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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Anschlüssen, an die mehrere Strings von Solarzellen angeschlossen sind, die über jeweils einen DC/DC-Wandler an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind und die untereinander brückbar sind. Das heißt, die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines sogenannten Multistring-Wechselrichters, der mittels mehrerer DC/DC-Wandler verschiedene angeschlossene Strings bei unterschiedlichen Spannungen, d. h. an unterschiedlichen Betriebspunkten betreiben kann, um die maximale elektrische Leistung von ihnen zu erlangen, bei dem aber auch mehrere DC/DC-Wandler zwischen denselben Strings bzw. deren Anschlüssen und dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis parallel geschaltet sein können. Diese Parallelschaltung ist nutzbar, um den Strom von den zusammen geschalteten Strings bei hoher Leistung auf mehrere DC/DC-Wandler aufzuteilen und bei nur geringer Leistung über eine reduzierte Anzahl von DC/DC-Wandlern in den Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen, um den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu optimieren. Bei einem solchen Multistring-Wechselrichter sind die DC/DC-Wandler demnach abhängig davon anzusteuern, wie die Stringkonfiguration tatsächlich ist, d. h. ob und welche Anschlüsse gebrückt sind, oder andersherum, über welche Anschlüsse verschiedene oder dieselben Strings an den Wechselrichter angeschlossen sind.
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STAND DER TECHNIK
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Um einen Multistring-Wechselrichter, dessen Anschlüsse gebrückt sein können, optimal zu betreiben, ist es bekannt, einer Steuerung des Wechselrichters die gebrückten Anschlüsse durch Hardware oder Software mitzuteilen. Zu entsprechender Hardware gehören beispielsweise Informationsschalter. Zu entsprechender Software zählt zum Beispiel die Eingabe der Stellung der Schalter in ein Steuerprogramm. Bei diesen Eingaben können jedoch Fehler auftreten. Insbesondere kann vergessen werden, eine Änderung beim Brücken der Anschlüsse der Steuerung mitzuteilen. Außerdem können Brücken zwischen Anschlüssen auch durch Störungen oder Sabotage auftreten oder wegfallen. Wenn jedoch ein Multistring-Wechselrichter mit falschen Informationen über die Brücken zwischen seinen Anschlüssen betrieben wird, resultieren große Einbußen gegenüber der zur gleichen Zeit maximal möglichen Einspeiseleistung. Bei langfristigem Betrieb mit falschen Informationen sind auch Beeinträchtigungen der Lebensdauer zumindest der DC/DC-Wandler des Wechselrichters zu erwarten.
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Aus der
WO 2006/133714 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Zusammenschaltungsart von mindestens zwei elektrischen Einrichtungen bekannt. Hier wird die Eingangsspannung an einem der Anschlüsse eines Multistring-Wechselrichters durch geeignetes Ansteuern des zugeordneten DC/DC-Wandlers verändert, und es wird überprüft, ob sich die Eingangsspannung an anderen Anschlüssen gleichzeitig zwischen gleichen Werten ändert. Insbesondere wird dazu der an den jeweiligen Anschluss angeschlossene String mit Hilfe des dem Anschluss zugeordneten DC/DC-Wandlers belastet. Vorzugsweise soll diese Bestimmung unter Verwendung verschiedener Anschlüsse bzw. zugeordneter DC/DC-Wandler wiederholt werden. Zudem kann die Bestimmung beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Wechselrichters wiederholt werden oder immer dann, wenn der Wechselrichter beginnt, elektrische Leistung in ein Wechselstromnetz einzuspeisen. Das Bestimmen der Zusammenschaltungsart der Strings nach dem bekannten Verfahren ist somit dem eigentlichen Betrieb des Wechselrichters vorgeschaltet. Je nach Anzahl der Anschlüsse und der zugehörigen DC/DC-Wandler kann es einige Zeit in Anspruch nehmen, um die verschiedenen Kombinationen eines Anschlusses, an dem die Eingangsspannung verändert wird, und der an einem anderen Anschluss parallel beobachteten Eingangsspannung abzufragen. Während dieser Bestimmung wird der Zwischenkreis von den Strings noch nicht mit der zur Verfügung stehenden Maximalleistung gespeist. Dies bedeutet nicht nur einen Verlust an grundsätzlich einspeisbarer elektrischer Leistung, sondern kann auch zu einem unerwünschten Trennen des Wechselrichters von dem jeweiligen Wechselstromnetz führen, weil der jeweils einzeln belastete String die einzeln belastete Gruppe parallelgeschalteter Strings allein für eine Einspeisung von elektrischer Energie in das Wechselstromnetz noch nicht ausreichend belastbar ist. In diesem Fall sind erneut zusätzliche Zuschaltversuche des Wechselrichters zu dem jeweiligen Wechselstromnetz die Folge. Diese belasten jedoch die AC-Relais zwischen Wechselrichter und Wechselstromnetz in unnötiger Weise und reduzieren so deren Lebensdauer.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Multistring-Wechselrichters, dessen Anschlüsse gebrückt sein können, aufzuzeigen, das ein Bestimmen der Stringkonfiguration ohne nennenswerte Verluste an eingespeister elektrischer Energie und/oder ohne zusätzliche Zuschaltversuche beim Zuschalten des Wechselrichters an ein Wechselstromnetz ermöglicht.
