere Maßnahmen bzw. Mittel vorzuschlagen, die derartige Ableitströme verweiden bzw. weitgehend reduzieren können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einem transformatorlosen Wechselrichter zu schaffen, die sich zum Betrieb mit Dünnschichtphotovoltaikmodulen wie auch kristallinen Modulen mit rückseitiger Kontaktierung oder anderen Modulen, die ein definiertes maximales oder minimales Potential erfordern, eignet, jedoch Ableitströme und damit verbundene Nachteile vermeidet oder zumindest weitgehend reduziert. Dies vorzugsweise mit einfachen und bevorzugterweise auch bei bestehenden Anlagen nachrüstbaren Mitteln.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die auch eine sichere Erkennung von Isolationsfehlern, insbesondere auch schleichenden Isolationsfehlern im Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. dem Zusatzmodul nach Anspruch 14 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitigen elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator in eine ausgangsseitige Wechselspannung geschaffen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Wechselrichter auf, der einen Gleichspannungseingang zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators und einen Wechselspannungsausgang aufweist. Der Wechselrichter ist transformatorlos und somit in der Lage, die eingangsseitige Gleichspannung mit hohem Wirkungsgrad in die ausgangsseitige Wechselspannung umzuwandeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Vorspannungserzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters auf, wodurch gleichzeitig indirekt auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters beeinflusst wird. Bspw. ermöglicht die Vorspannungserzeugungseinrichtung es, durch Anlegen eines positiven bzw. negativen Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters derart anzuheben oder abzusenken, dass das Potential an dem negativen Pol eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators einen vorbestimmten minimalen Wert, z. B. 0 Volt, gegen Schutzerde (PE) nicht unterschreitet oder der positive Pol einen vorbestimmten maximalen Wert, z. B. 0 Volt, gegen PE nicht überschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle Photovoltaikzellen je nach Anforderung entweder über (bei positiveren Potentialen) oder unter (bei negativeren Potentialen als) dem Erdpotential gehalten werden, so dass eine schädliche TCO-Korrosion von Dünnschichtmodulen oder Polarisationseffekte bei rückseitig kontaktierten kristallinen Modulen vermieden werden kann bzw. können. Dadurch ist die Grundlage für einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie gegeben.
Die Erfindung ist ferner durch eine induktive Hochfrequenz(HF)-Entkopplungseinrichtung gekennzeichnet, die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeordnet und eingerichtet ist. Erfindungsgemäß weist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine Induktivität auf, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung in einem Zweig zwischen Erde und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters hindurchgeführten Neutralleiter angeschlossen ist. Alternativ weist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters entsprechende Anzahl von Induktivitäten auf, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung zwischen Erde und dem gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen ist. Die induktive HF-Entkopplungseinrichtung schafft diese hochfrequenzmäßige Entkopplung, indem sie Potentialsprünge auf der Wechselspannungsseite des Wechselrichters bei konstantem Mittelwert des Potentials entsprechend dem durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Wert der Vorspannung ermöglicht. Dadurch verhindert die erfindungsgemäße induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine Rückkopplung der Potentialsprünge auf die Gleichspannungsseite des Wechselrichters und folglich auf den Photovoltaikgenerator und damit verbundene Verschiebungsströme zur Umladung parasitärer Kapazitäten des Photovoltaikgenerators. In anderen Worten blockiert bzw. dämpft die induktive HF-Entkopplungseinrichtung etwaige Ableitströme und verhindert, dass diese an dem Photovoltaikgenerator entstehen und als Kreisströme über den Wechselrichter und die Vorspannungserzeugungseinrichtung fließen und diese beschädigen können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise ferner einen Photovoltaikgenerator mit wenigstens einem Photovoltaikmodul auf, um eine Photovoltaikanlage zu bilden. Durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung können auch Dünnschichtmodule oder kristalline Module mit rückseitiger Kontaktierung als Photovoltaikmodule schonend und wirksam eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist vorzugsweise in der dreiphasigen Konfiguration mit drei Wechselspannungsausgangsanschlüssen eingerichtet, die jeweils einer der drei Phasen der Ausgangsspannung zugeordnet sind. Natürlich kann der Wechselrichter auch drei gesonderte Wechselrichtereinheiten für die einzelnen Phasen enthalten, und diese können mit dem gleichen oder auch mit gesonderten Photovoltaikgeneratoren gekoppelt sein.
