DE102012203836A1

DE102012203836A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung, Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102012203836A1
Application number: DE102012203836A
Authority: DE
Inventors: Alexey Dobrenko; Marco Schilli
Original assignee: SUNWAYS AG PHOTOVOLTAIC Tech
Current assignee: RCT POWER GMBH, DE
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: CN104541427A; WO2013135578A1; US9647570B2; DE102012203836B4; EP2826124A1; US20150062990A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage, mit einem elektrischen Ausgang, welcher mit einem Wechselrichter koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und mit einer Ausgleichsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schaltungsanordnung die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage auszugleichen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und eine Photovoltaikanlage.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und eine Photovoltaikanlage.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Obwohl die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Anlagen anwendbar ist, wird sie im Folgenden mit Bezug auf eine Photovoltaikanlage, welche einen Solarinverter aufweist, dargestellt.
Photovoltaikanlagen werden eingesetzt, um elektrische Energie aus Sonnenenergie zu gewinnen und diese elektrische Energie in ein öffentliches Energienetz bzw. Stromnetz einzuspeisen. Dazu werden üblicherweise Wechselrichter eingesetzt, welche den von den Solarzellen der Photovoltaikanlage erzeugten elektrischen Gleichstrom in einen Wechselstrom wandeln. Dieser Wechselstrom kann dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Um einen möglichst symmetrischen Wechselstrom in die öffentlichen Stromnetze einspeisen zu können, werden die Solarzellen oder Solarzellenstrings zum Beispiel direkt mit dem Wechselrichter gekoppelt. Dabei wird der negative Pol der Solarzellenanordnung mit dem negativen Pol des Wechselrichters und der positive Pol der Solarzellenanordnung mit dem positiven Pol des Wechselrichters gekoppelt. Problematisch bei dieser Art der Verschaltung von Solarzelle und Wechselrichter ist, dass bei geringer Sonneneinstrahlung die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung unter Umständen zu gering ausfällt, um mit Hilfe des Wechselrichters einen Wechselstrom zu erzeugen, welcher dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Bei Wechselrichtertopologien mit gesplittetem Zwischenkreis (U_ZK+ und U_ZK–) muss die Spannung in dem negativen und dem positiven Zwischenkreis betragsmäßig größer als die Amplitude der Netzspannung sein. Bei 230 Volt Netzspannung beträgt die Amplitude 324 V. Erzeugt die Solarzellenanordnung einer Photovoltaikanlage zum Beispiel eine Gleichspannung von weniger als 2·324 V = 648 V, kann die so gewonnene Gleichspannung durch einen Wechselrichter mit gesplittetem Zwischenkreis nicht mehr in eine 230 V Wechselspannung gewandelt werden.
Aus diesem Grund werden zwischen der Solarzellenanordnung und dem Wechselrichter so genannte Hochsetzsteller eingesetzt, welche den Betrag der von der Solarzellenanordnung erzeugten Gleichspannung erhöhen. Damit ist die Erzeugung und Einspeisung eines Wechselstroms für ein öffentliches Stromnetz auch dann möglich, wenn die Solarzellenanordnung eine betragsmäßig geringere Gleichspannung liefert, als sie für das öffentliche Stromnetz erforderlich ist.
Wird nun die Solarzellenanordnung mit dem Wechselrichter derart verbunden, dass der positive Pol der Solarzellenanordnung ein gegenüber der Bezugsmasse positives Potential aufweist und der negative Pol der Solarzellenanordnung ein gegenüber der Bezugsmasse negatives Potential aufweist, kann dies zu einer schleichenden Leistungsdegradation der Solarzellen auf Grund des so genannten PID Effektes führen. Die Ursache für diesen PID-Effekt liegt im Wesentlichen in dem negativen Potential des negativen Pols der Solarzelle gegenüber dem Potential der Bezugsmasse, was zu unerwünschten Leckströmen führen kann. Insgesamt führt dies zu einer beschleunigten Alterung sowie einem signifikantem Leistungsverlust der Solarzellenanordnung.
Um das Auftreten dieses PID-Effektes zu verhindern, werden elektrische Schaltungen eingesetzt, welche das Spannungspotential des negativen Pols der Solarzelle anheben sollen, so dass dieses dem Potential der Bezugsmasse gleicht oder einen gegenüber dem Potential der Bezugsmasse positiven Wert annimmt.
