DE102013109958A1

DE102013109958A1 - Photovoltaikanlage und Verfahren zum Bereitstellen von Regelleistung durch eine Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102013109958A1
Application number: DE201310109958
Authority: DE
Inventors: Alexander Unru; Jens Hertkorn
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von positiver Regelleistung (PPR) bei einer Photovoltaikanlage, die mindestens einen Photovoltaikgenerator (1) und mindestens einen Wechselrichter (3) aufweist, wobei – in einem ersten Betriebszustand eine erste Leistung (P1) in ein Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird, die kleiner ist als eine von der Photovoltaikanlage aktuell maximal einspeisbare Leistung (Pmax) und – in Reaktion auf eine Steueranweisung die Photovoltaikanlage in einen zweiten Betriebszustand wechselt, in dem zumindest kurzfristig eine um die positive Regelleistung (PPR) über der ersten Leistung (P1) liegende zweite Leistung (P2) in das Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass – in dem ersten Betriebszustand zumindest ein Teil (PK) einer vom Photovoltaikgenerator (1) gelieferten Leistung zur Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder des Wechselrichters (3) eingesetzt wird; und – bei dem Wechsel in den zweiten Betriebszustand die zur Kühlung eingesetzte Leistung (PK) reduziert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bereitstellen von negativer Regelleistung (PNR) bei einer Photovoltaikanlage und eine zur Durchführung der Verfahren geeignete Photovoltaikanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von positiver Regelleistung bei einer Photovoltaikanlage, nachfolgend PV-Anlage genannt. Die PV-Anlage weist dabei mindestens einen Photovoltaikgenerator und mindestens einen Wechselrichter auf, wobei in einem ersten Betriebszustand der PV-Anlage eine erste Leistung in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird, die kleiner ist als eine von der PV-Anlage aktuell maximal einspeisbare Leistung und wobei in Reaktion auf eine Steueranweisung die Photovoltaikanlage in einen zweiten Betriebszustand wechselt, in dem zumindest kurzfristig eine um die positive Regelleistung über der ersten Leistung liegende zweite Leistung in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bereitstellen von negativer Regelleistung bei einer Photovoltaikanlage. Die PV-Anlage weist dabei ebenfalls mindestens einen Photovoltaikgenerator und mindestens einen Wechselrichter auf, wobei in einem dritten Betriebszustand der PV-Anlage eine dritte Leistung in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird, die kleiner oder gleich einer von der PV-Anlage aktuell maximal einspeisbaren Leistung ist, und wobei in Reaktion auf eine Steueranweisung die Photovoltaikanlage in einen vierten Betriebszustand wechselt, in dem zumindest kurzfristig eine um die negative Regelleistung unterhalb der dritten Leistung liegende vierte Leistung in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator und mindestens einem Wechselrichter, die zur Durchführung der genannten Verfahren geeignet ist.
Die zunehmende Verbreitung von PV-Anlagen, beispielsweise in Form von Dachanlagen oder auch in Form von Freifeldanlagen, sowie von Windenergiegeneratoren führt zu einem unsteten und im Voraus nur bedingt kalkulierbaren Angebot an Energie in den öffentlichen Energieversorgungsnetzen. Es können dabei Situationen auftreten, in denen kurzfristig mehr Energie zur Verfügung steht, als benötigt wird und als das Energieversorgungsnetz aufnehmen kann. Umgekehrt kann zumindest lokal oder regional kurzfristig weniger Energie bereitstehen, als benötigt wird.
Da große, in das Energieversorgungsnetz einspeisende Kraftwerke nicht oder nur sehr eingeschränkt und mit langen Vorlaufzeiten regelbar sind, besteht vielerorts die Anforderung an PV-Anlagen, ihre eingespeiste Leistung auf Anforderung kurzfristig ändern zu können.
In Deutschland zum Beispiel schreiben die gültigen Mittel- und Niederspannungsrichtlinien vor, dass eine Abregelung von PV-Generatoren bestimmter Leistungsklassen möglich sein muss. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass von einem Energieversorgungsunternehmen (EVU), das das Energieversorgungsnetz bereitstellt und/oder betreut, eine Aufforderung zur Abregelung der PV-Anlage übermittelt wird, der zufolge die eingespeiste Leistung der PV-Anlage reduziert wird. Hierbei kann die Aufforderung zur Abregelung der PV-Anlage entweder explizit durch eine entsprechende Steueranweisung des Energieversorgungsunternehmens, oder auf Basis einer gesondert getroffenen Vereinbarung und/oder Regel erfolgen. Als gesondert getroffene Vereinbarung bzw. Regel sind hier beispielsweise die folgenden Aspekte zu nennen:

a) Bei einer Kappung der Leistungsspitzen um die Mittagszeit wird die Einspeiseleistung einer PV-Anlage regelmäßig für eine bestimmte Zeitdauer um die Mittagszeit auf einen bestimmten Prozentsatz (z. B. 70%) ihrer Nennleistung begrenzt. Hierdurch werden natürlich bedingte Leistungsschwankungen – z. B. aufgrund vorüberziehender Wokenfelder – reduziert. Gleichzeitig steht die Differenz von aktueller Maximalleistung und tatsächlich eingespeister Leistung der PV-Anlage bei Bedarf für eine kurzfristige zusätzliche Leistungseinspeisung zur Verfügung.
b) Bei einer sogenannten kennlinienbasierten Abregelung der PV-Anlage dienen innerhalb der PV-Anlagensteuerung hinterlegte Kennlinien zur Festlegung des jeweiligen Betriebsverhaltens, insbesondere der einzuspeisenden Leistung, der PV-Anlage. So definiert beispielsweise eine Leistungs-Frequenz (P(f))-Kennlinie, auch Frequenzsstatik genannt) die aktuelle Leistungseinspeisung einer PV-Anlage als Funktion der im Energieversorgungsnetz herrschenden Frequenz der Wechselspannung. Hier kann eine über der Nominalfrequenz der Wechselspannung liegende Frequenz der Wechselspannung innerhalb des Energieversorgungsnetzes als Abregelaufforderung interpretiert werden und die PV-Anlage in vordefinierter Art und Weise abgeregelt werden. Die Frequenzstatik kann dabei individuell für eine bestimmte PV-Anlage vorgegeben sein.
c) Schnell aufeinanderfolgenden Leistungsschwankungen können durch konventionelle Kraftwerke aufgrund ihrer eher trägen Regeleigenschaften nur schwer abgedeckt werden. PV-Anlagen hingegen sind hinsichtlich Leistungsänderungen deutlich schneller regelbar. Eine Änderung der eingespeisten Leistung durch den Wechselrichter einer PV-Anlage kann auf einfache Weise durch Variation des Arbeitspunktes des PV-Generators entweder in Richtung der Leerlaufspannung oder in Richtung der Kurzschlussspannung des PV-Generators erfolgen. Daher kann es unter Erwartung einer Zeitdauer mit kurzfristigen Leistungsschwankungen im Energieversorgungsnetz durchaus vorteilhaft sein, schnell zu regelnde PV-Anlagen im Vorfeld der erwarteten Leistungsschwankung abzuregeln, um entsprechende Leistungsspitzen dann bei Bedarf mit diesen schnell zu regelnden Energieerzeugungsanlagen abdecken zu können. In diesem Fall würde eine Abregelaufforderung, wie auch die Aufforderung einer erhöhten Leistungseinspeisung, im Allgemeinen durch eine explizite Steueranweisung des Energieversorgungsunternehmens übermittelt.

