DE102011117178A1

DE102011117178A1 - Wechselrichter mit überbrückbarer Rückstromschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE102011117178A1
Application number: DE102011117178A
Authority: DE
Inventors: Stefan Buchhold; Sven Bremicker; Frank Greizer
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Also published as: WO2013060604A2; WO2013060604A3; CN204045601U

Abstract

Es wird ein Wechselrichter offenbart, der eine Vielzahl von Generatoranschlüssen (100a–f) zur Verbindung mit Photovoltaik-Generatoren (2) und einem Gleichspannungsanschluss (120a) aufweist, wobei die Vielzahl von Generatorschlüssen (100a–f) gruppenweise mit Sammelanschlüssen (105a, 105b) elektrisch verbunden sind. Die Sammelanschlüsse (105a, 105b) sind jeweils mittels in den Wechselrichter integrierten Rückstromdioden (130a, 130b) mit dem Gleichspannungsanschluss (120a) verbunden, wobei den Rückstromdioden 130a, 130b) ein schaltbares Überbrückungselement (140a, 140b) parallel geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wechselrichter mit einer überbrückbaren Rückstromschutzvorrichtung.
Wechselrichter werden bei der Erzeugung von Energie mithilfe von photovoltaischen (PV-)Generatoren verwendet, um den von den Generatoren erzeugten Gleichstrom in einen netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln und diesen in ein angeschlossenes Netz einzuspeisen. Hierbei erfüllen die Wechselrichter innerhalb einer PV-Anlage eine Vielzahl von Aufgaben, insbesondere übernehmen sie auch wesentliche Schutzfunktionen zur Vermeidung von Schäden, die von den Generatoren ausgehen können.
Ein Effekt, über den die Generatoren Schäden verursachen können, zum Beispiel indem sie einen Brand auslösen können, ist der so genannte Rückstromeffekt. Dieser kann auftreten, wenn mehrere Generatoren zueinander parallel geschaltet sind. Sofern die parallel geschalteten Generatoren eine erheblich unterschiedliche Leistungsabgabe aufweisen, kann es passieren, dass der Strom der von einer Teilgruppe der parallel geschalteten Generatoren erzeugt wird, durch einen anderen Generator statt durch den Wechselrichter fließt. Hierbei kann die Situation entstehen, dass der betroffene Generator mit dem Strom aller anderen Generatoren der Gruppe belastet wird, was zu dessen Erwärmung bis hin zur thermischen Zerstörung führen kann. Eine Möglichkeit, die zu einem solchen Rückstromfall führt, ist der teilweise oder vollständige Kurzschluss eines der Generatoren.
Der Begriff Generator bezeichnet innerhalb dieser Erfindung einer Reihenschaltung einer Vielzahl von photovoltaischen Elementen wie einzelnen Solarzellen oder auch Modulen von Solarzellen und soll nicht ausschließen, dass innerhalb des Generator auch eine Parallelschaltung photovoltaischer Elemente möglich ist.
Zur Vermeidung von Schäden im Rückstromfall ist es bekannt, Rückstromdioden innerhalb des Strompfades vorzusehen, die allerdings den Nachteil haben, dass über diese Dioden im Betrieb der PV-Anlage dauerhaft einer Spannung abfällt, die zu einem permanenten Leistungsverlust innerhalb der PV-Anlage führt. Weiterhin ist bekannt, anstelle oder zusätzlich zu den Rückstromdioden Schmelzsicherungen vorzusehen, die bei Überschreiten eines Stromwertes ansprechen, der zu einer Zerstörung der Generatoren führen kann. Diese haben allerdings den Nachteil, dass sie nach einem ansprechen ersetzt werden müssen, und somit die PV-Anlage oder zumindest den Betroffenen Generator zeitweise außer Betrieb setzen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter bereitzustellen, der die Nachteile des bekannten Standes der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wechselrichter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wechselrichters sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter umfasst eine Vielzahl von Generatoranschlüssen zur Verbindung mit Photovoltaik-Generatoren. Die Vielzahl von Generatorschlüssen ist gruppenweise mit Sammelanschlüssen elektrisch verbunden. Die Sammelanschlüsse sind über Rückstromdioden mit einem Gleichspannungsanschluss verbunden, wobei die Rückstromdioden mit Hilfe eines parallel verbundenen schaltbaren Überbrückungselementes überbrückt werden können. Durch die Überbrückung werden Leistungsverluste, die aufgrund eines Spannungsabfalles an den Rückstromdioden entstehen, vermieden. Die Rückstromschutzvorrichtung umfassend die Rückstromdioden und die zugeordneten schaltbaren Überbrückungselemente sind hierbei vorzugsweise in den Wechselrichter integriert, wodurch eine einfache Installation und Konfiguration, sowie ein zuverlässiger Betrieb der Schutzvorrichtung erreicht wird.