Der Wechselrichter kann in der Voll- oder in der Halbbrückenkonfiguration von hochfrequent getakteten Schaltern eingerichtet sein, wie sie in der Technik allgemein bekannt sind. Die Halbbrückenkonfiguration wird bevorzugt, weil sie die Anzahl der Schalterelemente und damit verbundene Kosten, die Schaltverluste und den Steuerungsaufwand reduziert.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Wechselrichter eine Symmetrierschaltung auf, die dazu dient, die Spannungspotentiale an den Eingangsanschlüssen des Wechselrichters im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf das durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Vorspannungspotential einzurichten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist der Wechselrichter hierzu einen Gleichspannungszwischenkreis mit zwei in Reihe zueinander zwischen den Gleichspannungseingangsanschlüssen angeschlossenen Energiezwischenspeichern auf, die bspw. durch gleich dimensionierte Kondensatoren gebildet sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Energiezwischenspeichern ist mit einem Neutralleiter elektrisch verbunden, an dem auch die Vorspannungserzeugungseinrichtung angeschlossen ist. Damit liegt das vorgegebene Vorspannungspotential im Mittel auch an dem Verbindungspunkt zwischen den Energiezwischenspeichern an. Die Symmetrierschaltung könnte auch durch einen Spannungsteiler auf der Basis von Widerständen, wenngleich verlustbehaftet, oder von Induktivitäten gebildet sein. Jedenfalls kann durch die Symmetrierung erreicht werden, dass die Potentiale am positiven und negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters symmetrisch bezüglich des Neutralleiters sind, so dass stets nur eine halbe Photovoltaikgeneratorspannung als Vorspannung ausreicht, um die Potentiale für alle PV-Module auf einem entweder nichtnegativen oder nichtpositiven Potential in Bezug auf das Erdpotential zu halten. Dies vereinfacht eine etwaige Steuerung bzw. Regelung der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist vorzugsweise ferner einen an den Wechselspannungsausgang des Wechselrichters angeschlossenen Netztransformator auf, der die Wechselrichterausgangsspannung an Netzgrößen eines zu speisenden Netzes angleicht. Zum Beispiel wird die Wechselrichterausgangsspannung auf die Wechselspannung eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes oder auf eine Hochspannung transformiert, die sich zur Übertragung über Hochspannungsleitungen eignet. Vorteilhafterweise ermöglicht der Ausgangstransformator eine galvanische Trennung zwischen der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters und dem sich anschließenden Netz. Dadurch beeinträchtigt das durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebene Vorspannungspotential am Ausgang des Wechselrichters die Netzspannung nicht.
Im Übrigen weist der Transformator vorzugsweise eine mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbundene Primärseite, eine Sekundärseite zum Anschluss an das Netz und einen Neutralanschluss an der Primärseite auf, der vorzugsweise mit einem Neutralleiter verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Neutralleiter auch an den Mittelpunkt zwischen den Kondensatoren bzw. Energiespeichern in dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters hindurchgeführt und auch mit der Vorspannungserzeugungseinrichtung verbunden. Dies vereinfacht die Auslegung und Steuerung des Wechselrichters und der Vorspannungserzeugungseinrichtung.
Der Netztransformator ist vorzugsweise ein dreiphasiger Transformator, der drei Außenleiterstränge aufweist, die mit einem dreiphasigen Wechselrichter oder mit gesonderten einphasigen Wechselrichtern verbunden sind. In der Sternschaltung sind die anderen Enden dann an dem Sternpunkt zusammengeschaltet, wobei der Sternpunkt vorzugsweise den Neutralanschluss bildet, der über den Neutralleiter mit der Vorspannungserzeugungseinrichtung und dem Verbindungspunkt zwischen den Zwischenkreiskondensatoren elektrisch verbunden ist. Die Vorspannungseinrichtung kann aber auch an den Außenleitersträngen der Primärseite des Netztransformators bzw. den Wechselspannungsausgangsleitungen des Wechselrichters angeschlossen sein.
Die Vorspannungserzeugungseinrichtung weist eine Konstantspannungsquelle auf, die zwischen Erde und dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters angeschlossen ist. Die Konstantspannungsquelle kann variabel sein, so dass die Größe und Polarität der von der Konstantspannungsquelle gelieferten Vorspannung im Betrieb gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Die erfindungsgemäße induktive HF-Entkopplungseinrichtung ist zur HF-Entkopplung des Photovoltaikgenerators von der Wechselspannungseingangsseite des Wechselrichters vorgesehen. In einer besonders bevorzugten, einfach implementierbaren Ausführungsform ist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung durch eine einzige Induktivität, bspw. eine Drossel, Spule oder dergleichen, gebildet, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung zwischen Erde und dem Neutralleiter angeschlossen ist. Der Neutralleiter ist vorzugsweise mit dem Sternpunkt des am Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Netztransformators, wie oben erläutert, und bevorzugterweise auch mit dem Schutzleiter der Photovoltaikanlage verbunden.
Die Induktivität wirkt wie ein HF-Widerstand zur Trennung bzw. Dämpfung hochfrequenter Ableitströme. Sie ermöglicht die Potentialsprünge an dem Sternpunkt und verhindert, dass diese auf die Gleichspannungsseite rückgekoppelt werden. Gleichzeitig wird an dem Sternpunkt ein der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Vorspannung entsprechendes mittleres Potential aufrechterhalten, das auch das (mittlere) Potential auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters bzw. an dem Photovoltaikgenerator bestimmt.
In der alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen induktiven HF-Entkopplungseinrichtung weist diese die der Anzahl der Phasen des Wechselrichterausgangsspannung entsprechende Anzahl von Induktivitäten auf, die jeweils mit einem Wechselspannungsausgangsanschluss des Wechselrichters verbunden und andererseits an einem gemeinsamen Verbindungspunkt zusammengeschlossen sind. An den Verbindungspunkt ist dann die Vorspannungserzeugungseinrichtung angeschlossen. Vorteilhafterweise kann diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen HF-Entkopplungseinrichtung bei Netztransformatoren sowohl in Sternschaltung als auch in Dreiecksschaltung verwendet werden, weil der gemeinsame Verbindungspunkt der Induktivitäten einen virtuellen Sternpunkt für den Anschluss einer Vorspannungserzeugungseinrichtung bildet. Im Übrigen sind die mehreren Induktivitäten zur Trennung bzw. Dämpfung von hochfrequenten Ableitströmen in gleicher Weise wirksam wie die einzelne Induktivität der vorstehend erläuterten Ausführungsform.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Messparametern, einschließlich der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und eines Stroms in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung, sowie eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der Messparameter den Betrieb der Vorrichtung zu steuern, mögliche Fehlerzustände zu erkennen und darauf zu reagieren. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung auch dazu eingerichtet, den Wert der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung angelegten Vorspannung anhand der erfassten Messparameter je nach Bedarf variabel einzustellen. Insbesondere kann sie in der Lage sein, die Größe der Vorspannung an die Spannung des Photovoltaikgenerators geeignet anzupassen, die je nach Tageszeit, Einstrahlungsverhältnissen, Temperatur und sonstigen Witterungs- und Umgebungsverhältnissen variiert. Zum Beispiel kann für den Leerlaufbetrieb ein höheres Vorspannungspotential entsprechend der höheren Generatorspannung im Leerlauf bereitgestellt werden, während im Betrieb das Vorspannungspotential passend reduziert werden kann, um hohe Isolationsbelastungen und Verluste, wie sie mit einem starren Vorspannungswert verbunden wären, zu vermeiden.