Ein entsprechendes Schaltungssystem ist beispielsweise in der DE 10 2007 050 554 A1 beschrieben. Wird das Potential des positiven Pols der Solarzelle angehoben, so steigt auch das Potential des negativen Pols der Solarzelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaikanlage mit einem positiven oder zumindest nicht negativen Potential des negativen Pols der Solarzelle gegenüber dem Potential der Bezugsmasse effizient an einem trafolosen Wechselrichter mit gesplittetem Zwischenkreis betreiben zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 und/oder durch eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage, mit einem elektrischen Ausgang, welcher mit einem Wechselrichter koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und mit einer Ausgleichsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schaltungsanordnung die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage auszugleichen.
Ferner ist vorgesehen
Ein Verfahren zum Betreiben von elektrischen Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit den Schritten: Erhöhen eines Potentials in einem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder Senken des Potentials in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und Ausgleichen der elektrischen Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage.
Schließlich ist vorgesehen:
Eine Photovoltaikanlage, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es nicht zwingenderweise notwendig ist, in dem Zwischenkreis symmetrische Spannungen bezüglich dem Potenzial der Bezugsmasse zu nutzen, um den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu erhöhen.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schaltungsanordnung vorzusehen, welche eben nicht die Potentiale des positiven und des negativen Zwischenkreiszweigs gegenüber einem Bezugspotential symmetrisch gestaltet. Vielmehr wird durch die Schaltungsanordnung der Betrag der elektrischen Leistung, welche dem positiven Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters zugeführt wird, dem Betrag der elektrischen Leistung angeglichen, welche dem negativen Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters zugeführt wird. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Wechselrichters auch bei asymmetrischen Eingangsspannungen des Wechselrichters.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist zwei Betriebsarten auf. In der ersten Betriebsart werden symmetrische Zwischenkreisspannungen für den Wechselrichter bereitgestellt. Diese erste Betriebsart kann z. B. mit Solarmodulen verwendet werden, welche dem PID-Effekt nicht unterliegen. In dieser Betriebsart erreicht eine Solaranlage den maximalen Wirkungsgrad. Werden aber Solarmodule eingesetzt, welche dem PID-Effekt unterliegen (z. B. Dünnschicht-Solarmodule) und bei welchen folglich das Potential an dem negativen Pol der Solarmodule angehoben werden muss, wird die Schaltungsanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben. Dabei wird die Schaltungsanordnung derart betrieben, dass durch den Inverter das Potential in dem positiven Zweig des Zwischenkreises erhöht wird, um das Potential am negativen Pol der Solarmodule gegenüber Bezugspotential positiv zu gestalten, oder das Potential in dem negativen Zweig des Zwischenkreises gesenkt wird, um das Potential am positiven Pol der Solarmodule gegenüber Bezugspotential negativ zu gestalten. Das Potential kann auch dem Bezugspotential entsprechen anstatt entweder größer oder kleiner als dieses zu sein.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht es ferner, das Potential des negativen Zwischenkreiszweigs derart zu regeln, dass dieses gegenüber dem Bezugspotential unsymmetrisch zu dem Potential des positiven Zwischenkreiszweigs wird. Insbesondere regelt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung das Potential des negativen Zwischenkreiszweigs entsprechend der Netzspannung des öffentlichen Stromnetzes (z. B. 324 V). Dies ermöglicht es, bei einer Spannung der Solarzellen von z. B. 650 V in der Schaltungsanordnung Halbleiterschalter einzusetzen, welche eine Spannungsfestigkeit von weniger als 1200 V aufweisen (650 V + 324 V <= 1200 V).
Um ein Einspeisen eines Gleichstromanteils in das öffentliche Stromnetz auf Grund der unsymmetrischen Spannungen in dem Zwischenkreis bzgl. dem Bezugspotential zu vermeiden, sieht die vorliegende Erfindung eine Ausgleichsvorrichtung vor, welche die Zweige des Zwischenkreises in Bezug auf die elektrische Leistung ausbalanciert. Anstelle mit einzelnen Solarzellen kann die Schaltungsanordnung mit einer Gruppe von Solarzellen, mit in Reihe und/oder parallel verschalteten Solarzellen, mit Solarzellenstrings oder dergleichen betrieben werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein erster Hochsetzsteller vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, den Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungsquelle der elektrischen Anlage zu erhöhen und/oder an den Betrag einer Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes anzugleichen. Dies ermöglicht ein Einspeisen von durch die Spannungsquelle erzeugtem Strom auch dann, wenn die Spannung, welche die Spannungsquelle bereitstelle, kleiner ist, als eine Netzspannung des öffentlichen Stromnetzes.