Zur Übermittlung einer solchen Abregelaufforderung sind beispielsweise elektronische Kommunikationssysteme, mit denen die PV-Anlage in Verbindung steht, bekannt. Auch ist die Übermittlung eines Regelsignals über das Energieversorgungsnetz selbst als sogenanntes Rundsteuersignal bekannt.
Die Fähigkeit der PV-Anlage, auf Anfrage hin ihre Leistung reduzieren zu können, wird auch als Bereitstellung negativer Regelleistung bezeichnet. Wenn die Regelleistung innerhalb von wenigen Sekunden bereitgestellt werden kann, wird sie auch dynamische Regelleistung genannt. Aufgrund ihrer hohen Regelgeschwindigkeit sind PV-Anlagen im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken bevorzugt in der Lage, dynamische Regelleistung bereitstellen zu können.
Neben der negativen Regelleistung, die eine Verringerung der eingespeisten Leistung von einer Grundleistung darstellt, wobei die Grundleistung diejenige Leistung ist, die die PV-Anlage aktuell einspeist, ist auch eine positive Regelleistung definiert, die die Fähigkeit bezeichnet, auf Anforderung eine gegenüber der Grundleistung zumindest zeitweise erhöhte Leistung in das Energieversorgungsnetz einzuspeisen. Bei einer Bereitstellung von negativer Regelleistung umfasst die Grundleistung der PV-Anlage auch ihre maximal mögliche Einspeiseleistung. Hingegen bedingt eine Bereitstellung positiver Regelleistung automatisch, dass die PV-Anlage bei Einspeisung der Grundleistung in einem Zustand unterhalb ihrer aktuell maximal möglichen Einspeiseleistung betrieben wird. Dies gilt insbesondere für eine PV-Anlage, die ohne Energiezwischenspeicher ausgerüstet ist. Die Grundleistung beinhaltet hier also nicht die maximal mögliche Einspeiseleistung, sondern vielmehr Leistungswerte unterhalb dieser maximal möglichen Einspeiseleistung. Der Grundzustand, in dem die PV-Anlage somit abgeregelt betrieben wird, kann entweder regelbasiert oder auf Basis einer zuvor erfolgten expliziten Steuerungsaufforderung, insbesondere unter Berücksichtigung der weiter oben genannten Punkte a) bis c) – herbeigeführt worden sein. Da die Energieversorgungsunternehmen positive ebenso wie negative Regelleistung in ihren Systemen benötigen, um das Energieversorgungsnetz zu stabilisieren, honorieren sie die Bereitstellung von positiver ebenso wie negativer Regelleistung durch die Betreiber von PV-Anlagen, um die Betreiber für den Ausfall von ansonsten vergüteter eingespeister Leistung zu kompensieren.
Aus der Druckschrift DE 10 2011 054 971 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer PV-Anlage bekannt, durch das über die PV-Anlage sowohl positive als auch negativ dynamische Regelleistung bereitgestellt werden kann. Bei diesem Verfahren wird der PV-Generator im Grundzustand in einem Arbeitspunkt betrieben, in dem er eine gegenüber seinem Arbeitspunkt mit maximaler Leistung (MPP – maximum power point) reduzierte elektrische Leistung abgibt. Durch Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung des MPP kann die abgegebene Leistung auf Anforderung kurzfristig dynamisch erhöht werden (positive Regelleistung), durch Verschieben vom MPP weg kann die eingespeiste Leistung verringert werden (negative Regelleistung).
Weitere Verfahren, mit denen positive und negative Regelleistung bereitgestellt werden kann, sind bekannt, beispielsweise indem ein nach Möglichkeit immer etwa zur Hälfte gefüllter Energiezwischenspeicher, zum Beispiel eine Batterie, in der PV-Anlage vorgesehen ist, die zur Bereitstellung von negativer Regelleistung Energie aufnimmt oder zur Bereitstellung von positiver Regelleistung Energie abgibt, wobei bei einem Energiefluss in die Batterie eine geringere Leistung in das Netz eingespeist wird und bei einem Energiefluss aus der Batterie die in das Energieversorgungsnetz eingespeiste Leistung erhöht wird. Das Vorhalten eines Energiespeichers mit entsprechender Kapazität ist jedoch aufwendig und kostspielig.
Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, vom PV-Generator erzeugte Energie einem Verbraucher zuzuführen, der die Energie beispielsweise in Form von Wärme in der Regel ohne deren weitere Nutzung abgibt. Wird über den Verbraucher mehr Energie abgegeben, verringert sich entsprechend die eingespeiste Leistung, wird über den Verbraucher weniger oder keine Energie in Wärme umgesetzt, vergrößert sich die eingespeiste Leistung. Nachteilig ist hier, dass die in dem Verbraucher umgesetzte Leistung üblicherweise ungenutzt verbleibt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage bereitzustellen, mit denen sowohl positive bzw. negative Regelleistung für ein Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden kann, ohne dass dieses mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden ist und ohne dass die nicht in das Energieversorgungsnetz eingespeiste Energie gänzlich ungenutzt ist. Weiterhin soll sich mit den beschriebenen Verfahren eine möglichst große positive Regelleistung erzielen lassen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine PV-Anlage bereitzustellen, mit der die Verfahren umgesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren bzw. eine PV-Anlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bereitstellen von positiver Regelleistung gelöst, bei dem in dem ersten Betriebszustand zumindest ein Teil einer vom PV-Generator gelieferten Leistung zur Kühlung von zumindest Teilen des PV-Generators und/oder des Wechselrichters eingesetzt wird, wobei bei dem Wechsel in den zweiten Betriebszustand die zur Kühlung eingesetzte Leistung reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird somit im ersten Betriebszustand zurückgehaltene Energie zur Kühlung von Teilen des PV-Generators und/oder Komponenten des Wechselrichters verwendet. Beides führt zu einer Steigerung der Effektivität der PV-Anlage: Bei Kühlung des PV-Generators steigt dessen Wirkungsgrad an. Kühlung des Wechselrichters kann sowohl zu einer Wirkungsgradsteigerung, als auch zu einer höheren übertragbaren Leistung führen und damit eine Begrenzung der maximal einspeisbaren Leistung verringern. Zum Bereitstellen der in dem ersten Betriebszustand vorgehaltenen positiven Regelleistung wechselt die PV-Anlage in den zweiten Betriebszustand, in dem eine höhere Leistung eingespeist wird, wobei diese höhere Leistung zumindest zum Teil dadurch erzielt wird, dass die zur Kühlung zuvor verwendete Leistung reduziert wird, ggf. bis hin zum Ausschalten der Kühlung. Nach der Kühlung liegt aufgrund von thermischer Trägheit die Temperatur des PV-Generators und/oder des Wechselrichters zumindest für eine Zeit lang unter der normalen Betriebstemperatur, die sich in diesem Betriebszustand langfristig einstellen wird. Für diesen Zeitraum kann aufgrund der Effektivitätssteigerung eine höhere Leistung eingespeist