Es ist selbstverständlich, dass die Steuereinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Wechselrichters einerseits und der Vorspannungserzeugungseinrichtung andererseits nach Belieben entweder durch eine gemeinsame integrale Steuereinheit oder durch unterschiedliche, verteilte Steuereinheiten gebildet und in Software und/oder Hardware ausgeführt sein kann.
Die Steuereinrichtung kann eine Logik zur Erkennung von Erdschlüssen bzw. Isolationsfehlern anhand der von der Sensoreinrichtung erfassten Messparameter aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist diese Logik ferner zur Erkennung eines schleichenden Isolationsfehlers wie folgt eingerichtet: Zunächst gibt die Logik einen ersten Wert für das Vorspannungspotential der Vorspannungserzeugungseinrichtung vor, und es wird die Größe der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und der Strom in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung gemessen. Anschließend modifiziert die Logik aktiv das Potential der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung und gibt einen zweiten Wert für diese vor. Die Sensoreinrichtung erfasst daraufhin die Größe der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und den Strom in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung für den zweiten vorgegebenen Vorspannungspotentialwert. Aus den Mess- und Vorgabewerten für die Spannungspotentiale und die Ströme bestimmt die Logik anschließend die Isolationswiderstände an dem positiven und dem negativen Gleichspannungseingangsanschluss des Wechselrichters. Durch Vergleich der ermittelten Isolationswiderstände mit Referenzwerten kann die Logik das Einsetzen eines Isolationsfehlers rechtzeitig erkennen. Vorteilhafterweise kann diese Erkennung eines schleichenden Isolationsfehlers auch im Betrieb, bspw. auf periodischer Basis erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Zusatzmodul für eine Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator in eine ausgangsseitige Wechselspannung geschaffen, wobei die Vorrichtung wenigstens einen transformatorlosen Wechselrichter mit einem Gleichspannungseingang zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators und einen Wechselspannungsausgang aufweist. Das erfindungsgemäße Zusatzmodul weist einen Anschluss zur Verbindung mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters, eine Vorspannungserzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Anschluss, wodurch im Betrieb auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters beeinflusst wird, wenn der Anschluss des Zusatzmoduls mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbunden ist, und eine induktive HF-Entkopplungseinrichtung auf, die im Betrieb zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters eingerichtet ist, wenn der Anschluss des Zusatzmoduls mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbunden ist.
Das Zusatzmodul kann somit als nachrüstbare Baueinheit in einer bestehenden Photovoltaikanlage nachträglich eingebaut werden. Es kann prinzipiell an einer beliebigen Stelle zwischen dem Wechselrichterausgang und einem Netztransformator angeschlossen, in dem Gehäuse des Wechselrichters oder des Netztransformators untergebracht oder in den Wechselrichter bzw. Netztransformator integriert werden. Im Übrigen kann das Zusatzmodul, insbesondere dessen HF-Entkopplungseinrichtung, Vorspannungserzeugungseinrichtung und Steuereinrichtung, in der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Umwandlungseinrichtung vorstehend beschrieben Weise weitergebildet werden. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorstehende Beschreibung möglicher Ausführungsformen und deren Vorteile verwiesen.
Die Erfindung ermöglicht es, transformatorlose Wechselrichter an Photovoltaikgeneratoren zu betreiben, die aus Dünnschichtmodulen oder kristallinen Modulen mit rückseitiger Zellenkontaktierung aufgebaut sind, unter Vermeidung von Beschädigungen und Wirkungsgradminderungen aufgrund von TCO-Korrosionen und Polarisationseffekten und unter Vermeidung hoher Ableitströme an dem Photovoltaikgenerator, die einen Schaden an den Komponenten der Photovoltaikanlage verursachen können.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder der Unteransprüche. In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage zur Umwandlung einer Gleichspannung eines Photovoltaikgenerators in eine Wechselspannung zur Einspeisung in ein Netz mit einer Vorspannungseinrichtung und einer HF-Entkopplungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, in stark schematisierter Darstellung;
2 eine Ausführungsform eines Wechselrichters zur Verwendung in der Photovoltaikanlage nach 1, in vereinfachter Darstellung;
3 eine Photovoltaikanlage mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Entkopplungseinrichtung, in stark schematisierter Darstellung; und
4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung von Isolationsfehlern.
1 zeigt stark schematisiert eine Photovoltaikanlage 1, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator in eine ausgangsseitige Wechselspannung bildet. Die Photovoltaikanlage 1 weist einen Photovoltaikgenerator 2 und einen dreiphasigen Wechselrichter 3 auf. Der Photovoltaikgenerator 2 weist ein oder mehrere, hier nicht im Einzelnen dargestellte PV-Module auf, die durch beliebige kristalline Module oder Dünnschichtmodule gebildet sein können, wie sie in der Technik bekannt sind, und die in Reihe miteinander verbunden sind, um eine einzige Ausgangsgleichspannung an den Ausgangspolen 4, 6 des Photovoltaikgenerators 2 zu erzeugen.
