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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Einsatz als Trenner und Spannungsstelleinrichtung in einer Photovoltaik-Anlage sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben.
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Solarzellen bzw. Solarpaneels erzeugen Gleichspannung und werden gewöhnlich über einen Gleichspannungstrenner an einen Wechselrichter angeschlossen. Dabei muss der Gleichspannungstrenner mit einer Einrichtung zur Löschung eines Lichtbogens versehen sein, da die Gleichspannung keinen Nulldurchgang hat und daher ein Lichtbogen nicht von selbst verlischt.
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In der
JP 4468372 B2 ist eine Photovoltaik-Anlage beschrieben, die einen Gleichspannungswandler umfasst. Zudem umfasst die Photovoltaik-Anlage eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandler.
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Zudem ist aus der
DE 10 2009 019 831 A1 eine Schaltungsanordnung zum elektrischen Koppeln einer Gleichstromquelle mit einem Gleichstromverbraucher bekannt. Die Schaltungsanordnung kann Trennmittel zum Trennen des elektrischen Stromkreises umfassen, die als AC-Trenner ausgebildet sind.
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Die
DE 10 2005 030 907 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überprüfen von Isolationswiderständen einer Solargeneratoranlage, beispielsweise einer Photovoltaik-Anlage. Dabei weist die Solargeneratoranlage einen Multistrangwechselrichter und eine Mehrzahl von Solargeneratorsträngen auf.
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Schließlich beschreibt die
EP 2 136 465 A1 einen Wechselrichter zur Einspeisung einer Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere eines Photovoltaikgenerators. Dabei kann der Wechselrichter als Multi-Level-Wechselrichter ausgebildet sein.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zum Trennen der Gleichspannung anzugeben, die einen verbesserten Aufbau aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Betriebsverfahren für eine solche Schaltung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Schaltung zum Einsatz als Trenner und Spannungsstelleinrichtung in einer Photovoltaik-Anlage weist einen Gleichspannungswandler zur Wandlung einer an zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Gleichspannung eines ersten Spannungsniveaus in eine Gleichspannung eines zweiten Spannungsniveaus an zwei Ausgangsanschlüssen auf, wobei der Gleichspannungswandler einen Halbleiterschalter und eine Induktivität aufweist. Weiterhin weist die Schaltung ein Wechselspannungsschütz auf, aufweisend zwei Kontakte zur Auftrennung der elektrischen Verbindung zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschlüssen, wobei parallel zur Induktivität ein Freilaufkreis vorgesehen ist und ein weiterer Kontakt des Wechselspannungsschützes im Freilaufkreis vorgesehen ist, wobei bei Öffnen der Kontakte des Wechselspannungsschützes der weitere Kontakt schließt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Schaltung zum Einsatz als Trenner und Spannungsstelleinrichtung in einer Photovoltaik-Anlage wird ein Gleichspannungswandler mit einem Halbleiterschalter und einer Induktivität zur Wandlung einer an zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Gleichspannung eines ersten Spannungsniveaus in eine Gleichspannung eines zweiten Spannungsniveaus an zwei Ausgangsanschlüssen verwendet. Weiterhin werden für die Trennung der Halbleiterschalter sowie die Kontakte eines Wechselspannungsschützes verwendet, wobei parallel zur Induktivität ein Freilaufkreis vorgesehen wird und ein weiterer Kontakt des Wechselspannungsschützes im Freilaufkreis vorgesehen wird und wobei die folgenden Schritte erfolgen:
- a) Einschalten des Halbleiterschalters,
- b) Öffnen der Kontakte des Wechselspannungsschützes, wobei bei Öffnen der Kontakte des Wechselspannungsschützes der weitere Kontakt geschlossen wird,
- c) Abschalten des Halbleiterschalters.
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Bei dem Gleichspannungswandler handelt es sich bevorzugt um einen Hochsetzsteller.