werden, als es ohne die Kühlung im ersten Betriebszustand möglich wäre. Da die vorgehaltene positive Regelleistung sich üblicherweise als ein bestimmter Prozentsatz von der maximalen Leistung bemisst, ist auch die positive Regelleistung bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren größer als bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Hieraus ergibt sich ein Vorteil für den Betreiber des Energieversorgungsnetzes und indirekt über Vergütungsmechanismen auch für den Betreiber der PV-Anlage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens entspricht die Größe der positiven Regelleistung, die im zweiten Betriebszustand relativ zum ersten Betriebszustand zusätzlich in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird, zumindest der im ersten Betriebszustand zur Kühlung eingesetzten Leistung. Auf diese Weise steht mindestens die gesamte zur Kühlung zuvor eingesetzte Leistung als positive Regelleistung zur Verfügung. Sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebszustand kann so der PV-Generator bei seinem MPP betrieben werden. Die gesamte von dem PV-Generator maximal erzeugbare Leistung wird so sinnvoll verwendet – entweder eingespeist oder zur Kühlung und damit Effektivitätssteigerung. Es kann jedoch auch darüber hinaus gehende Regelleistung bereitgestellt werden, beispielsweise indem zusätzlich bekannte Verfahren umgesetzt werden, beispielsweise eine Verschiebung des Arbeitspunktes.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bereitstellen von negativer Regelleistung gelöst, wobei in dem vierten Betriebszustand zumindest ein Teil einer vom Photovoltaikgenerator gelieferten Leistung zur Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators und/oder des Wechselrichters eingesetzt und/oder erhöht wird.
Auch bei diesem Verfahren wird zurückgehaltene, nicht eingespeiste Leistung zumindest teilweise zur Kühlung verwendet. Wenn nach Aufhebung der Anforderung zum Bereitstellen von negativer Regelleistung wiederum eine höhere Leistung eingespeist wird, kann diese zumindest für einen bestimmten Zeitraum aufgrund der Effizienzsteigerung des PV-Generators durch dessen Kühlung bzw. einem geringeren thermischen Derating durch die Kühlung des Wechselrichters höher sein, als es ohne die Verwendung der negativen Regelleistung zur Kühlung der Fall wäre. Auch hier ergibt sich somit aufgrund des Einsatzes der Kühleinrichtung ein positiver Effekt sowohl für den Betreiber des Energieversorgungsnetzes als auch für den Betreiber der PV-Anlage.
In beiden genannten Verfahren zur Bereitstellung von positiver bzw. negativer Regelleistung kann dabei die Steueranweisung eine explizite, vom Betreiber des Energieversorgungsnetzes über die eingangs beschriebenen Arten aktuell übertragene Anweisung sein. Insbesondere kann die Steueranweisung ein über das Energieversorgungsnetz übertragenes Rundsteuersignal sein oder unter Berücksichtigung der Frequenz der Wechselspannung innerhalb des Energieversorgungsnetzes übermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steueranweisung auch eine Anweisung sein, die sich aus einer in der PV-Anlage hinterlegten Regel ergibt.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Verfahren erfolgt die Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators und/oder des Wechselrichters durch eine Kühleinrichtung, die zumindest eines der folgenden Kühlverfahren umsetzt: Kühlung über erzwungene Luftströmung, Kühlung über erzwungene Wasserströmung und/oder Kühlung über ein Peltier-Element. Die genannten Verfahren stellen geeignete und auch großflächig bei einem PV-Generator umsetzbare, effektive Kühlverfahren dar.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Verfahren wird zur Steuerung der Kühlung ein Stellsignal von einer zentralen Steuereinrichtung der PV-Anlage an eine Stelleinrichtung der Kühleinrichtung übermittelt. Bevorzugt ist die zentrale Steuereinrichtung der PV-Anlage in dem Wechselrichter angeordnet. Die zur Kühlung eingesetzte Leistung kann dabei an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters entnommen werden oder aber auch unmittelbar an einem Gleichstromeingang des Wechselrichters. Insbesondere wenn Kühlverfahren genutzt werden, die eine Gleichstromversorgung aufweisen, entfallen vorteilhafterweise in letzterem Fall Verluste bei der Umrichtung durch den Wechselrichter.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe von einer PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator und mindestens einem Wechselrichter gelöst, wobei die PV-Anlage dazu eingerichtet ist, in einem Betriebszustand eine Grundleistung in ein Energieversorgungsnetz einzuspeisen, und in Reaktion auf eine Steueranweisung in einen weiteren Betriebszustand zu wechseln, um zumindest kurzfristig eine um eine positive Regelleistung oberhalb der Grundleistung und/oder um eine negative Regelleistung unterhalb der Grundleistung liegende Leistung in das Energieversorgungsnetz einzuspeisen. Dabei weist die PV-Anlage eine Kühleinrichtung zur Kühlung von zumindest Teilen des PV-Generators und/oder des Wechselrichters auf, und ist dazu eingerichtet, bei dem Wechsel in den weiteren Betriebszustand die der Kühleinrichtung zugeführte Leistung zu ändern.
Damit ist die PV-Anlage in der Lage, ein Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt durchzuführen, wobei der Betriebszustand der PV-Anlage dem ersten bzw. dritten Betriebszustand gemäß den Verfahren entspricht und der weitere Betriebszustand der PV-Anlage dem zweiten bzw. vierten Betriebszustand gemäß den Verfahren entspricht. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit den Verfahren genannten Vorteile.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der PV-Anlage ist die Kühleinrichtung thermisch mit zumindest Teilen des PV-Generators und/oder mit zumindest einer Komponente des Wechselrichters gekoppelt. Zur Stromversorgung ist die Kühleinrichtung elektrisch mit einem Wechselstromausgang oder einem Gleichstromeingang des Wechselrichters verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage;
2 beispielhafte Leistungskennlinien eines PV-Generators bei unterschiedlichen Temperaturen;
3 ein Flussdiagramm eines anmeldungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen von positiver Regelleistung durch eine PV-Anlage; und
4 ein Flussdiagramm eines anmeldungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen von negativer Regelleistung durch eine PV-Anlage.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zur Durchführung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens eingerichtete PV-Anlage.
Die PV-Anlage weist einen PV-Generator 1 auf, der über Gleichstrom (DC – direct current)-Leitungen 2 mit einem Gleichstromeingang 31 eines Wechselrichters 3 verbunden ist.