Der Wechselrichter 3 ist zur Umwandlung der durch den Photovoltaikgenerator 2 an seinem Eingang 7 bereitgestellten Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung an seinem Ausgang 8 eingerichtet. Hierzu weist der Wechselrichter den Eingang 7 mit einem positiven und einem negativen Eingangsanschluss 9, 11 auf, die jeweils mit dem positiven bzw. negativen Pol 4, 6 des Photovoltaikgenerators 2 verbunden sind, und den vierpoligen Ausgang 8 auf, zu dem die drei Ausgangsanschlüsse (L1, L2, L3) 12, 13, 14, die die einzelnen Phasen der ausgangsseitigen Wechselspannung des Wechselrichters 3 führen, und ein Neutralausgangsanschluss (N) 16 des Wechselrichters 3 gehören.
Eine mögliche Ausführungsform des Wechselrichters 3 ist in stark schematisierter Weise in 2 veranschaulicht. Der Wechselrichter 3 weist einen Gleichspannungszwischenkreis 17 mit zwei in Reihe geschalteten Energiezwischenspeichern 18, 19 in Form von Kondensatoren C auf, die mit einem Ende jeweils an dem positiven bzw. negativen Eingangsanschluss 9, 11 des Wechselrichters 3 angeschlossen und mit ihrem anderen Ende an einem Verbindungspunkt 21 zusammengeschlossen sind, der über eine durch den Wechselrichter 3 hindurchführende Leitung 22 mit dem Neutralausgangsanschluss 16 elektrisch verbunden ist. Die Zwischenkreiskondensatoren 17, 18 und die Neutralleitung 22 bilden einen Teil einer Symmetrierschaltung 23, die dazu dient, die Potentiale an den Eingangsanschlüssen 9, 11 des Wechselrichters 3 in Bezug auf das Potential an der Neutralleitung 22 symmetrisch festzulegen.
Der Wechselrichter 3 weist ferner eine Schalteranordnung 24 auf, die an die Eingangsanschlüsse 9, 11 parallel zu den Zwischenkreiskondensatoren 18, 19 angeschlossen ist. Die Schalteranordnung 24 ist durch eine Parallelschaltung von drei im Wesentlichen identischen Halbbrücken 26 gebildet, die jeweils zwei in Reihe miteinander verbundene Schaltereinheiten 27, 28 aufweisen, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz schaltbar sind. Obwohl die Schaltereinheiten 27, 28 hier lediglich symbolhaft dargestellt sind, werden bevorzugterweise verlustarme IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOS-Feldeffekttransistor-Schalter eingesetzt. Parallel zu jeder Schaltereinheit 27, 28 ist in herkömmlicher Weise jeweils eine (nicht veranschaulichte) Freilaufdiode in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet. Der Verbindungspunkt 29 zwischen den Schaltereinheiten 27, 28 jeder Halbbrücke 26 ist über eine Verbindungsleitung 31, die eine Speicherdrossel 32 enthält, zu dem jeweiligen Wechselspannungsausgangsanschluss 12, 13 bzw. 14 hinausgeführt. Die Schaltereinheiten 27, 28 der jeweiligen Halbbrücken 26 werden derart getaktet, dass an den Ausgangsanschlüssen 12, 13, 14 ein dreiphasiger Wechselstrom zur Einspeisung in ein Netz erzeugt wird, der vorzugsweise drei im Wesentlichen betragsgleiche, jedoch jeweils um 120° zueinander phasenverschobene Ausgangsströme aufweist.
Erneut bezugnehmend auf 1 ist der Ausgang 8 des Wechselrichters 3 mit einem Netz 32, bspw. einem öffentlichen Stromversorgungsnetz oder einem Hochspannungsübertragungsnetz, über einen ausgangsseitigen Transformator 33 verbunden, der für eine galvanische Trennung zwischen dem Wechselrichterausgang 8 und dem Netz 32 und für eine Anpassung der Größe der vom Wechselrichter gelieferten Ausgangsspannungen und -ströme an die vom Netz 32 geforderten Größen sorgt.
Der Transformator 33 ist hier in herkömmlicher Weise als ein Dreiphasentransformator mit einer Primärseite 34 und einer Sekundärseite 36 ausgebildet, die jeweils drei zu einem Stern geschaltete primäre Wicklungen 37 auf der Primärseite 34 und drei zu einem Stern geschaltete sekundäre Wicklungen 38 auf der Sekundärseite 36 aufweisen. Der zentrale Verbindungspunkt bzw. Sternpunkt der primären Wicklungen 37 bildet den Neutralanschluss 39 des Transformators 33. Wie veranschaulicht, ist der Neutralanschluss 39 über einen Neutralleiter 41 mit dem Neutralausgangsanschluss 16 des Wechselrichters und über die wechselrichterinterne Neutralleitung 22 ferner mit dem Verbindungspunkt 21 der Zwischenkreiskondensatoren 17, 18 verbunden.
Wie ferner aus 1 hervorgeht, ist der Neutralanschluss 39 des Transformators 33 auch mit einem ersten Anschluss 40 eines Zweigs 42 verbunden, in dem eine Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 angeordnet ist, die mit einem anderen Anschluss an die Erde 44 angeschlossen ist. Die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 dient dazu, im Betrieb an dem Anschluss 40 bzw. dem Neutralanschluss 39 des Transformators und somit dem Neutralausgangsanschluss 16 des Wechselrichters 3 ein definiertes Vorspannungspotential anzulegen, das dann über die Neutralleiter 41, 22 an den Verbindungspunkt 21 des Gleichspannungszwischenkreises 17 angekoppelt wird. Hierzu weist die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 eine Konstantspannungsquelle 46 auf, die eine konstante Spannung mit variabel einstellbarer Größe an ihrem mit dem Neutralanschluss 39 verbundenen Ausgangsanschluss liefert.