In einer Ausführungsform weist die Ausgleichvorrichtung einen invertierenden Steller auf, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig, dem negativen Zweig und einem ersten Knotenpunkt der elektrischen Anlage gekoppelt ist. Dies ermöglicht es, eine sehr effiziente und einfache Ausgleichsvorrichtung bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Knotenpunkt ein Bezugspotential auf. Ferner ist der invertierende Steller dazu ausgebildet, die elektrische Leistung in dem positiven Zweig und dem negativen Zweig gegenüber dem Bezugspotential auszugleichen. Dies ermöglicht es, die Schaltungsanordnung an unterschiedliche Bezugspotentiale und Anwendungsfälle anzupassen. In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle eines invertierenden Stellers ein Inverswandler oder eine andere Art von DC/DC-Wandler eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform ist der invertierende Steller elektrisch zwischen dem mindestens einem ersten Hochsetzsteller und einem elektrischen Ausgang der Schaltungsanordnung angeordnet. Dies ermöglicht es, elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage mit einer einzelnen Ausgleichsvorrichtung auszugleichen, auch wenn eine Vielzahl von Solarzellen in der Photovoltaikanlage eingesetzt wird. In solch einem Fall kann der erste Hochsetzsteller als Mehrkanal-Hochsetzsteller ausgeführt sein, der über mindestens zwei elektrisch parallel angeordnete Eingangsanschlüsse für Solarzellen verfügt. Anstelle einzelner Solarzellen können an den ersten Hochsetzsteller auch eine Serien- und/oder Parallelschaltung von Solarzellen und/oder mindestens ein Solarzellenstring oder Solarzellenarray angeschlossen werden.
In einer Ausführungsform weist der invertierende Steller einen steuerbaren Schalter und eine zu diesem in Serie angeordnete Diode in Sperrrichtung auf, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig und dem negativen Zweig angeordnet sind. Der steuerbare Schalter kann zum Beispiel ein MOSFET, IGBT, JFET, Bipolartransistor oder anderer Leistungshalbleiter sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform weist der invertierende Steller ein induktives Element (Spule, Induktivität) auf, welches elektrisch zwischen einem zweiten Knotenpunkt, welcher zwischen dem steuerbaren Schalter und der Diode geschaltet ist, und dem ersten Knotenpunkt angeordnet ist. Dies ermöglicht einen einfachen und wenig komplexen Aufbau des invertierenden Stellers.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Ausgleichsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, den invertierenden Steller derart zu steuern, dass an einem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung. Die Steuervorrichtung kann zum Beispiel ein Mikroprozessor oder auch ein FPGA oder PLD enthalten. Der Einsatz einer solchen Steuervorrichtung ermöglicht eine sehr flexible Ansteuerung des invertierenden Stellers.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage;
4 ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die mit Bezugszeichen 1 bezeichnete Schaltungsanordnung weist eine Ausgleichsvorrichtung 4 auf. Die Ausgleichsvorrichtung 4 ist mit einem negativen Zweig 3 und einem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises einer (in 1 nicht dargestellten) Photovoltaikanlage 24 gekoppelt.
Die Schaltungsanordnung 1 ist als diskrete elektrische Schaltungsanordnung 1 ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch als integrierte elektronische Schaltungsanordnung 1 ausgebildet sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch als Komponente eines Wechselrichters 14 ausgebildet sein.
Die Schaltungsanordnung 1 ist im gezeigten Beispiel für eine elektrische Gesamtleistung von maximal 10 kW ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch für eine elektrische Gesamtleistung von bis zu 1 MW, insbesondere auch bis zu 100 kW oder auch 1 KW, ausgelegt sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung 1 eine Steuervorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Ausgleichsvorrichtung 4 und falls vorhanden einen (nicht dargestellten) ersten Hochsetzsteller 2 zu steuern. Die Steuervorrichtung ist in einer Ausführungsform als Mikrocontroller ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Steuervorrichtung als Computerprogrammprodukt ausgebildet, welches auf einem Mikrocontroller ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann dabei ein selbständig ablauffähiges Programm (Software) sein. In weiteren Ausführungsformen ist das Computerprogrammprodukt als ein Computerprogrammprodukt-Modul ausgebildet, welches als Modul eines Betriebssystems ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung von Spannungen und Strömen auf, um die Ströme und Spannungen, welche von einzelnen Solarzellen bereitgestellt werden und welche in dem negativen Zweig 3 und dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises auftreten, zu erfassen und deren Wert zu bestimmen.