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LÖSUNG
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Die Erfindung wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 13 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Patentanspruch 14 ist auf einen Wechselrichter gerichtet, dessen Steuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit mehreren Anschlüssen, (i) an die mehrere Strings von Solarzellen angeschlossen sind, (ii) die über jeweils einen DC/DC-Wandler an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind und (iii) die untereinander brückbar sind, werden die durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen erfasst und werden zumindest zeitweise mindestens zwei der DC/DC-Wandler mit dem Ziel angesteuert, durch diese DC/DC-Wandler fließende Teilströme zu symmetrieren, oder zwischen den Anschlüssen und dem Gleichspannungszwischenkreis durchgeschaltet. Das heißt, das Verfahren geht zumindest zu Beginn und zumindest für zwei der DC/DC-Wandler davon aus, dass über diese dieselben Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Um dies jedoch zu überprüfen, werden beim Ansteuern der mindestens zwei DC/DC-Wandler mit dem Ziel, die durch sie fließenden Ströme zu symmetrieren, und oder beim Durchschalten der mindestens zwei DC/DC-Wandler die durch die mindestens zwei DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen miteinander verglichen. Dann, wenn bei einem ersten und einem zweiten der mindestens zwei DC/DC-Wandler eine Differenz zwischen den durch sie fließenden Teilleistungen festgestellt wird, die einen Grenzwert überschreiten, wird dies als hinreichendes Kriterium dafür angesehen, dass über den ersten und den zweiten DC/DC-Wandler verschiedene, d. h. nicht gebrückte Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Der angewandte Grenzwert kann im Wesentlichen die Grenzen der Messgenauigkeiten widerspiegeln, da die mit ihm verglichenen Differenzen im Idealfall null sind. Mit verschiedenen Strings sind hier alle Strings gemeint, die nicht dieselben sind. Das heißt, die Strings müssen sich nicht in irgendeiner Eigenschaft unterscheiden, um hier als verschiedene Strings angesehen zu werden. Entsprechend sind nur gleiche Strings ebenso wie alle anderen Strings, bei denen es sich aber nicht um dieselben Strings handelt, verschiedene Strings im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Bei den zu symmetrierenden Teilströmen durch die DC/DC-Wandler kann es sich entweder um Eingangsströme oder um Ausgangsströme der einzelnen DC/DC-Wandler handeln. Erstere fließen aus den Strings von Solarzellen in die einzelnen DC/DC-Wandler, während letztere von den einzelnen DC/DC-Wandlern in den gemeinsamen Zwischenkreis des Wechselrichters fließen. Je nachdem, ob es sich bei den DC/DC-Wandlern um Hochsetzsteller (HSS) oder Tiefsetzsteller (TSS) handelt, kann die Symmetrierung der Eingangsströme (bei einem HSS) oder aber die Symmetrierung der Ausgangsströme (bei einem TSS), d. h. deren Verwendung als Eingangsgröße für eine das Symmetrieren umsetzende Regelung, vorteilhafter sein.
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Unter durchgeschalteten DC/DC-Wandlern sind inaktivierte DC/DC-Wandler zu verstehen, die den ihnen zugeordneten Anschluss jetzt direkt mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters verbinden. Dies kann – und muss bei einigen DC/DC-Wandlern, wie beispielsweise sogenannten HF-Wandlern, sogar – das Überbrücken der aktiven Bestandteile des jeweiligen DC/DC-Wandlers umfassen.