Zur Einstellung der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 und zur Steuerung des Betriebs des Wechselrichters 3 in Abhängigkeit von momentanen Betriebs- und Umgebungsbedingungen ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die hier nur schematisiert in Form eines Blocks 47 dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 47 ist mit einer Sensoreinrichtung 48 gekoppelt, die unterschiedliche Messparameter an der Photovoltaikanlage 1 erfasst und hierzu kennzeichnende Werte an die Steuereinrichtung 47 liefert. Zu den erfassten Messparametern gehören unter anderem die Gleichspannungspotentiale U_DC+, U_DC– an dem positiven und negativen Eingangsanschluss 9, 11 des Wechselrichters 3, wie in 1 angedeutet, sowie bspw. die Wechselspannungen und/oder Wechselströme an den Ausgangsanschlüssen 12, 13, 14 (hier nicht näher dargestellt).
Die soweit beschriebene Photovoltaikanlage ist an sich bekannt und funktioniert wie folgt: Der Photovoltaikgenerator 2 wandelt die von der Sonne erhaltene Strahlungsenergie in elektrische Energie um und erzeugt dadurch eine Gleichspannung an seinen Polen 4, 6. Die vom Photovoltaikgenerator 2 gelieferte Spannung hängt von den Einstrahlungsverhältnissen, der Temperatur, Feuchtigkeit in der Umgebung des Photovoltaikgenerators sowie von weiteren Faktoren ab und beträgt im Allgemeinen im Betrieb in etwa 600 bis 1000 Volt. Der Wechselrichter 3 wandelt die Gleichspannung an seinem Eingang 7 in eine dreiphasige Wechselspannung an seinem Ausgang 8 um, von dem aus die dreiphasige Wechselspannung über den Transformator 33 in das Netz 32 eingespeist wird. Der Wechselrichter 3 wird von der Steuereinrichtung 47 entsprechend den durch die Sensoreinrichtung 48 gemessenen Betriebswerten passend angesteuert, um an seinem Ausgang die zum Einspeisen geeigneten Wechselspannungen und Wechselströme zu liefern. Der Transformator 33 passt diese entsprechend den Anforderungen des Netzes an.
Während des Betriebs legt die Vorspannungserzeugungseinrichtung eine Vorspannung an dem Neutralanschluss 39 des Transformators 33 an und bewirkt dadurch eine Verschiebung des Gleichspannungspotentials an der Primärseite 34 des Transformators 33 und damit auch an dem Ausgang 8, insbesondere dem Neutralausgangsanschluss 16 des Wechselrichters 3 gegenüber dem Erdpotential um die Vorspannung. Infolge der Symmetrierschaltung 23, einschließlich der Neutralleiter 22, 41, sind die Potentiale an dem positiven und negativen Eingangsanschluss 9, 11 in Bezug auf die Vorspannung symmetrisch zueinander, betragen also in etwa 0 Volt an einem der Anschlüsse 9, 11 und ungefähr das Doppelte der Vorspannung an dem anderen Anschluss 9, 11. Durch Auswahl einer geeigneten Größe und Polarität für die Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 gegenüber dem Erdpotential kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die Potentiale gegen die Erde für alle Photovoltaikmodule des Photovoltaikgenerators z. B. entweder nichtnegativ oder nichtpositiv sind und stets nahe an dem Erdpotential liegen.
Wie bekannt ist, bilden Photovoltaikmodule elektrisch aufladbare Flächen, die einem geerdeten Gestell gegenüberliegen und somit parasitäre Kapazitäten bilden, die Ladung speichern können. Die parasitären Kapazitäten der Photovoltaikmodule sind verhältnismäßig groß und liegen im Bereich von etwa 1 μF pro Kabelspitzenspannung. Sie hängen von konstruktiven Faktoren, wie den verwendeten Materialien und der zur Ladungsspeicherung wirksamen Fläche, ab und können durch wetterbedingte Faktoren, z. B. bei Benetzung mit Wasser, erheblich vergrößert werden. Jedenfalls sind die parasitären Kapazitäten von Photovoltaikmodulen erheblich größer als die auf der Wechselspannungsseite eines transformatorlosen Wechselrichters. In 1 sind die parasitären Kapazitäten des Photovoltaikgenerators 2 durch zwei Kapazitäten 49, 51 angedeutet, die zwischen dem positiven bzw. negativen Pol 4, 6 des Photovoltaikgenerators 2 und Masse angeschlossen sind.
In einer herkömmlichen Photovoltaikanlage mit einem dreiphasigen Wechselrichter insbesondere der Halbbrückenkonfiguration, wie in 2 veranschaulicht, ohne die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 springt das Wechselspannungspotential an dem Neutralanschluss bzw. Sternpunkt 39 des Transformators 33 bedingt durch die Taktung des Wechselrichters. Das Wechselspannungspotential springt mit einer Amplitude, die von dem verwendeten Taktmuster und Modulationsverfahren abhängt, und mit einer Frequenz, die in etwa der dreifachen Taktfrequenz des Wechselrichters 3 entspricht. Wenn aber die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 an dem Neutralanschluss 39 angeschlossen wird, wird dadurch das Potential an diesem festgehalten. Die erforderlichen Potentialsprünge werden nun über die Symmetrierschaltung 23 auf die Gleichspannungseingangsseite des Wechselrichters 3 und weiter auf den Photovoltaikgenerator 2 übertragen. Durch die Spannungssprünge müssen die hohen parasitären Kapazitäten des Photovoltaikgenerators 2 ständig umgeladen werden, was hohe Verschiebungsströme an dem Photovoltaikgenerator zur Folge hat, die zu den parasitären Kapazitäten und der Spannungsamplitude proportional sind. Die Verschiebungsströme ergeben Ableitströme, die gegen Erde abfließen und die im Kreis durch die Anlage, insbesondere durch den Wechselrichter 3 und die Konstantspannungsquelle 46 der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 fließen und diese beschädigen können. Außerdem können derartige kapazitive Ableitströme die Fehlerstromüberwachung eines Wechselrichters 3 und folglich dessen Trennung vom Netz auslösen.