Vorzugsweise wird die Überbrückung nur dann aktiviert, wenn aufgrund des Betriebszustandes oder der Anlagenkonfiguration sichergestellt ist, dass keinesfalls ein Rückstrom über einen einzelnen angeschlossenen Generator fließen kann, den dessen maximal zulässige Strombelastbarkeit überschreitet.
Sofern die Anlagenkonfiguration bereits so gewählt ist, zum Beispiel aufgrund der Anzahl an Generatoren oder deren Verteilung an den zur Verfügung stehenden Generatoranschlüssen, dass ein Überschreiten der maximal zulässigen Strombelastbarkeit nicht erfolgen kann, kann durch den Installateur eine dauerhafte Überbrückung einzelner oder auch aller Rückstromdioden mittels der entsprechenden Überbrückungselemente erfolgen. Dies kann mit Hilfe von Drahtbrücken oder auch mit mechanischen Schaltern erfolgen. Ebenso ist es denkbar, geeignete Parameter in der Anlagensoftware vorzusehen, über die eine dauerhafte Aktivierung der entsprechenden Überbrückungselemente bewerkstelligt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsvariante weisen die schaltbaren Überbrückungselemente elektromechanische Schalter wie Relais oder Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs oder Feldeffekttransistoren wie MOSFETs oder JFETs auf.
Die schaltbaren Überbrückungselemente können in einer vorteilhaften Ausführung mit einer in den Wechselrichter integrierten Steuereinrichtung angesprochen werden. Diese Steuereinrichtung übernimmt in diesem Fall die Funktion, die Überbrückungselemente dann zu aktivieren, wenn sichergestellt ist, dass keine Überlastung einzelner Generatoren durch einen übermäßigen Rückstrom erfolgt.
Hierzu kann die Steuereinrichtung mit Stromsensoren verbunden sein, die Stromwerte von einzelnen Generatoren oder von Gruppen von Generatoren überwachen. Aufgrund der gemessenen Stromwerte entscheidet die Steuereinrichtung, ob eine Überbrückung der Rückstromdiode gefahrlos erfolgen kann. Stellt beispielsweise einer der Stromsensoren einen Rückstrom fest, kann die Steuereinrichtung die Überbrückung einer Rückstromdiode deaktivieren und so den Rückstrom unterbinden oder zumindest auf einen unterkritischen Wert reduzieren.
Alternativ oder zusätzlich zu den Stromsensoren kann die Steuereinrichtung mit Spannungssensoren verbunden sein. Diese Spannungssensoren können beispielweise eine Spannung zwischen zwei Generatoranschlüssen oder Sammelanschlüssen unterschiedlicher Polarität bestimmen und vor oder hinter den Rückstromdioden angeordnet sein. Ebenso kann die über die Rückstromdiode abfallende Spannung überwacht werden. In letzterem Fall kann die Steuereinheit während der Messung zeitweise die Überbrückung deaktivieren, um eine aussagekräftige Messung zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wechselrichter weiterhin einen Verpolungsschutz, beispielsweise eine Diode, auf, die zwischen Generatoranschlüsse in unterschiedlicher Polarität derart angeordnet ist, dass ein verpolt angeschlossener Generator durch den Verpolungsschutz kurz geschlossen wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass selbst bei verpolt angeschlossenem Generator keine Gefahr von der PV-Anlage ausgeht.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Form von Figuren dargestellt und erläutert. Es zeigen:
1 einen Wechselrichter mit einer Anordnung von Komponenten,
2 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit Verpolungsschutz,
4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung eines Überbrückungselementes der Rückstromschutzvorrichtung und
5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung eines Überbrückungselementes der Rückstromschutzvorrichtung.