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Zum Erfassen der durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen können an den einzelnen Anschlüssen anliegende Eingangsspannungen und die Eingangsströme der einzelnen DC/DC-Wandler gemessen werden. Die Teilleistungen ergeben sich hieraus als Produkt. Die Eingangsspannungen werden an den meisten Wechselrichtern sowieso gemessen; die Eingangsströme der einzelnen DC/DC-Wandler werden sowieso benötigt, wenn sie als Teilströme durch die DC/DC-Wandler symmetriert werden sollen.
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Alternativ können, zum Erfassen der durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen nur die Ausgangsströme der einzelnen DC/DC-Wandler gemessen werden. Multipliziert mit der Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises ergeben sich hieraus die tatsächlichen durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen. Auf deren Berechnung kann jedoch verzichtet werden, da der Faktor der Zwischenkreisspannung für alle Teilleistungen gleich ist. Anders gesagt können direkt die Ausgangsströme der DC/DC-Wandler als Maß für die Teilleistungen verglichen werden.
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Eine weitere Möglichkeit, mit nur einem Messwert je DC/DC-Wandler auszukommen, bietet sich innerhalb einer Gruppe von DC/DC-Wandlern, die mit dem Ziel angesteuert werden, ihre Eingangsströme zu symmetrieren. In diesem Fall können die Eingangsströme der betreffenden DC/DC-Wandler aufgrund der Symmetrierung als gleich unterstellt werden. Da sich die Teilleistungen aus dem Produkt aus Eingangsstrom und Eingangsspannung der DC/DC-Wandler ergeben, sind daher die Eingangsspannungen ein direktes Maß für die durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen. In diesem Fall genügt es also zur Bestimmung der durch die DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen, lediglich die Eingangsspannungen der DC/DC-Wandler zu vergleichen, da die symmetrierten Eingangsströme nur einen für alle DC/DC-Wandler konstanten Faktor zu den Teilleistungen beisteuern.
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Wenn die betrachteten DC/DC-Wandler mit dem Ziel angesteuert werden, die durch sie fließenden Teilströme zu symmetrieren, wozu diese Teilströme sowieso gemessen werden, können zum ersten Vergleichen der durch die DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen die gemessenen tatsächlichen Teilströme durch die einzelnen DC/DC-Wandler verglichen werden. Wenn hier nicht zu beseitigende Differenzen oberhalb eines die Grenzen der Steuerung berücksichtigenden Grenzwerts auftreten, ist dies unabhängig von den zugehörigen Spannungen ein ausreichendes Indiz dafür, dass nicht dieselben Strings an die betrachteten DC/DC-Wandler angeschlossen sind.
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Die durch das Vergleichen der durch die mindestens zwei DC/DC-Wandler fließenden Teilleistungen über die vorliegende Stringkonfiguration gewonnenen Erkenntnisse werden bei der weiteren Ansteuerung des ersten und des zweiten DC/DC-Wandlers berücksichtigt. Das heißt, es wird insbesondere nicht mehr versucht, die durch den ersten und den zweiten DC/DC-Wandler fließenden Teilströme zu symmetrieren, wenn sich einmal herausgestellt hat, dass über den ersten und den zweiten DC/DC-Wandler verschiedene, d. h. nicht gebrückte Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Eine Symmetrierung dient nämlich insbesondere der gleichmäßigen Nutzung von mehreren DC/DC-Wandlern, über die dieselben Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Daher ist sie auch nur dann sinnvoll, wenn wirklich dieselben Strings an die mehreren DC/DC-Wandler angeschlossen sind.