Symbolhaft ist in der 1 der PV-Generator 1 durch das Schaltsymbol nur einer PV-Zelle dargestellt. In einer Umsetzung der gezeigten PV-Anlage kann der PV-Generator 1 eine Mehrzahl von PV-Modulen aufweisen, die beispielsweise zu einem String serienverschaltet sind. Gegebenenfalls können mehrere dieser Strings auch parallel und/oder in Serie geschaltet sein. Der PV-Generator 1 kann sich ebenso aus mehreren PV-Teilgeneratoren zusammensetzen, die elektrisch zusammengeschaltet mit dem Wechselrichter 3 verbunden sind oder die über jeweils separate Gleichstromleitungen 2 mit dem Wechselrichter 3 verbunden sind, der dann als sogenannter Multi-String-Wechselrichter ausgebildet ist und über mehrere unabhängig voneinander regelbare Gleichstromeingänge 31 verfügt.
Der Wechselrichter 3 ist über an einen Wechselstrom (AC – alternating current) -Ausgang 32 angeschlossene Wechselstrom-Leitungen 4 mit einem Energieversorgungsnetz 5 verbunden. Beispielhaft ist sowohl der Wechselrichter 3 als auch die Verbindung zum Energieversorgungsnetz 5 hier einphasig ausgebildet. Das Energieversorgungsnetz 5 kann aber ebenso wie der Wechselrichter 3 mehrphasig, insbesondere dreiphasig sein.
Zudem sind in 1 im Rahmen der Anmeldung nicht wesentliche Elemente der PV-Anlage nicht dargestellt. So können beispielsweise auf der Gleich- und/oder Wechselstromseite des Wechselrichters 3 hier nicht dargestellte Schaltorgane (zum Beispiel Trennelemente, Schütze), Filter (zum Beispiel ein Sinusfilter), Netzüberwachungseinrichtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein.
Dem PV-Generator 1 oder zumindest Teilen des PV-Generators 1 ist eine Kühleinrichtung 10 zugeordnet, die mit ihr in einer thermischen Wirkverbindung 11 steht. Durch die Kühleinrichtung 10 kann der PV-Generator 1 bzw. Teile des PV-Generators 1 gekühlt werden. Die Kühleinrichtung 10 kann beispielsweise in einer einfachen Ausgestaltung aus einem Lüftungssystem bestehen, das Umgebungsluft an der Vor- und/oder Rückseite der den PV-Generator 1 bildenden PV-Module vorbeiführt. Die sich im Betrieb durch die Sonneneinstrahlung gegenüber der Umgebungslufttemperatur stark aufheizenden PV-Module können durch den Umgebungsluftstrom in ihrer Temperatur um einige bis einige 10 Grad abgesenkt werden.
Insbesondere bei Verwendung sogenannter kombinierter thermischer und photovoltaischer Solarmodule kann auch ein Flüssigkeitskühlkreislauf als thermische Verbindung 11 zur Kühleinrichtung 10 Verwendung finden. Über dann bodennahe installierte Luft-Wärmetauscher kann der Kühlkreislauf wiederum auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Optional können auch Wärmepumpen verwendet werden, um eine weitere Temperaturreduktion unter die Umgebungstemperatur zu ermöglichen. Als weitere Alternative kann die Kühleinrichtung 10 ein oder mehrere Peltier-Elemente aufweisen, die thermisch an die PV-Module gekoppelt sind und diese vorteilhafterweise von deren Rückseite her kühlen. Die Kühlung erfolgt in diesem Fall durch einen gerichteten Stromfluss (Gleichstrom) durch das Peltier Element auf Basis des bekannten Peltier Effektes.
Die Kühleinrichtung 10 wird im dargestellten Beispiel durch Wechselstromversorgungsleitungen 12 mit Strom vom AC-Ausgang 32 des Wechselrichters 3 versorgt. Anstelle einer Versorgung der Kühleinrichtung 10 mit Wechselspannung vom AC-Ausgang 32 des Wechselrichters 3 kann auch vorgesehen sein, die Kühleinrichtung 10 über Gleichstrom unmittelbar vom PV-Generator 1 oder aber aus einem Zwischenkreis des Wechselrichters 3 über entsprechende Anschlussmöglichkeiten bereitzustellen. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer gleichstrombasierten Kühleinrichtung wie zum Beispiel der oben erwähnten Kühlung durch Peltier-Elemente vorteilhaft, da so unerwünschte Wandlungsverluste verhindert bzw. minimiert werden.
Der Versorgungsstrom wird über eine Stelleinrichtung 13 zur Kühleinrichtung 10 geführt, wobei die Stelleinrichtung 13 über eine Steuerverbindung 14 von einer im Wechselrichter 3 angeordneten und diesen steuernden zentralen Steuervorrichtung angesteuert wird. Die Stelleinrichtung 13 kann im einfachsten Fall ein Schaltorgan aufweisen, so dass über die Steuerverbindung 14 die Kühleinrichtung 10 ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Stelleinrichtung 13 kann jedoch auch zu einer mehrstufigen oder stufenlosen Einstellung der Leistung der Kühleinrichtung 10 eingerichtet sein. Wenn die Kühleinrichtung 10 als eine unmittelbar auf den PV-Generator 1 wirkende Luftkühlung ausgebildet ist, kann beispielsweise über die Stelleinrichtung 13 die Drehzahl von Lüftungsventilatoren variiert werden.
Anstelle einer im Wechselrichter 3 angeordneten zentralen Steuereinrichtung, die in diesem dargestellten Beispiel sowohl den Wechselrichter 3 steuert als auch über einen separaten Ausgang die Stelleinrichtung 13, kann auch eine extern vom Wechselrichter 3 angeordnete zentrale Steuereinrichtung für die PV-Anlage vorgesehen sein.
2 zeigt in einem schematischen Diagramm den Effekt, den die Temperatur eines PV-Generators auf dessen Leistung hat. Das Diagramm zeigt für einen PV-Generator typische P/U-Kurven 20, 20‘, die die Leistung P, eingetragen auf der Ordinatenachse, gegenüber der Spannung U des PV-Generators, aufgetragen über der Abszissenachse, angibt. Die beiden P/U-Kurven 20, 20‘ unterscheiden sich in der Temperatur des PV-Generators, wobei die Temperatur T der P/U-Kurve 20 kleiner ist als die Temperatur T‘ der P/U-Kurve 20‘. Es zeigt sich, dass über den gesamten Kurvenverlauf die vom PV-Generator erbrachte Leistung P bei der höheren Temperatur T‘ unterhalb der Leistung bei geringerer Temperatur T des PV-Generators liegt. Beide Kurven weisen jeweils ein absolutes Leistungsmaximum bei einer Leistung P_max bzw. P’_max auf. Diese maximale Leistung wird in einem Arbeitspunkt maximaler Leistung 21, 21‘ erreicht, der auch als MPP (maximum power point) bezeichnet wird.