Die Darstellungen sind zur Illustration der Erfindung gedacht. Typ, Form und Anordnung der Elemente sind lediglich ein Beispiel zur Umsetzung des Erfindungsgedankens und nicht zur Einschränkung des Gegenstandes auf gezeigte Ausführungsformen bestimmt. Der erfindungsgemäße Gegenstand wird nur durch den Wortlaut der Ansprüche beschränkt.
1 zeigt den Aufbau eines Wechselrichters 1, an dem in einem Anschlussbereich 100 mehrere Generatoren 2 zur Energieeinspeisung in den Wechselrichter angeschlossen sind. Die Generatoren 2 sind hierbei in 2 Gruppen zu je 3 Generatoren aufgeteilt. Jede Gruppe ist innerhalb des Wechselrichters mit einem Element 10 verbunden, welches DC-Schütze, mit denen die Generatoren bei Bedarf vom Wechselrichter getrennt werden können, und/oder DC-Filterelemente aufweist. Die Leistung jeder Gruppe wird dann über einen Rückstromschutzvorrichtung 20 an einen gemeinsamen Zwischenkreis 30 weitergeleitet. Dieser Zwischenkreis 30 kann weiterhin einen (nicht eigenständig gezeigten) DC/DC-Wandler zur Anpassung des Spannungsniveaus aufweisen. Es ist ebenfalls denkbar, dass die beiden Gruppen von Generatoren 2 jeweils ein eigener DC/DC-Wandler zur Anpassung der Gleichspannung der jeweiligen Gruppe auf das Spannungsniveau des gemeinsamen Zwischenkreis 30 zugeordnet ist.
Der gemeinsame Zwischenkreis 30 ist weiter mit der Wechselrichter Brücke 40 verbunden, die die Gleichspannung der Generatoren in eine Wechselspannung umwandelt und über AC-Filter 50 und ein AC-Schützelement 60 an einem Netzanschluss 80 bereitstellt. Über den Netzanschluss 80 kann ein Netz 70, zum Beispiel ein öffentliches Energieversorgungsnetz, angeschlossen sein. Der Wechselrichter kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit als einphasiger oder mehrphasiger Wechselrichter ausgebildet sein.
2 zeigt eine Ausführung des Wechselrichters 1 in größerem Detail. Zur Vereinfachung der Darstellung sind viele Komponenten des Wechselrichters, wie in 1 gezeigt, weggelassen. Jeweils eine Gruppe von drei Generatoranschlüssen 100a, 100b, 100c und 100d, 100e, 100f ist auf einem Sammelanschluss 105a, 105b zusammen verbunden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass über einen angeschlossenen Generator im Rückstromfall maximal der Strom fließen kann, der über die beiden anderen Generatoren, die am gleichen Sammelanschluss angeschlossen sind. In der Regel sind die heute am Markt angebotenen Generatoren in der Lage, den doppelten Nennstrom als Rückstrom dauerhaft führen zu können, ohne Schaden zu nehmen. Daher ist ein verbinden einer Gruppe von drei Generatoren in inhärent sicherer Weise möglich. Wenn ein Generator mehr als dem doppelten Nennstrom dauerhaft führen kann, zum Beispiel den n-fachen Nennstrom, ist es auch denkbar, mehr als drei Generatoren (in diesem Fall bis zu n + 1 Generatoren) auf einem Sammelanschluss zusammenzuführen.