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Stattdessen können beim darauf abgestimmten Ansteuern, dass über den ersten und den zweiten DC/DC-Wandler verschiedene Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, der erste und der zweite DC/DC-Wandler für ein separates MPP-Tracking der angeschlossenen Strings angesteuert werden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass beim anfänglichen Ansteuern der DC/DC-Wandler mit dem Ziel, die durch sie in den Gleichspannungskreis fließenden Teilströme zu symmetrieren, eine größere Zahl von DC/DC-Wandlern als zwei entsprechend angesteuert wird. In diesem Fall können die durch die DC/DC-Wandler fließenden Teilströme und/oder die an den zugehörigen Anschlüssen anliegenden Eingangsspannungen miteinander verglichen werden, um dann, wenn bei einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe der DC/DC-Wandler unterschiedliche, aber innerhalb der jeweiligen Gruppe gleiche Teilströme und Eingangsspannungen gemessen werden, darauf zu schließen, dass über die erste Gruppe und die zweite Gruppe der DC/DC-Wandler verschiedene Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Anschließend können die erste und die zweite Gruppe der DC/DC-Wandler basierend auf diesen Schlüssen zur vorliegenden Stringkonfiguration angesteuert werden. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass zwar die DC/DC-Wandler innerhalb der einzelnen Gruppen nachfolgend angesteuert werden, um die durch sie fließenden Ströme zu symmetrieren, dass aber keine Symmetrierung über die DC/DC-Wandler der verschiedenen Gruppen hinweg mehr versucht wird. Auch bei den fortgesetzten Versuchen der Symmetrierung innerhalb der einzelnen Gruppen können im nachfolgenden Betrieb des Wechselrichters noch unterschiedliche Teilströme und/oder Eingangsspannungen auftreten, die Hinweise darauf sind, dass auch innerhalb der zunächst festgestellten Gruppen verschiedene DC/DC-Wandler verschiedene Strings an den Gleichspannungszwischenkreis anschließen. Dann sind diese Gruppen weiter zu unterteilen, bis entweder eine dauerhafte Symmetrierung innerhalb einer Gruppe möglich ist oder die Gruppe nur noch aus einem einzelnen DC/DC-Wandler besteht. Generell ist zu beachten, dass ein nicht gebrückter Zustand zweier Strings stets eindeutig erkannt wird, nämlich anhand unterschiedlicher durch die DC/DC-Wandler fließender Teilleistungen. Hingegen sind gleiche durch die DC/DC-Wandler fließende Teilleistungen zwar ein Indiz aber kein hinreichendes Kriterium für einen gebrückten Zustand der beiden betrachteten Strings.
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So kann der Fall auftreten, dass Strings mit zumindest weitgehend gleichen Eigenschaften, die unter gleichen Betriebsbedingungen bzw. in gleichen Betriebsumgebungen betrieben werden, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lange Zeit nicht als verschiedene d. h. nicht gebrückte, Strings erkannt werden, da sich die von ihnen fließenden Teilströme bei gleichen Eingangsspannungen symmetrieren lassen. In diesem Fall ist es jedoch auch unschädlich, wenn diese Strings wegen der Symmetrierung ihrer Teilströme auf übereinstimmende Betriebspunkte hin angesteuert werden, weil die MPPs dieser Strings aufgrund ihrer übereinstimmenden Eigenschaften und Betriebsbedingungen bzw. Betriebsumgebungen ebenfalls übereinstimmen werden. Anders gesagt unterscheidet das erfindungsgemäße Verfahren nur dann zwischen mehreren Strings, die gemeinsam an mehrere Anschlüsse angeschlossen sind, und mehreren Strings, die getrennt voneinander an mehrere Anschlüsse angeschlossen sind, wenn diese Unterscheidung zur Maximierung der von den Strings erhältlichen elektrischen Energie erforderlich oder aus anderen Gründen sinnvoll ist.
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Aus diesem Grundgedanken heraus ist es möglich, zunächst alle DC/DC-Wandler mit dem Ziel anzusteuern, die durch sie fließenden Teilströme zu symmetrieren, oder auch durchzuschalten. Erst im Anschluss daran wird nach Bedarf zwischen solchen DC/DC-Wandlern unterschieden, die aufgrund der gemessenen Teilströme und/oder Eingangsspannungen verschiedenen angeschlossenen Strings zuzuordnen sind und eine unterschiedliche Ansteuerung sinnvoll erscheinen lassen, um bspw. unterschiedliche MPP-Betriebspunkte dieser Strings anzufahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren schließt es aber nicht generell aus, einen ersten Überblick über wahrscheinlich gebrückte bzw. mit Sicherheit nicht gebrückte Strings auch aufgrund anderer Methoden zu erlangen. So ist es möglich, dass zunächst mindestens ein DC/DC-Wandler einzeln angesteuert wird, um alle über ihn an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Strings selektiv zu belasten. Parallel dazu werden die an allen Anschlüssen anliegenden Eingangsspannungen beobachtet, um anschließend alle DC/DC-Wandler, bei denen die Eingangsspannungen an den zugehörigen Anschlüssen infolge der Belastung jeweils gleichzeitig zurückgehen, in einer Gruppe zusammenzufassen. Zumindest die DC/DC-Wandler innerhalb dieser Gruppe werden im Folgenden mit dem Ziel angesteuert, die durch sie fließenden Ströme zu symmetrieren. DC/DC-Wandler, bei denen sich die Eingangsspannungen an den zugehörigen Anschlüssen nicht synchron mit der Eingangsspannung an dem einzeln angesteuerten DC/DC-Wandler ändern, können nicht an dieselben Strings angeschlossen sein wie dieser. Entsprechend kann auf den Versuch einer Symmetrierung der über sie fließenden Teilströme verzichtet werden. Allerdings wird bei dieser Vorgehensweise auch zwischen Strings unterschieden, die sich im Wesentlichen gleichen und deshalb an sich keine unterschiedliche Ansteuerung erforderlich machen. Umgekehrt ist jedoch eine unabhängig voneinander durchgeführte Ansteuerung in diesem Fall auch unschädlich.