Damit eine PV-Anlage in der Lage ist, auf Anforderung beispielsweise eines Energieversorgungsunternehmens zur Stützung der Stabilität im Energieversorgungsnetz positive Regelleistung bereitstellen zu können, wird anmeldungsgemäß die PV-Anlage in einem ersten Betriebszustand, der auch als Normalbetriebszustand bezeichnet wird, nicht im MPP 21, 21‘ betrieben, sondern in einem Arbeitspunkt niedrigerer Leistung. Zwei derartige Arbeitspunkte sind für jede der P/U-Kurven 20, 20‘ als Arbeitspunkte 22 bzw. 22‘ und 23 bzw. 23‘ eingezeichnet. An jeweils beiden Arbeitspunkten 22, 23 oder 22‘, 23‘ wird eine gegenüber dem MPP 20, 20‘ um einen bestimmten Prozentsatz verringerte Leistung P_red erzielt. Im dargestellten Beispiel beträgt die verringerte Leistung P_red etwa 90 Prozent der maximalen Leistung P_max. Die Arbeitspunkte 22 und 23 bzw. 22‘ und 23‘ unterscheiden sich darin, dass die gleiche verringerte Leistung einmal bei einer geringeren Spannung als der des MPP 21, 21‘ erzielt wird und einmal bei höherer Spannung. Beide Variationen können eingesetzt werden, um die Leistung eines PV-Generators gegenüber der maximalen Leistung P_max zu verringern.
Wenn ein PV-Generator im Normalbetrieb bei einer reduzierten Leistung P_red betrieben wird, steht die Leistungsdifferenz ∆P = P_max – P_red bzw. ∆P‘ = P‘_max – P‘_red beim Betrieb der PV-Anlage als positive Regelleistung zur Verfügung, die bei Bedarf kurzfristig abgerufen werden kann. Soll die eingespeiste Leistung der PV-Anlage erhöht werden, wird der PV-Generator aus seinem Arbeitspunkt bei der reduzierten Leistung 22 oder 23 bzw. 22‘ oder 23‘ in Richtung des MPPs 21, 21‘ verfahren. Die reduzierte Leistung wird in dem Fall auch als Grundleistung P_G bezeichnet.
2 zeigt, dass bei einem PV-Generator mit geringerer Temperatur (dort T gegenüber T‘) sowohl die maximale Leistung P_max als auch die Regelleistung ∆P größer wird. Diesen Effekt macht sich ein erstes anmeldungsgemäßes Verfahren zunutze, das nachfolgend anhand eines Flussdiagramms in 3 detaillierter beschrieben wird. Dieses Verfahren kann beispielsweise mit der in 1 gezeigten PV-Anlage durchgeführt werden. Es wird daher mit Bezug auf 1 und mit Verwendung der dort definierten Bezugszeichen beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird die PV-Anlage in einem ersten Betriebszustand betrieben. In diesem ersten Betriebszustand, der auch der Normalbetriebszustand der PV-Anlage ist, wird die PV-Anlage so betrieben, dass sie eine positive Regelleistung bereitstellen kann. Entsprechend wird vom Wechselrichter 3 eine erste Leistung P₁ als Einspeiseleistung P_E in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist, die kleiner ist als die maximal von der PV-Anlage, bestehend aus PV-Generator 1 und Wechselrichter 3, aktuell lieferbare bzw. verfügbaren Leistung P_max: P_E = P₁ = x·P_max mit 0 < x ≤ 1 Beispielhaft. wird nachfolgend davon ausgegangen, dass als Regelleistung 10 Prozent der maximal einspeisbaren Leistung bereitstehen sollen, x also den Wert 0,9 hat. Entsprechend wird im ersten Betriebszustand als Einspeiseleistung eine Leistung P_E = 0,9 P_max eingespeist, die auch als Grundleistung bezeichnet werden kann. Zu diesem Zweck kann der PV-Generator 1 beispielsweise bei seinem Arbeitspunkt maximaler Leistung 21 (MPP, vgl. 2) betrieben werden. Die gegenüber der Einspeiseleistung bestehende Leistungsdifferenz (1 – x)·P_max stellt die vorgehaltene positive Regelleistung P_PR dar. Zumindest ein Teil dieser vorgehaltenen positiven Regelleistung P_PR wird bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren dazu verwendet, über die Kühleinrichtung 10 den PV-Generator 1 und/oder den Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten zu kühlen. Entsprechend wird ein Anteil P_K ≤ P_PR = (1 – x)·P_max der Kühleinrichtung 10 zur Kühlung des PV-Generators 1 und/oder des Wechselrichters 3 zugeführt. Dabei muss nicht zwingend die gesamte vorgehaltene Regelleistung der Kühleinrichtung 10 zugeführt werden. Es ist auch möglich, einen Teil der vom PV-Generator 1 erzeugten Leistung einem anderen Verbraucher oder einem Energiespeicher zuzuführen. Weiter ist es möglich, einen Teil der positiven Regelleistung P_PR durch ein Abregeln des PV-Generators 1 vorzuhalten, also durch ein Betreiben des PV-Generators 1 an einem von dem MPP abweichenden Arbeitspunkt.
Im Folgenden wird nun zunächst angenommen, dass die maximal mögliche Einspeiseleistung der PV-Anlage ausschließlich durch den PV-Generator 1, nicht jedoch durch ein thermisch bedingtes Abregeln (Derating) des Wechselrichters 3 begrenzt wird. Weiter wird angenommen, dass die Kühleinrichtung 10 hier zunächst ausschließlich auf den PV-Generator 1 und nicht auf den Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten wirkt. In diesem Fall führt die Verwendung der Teilleistung P_K für die Kühleinrichtung 10 zu einer Temperaturabsenkung des PV-Generators 1, der entsprechend bei gleichen Umgebungs- und Sonneneinstrahlungsbedingungen eine höhere Maximalleistung P_max bereitstellen kann, als er es im ungekühlten Fall könnte (vgl. beispielsweise P’_max verglichen mit P_max in 2). Die maximale Leistung P_max bezeichnet dabei nicht die Generatorleistung selbst, sondern die beim Betreiben des PV-Generators 1 in diesem Arbeitspunkt maximal einspeisbare Leistung. Die tatsächliche maximale Generatorleistung und die maximal einspeisbare Leistung unterscheiden sich durch Verluste innerhalb der PV-Anlage. Dieses sind beispielsweise ohmsche Verluste in den DC-Leitungen 2 sowie Verluste beim Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom im Wechselrichter 3.