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Vorteilhaft erlaubt die Schaltung das Unterbrechen der Verbindung zwischen einem eingangsseitig angeschlossenen Solarmodul und einem ausgangsseitig angeschlossenen Wechselrichter unter Vermeidung von Lichtbögen. Separate Einrichtungen zum Löschen eines Lichtbogens sind daher nicht erforderlich und anstelle des normalerweise in dieser Umgebung verwendeten Gleichspannungstrenners kann ein Wechselspannungsschütz verwendet werden.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass bei der Verwendung eines Multilevel-Wechselrichters als Wechselrichter in einer Photovoltaik-Anlage die gleichzeitige Verwendung eines Gleichspannungswandlers vorteilhaft ist, da der Multilevel-Wechselrichter ein vergleichsweise konstantes Eingangsspannungsniveau benötigt. Abschattungen o. ä. können aber die Spannung eines Solarmoduls absinken lassen. Hier sorgt der Gleichspannungswandler für einen Ausgleich; die Spannung wird entsprechend konvertiert und für den Multilevel-Wechselrichter steht stets eine weitgehend gleiche Spannung zur Verfügung.
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Für die Erfindung wird davon ausgegangen, dass der Gleichspannungswandler einen Halbleiterschalter umfasst. Mithilfe des Halbleiterschalters aber lassen sich die Kontakte des Wechselspannungsschützes vorteilhaft spannungsfrei schalten, weshalb das wesentlich einfacher aufgebaute Wechselspannungsschütz anstelle des Gleichspannungstrenners verwendet werden.
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Zweckmäßig umfasst die Schaltung eine Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist, den Halbleiterschalter zum Betrieb des Gleichspannungswandlers zu schalten und für die elektrische Trennung folgende Schritte vorzunehmen:
- a) Einschalten des Halbleiterschalters zur Spannungsfreischaltung der Kontakte des Wechselspannungsschützes,
- b) Öffnen der Kontakte des Wechselspannungsschützes,
- c) Abschalten des Halbleiterschalters.
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Vorteilhaft ist es, wenn parallel zur Induktivität ein Freilaufkreis vorgesehen ist. Hiermit wird dem von der Induktivität nach Abschalten weitergetriebenen Strom eine Freilaufstrecke angeboten und der Aufbau hoher Spannungen nach einer Abschaltung wird vermieden. Zweckmäßig ist es, wenn ein weiterer Kontakt des Wechselspannungsschützes im Freilaufkreis vorgesehen ist, wobei bei Öffnen der Kontakte des Wechselspannungsschützes der weitere Kontakt schließt. Damit wird die Freilaufstrecke nur angeboten, wenn das Wechselspannungsschütz eine Trennung vornimmt.
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In einer Photovoltaik-Anordnung lässt sich die Schaltung bevorzugt einsetzen, indem die elektrischen Ausgangsleitungen eines Solarpaneels zur Wandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom mit der Schaltung verbunden werden. Die Ausgangsleitungen der Schaltung werden mit einem Multilevel-Wechselrichter in Verbindung verbunden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigen schematisiert:
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1 ein Schaltbild einer Hochsetzsteller-Schaltung mit Wechselspannungsschütz und
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2 ein Schaltbild einer Photovoltaik-Anlage.
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Die Schaltung 10 der 1 umfasst einen Hochsetzsteller, in den ein Wechselspannungsschütz 20 integriert ist. Die Schaltung 10 weist dabei einen ersten Knoten 101 zur Verbindung mit einem ersten der Eingangsanschlüsse 111, einen zweiten Knoten 102 zur Verbindung mit einem zweiten der Eingangsanschlüsse 112, einen dritten und vierten Knoten 103, 104, einen fünften Knoten 105 zur Verbindung mit einem ersten der Ausgangsanschlüsse 121 und einen sechsten Knoten 106 zur Verbindung mit einem zweiten der Ausgangsanschlüsse 122 auf.
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Dabei ist zwischen dem ersten und dritten Knoten 101, 103 eine Induktivität 13 und zwischen dem dritten Knoten 103 und dem vierten Knoten 104 ein Halbleiterschalter 16 angeordnet. Zwischen dem ersten Knoten 101 und dem zweiten Knoten 102 ist eine erste Kapazität 14 angeordnet. Zwischen dem dritten Knoten 103 und dem ersten Knoten 101 sind eine erste Diode 17 und ein weiterer Kontakt 203 des Wechselspannungsschützes 20 angeordnet. Zwischen dem dritten Knoten 103 und dem fünften Knoten 105 sind eine zweite Diode 18 und ein zweiter Kontakt 202 des Wechselspannungsschützes 20 angeordnet. Zwischen dem vierten Knoten 104 und dem sechsten Knoten 106 ist ein erster Kontakt 201 des Wechselspannungsschützes 20 angeordnet. Zwischen dem fünften Knoten 105 und dem sechsten Knoten 106 ist eine zweite Kapazität 19 angeordnet. Der zweite und vierte Knoten 102, 104 sind direkt verbunden. Schließlich umfasst die Schaltung 10 eine Steuereinrichtung 15, die den Halbleiterschalter 16 sowie das Wechselspannungsschütz 20 steuert.