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Eine weitere Möglichkeit, einen ersten Überblick über wahrscheinlich gebrückte bzw. mit Sicherheit nicht gebrückte Strings zu erlangen ist die Messung der Leerlaufspannungen im unbelasteten Zustand der Strings. Hierbei ist es vorteilhaft, zunächst alle Strings von den DC/DC-Wandlern über geeignete Schaltelemente zu trennen. Danach werden alle Leerlaufspannungen der Strings gemessen und diejenigen Strings in Gruppen zusammengefasst, die untereinander gleiche Leerlaufspannungen aufweisen. Strings, die unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit unterschiedliche Leerlaufspannungen aufweisen, können nicht gebrückt sein, und damit keinesfalls einer gemeinsamen Gruppe angehören. Bei dieser Möglichkeit ist darauf zu achten, dass sich die Schaltelemente aus Sicht der Strings jeweils hinter den potentiellen Brückenpositionen befinden, damit Strings, die untereinander über Brücken verbunden sind, auch nach dem Öffnen der Schaltelemente als gebrückt detektiert werden können.
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Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren feststeht, dass über mehrere DC/DC-Wandler dieselben Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, können von diesen DC/DC-Wandlern jeweils so viele abgeschaltet werden, dass die verbleibenden DC/DC-Wandler den Strom von den Strings mit maximalem Wirkungsgrad in den Gleichspannungszwischenkreis fließen lassen. Sollte sich unter den Anschlüssen, die bislang denselben Strings zugeordnet wurden, tatsächlich noch ein Anschluss befinden, an dem ein nur gleicher, d. h. gleichartiger, String angeschlossen ist, zeigt sich dies beim Deaktivieren des ersten DC/DC-Wandlers, weil spätestens dann die bisherige Symmetrie der Eingangsspannungen verloren geht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Informationen, über welche DC/DC-Wandler verschiedene Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, gespeichert werden. Diese Informationen können dann beispielsweise so lange für das Ansteuern der DC/DC-Wandler verwendet werden, bis es neue Hinweise auf eine geänderte Stringkonfiguration gibt. Üblicherweise sind derartige Änderungen der Stringkonfiguration nur zu erwarten, wenn der Wechselrichter heruntergefahren ist. Entsprechend können die Informationen, über welche DC/DC-Wandler verschiedene Strings an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, gelöscht werden, wenn der Wechselrichter heruntergefahren wird. Mit dem neuen Verfahren werden sie sehr schnell wieder neu gewonnen, so dass es keinen Schaden darstellt, wenn sie gelöscht und neu gewonnen werden, auch wenn es keine Änderungen gegeben hat.
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Andererseits kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Informationen über die aktuell detektierte Stringkonfiguration längerfristig zu speichern und dennoch nach jedem Hochfahren des Wechselrichters das beschriebene Verfahren zur Erkennung der String-Konfiguration durchzuführen. Wenn anschließend das aktuell bestimmte Ergebnis mit dem jeweils zuvor gespeicherten Ergebnis verglichen wird, weist eine Abweichung auf eine Änderung der Stringkonfiguration hin. Diese Änderung kann nun einerseits bewusst – beispielsweise von einem Installateur – durchgeführt worden sein, andererseits aber auch durch unerwünschte Einwirkungen – beispielsweise Sabotage – erfolgt sein. In jedem, insbesondere aber in dem letzteren Fall ist es sinnvoll, dass die detektierte Änderung der Stringkonfiguration – beispielsweise über eine GSM-Nachricht – von dem Wechselrichter an eine Überwachungsstelle gemeldet wird.