Da die eingespeiste Leistung P_E unmittelbar von der maximalen Leistung P_max abhängt, kann durch das anmeldungsgemäße Verfahren eine höhere Leistung eingespeist werden, als dieses möglich wäre, wenn die als positive Regelleistung P_PR vorgehaltene Leistung (1 – x)·P_max entweder durch Betreiben des PV-Generators 1 in einem Arbeitspunkt mit geringerer Leistung gar nicht erzeugt würde, oder diese vollständig Verbrauchern zugeführt wird, die sie nur in nicht benötigte Wärme umsetzen. Da auch die positive Regelleistung P_PR prozentual zur Maximalleistung P_max ermittelt wird, ist auch die positive Regelleistung P_PR bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren größer als bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Hieraus ergibt sich ein Vorteil für den Betreiber des Energieversorgungsnetzes und indirekt über Vergütungsmechanismen auch für den Betreiber der PV-Anlage.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird ein Steuersignal empfangen und analysiert. Ein solches Steuersignal kann beispielsweise vom Energieversorgungsunternehmen abgesetzt werden und dem Wechselrichter 3 bzw. einer zentralen Steuervorrichtung für die PV-Anlage über ein Kommunikationsnetzwerk übermittelt werden. Alternativ kann das Steuersignal auch als sogenanntes Rundsteuersignal auf die Stromleitungen des Energieversorgungsnetzes 5 aufmoduliert sein und über den AC-Ausgang 7 dem Wechselrichter 3 bereitgestellt werden.
In dem Schritt S3 wird abgefragt, ob das Steuersignal eine Aufforderung zur Erhöhung der eingespeisten Leistung P_E, also zur vollständigen oder teilweisen Nutzung der positiven Regelreserve P_PR, enthält. Wenn dieses nicht der Fall ist, verzweigt das Verfahren zurück zum Schritt S1, indem die PV-Anlage im ersten Betriebszustand verbleibt. Falls eine Aufforderung zum Erhöhen der eingespeisten Leistung erhalten wird, verzweigt das Verfahren vom Schritt S3 zu einem Schritt S4.
In dem Schritt S4 wechselt die PV-Anlage, im Beispiel der 1 gesteuert über die Steuervorrichtung des Wechselrichters 3, in einen zweiten Betriebszustand. Entsprechend wird die eingespeiste Leistung P_E auf eine zweite Leistung P₂ erhöht, die zwischen der ersten Leistung P₁ und der maximalen Leistung P_max liegt. Wenn die Anforderung, die im Schritt S2 empfangen und im Schritt S3 ausgewertet wurde, eine vollständige Bereitstellung der positiven Regelleistung P_PR betraf, wird beispielsweise im Schritt S4 die eingespeiste Leistung auf die maximal mögliche Leistung P_max gesetzt. Zu diesem Zweck verbleibt der PV-Generator 1 in seinem Arbeitspunkt maximaler Leistung 21. Die der Kühleinrichtung 10 bereitgestellte Leistung P_K wird über die Steuerverbindung 14 und die Stelleinrichtung 13 verringert, im Ausführungsbeispiel der 3 auf null gesetzt. Mit anderen Worten wird die im ersten Betriebszustand zur Kühlung verwendete Leistung nunmehr zumindest als ein Teil der positiven Regelleistung P_PR mit in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist.
Aufgrund der Masse des PV-Generators 1 und der damit verbundenen thermischen Trägheit ändert der PV-Generator 1 seine Temperatur nach dem Abschalten der Kühleinrichtung 10 nur langsam. Die Zeitkonstanten für die Temperaturänderung des PV-Generators 1 liegen dabei im Bereich von einigen Minuten, so dass kurzfristig ein Erwärmen des PV-Generators 1 und ein damit verbundenes erneutes Absinken der maximalen Leistung, wie in 2 dargestellt, zunächst nicht eintritt. Die Zeitkonstanten zur Erwärmung sind dabei ausreichend lang, um dynamische Regelleistung für einen ausreichenden Zeitraum bereitstellen zu können.
Nach Wechsel in den zweiten Betriebszustand im Schritt S4 verzweigt das Verfahren zurück zum Schritt S2, um ggf. vorliegende weitere Steuersignale empfangen und analysieren zu können. Wird durch ein solches Steuersignal mitgeteilt, dass die positive Regelleistung P_PR für das Energieversorgungsnetz 5 nicht mehr benötigt wird, verzweigt das Verfahren vom Schritt S3, wie zuvor beschrieben, zurück zum Schritt S1, in dem wiederum der erste Betriebszustand eingenommen wird, bei dem die positive Regelleistung P_PR von der PV-Anlage zwar vorgehalten, jedoch nicht in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist wird. Solange die positive Regelleistung P_PR benötigt wird, also eine erhöhte Einspeiseleistung P_E in das Energieversorgungsnetz zu dessen Stabilisierung gefordert ist, wird das Verfahren nach dem Schritt S3 wiederum mit dem Schritt S4 fortgeführt, so dass die PV-Anlage im zweiten Betriebszustand verbleibt.
Optional alternativ oder auch zusätzlich kann die Kühleinrichtung 10 auch in thermischer Verbindung mit dem Wechselrichter 3 stehen (in 1 nicht dargestellt) und diesen bzw. dessen temperaturkritische Komponenten kühlen. Mit den temperaturkritischen Komponenten des Wechselrichters 3 sind insbesondere solche Komponenten gemeint, die bei Erwärmung über einen Temperatur-Schwellwert hinaus zu einer temperaturbedingten Abregelung des Wechselrichters 3 führt. Diese Schutzfunktion des Wechselrichters 3 dient der Vermeidung von Überhitzungen und daraus resultierenden Schädigungen des Wechselrichters 3 und wird im Folgenden als „thermisches Derating“ bezeichnet.
Eine auf den Wechselrichter 3 bzw. dessen Komponenten wirkende Kühlung berücksichtigt den Aspekt, dass aufgrund des thermischen Deratings des Wechselrichters 3, ausgelöst durch dessen Steuereinrichtung, die vom Wechselrichter 3 maximal umwandelbare Leistung begrenzt wird. Die so begrenzte vom Wechselrichter 3 maximal umwandelbare Leistung kann auch unterhalb der aktuell lieferbaren Leistung des PV-Generators 1 liegen und demzufolge die maximal mögliche Einspeiseleistung einer PV-Anlage begrenzen. Da in einem solchen Fall nicht der PV-Generator 1 die maximal mögliche Einspeiseleistung einer PV-Anlage definiert, sondern der Wechselrichter 3, ist hier auch eine (ausschließliche) Kühlung des PV-Generators 1 wenig hilfreich. Eine ausschließliche Kühlung des PV-Generators 1 würde in einem solchen Fall die maximal mögliche Einspeiseleistung der PV-Anlage und somit auch die durch die PV-Anlage vorgehaltene positive Regelleistung ∆P nicht beeinflussen. Vielmehr ist hier jedoch eine Kühlung des Wechselrichters 3 bzw. einzelner Komponenten desselben sinnvoll, um die maximal mögliche Einspeiseleistung der PV-Anlage und damit auch die vorgehaltene positive Regelleistung ∆P zu erhöhen.