Ferner ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, die Ausgleichsvorrichtung 4 derart zu steuern, dass an dem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung 1 die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung 1.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird ein Potential in einem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 derart erhöht, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle 18 einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder wird das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 derart gesenkt, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle 18 einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist. In einem zweiten Schritt S2 wird die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 und dem negativen Zweig 3 des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 ausgeglichen.
Insbesondere wird in dem ersten Schritt das Potential des positiven Zweigs 5 des Zwischenkreises derart erhöht, dass das Potential an dem negativen Pol der Solarzelle größer oder gleich dem Potential einer Bezugsmasse, z. B. Erde, ist. Ferner wird in dem ersten Schritt die Spannung des negativen Zweigs 3 des Zwischenkreises an die Spannung des öffentlichen Stromnetzes angeglichen.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren das parallele Erhöhen der von einer Vielzahl von Solarzellen bereitgestellten elektrischen Spannungen.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 24. Die Photovoltaikanlage 24 weist hier eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 auf.
4 zeigt ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 24. Die Photovoltaikanlage 24 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 3 schaltungstechnisch detaillierter dargestellt.
Die Photovoltaikanlage 24 in 4 weist eine Solarzelle 18 auf, welche mit einem ersten Hochsetzsteller 2 elektrisch gekoppelt ist. In 4 ist eine weitere Solarzelle 18 mit einem eigenen ersten Hochsetzsteller 2 eingezeichnet. Dass diese zweite und weitere Solarzellen ist vorgesehen, was durch zwei gestrichelt eingezeichnete Verbindungsleitungen, welche die die zweite Solarzelle 18 und deren ersten Hochsetzsteller 2 parallel zu der ersten Solarzelle 18 und deren ersten Hochsetzsteller 2 mit dem negativen Zweig 3 und dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 koppeln, dargestellt ist.
Der erste Hochsetzsteller 2 kann z. B. ein Mehrkanal-Hochsetzsteller 2 sein, welcher für eine Vielzahl von Solarzellen 18 für jede Solarzelle 18 separat die Ausgangsspannung anpassen kann.
Die einzelnen Anordnungen aus Solarzellen 18 und entsprechenden ersten Hochsetzstellern 2 werden parallel geschaltet. Dennoch ist weiterhin eine einzelne (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung 4 ausreichend. Die (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung in 4 weist einen invertierenden Steller 6 auf und ist zwischen den Solarzellen 18 mit den entsprechenden Hochsetzstellern 2 und dem Wechselrichter 14 mit den Zwischenkreiskondensatoren 22, 23 angeordnet.
Der Wechselrichter 14 weist drei Eingangsanschlüsse auf. Dabei ist der erste Zwischenkreiskondensator 22 zwischen dem positiven Eingangsanschluss des Wechselrichters 14 und dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 angeordnet. Der zweite Zwischenkreiskondensator 23 ist zwischen dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 und dem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters 14 angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform weist der Wechselrichter 14 lediglich zwei Eingangsanschlüsse auf.
Ferner weist der Wechselrichter 14 drei Ausgangsanschlüsse auf, von denen jeder einer der drei Phasen 15–17 eines öffentlichen Stromnetzes entspricht. Die drei Phasen 15–17 sind an ihrem Knotenpunkt über einen Neutralleiter mit dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 gekoppelt. Der erste Knotenpunkt 7 ist ebenfalls mit dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform weist der Wechselrichter 14 lediglich zwei Ausgangsanschlüsse oder einen Ausgangsanschluss auf. Ferner können auch in der Koppelleitung zwischen Neutralleiter und dem Bezugspunkt 7 der Schaltungsanordnung 1 verschiedene Komponenten, wie z. B. Relais, Spulen und dergleichen angeordnet sein.
Die in 4 dargestellten ersten Hochsetzsteller 2 weisen jeweils ein induktives Element 20, wie etwa eine Spule, auf. Das induktive Element 20 ist zwischen dem negativen Pol der entsprechenden Solarzelle 18 und einer in Sperrrichtung angeordneten Diode 21 angeordnet. Ferner ist in den ersten Hochsetzstellern jeweils ein Schalter 19 vorgesehen, welcher den Knotenpunkt zwischen Induktivität 20 und Diode 21 mit dem positiven Pol der Solarzelle 18 und dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 koppelt. Der Schalter 19 sei zum Beispiel ein Halbleiterschalter, wie etwa ein MOSFET, JFET, Bipolartransistor oder dergleichen. Die Anode der Diode 21 ist mit dem negativen Zweig 3 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 gekoppelt.