Um dies zu vermeiden ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine induktive HF-Entkopplungseinrichtung 52 zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 3 vorgesehen. Wie aus 1 ersichtlich, ist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung 52 in der bevorzugten Ausführungsform in 1 durch eine Induktivität 53 gebildet, die zwischen dem Anschluss 40 bzw. dem Neutralanschluss 39 des Transformators 33 und der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 angeschlossen ist. Die Induktivität 53 weist einen geeigneten Induktivitätswert im Sinne eines hohen HF-Widerstands auf, um die im Betrieb zu erwartenden hochfrequenten Ableitströme hinreichend zu blockieren bzw. zu dämpfen. Die Induktivität 53 ermöglicht die Wechselspannungspotentialsprünge an dem Neutralanschluss 39, hält aber dessen Potential bei einem konstanten Mittelwert, der der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 vorgegebenen Vorspannung entspricht. Dadurch bleibt der Photovoltaikgenerator 2 insofern „ruhig”, als es zu keinen wesentlichen Spannungssprüngen und Verschiebungsströmen an diesem kommt. Durch die erfindungsgemäße HF-Entkopplungseinrichtung 52 können die ansonsten durch Klemmung des Neutralpunkts 39 verursachten kapazitiven Ableitströme an dem Photovoltaikgenerator 2 wirksam vermieden werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 1 mit einem modifizieren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven HF-Entkopplungseinrichtung 52 zur Entkopplung der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters 3 von seiner Gleichspannungseingangsseite. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Zugrundelegung der gleichen Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit 1 und 2 verwiesen.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator 2 in eine ausgangsseitige Wechselspannung gemäß 3 unterscheidet sich von derjenigen nach 1 im Wesentlichen nur durch die Anordnung und Ausbildung der HF-Entkopplungseinrichtung 52. Diese ist hier nicht zwischen dem Neutralanschluss 39 des Transformators 33 und der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 sondern zwischen dieser und den Eingangsanschlüssen des Transformators 33 angeschlossen. Die aus der HF-Entkopplungseinrichtung 52 und der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 gebildete Einheit weist also drei Anschlüsse 40a, 40b bzw. 40c zur Verbindung mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen 12, 13 bzw. 14 des Wechselrichters 3 auf. Die HF-Entkopplungseinrichtung 52 weist drei Induktivitäten 54, 56 und 57 auf, die jeweils über die Anschlüsse 40a, 40b, 40c mit einem der Wechselspannungsausgangsanschlüsse 12, 13, 14 des Wechselrichters 3 und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt 58 verbunden sind, der einen virtuellen Sternpunkt bildet. Diese Ausführungsform kann somit auch angewandt werden, wenn der ausgangsseitige Transformator 33 nicht, wie hier dargestellt, in einer Sternschaltung, sondern in einer Dreiecksschaltung implementiert ist.
Im Übrigen sind die einzelnen Induktivitäten 54, 56, 57 in der Ausführungsform nach 3 in der gleichen Weise wie die Induktivität 53 nach 1 zur induktiven HF-Entkopplung des Wechselspannungsausgangs 8 von dem Gleichspannungseingang 7 des Wechselrichters 3 wirksam, indem sie bei konstantem Mittelwert des Potentials an ihren Anschlüssen 40a, 40b, 40c und somit den Wechselrichterausgangsanschlüssen 12, 13, 14 entsprechend der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 Potentialsprünge daran ermöglichen und hochfrequente Ableitströme zu der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 3 hin blockieren bzw. dämpfen, um Ableitströme an dem Photovoltaikgenerator 2 zu minimieren.
In 3 ist eine zusätzliche Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 veranschaulicht. Wie ersichtlich, erfasst die Sensoreinrichtung 48 hier die Gleichspannungspotentiale an dem positiven und negativen Eingangsanschluss 9, 11 des Wechselrichters 3 und zusätzlich den Strom I in dem Zweig 42 der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43. Durch Überwachung des Stroms I aus der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 können schwerwiegende Isolationsfehler, die Erdschlüsse bewirken, erfasst werden, so dass der Wechselrichter infolgedessen abgeschaltet werden kann, um einen weiteren Schaden zu vermeiden. Durch einen Erdschluss kann aber bereits ein Schaden an Komponenten der Anlage 1 eingetreten sein.
In der in 3 veranschaulichten Ausführungsform weist die Steuereinrichtung 47 eine zusätzliche Logik auf, um schleichende Isolationsfehler, also Isolationsfehler bereits während ihrer Entstehung, an dem Photovoltaikgenerator 2 zu erkennen. Dies wird durch Bestimmen und Überwachen der Isolationswiderstände R_ISO,DC+ und R_ISO,DC– an dem positiven bzw. negativen Pol 4, 6 des Photovoltaikgenerators 2 gegenüber Erde bewerkstelligt. Die Isolationswiderstände R_ISO,DC+, R_ISO,DC– sind in 3 als Widerstände 59, 61, jeweils in Parallelschaltung mit der zugehörigen parasitären Kapazität 49, 51 des Photovoltaikgenerators 2 angedeutet.