Im Zusammenhang mit 3 wurde für die Erklärung der prinzipiellen Funktionsweise zunächst angenommen, dass die maximal mögliche Einspeiseleistung der PV-Anlage ausschließlich durch den PV-Generator 1, nicht jedoch durch ein thermisches Derating des Wechselrichters 3 begrenzt wird und demzufolge die Kühleinrichtung 10 ausschließlich auf den PV-Generator 1 und nicht auf den Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten wirkt. Das anmeldungsgemäße Verfahren kann jedoch auch eingesetzt werden, wenn die maximal mögliche Einspeiseleistung der PV-Anlage nicht durch den PV-Generator 1, sondern durch den Wechselrichter 3, beispielsweise infolge eines thermischen Deratings desselben, begrenzt ist. In diesem Fall wird die Kühleinrichtung 10 so ausgelegt, dass sie hauptsächlich auf den Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten wirkt. Auf diese Weise wird ein thermisches Derating verhindert bzw. zumindest reduziert und die vom Wechselrichter 3 maximal umwandelbare Leistung steigt. Somit steigt auch die maximal einspeisbare Leistung der PV-Anlage und damit auch die von der PV-Anlage vorgehaltene positive Regelleistung P_PR. Analog zu dem PV-Generator hat auch der Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten ggf. zusammen mit ihren Kühlkomponenten eine Masse und eine damit verbundene thermische Trägheit, so, dass auch bei Wegfall der auf den Wechselrichter 3 wirkenden Kühleinrichtung 10, also bei Abruf der positiven Regelleistung P_PR, erst im Laufe der Zeit eine erneute Erwärmung des Wechselrichters 3 bzw. dessen temperaturkritischer Komponenten erfolgt. Demzufolge lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch bei einer aufgrund eines thermischen Deratings durch den Wechselrichter 3 vorgegebenen Leistungsbegrenzung der PV-Anlage anwenden, indem die Kühleinrichtung 10 auf den Wechselrichter 3 einwirkt.
Gleiches gilt auch für eine PV-Anlage deren Einspeiseleistung sowohl durch den PV-Generator 1 als auch durch ein thermisches Derating des Wechselrichters 3 begrenzt ist. In diesem Fall wird die Kühleinrichtung 10 bzw. werden mehrere Kühleinrichtungen 10 so ausgebildet, dass sie sowohl auf den Wechselrichter 3 bzw. dessen temperaturkritische Komponenten als auch auf den PV-Generator 1 wirkt bzw. wirken.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann das Verfahren auch dann durchgeführt werden, wenn anstatt der gesamten anfangs vorgehaltenen positiven Regelleistung P_PR nur ein Teil derselben abgerufen und tatsächlich in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist wird. In diesem Fall kann auch bei abgerufener Regelleistung der PV-Generator 1 und/oder der Wechselrichter 3, nun jedoch mit entsprechend verringerter zur Kühlung verwendeter Leistung P_K gekühlt werden. In gleicher Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren auch nicht darauf beschränkt, dass die gesamte vorgehaltene positive Regelleistung P_PR zur Kühlung des PV-Generators 1 und/oder des Wechselrichters 3 verwendet wird. Vielmehr ist es ausreichend, wenn zumindest ein Teil der vorgehaltenen positiven Regelleistung P_PR zur Kühlung der genannten Komponenten der PV-Anlage genutzt wird.
4 zeigt ein zweites anmeldungsgemäßes Verfahren in gleicher Art wie 3 in einem Flussdiagramm. Das Verfahren dient der Bereitstellung von negativer Regelleistung P_NR. Es kann ebenso beispielsweise mit der in 1 gezeigten PV-Anlage durchgeführt werden und wird daher auch mit Bezug auf 1 und mit Verwendung der dort definierten Bezugszeichen beschrieben.
Die PV-Anlage 1 wird zunächst in einem Schritt S11 in einem dritten Betriebszustand betrieben, in dem eine dritte Leistung P₃ als Einspeiseleistung P_E in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist wird, die kleiner oder gleich der max. von der PV-Anlage einspeisbaren Leistung P_max ist: P_E = P₃ ≤ P_max. Beispielhaft könnte also in dem dritten Betriebszustand die eingespeiste Leistung der maximal möglichen Leistung P_max entsprechen. Es ist jedoch auch möglich, in dem dritten Betriebszustand eine kleinere als die maximal mögliche Leistung einzuspeisen. Letzteres ist insbesondere bei einer Kombination der in den 3 und 4 gezeigten Verfahren sinnvoll, bei der sowohl positive Regelleistung P_PR als auch negative Regelleistung P_NR bereitgestellt wird. In dem dritten Betriebszustand wird in dem hier dargestellten Beispiel weiterhin eine vorhandene Kühleinrichtung 10 nicht betrieben, was einer zur Kühlung verwendeten Leistung P_K = 0 entspricht.
In einem folgenden Schritt S12 wird analog zum Schritt S2 ein Steuersignal empfangen und analysiert. In einem nachfolgenden Schritt S13 wird abgefragt, ob das Steuersignal eine Bereitstellung negativer Regelleistung P_NR betrifft, ob also die eingespeiste Leistung P_E verringert werden soll. Falls das nicht so ist, verzweigt das Verfahren zurück zum Schritt S11.
Wenn in dem Schritt S13 festgestellt wird, dass das Steuersignal eine Abregelaufforderung zur Bereitstellung der negativen Regelleistung P_NR betraf, wird das Verfahren mit einem Schritt S14 fortgesetzt, in dem die PV Anlage 1 in einen vierten Betriebszustand gebracht wird. In diesem vierten Betriebszustand wird eine vierte Leistung P₄ eingespeist, die kleiner als die dritte Leistung P₃ ist und entsprechend kleiner als die maximal mögliche Einspeiseleistung P_max ist. Zumindest ein Teil der Differenz (P3 – P4) der eingespeisten Leistungen im dritten und vierten Betriebszustand wird in dem vierten Betriebszustand der Kühleinrichtung 10 als Leistung P_K zur Kühlung zugeführt.
Die bei diesem Verfahren bereitgestellte negative Regelleistung P_NR = (P₃ – P₄) wird somit zumindest zum Teil zur Kühlung des PV-Generators und/oder des Wechselrichters 3 verwendet. Die bereitgestellte negative Regelleistung verbleibt somit nicht ungenutzt, sondern trägt zur Kühlung einer der Komponenten der PV-Anlage 1 bei. Wie im Zusammenhang mit 2 erläutert ist, wirkt sich eine Kühlung des PV-Generators 1 positiv auf die Leistungskennlinie des PV-Generators 1 aus. Eine Kühlung des Wechselrichters 3 kann zu einer Verringerung eines thermischen Deratings bei dem Wechselrichter 3 führen. Beide Effekte werden wirksam, wenn nach erneuerter Abfrage und Analyse des Steuersignals in dem Schritt S12 bzw. dem Schritt S13 die Abregelanforderung aufgehoben ist und folglich die PV-Anlage im Schritt S11 wieder in den dritten Betriebszustand versetzt wird.