In 4 weist die (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung 4 einen invertierender Steller 6 auf. Der invertierende Steller 6 weist einen steuerbaren Schalter 9 und eine zu diesem in Serie angeordnete Diode 10 in Sperrrichtung auf, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig 5 und dem negativen Zweig 3 angeordnet sind.
Ferner weist der invertierende Steller 6 eine Induktivität 11 auf, welche elektrisch zwischen einen zweiten Knotenpunkt 12, welcher zwischen dem Schalter 9 und der Diode 10 angeordnet ist, und dem ersten Knotenpunkt 7 angeordnet ist.
Der invertierende Steller, auch Inverswandler genannt, entnimmt in einem ersten Schritt Energie aus dem positiven Zwischenkreiszweig 5. In diesem ersten Schritt ist der Schalter 9 geschlossen. In einem zweiten Schritt überträgt der Inverswandler die entnommene Energie in den negativen Zweig 3 des Zwischenkreises. Dazu wird der Schalter 9 geöffnet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Hochsetzsteller
3: negativer Zweig
4: Ausgleichsvorrichtung
5: positiver Zweig
6: invertierender Steller
7: Knotenpunkt
8: elektrischer Ausgang
9, 19: steuerbarer Schalter
10: Diode
11, 20: induktives Element, Spule
12: Knotenpunkt
14: Wechselrichter
15–17: Phasen
18: Solarzelle
21: Diode
22, 23: Kondensatoren
24: Photovoltaikanlage
S1, S2: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007050554 A1 [0008]

Claims

Schaltungsanordnung (1) für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage (24), mit einem elektrischen Ausgang (8), welcher mit einem Wechselrichter (14) koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang (8) ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, mit einer Ausgleichsvorrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schaltungsanordnung (1) die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) und dem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) auszugleichen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Hochsetzsteller (2) vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, den Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungsquelle (18) der elektrischen Anlage (24) zu erhöhen und/oder an den Betrag einer Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes anzugleichen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichvorrichtung (4) einen invertierenden Steller (6) aufweist, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig (5), dem negativen Zweig (3) und einem ersten Knotenpunkt (7) der elektrischen Anlage (24) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Knotenpunkt (7) im Betrieb der Schaltungsanordnung (1) ein Bezugspotential aufweist und dass der invertierende Steller (6) dazu ausgebildet ist, die elektrische Leistung in dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) gegenüber dem Bezugspotential auszugleichen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Steller (6) elektrisch zwischen dem ersten Hochsetzsteller (2) und einem elektrischen Ausgang (8) der Schaltungsanordnung (1) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Steller (6) einen steuerbaren Schalter (9) und eine zu dessen gesteuerten Pfad in Serie angeordnete Diode (10) in Sperrrichtung aufweist, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Steller (6) ein induktives Element (11) aufweist, welches elektrisch zwischen einem zweiten Knotenpunkt (12), welcher zwischen dem Schalter (9) und der Diode (10) angeordnet ist, und dem ersten Knotenpunkt (7) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung (4) eine Steuervorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den invertierenden Steller (6) derart zu steuern, dass an einem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) die gleiche elektrische Leistung abgebbar ist, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichvorrichtung (4) einen DC/DC-Wandler aufweist, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig (5), dem negativen Zweig (3) und einem ersten Knotenpunkt (7) der elektrischen Anlage (24) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben von elektrischen Anlagen (24), insbesondere eines Solarinverters einer Photovoltaikanlage (24), insbesondere mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: Erhöhen (S1) eines Potentials in einem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder Senken des Potentials in einem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle (18) einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist; Ausgleichen (S2) der elektrischen Leistung zwischen dem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) und dem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ferner der Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungsquelle (18) der elektrischen Anlage (24) erhöht oder an eine Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes angeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausgleichen der elektrischen Leistung die elektrische Leistung in dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) gegenüber einem Bezugspotential durch einen invertierenden Steller (6) ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Steller (6) derart gesteuert wird, dass an einem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1).
Photovoltaikanlage (24), mit einer Schaltungsanordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–9.