Die erfindungsgemäße Logik 62 der Steuereinrichtung 47 zur Erkennung schleichender Isolationsfehler soll im Zusammenhang mit dem Flussdiagramm nach 4 erläutert werden. Wie in 4 veranschaulicht, gibt die Steuereinrichtung 47 zunächst eine erste Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 vor (Schritt S1).
Die Sensoreinrichtung 48 erfasst daraufhin die Gleichspannungspotentiale U_DC+, U_DC– an dem positiven und negativen Eingangsanschluss 9, 11 des Wechselrichters 3 sowie die Größe des Stroms I aus der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 und meldet diese Größe an die Steuereinrichtung 47 (Schritt S2).
Der Vorgang wird für eine zweite vorgegebene Spannung wiederholt. Die Steuereinrichtung 47 setzt eine zweite Vorspannung an der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 fest, die sich von der ersten Vorspannung unterscheidet (Schritt S3), und erhält von der Sensoreinrichtung 48 Messwerte der Gleichspannungspotentiale U_DC+, U_DC– und des Stroms I in dem Zweig 42 der Vorspannungserzeugungseinrichtung 32 (Schritt S4).
Anschließend oder bereits parallel zu den vorstehenden Schritten bestimmt die Steuereinrichtung 47 die Isolationswiderstände R_ISO,DC+, R_ISO,DC– aus den gemessenen Größen (Schritt S5). Wenn bspw. die Spannungen U1, U2 die vorgegebenen Vorspannungen der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 sind, I_U1, U_DC+,U1, U_DC–,U1 bzw. I_U2, U_DC+,U2, U_DC–,U2 die gemessenen Ströme bzw. Gleichspannungspotentiale bei der ersten bzw. zweiten vorgegebenen Vorspannung sind, können in erster Näherung für die Ströme I_U1, I_U2 die folgenden Gleichungen angegeben werden: I_U1 = U_DC+,U1/R_ISO,DC+ + U_DC–,U1/R_ISO,DC– I_U2 = U_DC+,U2/R_ISO,DC+ + U_DC–,U2/R_ISO,DC–.
Mit den obigen Gleichungen können die beiden unbekannten Isolationswiderstände R_ISO,DC+ und R_ISO,DC– einfach ermittelt werden.
Die ermittelten Isolationswiderstände können bspw. mit Referenzwerten verglichen werden, um eventuelle Isolationsfehler zu erkennen (S6).
Durch fortlaufende Überwachung der Isolationswiderstände können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise bereits schleichende Isolationsfehler erkannt werden. Das Verfahren kann auch im Betrieb durch periodische, kurzzeitige Veränderung der Vorspannung auf ein gegenüber dem normalen Betriebsniveau anderes Niveau schnell durchgeführt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. So kann bspw. der dreiphasige Wechselrichter 3 durch drei einphasige Wechselrichter ersetzt werden. Es können auch mehrere Wechselrichter ausgangsseitig parallel zueinander geschaltet werden. Ferner sind auch unterschiedliche Ausführungsformen für den Transformator 33, z. B. auch in der Dreiecksschaltung, möglich. Die HF-Entkopplungseinrichtung 52 könnte auch aus einer oder mehreren Kapazitäten und Induktivitäten aufgebaute LC-Filter zur Sperrung bestimmter Frequenzen in dem Frequenzband, in dem die hochfrequenten Ableitströme und zugehörige relevante Oberschwingungen zu erwarten sind, aufweisen. Die Ausführungsformen gemäß den 1 und 3, die allein auf den Induktivitäten 53 bzw. 54, 56, 57 beruhen, werden jedoch aufgrund ihrer einfachen Realisierungsform und hohen Wirksamkeit bevorzugt. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße HF-Entkopplungseinrichtung 52 (bedarfsweise mit der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43) auch in bestehenden Anlagen aufwandslos nachgerüstet werden. Hierzu können die HF-Entkopplungseinrichtung 52 und die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein nachrüstbares Zusatzmodul bilden, das in bestehende Photovoltaikanlagen integriert werden kann.
Es ist eine Photovoltaikanlage 1 zur Umwandlung einer Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator 2 in eine Wechselspannung offenbart, die einen transformatorlosen Wechselrichter 3 mit hochfrequent getakteten Schaltereinheiten aufweist, dessen Gleichspannungseingang 7 an dem Photovoltaikgenerator 2 angeschlossen ist und an dessen Wechselspannungsausgang 8 eine Reihenschaltung aus einer Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 und einer induktiven HF-Entkopplungseinrichtung 52 angeschlossen ist. Die Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 dient zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang 8 des Wechselrichters 3, durch das indirekt das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang 7 des Wechselrichters 3 mit beeinflusst wird. Dadurch kann das Potential an dem Photovoltaikgenerator 2 passend für den Einsatz von Dünnschichtphotovoltaikmodulen oder kristallinen Photovoltaikmodulen mit rückseitiger Zellenkontaktierung vorgegeben werden. Die induktive HF-Entkopplungseinrichtung 52 dient zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 3, um durch den Einsatz der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 bedingte kapazitive Ableitströme an dem Photovoltaikgenerator 2 zu vermeiden. Eine erfindungsgemäße Kombination aus der Vorspannungserzeugungseinrichtung 43 und der induktiven HF-Entkopplungseinrichtung 52 lässt sich aufwandsarm realisieren und in bestehenden Anlagen nachrüsten.