Wenn in diesem dritten Betriebszustand wieder eine höhere Einspeiseleistung P_E in das Energieversorgungsnetz 5 eingespeist werden kann, liegt diese zumindest für einen bestimmten Zeitraum aufgrund der Effizienzsteigerung des PV-Generators 1 aufgrund dessen Kühlung bzw. einem geringeren thermischen Derating aufgrund der Kühlung des Wechselrichters 3 höher als es ohne die Verwendung der negativen Regelleistung durch die Kühleinrichtung 10 der Fall wäre. Auch hier ergibt sich somit aufgrund des Einsatzes der Kühleinrichtung 10 ein positiver Effekt sowohl für den Betreiber des Energieversorgungsnetzes als auch für den Betreiber der PV-Anlage.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel wurde im Schritt S11 eine zur Kühlung verwendete Leistung von P_K = 0 angenommen. Es ist alternativ auch möglich, das Verfahren mit einer im dritten Betriebszustand von Null verschiedenen Leistung P_K > 0 auszuführen, wobei die Leistung P_K dann in dem Schritt S14 weiter erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens können wie bereits erwähnt die in den 3 und 4 gezeigten Verfahren kombiniert werden, so dass je nach Anforderung sowohl positive als auch negative Regelleistung bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: PV-Generator
2: Gleichstromleitung (DC-Leitung)
3: Wechselrichter
31: Gleichstromeingang (DC-Eingang)
32: Wechselstromausgang (AC-Ausgang)
4: Wechselstromleitung (AC-Leitung)
5: Energieversorgungsnetz
10: Kühleinrichtung
11: Verbindung (thermische Wirkverbindung)
12: Wechselstromversorgungsleitung
13: Stelleinrichtung
14: Steuerverbindung
20, 20‘: P/U-Kurve
21, 21‘: Arbeitspunkt (MPP)
22, 22‘: Arbeitspunkt
23, 23‘: Arbeitspunkt
P: Leistung
P₁: erste Leistung
P₂: zweite Leistung
P₃: dritte Leistung
P₄: vierte Leistung
P_E: Einspeiseleistung
P_max, P’_max: maximale Leistung
P_red, P’_red: reduzierte Leistung
∆P, ∆P’,∆PP’: Leistungsunterschied
P_PR: positive Regelleistung
P_NR: negative Regelleistung
P_K: zur Kühlung aufgewendete Leistung
T, T‘: Temperatur
U: Spannung
S1–S4: Verfahrensschritt
S11–S14: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011054971 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von positiver Regelleistung (P_PR) bei einer Photovoltaikanlage, die mindestens einen Photovoltaikgenerator (1) und mindestens einen Wechselrichter (3) aufweist, wobei – in einem ersten Betriebszustand eine erste Leistung (P₁) in ein Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird, die kleiner ist als eine von der PV-Anlage aktuell maximal einspeisbare Leistung (P_max) und – in Reaktion auf eine Steueranweisung die Photovoltaikanlage in einen zweiten Betriebszustand wechselt, in dem zumindest kurzfristig eine um die positive Regelleistung (P_PR) über der ersten Leistung (P₁) liegende zweite Leistung (P₂) in das Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem ersten Betriebszustand zumindest ein Teil (P_K) einer vom Photovoltaikgenerator (1) gelieferten Leistung zur Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder des Wechselrichters (3) eingesetzt wird; und – bei dem Wechsel in den zweiten Betriebszustand die zur Kühlung eingesetzte Leistung (P_K) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Größe der positiven Regelleistung (P_PR) zumindest der im ersten Betriebszustand zur Kühlung eingesetzten Leistung (P_K) entspricht.
Verfahren zum Bereitstellen von negativer Regelleistung (P_NR) bei einer Photovoltaikanlage, die mindestens einen Photovoltaikgenerator (1) und mindestens einen Wechselrichter (3) aufweist, wobei – in einem dritten Betriebszustand eine dritte Leistung (P₃) in ein Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird, die kleiner oder gleich einer von der PV-Anlage aktuell maximal einspeisbaren Leistung (P_max) ist, – in Reaktion auf eine Steueranweisung die Photovoltaikanlage in einen vierten Betriebszustand wechselt, in dem zumindest kurzfristig eine um die negative Regelleistung (P_NR) unterhalb der dritten Leistung (P₃) liegende vierte Leistung (P₄) in das Energieversorgungsnetz (5) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem vierten Betriebszustand zumindest ein Teil (P_K) einer vom Photovoltaikgenerator (1) gelieferten Leistung zur Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder des Wechselrichters (3) eingesetzt und/oder erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder des Wechselrichters (3) durch eine Kühleinrichtung (10) erfolgt, die zumindest eines der folgenden Kühlverfahren aufweist: – Kühlung über erzwungene Luftströmung; – Kühlung über erzwungene Wasserströmung; – Kühlung über ein Peltier-Element.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Steuerung der Kühlung ein Stellsignal von einer zentralen Steuereinrichtung der Photovoltaikanlage an eine Stelleinrichtung (13) der Kühleinrichtung (10) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zentrale Steuereinrichtung der Photovoltaikanlage in dem Wechselrichter (3) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zur Kühlung eingesetzte Leistung (P_K) an einem Wechselstromausgang (32) des Wechselrichters (3) entnommen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zur Kühlung eingesetzte Leistung (P_K) an einem Gleichstromeingang (31) des Wechselrichters (3) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Steueranweisung zur Lieferung der positiven Regelleistung (P_PR) und/oder der negativen Regelleistung (P_NR) als Rundsteuersignal über das Energieversorgungsnetz (5) oder unter Berücksichtigung der Frequenz der Wechselspannung innerhalb des Energieversorgungsnetzes (5) übermittelt wird.
Photovoltaikanlage mit mindestens einem Photovoltaikgenerator (1) und mindestens einem Wechselrichter (3), wobei die Photovoltaikanlage dazu eingerichtet ist, – in einem Betriebszustand eine Grundleistung in ein Energieversorgungsnetz (5) einzuspeisen, und – in Reaktion auf eine Steueranweisung in einen weiteren Betriebszustand zu wechseln, um zumindest kurzfristig eine um eine positive Regelleistung (P_PR) oberhalb der Grundleistung und/oder um eine negative Regelleistung (P_NR) unterhalb der Grundleistung liegende Leistung in das Energieversorgungsnetz (5) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage eine Kühleinrichtung (10) zur Kühlung von zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder des Wechselrichters (3) aufweist, und dazu eingerichtet ist – bei dem Wechsel in den weiteren Betriebszustand die der Kühleinrichtung (10) zugeführte Leistung (P_K) zu ändern.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 10, bei dem die Kühleinrichtung (10) thermisch mit zumindest Teilen des Photovoltaikgenerators (1) und/oder mit zumindest einer Komponente des Wechselrichters (3) gekoppelt ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Kühleinrichtung (10) elektrisch mit einem Wechselstromausgang (32) des Wechselrichters (3) verbunden ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Kühleinrichtung (10) elektrisch mit einem Gleichstromeingang (31) des Wechselrichters (3) verbunden ist.