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Steuerung so ausgebildet ist, dass sie seine DC/DC-Wandler gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Wenn hingegen nur die genaue Anzahl eines Merkmals angegeben werden soll, findet das Adjektiv ”genau” vor dem jeweiligen Merkmal Verwendung. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Multistring-Wechselrichters mit mehreren einzeln angeschlossenen Strings.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt schematisch einen Multistring-Wechselrichter 1, an den Strings 11 bis 15 angeschlossen sind. Die Strings 11 bis 15 weisen jeweils eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Solarzellen auf. Die Solarzellen können zusätzlich auch parallel geschaltet und in Module gruppiert sein. Die Anzahl der Strings 11 bis 15 entspricht hier der Anzahl von Anschlüssen 21 bis 25 des Wechselrichters 1. Grundsätzlich können auch mehr Strings 11 bis 15 als Anschlüsse 21 bis 25 vorgesehen sein. Weiterhin können die Strings 11 bis 15 grundsätzlich gleiche oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, was sich nicht nur auf ihre Bauweise sondern auch auf ihre Ausrichtung und ihre sonstige Funktionsumgebung bezieht. An jedem der Anschlüsse 21 bis 25 ist ein Voltmeter 31 bis 35 vorgesehen, um die an dem Anschluss anliegende Eingangsspannung des Wechselrichters 1 zu messen. Weiterhin ist jedem Anschluss 21 bis 25 ein DC/DC-Wandler 41 bis 45 zugeordnet, über den der jeweilige Anschluss an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 2 mit einer Kapazität 3 angeschlossen ist. Der Gleichspannungszwischenkreis 2 ist der Eingangszwischenkreis eines DC/AC-Wandlers 4 des Wechselrichters 1, der einen Wechselstrom ausgibt. In 1 ist der Wechselrichter 1 als einphasiger Wechselrichter dargestellt, der einen einphasigen Wechselstrom ausgibt. Der Wechselrichter kann aber und wird häufig auch mehrphasig sein und insbesondere einen dreiphasigen Wechselstrom ausgeben. Die Eingangsspannungen 36 bis 40 von den Voltmetern 31 bis 35 werden von einer Steuerung 5 des Wechselrichters 1 ebenso registriert und verarbeitet wie Teilströme 46 bis 50, die von Messeinrichtungen der DC/DC-Wandler 41 bis 45 ermittelt werden. Bei den Teilströmen 46 bis 50 kann es sich sowohl um Eingangsströme in oder auch Ausgangsströme aus dem DC/DC-Wandler handeln. Umgekehrt gibt die Steuerung 5 Ansteuersignale 51 bis 55 an die DC/DC-Wandler 41 bis 45 aus.
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Gemäß 1 sind die Strings 11 und 12 über ein gemeinsames Paar von Anschlussleitungen gemeinsam direkt an den Anschluss 21 angeschlossen, während an den Anschluss 22 direkt kein String angeschlossen ist. Die Strings 13 bis 15 sind über jeweils eigene Anschlussleitungen an die Anschlüsse 23 bis 25 angeschlossen. Zusätzlich sind die Anschlüsse 21 bis 23 gebrückt, d. h. die Strings 11 bis 13 und die DC/DC-Wandler 41 bis 43 sind bereits vor dem Gleichspannungszwischenkreis 2 parallel geschaltet. Dies ist bei grundsätzlich gleichen Eigenschaften der Strings 11 bis 13 sinnvoll. Hingegen sind die Strings 14 und 15 über ihre zugehörigen DC/DC-Wandler 44 und 45 unabhängig voneinander und von den anderen Strings 11 bis 13 an den Gleichspannungszwischenkreis 2 angeschlossen, weil diese Strings 14 und 15 beispielsweise untereinander und gegenüber den Strings 11 bis 13 andere Eigenschaften aufweisen.
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Zur Trennung der Strings von den DC/DC-Wandlern sind für jeden Eingang 21 bis 25 Schalter 56 bis 65 vorgesehen, die die Strings 11 bis 15 im Bedarfsfall allpolig von den DC/DC-Wandlern trennen. Es sind Fälle möglich, in denen eine einpolige Trennung der Strings 11 bis 15 ausreicht. Die Schalter 56 bis 65 liegen zwischen den Brücken, durch die einzelne Strings parallel geschaltet sind, und den DC/DC-Wandlern. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch Betätigen der Schalter 56 bis 65 nicht die mit den Brücken hergestellte Parallelschaltung der einzelnen Strings verändern wird.