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Bei dem Wechselspannungsschütz 20 sind der erste und zweite sowie der weitere Kontakt 201, 202, 203 derart gestaltet, dass bei geschlossenem ersten und zweiten Kontakt 201, 202 der weitere Kontakt 203 geöffnet ist und umgekehrt.
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Die in 1 gezeigte Schaltung ist vorteilhaft in einem Aufbau angeordnet, wie er in 2 dargestellt ist. Ein beispielhaftes Solarpaneel 21 ist elektrisch mit den Eingangsanschlüssen 111, 112 verbunden und liefert somit Gleichspannung an die Schaltung 10. Die Ausgangsanschlüsse 121, 122 der Schaltung 10 sind mit einem Multilevel-Wechselrichter 22 verbunden, der selbst wiederum beispielsweise über einen Stromzähler mit dem Versorgungsnetzwerk verbunden ist.
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Im laufenden Betrieb sorgt die Schaltung im Rahmen der Möglichkeiten für ein gleichbleibendes Spannungsniveau an den Ausgangsanschlüssen 121, 122 und somit für ein gleichbleibendes Spannungsniveau für den Multilevel-Wechselrichter 22. Der Multilevel-Wechselrichter 22 ist derart ausgestaltet, dass seine gewünschte Eingangsspannung im Bereich des Maximums der Ausgangsspannung des Solarpaneels 21 liegt. Sinkt die Ausgangsspannung des Solarpaneels 21 ab, beispielsweise durch Abschattung, hebt die Schaltung 10 die Spannung entsprechend an. Hierfür ist die Steuereinrichtung 15 zweckmäßig mir Spannungsmesseinrichtungen verbunden, die nicht in 1 gezeigt sind. Zur Regelung der Spannung wird der Halbleiterschalter 16 von der Steuereinrichtung 15 in für Hochsetzsteller üblicher und für sich genommen bekannter Weise angesteuert. Das Wechselspannungsschütz 20 ist dabei so gesteuert, dass der erste und zweite Kontakt 201, 202 geschlossen sind und der weitere Kontakt 203 offen.
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Soll eine Trennung der elektrischen Verbindung von Solarpaneel 21 und Multilevel-Wechselrichter 22 erfolgen, so wird die Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 15 verändert. Es wird in der Folge die Trennung der elektrischen Verbindung durch das Wechselspannungsschütz 20 vorbereitet. Dazu wird zuerst der Halbleiterschalter 16 eingeschaltet. Dies bewirkt eine Kurzschließung des Solarpaneels 21. Weiterhin werden dadurch der erste und zweite Kontakt 201, 202 des Wechselspannungsschützes 20 weitgehend spannungsfrei. Gleichzeitig oder kurz danach wird das Wechselspannungsschütz 20 geöffnet; wie bereits beschrieben, werden dadurch der erste und zweite Kontakt 201, 202 getrennt, aber der weitere Kontakt 203 geschlossen.
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Da der erste und zweite Kontakt 201, 202 des Wechselspannungsschützes 20 praktisch spannungsfrei sind, erfolgt das öffnen der Kontakte 201, 202 ohne Bildung eines Lichtbogens bzw. ein eventuell entstehender Lichtbogen würde sofort erlöschen.
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In der Folge wird der Halbleiterschalter 16 wieder abgeschaltet und somit der Stromfluss zwischen den Eingangsanschlüssen 111, 112 endgültig unterbrochen. Die Induktivität 13 treibt zeitweilig den Strom weiter. Hierfür ist aber durch die Umschaltung des Wechselspannungsschützes 20 und Schließung des weiteren Kontakts 203 ein Freilaufkreis über die erste Diode 17 vorhanden, der einen starken Spannungsaufbau über den Halbleiterschalter 16 verhindert und den Abbau der induktiv gespeicherten Energie erlaubt.