Der Sammelanschluss 105ah, 105b wird über eine zugeordnete Rückstromdiode 130a, 130b mit einem Gleichspannungsanschluss 120a verbunden. Durch die beiden Rückstromdioden 130a, 130b wird vermieden, dass in einem Rückstromfall der betroffene Generator zusätzlich mit einem von einer anderen Gruppe von Generatoren erzeugten Strom als Rückstrom belastet wird.
Parallel zur Rückstromdiode 130a, 130b ist jeweils ein schaltbares Überbrückungselement 140a, 140b angeordnet, welches in einem geschlossenen Schaltzustand die jeweils zugeordnete Rückstromdiode überbrückt. Das Überbrückungselement 140a, 140b kann hierbei als einfache Drahtbrücke oder als ein anderes, dauerhaft schaltendes Element ausgeführt sein, welche der Installateur je nach Konfiguration der PV-Anlage einsetzen oder zum Beispiel innerhalb der Anlagen-Software parametrieren kann. Das Überbrückungselement 140a, 140b kann aber auch als durch den Wechselrichter aktiv angesteuertes Schaltelement, zum Beispiel ein elektromechanisches Schaltelement wie ein Relais sein, oder auch als Halbleiter-Schaltelement, zum Beispiel als IGBT oder Feldeffekttransistor, ausgeführt sein. Auch wenn in 2 gezeigt ist, dass jede Rückstromdiode 130a, 130b ein Überbrückungselement 140a, 140b aufweist, ist es ebenso denkbar, nur ein Teil der Rückstromdioden 130a, 130b mit einem entsprechenden Überbrückungselement auszustatten.
Hierbei ist es ausreichend, nur die Generatoranschlüsse einer gemeinsamen Polarität, zum Beispiel die positiven Anschlüsse der Generatoren, mit den Rückstromdioden 130a, 130b als Schutzelement auszustatten. Die die Generatoranschlüsse 110a, 110b, 110c und 110d, 110e, 110f der jeweils anderen Polarität benötigen keine eigenen Rückstromdioden und können gemeinsam und in direkter Weise mit einem zugeordneten Gleichspannungsanschluss 120b verbunden sein.
Wie in 3 gezeigt, kann zwischen Gruppen von Generatoranschlüssen unterschiedlicher Polarität ein Verpolungsschutz 150a, 150b angeordnet sein dieser Verpolungsschutz 150a, 150b kann wie gezeigt als Diode ausgeführt sein.
Sollte also zum Beispiel zwischen einem ersten Generatoranschluss 100b und einem zweiten Generatoranschluss 110b ein Generator mit verwechselter Polarität angeschlossen sein, würde dieser automatisch über den Verpolungsschutz 150b kurzgeschlossen, so dass keine Gefahr von dem verpolt angeschlossenen Generator ausgeht.
In 4 ist zusätzlich gezeigt, wie die Überbrückungselemente 140a, 140b mit jeweils zugeordneten Steuereinheiten 160a, 160b über Steuerleitungen 180a, 180b aktiv geschaltet werden können. Hierzu weisen die Steuereinrichtungen 160a, 160b jeweils Verbindungen zu zugeordneten Stromsensoren 170 auf, die die Ströme messen, die über entsprechende Generatoranschlüsse 100ah, 100b, 100c und 100d, 100e, 100f fließen. Seit auf diese Weise ist es möglich, die zugeordneten Überbrückungselemente 140a, 140b immer dann zu öffnen, und damit die Schutzwirkung der entsprechenden Rückstromdiode 130a, 130b zu aktivieren, wenn der über die Stromsensoren 170 bestimmte Einspeisezustand der Generatoren die Möglichkeit für einen Rückstromfall oder gar das Vorliegen eines Rückstromfalles anzeigt. Andernfalls wird das Überbrückungselement 140a, 140b von der Steuereinrichtung 160a, 160b geschlossen, so dass eine durch den Spannungsabfall an den Rückstromdioden 130a, 130b verursachte Verlustleistung vermieden wird.