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator (2) in eine ausgangsseitige Wechselspannung mit wenigstens einem transformatorlosen Wechselrichter (3), der einen Gleichspannungseingang (7) zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators (2) und einen Wechselspannungsausgang (8) aufweist; mit einer Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3), wodurch auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang (7) des Wechselrichters (3) beeinflusst wird; und mit einer induktiven HF-Entkopplungseinrichtung (52), die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters (3) eingerichtet ist, wobei die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine Induktivität (53) aufweist, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) in einem Zweig (42) zwischen Erde (44) und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters (3) hindurchgeführten Neutralleiter (22, 41) angeschlossen ist, oder die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse (12, 13, 14) des Wechselrichters (3) entsprechende Anzahl von Induktivitäten (54, 56, 57) aufweist, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss (12, 13, 14) und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zwischen Erde (44) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Photovoltaikgenerator (2) mit wenigstens einem Photovoltaikmodul aufweist, das entweder ein Dünnschichtmodul oder ein kristallines Photovoltaikmodul mit rückseitig kontaktierten Photovoltaikzellen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) in der dreiphasigen Konfiguration mit drei Wechselspannungsausgangsanschlüssen (12, 13, 14) eingerichtet ist, die jeweils einer der drei Phasen seiner Ausgangsspannung zugeordnet sind, und/oder eine Halbbrücken-Konfiguration aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) eine Symmetrierschaltung (23) aufweist, die dazu dient, die Spannungspotentiale an Eingangsanschlüssen (9, 11) des Wechselrichters (3) im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf das Vorspannungspotential einzurichten.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrierschaltung (23) einen Gleichspannungszwischenkreis (17), der zwei in Reihe zueinander zwischen den Eingangsanschlüssen (9, 11) des Wechselrichters (3) angeschlossene Energiezwischenspeicher (18, 19) aufweist, sowie einen Neutralleiter (22, 41) enthält, der mit einem Verbindungspunkt (21) der beiden Energiezwischenspeicher (18, 19) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen an den Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3) angeschlossenen Netztransformator (33) aufweist, der die Wechselrichterausgangsspannung an Netzgrößen eines zu speisenden Netzes (32) angleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Netztransformator (33) eine mit dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3) verbundene Primärseite (34), eine Sekundärseite (36) zum Anschluss an ein Netz (32) und einen Neutralanschluss (39) an der Primärseite (34) aufweist, der vorzugsweise mit einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters (3) hindurchgeführten Neutralleiter (22, 41) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Netztransformator (33) ein dreiphasiger Transformator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) eine Konstantspannungsquelle (46) aufweist, die zwischen Erde (44) und dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neutralleiter (22, 41) mit einem primärseitigen Neutralanschluss (39) eines am Ausgang (8) des Wechselrichters angeschlossenen Netztransformators (33) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (48) zur Erfassung von Messparametern, einschließlich der Gleichspannungspotentiale (U_DC+, U_DC–) am Eingang (7) des Wechselrichters (3) und eines Stroms (I) in einem Zweig (42) der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43), und eine Steuereinrichtung (47) vorgesehen sind, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der erfassten Messparameter den Betrieb der Vorrichtung (1) zu steuern, mögliche Fehlerzustände zu erkennen und darauf zu reagieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (47) dazu eingerichtet ist, die Größe der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) angelegten Vorspannung anhand der erfassten Messparameter variabel einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (47) eine Logik zur Erkennung von Erdschlüssen bzw. Isolationsfehlern durch Überwachung des Stroms (I) in dem Zweig (42) der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) aufweist, wozu eine Logik zur Erkennung schleichender Isolationsfehler an dem Photovoltaikgenerator (2) gehört, die eingerichtet ist, um – aktiv das Potential der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zu modifizieren und vorzugeben, – die Größe der Gleichspannungspotentiale (U_DC+, U_DC–) am positiven und negativen Eingangsanschluss (9, 11) des Wechselrichters (3) und des Stroms (I) in dem Zweig (42) der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) für zwei unterschiedliche vorgegebene Vorspannungspotentiale (U1, U2) zu messen, – aus den Mess- und Vorgabewerten für die Spannungspotentiale (U_DC+,U1, U_DC–,U1, U_DC+,U2, U_DC–,U2) und die Ströme (I_U1, I_U2) die Isolationswiderstände (R_DC+, R_DC–) an dem positiven und dem negativen Gleichspannungseingangsanschluss (9, 11) des Wechselrichters (3) zu bestimmen, – die Isolationswiderstände (R_DC+, R_DC–) mit Referenzwerten zu vergleichen und anhand des Vergleichs das Einsetzen eines Isolationsfehlers zu erkennen.
Zusatzmodul für eine Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator (2) in eine ausgangsseitige Wechselspannung, wobei die Vorrichtung (1) wenigstens einen transformatorlosen Wechselrichter (3) mit einem Gleichspannungseingang (7) zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators (2) und einen Wechselspannungsausgang (8) aufweist, wobei das Zusatzmodul aufweist: einen Anschluss (40) zur Verbindung mit dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3); eine Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Anschluss (40), wodurch auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang (7) des Wechselrichters (3) beeinflusst wird, wenn der Anschluss (40) mit dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3) verbunden ist; und eine induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52), die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters (3) eingerichtet ist, wenn der Anschluss (40) mit dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3) verbunden ist, wobei die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine Induktivität (53) aufweist, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) in einem Zweig (42) zwischen Erde (44) und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters (3) hindurchgeführten Neutralleiter (22, 41) angeschlossen ist, oder die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse (12, 13, 14) des Wechselrichters (3) entsprechende Anzahl von Induktivitäten (54, 56, 57) aufweist, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss (12, 13, 14) und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zwischen Erde (44) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) angeschlossen ist.