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Die Steuerung 5 erkennt diese Stringkonfiguration nun wie folgt: Zunächst überprüft die Steuerung 5, ob es Unterschiede in den Eingangsspannungen 36 bis 40 gibt. Diese Überprüfung erfolgt im geöffneten Zustand der Schalter 56 bis 65. Hierdurch wird gewährleistet, dass es sich bei den Eingangsspannungen um reine Leerlaufspannungen der Strings 11 bis 15 handelt. Wenn derartige Unterschiede in den Eingangsspannungen vorliegen, sind an die Anschlüsse, an denen die unterschiedlichen Eingangsspannungen anliegen, nicht dieselben Strings angeschlossen. Das heißt, bei der Stringkonfiguration gemäß 1 können zwar die Eingangsspannung 39 und 40 untereinander und von den Eingangsspannungen 36 bis 38 abweichen. Die Eingangsspannungen 36 bis 38 stimmen aber bis auf unvermeidbare Messungenauigkeiten überein. Sowohl die Eingangsspannung 40 als auch die Eingangsspannung 39 kann umgekehrt mit den Eingangsspannungen 36 bis 38 übereinstimmen. Dies gilt insbesondere dann, wenn alle Strings 11 bis 15 im Wesentlichen gleich sind und gleiche Funktionsumgebungen aufweisen oder wenn alle Strings 11 bis 15 noch ungelastet sind.
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Soweit die Steuerung 5 unterschiedliche Eingangsspannungen 36 bis 40 feststellt, ordnet sie die entsprechenden Anschlüsse 21 bis 25 unterschiedlichen Gruppen zu. Innerhalb jeder Gruppe, die sich durch eine zunächst gleiche Eingangsspannung 36 bis 40 auszeichnet, versucht die Steuerung 5 dann, die Teilströme 46 bis 50, die durch die DC/DC-Wandler 41 bis 45 fließen, durch entsprechende Ansteuerung der DC/DC-Wandler zu symmetrieren. Dies ist unter Annahme, dass die Strings der jeweiligen Gruppe parallel geschaltet sind, sinnvoll, um die zugehörigen DC/DC-Wandler gleichmäßig zu belasten. Wenn sich in der Folge unterschiedliche Eingangsspannungen 36 bis 40 ausbilden, oder es gar unmöglich ist, gleiche Teilströme 46 bis 50 einzustellen, also in jedem Fall keine gleichen Teilleistungen durch die einzelnen DC/DC-Wandler fließen, sind dies wieder Hinweise darauf, dass doch nicht dieselben Strings über die Anschlüsse der jeweiligen Gruppe angeschlossen sind. Entsprechend werden die Gruppen der DC/DC-Wandler 41 bis 45, die von der Steuerung 5 im Sinne einer Symmetrierung der Teilströme 46 bis 50 betrieben werden, so lange verkleinert, bis nur noch gleiche Eingangsspannungen 36 bis 49 und gleiche Teilströme 46 bis 50 innerhalb der Gruppe gemessen werden.
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Dies ist bei den Anschlüssen 21 bis 23 und den zugehörigen DC/DC-Wandlern 41 bis 43 der Fall, auch wenn die einzelnen Strings 11 bis 13 beispielsweise unterschiedlich verschattet werden, weil sie über die gebrückten Anschlüsse 21 bis 23 zu einer Einheit zusammen geschaltet sind. Hingegen können die Strings 14 und 15 unterschiedliche Eingangsspannungen 39 und 40 und auch unterschiedliche Teilströme 49 und 50 generieren, insbesondere in ihrem jeweiligen MPP. Entsprechend steuert die Steuerung 5, nachdem die Stringkonfiguration bestimmt ist, die DC/DC-Wandler 44 und 45 auf jeweils unabhängiges MPP-Tracking an. Umgekehrt kann die Steuerung 5 nach dieser Bestimmung bei nur geringer elektrischer Leistung von den Strings 11 bis 13 auch einen oder zwei der DC/DC-Wandler 41 bis 43, beispielsweise durch Öffnen der entsprechenden Schalter 56 bis 61, abschalten, um den oder die verbleibenden DC/DC-Wandler mit besserer Ausnutzung und entsprechend höherem Wirkungsgrad betreiben zu können. Dabei kann die Auswahl der selektiv betriebenen DC/DC-Wandler durchgetauscht werden, um alle DC/DC-Wandler 41 bis 43 gleichmäßig zu belasten.