5 zeigt eine Ausführungsform, in der die Steuereinrichtung 160b anstelle von Stromsensoren über Spannungssensoren 190 den Zustand des Wechselrichters überwacht und das Überbrückungselement 140b über die Steuerleitung 180b entsprechend ansteuert. Die Spannungssensoren können hierbei zwischen Sammelanschlüssen unterschiedlicher Polarität vor oder hinter der Rückstromdiode 130b angeordnet sein, oder sie können den Spannungsabfall über die Rückstromdiode 130b bestimmen. Sofern der Spannungsabfall über die Rückstromdiode 130b bestimmt wird, stellt die Steuereinrichtung 160b sicher, dass dieser Spannungsabfall bestimmt wird, wenn das Überbrückungselement 140b geöffnet ist, und steuert es gegebenenfalls entsprechend an.
Die oben beschriebenen Ausführungen sind nur beispielhaft und grenzen die Erfindung nicht ein. Sie kann auf vielfältige Weise im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Wechselrichter
2: Generator
10: DC-Schütz-/Filterelement
20: Rückstromschutzvorrichtung
30: Zwischenkreis
40: Wechselrichterbrücke
50: AC-Filter
60: AC-Schützelement
70: Netz
80: Netzanschluss
100, 100a–f: Generatoranschluss
105a, 105b: Sammelanschluss
110a–f: Generatoranschluss
120a, 130b: Gleichspannungsanschluss
130a, 130b: Rückstromdiode
140a, 140b: Überbrückungselement
150a, 150b: Verpolungsschutz
160a, 160b: Steuereinrichtung
170: Stromsensor
180a, 180b: Steuerleitung
190: Spannungssensor

Claims

Wechselrichter, umfassend eine Vielzahl von Generatoranschlüssen (100a–f) zur Verbindung mit Photovoltaik-Generatoren (2) und einem Gleichspannungsanschluss (120a), wobei die Vielzahl von Generatorschlüssen (100a–f) gruppenweise mit Sammelanschlüssen (105a, 105b) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelanschlüsse (105a, 105b) jeweils mittels in den Wechselrichter integrierten Rückstromdioden (130a, 130b) mit dem Gleichspannungsanschluss (120a) verbunden sind, wobei den Rückstromdioden 130a, 130b) ein schaltbares Überbrückungselement (140a, 140b) parallel geschaltet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sammelanschluss (105a, 105b) mit einer Gruppe von drei Generatoranschlüssen (100a–c, 100d–f) verbunden ist.
Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (140a, 140b) eine steckbare Drahtbrücke oder einen mechanischen Schalter aufweist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (140a, 140b) einen elektromechanischen Schalter oder einen Halbleiterschalter aufweist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter weiterhin einen Verpolungsschutz (150a, 150b) aufweist, der derart angeordnet ist, dass ein verpolt angeschlossener Generator (2) durch den Verpolungsschutz (150a, 150b) kurzgeschlossen wird.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter weiterhin eine Steuereinrichtung (160a, 160b) zur Steuerung des schaltbaren Überbrückungselementes (140a, 140b) aufweist, die eingerichtet ist, um die Rückstromdiode (130a, 130b) zu überbrücken, wenn der Wechselrichter sich in einem Betriebszustand befindet, in dem im Rückstromfall nur ein Strom über einen mit den Generatoranschlüssen verbundenen Einzelgenerator fließen kann, der kleiner als ein maximal zulässiger Stromwert des Einzelgenerators ist.
Wechselrichter nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (160a, 160b) mit Stromsensoren (170) zur Stromüberwachung an den Generatorschlüssen (100a–f) verbunden ist.
Wechselrichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (160a, 160b) mit Spannungssensoren (190) zur Überwachung der Spannung zwischen Generatorschlüssen verbunden ist.
Wechselrichter nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mit Spannungssensoren (190) zur Überwachung der Spannung über die Rückstromdioden (130a, 130b) verbunden ist.