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Bisher wurde beschrieben, wie die DC/DC-Wandler 41 bis 45 innerhalb einer Gruppe im Betrieb des Wechselrichters 1 derart angesteuert werden, dass die Teilströme 46 bis 50 durch diese DC/DC-Wandler symmetriert werden. Wenn dann festgestellt wird, dass einzelne Teilleistungen, d. h. Eingangsspannungen 36 bis 40 und/oder Teilströme 46 bis 50 innerhalb dieser Gruppe unter Berücksichtigung der Messungenauigkeit voneinander verschieden sind, wird daraus geschlossen, dass diejenigen Strings, deren Eingangsspannungen 36 bis 40 und/oder Teilströme 46 bis 50 sich von den anderen Strings innerhalb dieser Gruppe unterscheiden, nicht mit diesen anderen Strings parallel geschaltet sind. Entsprechend wird die Gruppierung solange angepasst bzw. verkleinert, bis innerhalb einer Gruppe nur Strings 11 bis 15 mit gleichen Teilleistungen, d. h. gleichen Eingangsspannungen 36 bis 40 und gleichen Teilströmen 46 bis 50 vorhanden sind. Eine auf demselben Prinzip beruhende Analyse der Stringkonfiguration anhand eines Vergleichs von Tellleistungen der einzelnen DC/DC-Wandler kann auch vorgenommen werden, wenn einzelne oder gar alle DC/DC-Wandler nicht angesteuert sondern durchgeschaltet werden. Dieses Durchschalten erfolgt zum Deaktivieren der DC/DC-Wandler, ohne den Stromfluss durch Sie zu stoppen, wozu ihre Stellerschaltung – wie zum Beispiel bei einem Tiefsetzsteller – gegebenenfalls überbrückt werden muss. Ein solches Durchschalten kann durchgeführt werden, wenn die als Eingangsspannungen 36 bis 40 anliegenden Spannungen der Strings geeignet sind, um per se – das heißt, ohne diese Spannungen anzupassen – eine Einspeisung in ein an den Wechselrichter 1 angeschlossenes Wechselstromnetz durchzuführen. Auch dann kann der Vergleich der Teilleistungen, d. h. der Eingangsspannungen 36 bis 40 und der Teilströme 46 bis 50, noch dazu genutzt werden, um festzustellen, ob – und wenn ja, welche – Strings 11 bis 15 bzw. welche der Anschlüsse 21 bis 25 und der daran angeschlossenen DC/DC-Wandler 41 bis 45 bereits vor dem Zwischenkreis 2 des Wechselrichters 1 parallel geschaltet sind. In diesem Fall sind die Eingangsspannungen der Strings, die an deaktivierte d. h. durchgeschalteten, DC/DC-Wandlern 41 bis 46 angeschlossen sind, gleich der Zwischenkreisspannung. Daher sind die einzelne Teilströme 46 bis 50, die durch die durchgeschalteten DC/DC-Wandler 41 bis 46 fließen, ein unmittelbares Maß für die durch die DC/DC-Wandler 41 bis 46 fließenden Teilleistungen. Teilströme, die sich von anderen Teilströmen 46 bis 50 unterscheiden, sind somit ein hinreichendes Kriterium dafür, dass die angeschlossenen Strings nicht mit anderen Strings, die zu gleichen Teilströmen in den sie an den Gleichspannungszwischenkreis 2 anschließenden DC/DC-Wandlern führen, parallel geschaltet sind. Entsprechend lässt sich auch hier die Gruppierung der Strings untereinander derart auflösen, dass innerhalb einer Gruppe nur noch Strings mit gleichen Eingangsspannungen 36 bis 40 und gleichen Teilströmen 46 bis 50, die durch die durchgeschalteten DC/DC-Wandler fließen, vorhanden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichter
- 2
- Gleichspannungszwischenkreis
- 3
- Kapazität
- 4
- DC/AC-Wandler
- 5
- Steuerung
- 11
- String
- 12
- String
- 13
- String
- 14
- String
- 15
- String
- 21
- Anschluss
- 22
- Anschluss
- 23
- Anschluss
- 24
- Anschluss
- 25
- Anschluss
- 31
- Voltmeter
- 32
- Voltmeter
- 33
- Voltmeter
- 34
- Voltmeter
- 35
- Voltmeter
- 36
- Eingangsspannung
- 37
- Eingangsspannung
- 38
- Eingangsspannung
- 39
- Eingangsspannung
- 40
- Eingangsspannung
- 41
- DC/DC-Wandler
- 42
- DC/DC-Wandler
- 43
- DC/DC-Wandler
- 44
- DC/DC-Wandler
- 45
- DC/DC-Wandler
- 46
- Teilstrom
- 47
- Teilstrom
- 48
- Teilstrom
- 49
- Teilstrom
- 50
- Teilstrom
- 51
- Ansteuersignal
- 52
- Ansteuersignal
- 53
- Ansteuersignal
- 54
- Ansteuersignal
- 55
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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