DE102013112362A1

DE102013112362A1 - Photovoltaikanlage sowie Betriebsverfahren und Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102013112362A1
Application number: DE201310112362
Authority: DE
Inventors: Markus Hopf; Gerd Bettenwort
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-05-28
Also published as: CN203660567U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator (1) und einem mit diesem über Gleichstromleitungen (3, 4) verbundenen Wechselrichter (50) sowie elektronische Komponenten (20), die zu ihrer Stromversorgung mit dem PV-Generator (1) verbunden sind. Die PV-Anlage weist eine Stromversorgungseinheit auf, die mit den Gleichstromleitungen (3, 4) zur alternativen Stromversorgung der elektronischen Komponenten (20) über die Gleichstromleitungen (3, 4) verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen PV-Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik (PV)-Anlage mit mindestens einem PV-Generator und einem mit diesem über Gleichstromleitungen verbundenen Wechselrichter. Die PV-Anlage weist weiter elektronische Komponenten auf, die zu ihrer Stromversorgung mit dem PV-Generator verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren für eine derartige PV-Anlage und einen für eine solche PV-Anlage geeigneten Wechselrichter.
Der in PV-Generatoren von PV-Anlagen erzeugte Gleichstrom wird üblicherweise einem Wechselrichter zugeführt, der ihn in netzkonformen Wechselstrom umwandelt, der zur Einspeisung in ein lokales und/oder übergeordnetes Energieversorgungsnetz geeignet ist. Der oder die Wechselrichter sind dabei häufig entfernt von dem PV-Generator angeordnet, beispielsweise weil der PV-Generator auf einem Dach eines Gebäudes angeordnet ist und der Wechselrichter in einem Kellerraum des Gebäudes, in dem sich auch der Übergabepunkt zum übergeordneten Energieversorgungsnetz befindet. Freilandanlagen weisen meist eine große Anzahl von PV-Modulen auf, die über eine größere Fläche verteilt sind. Üblicherweise werden mehrere der PV-Module jeweils zu einem sogenannten String serienverschaltet und mehrere dieser Strings mit einem Wechselrichter verbunden. Insbesondere wenn es sich um einen sogenannten Zentral-Wechselrichter handelt, der mit einer großen Anzahl von PV-Modulen verbunden ist, ist es auch dabei unumgänglich, dass zumindest ein Teil des PV-Generators unter Umständen weit entfernt von dem Wechselrichter positioniert ist.
Zur Erhöhung der Sicherheit in Brandfällen oder bei Wartungsarbeiten sind häufig generatornahe Schutzeinrichtungen vorgesehen. Diese Schutzeinrichtungen sind in der Lage, im Gefahren- oder Wartungsfall den PV-Generator generatornah von den Gleichstromleitungen abzukoppeln oder kurzzuschließen. Die Gleichstromleitungen sind dann nicht mehr mit einer Spannung des PV-Generators, im folgenden PV-Spannung genannt, in gefährlicher Höhe beaufschlagt. Des Weiteren können generatornahe Messeinrichtungen zur Überwachung des PV-Generators angeordnet sein. Messdaten dieser Messeinrichtungen werden über Signalleitungen oder über drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsstrecken an eine zentrale Erfassungsstelle, die beispielsweise im Wechselrichter oder im Bereich des Wechselrichters angeordnet ist, weitergeleitet.
Sowohl die Sicherheitseinrichtungen als auch die Messeinrichtungen enthalten meist elektronische Komponenten, die mit Strom versorgt werden müssen. Dabei ist es bekannt, diese elektronischen Komponenten zu ihrer Stromversorgung mit dem PV-Generator zu verbinden, ggf. über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler). Auf diese Weise kann die Versorgung der elektronischen Komponenten jedoch nicht zuverlässig gesichert sein, beispielsweise ist nachts keine Versorgung der elektronischen Komponenten durch den PV-Generator möglich. Auch wenn der PV-Generator, beispielsweise im Gefahrenfall, kurzgeschlossen wird, steht keine ausreichende Spannung zur Versorgung der elektronischen Komponenten durch den PV-Generator zur Verfügung. Im einfachsten Fall kann eine Stromversorgung der generatornahen elektronischen Komponenten durch eine zusätzliche Stromversorgungsleitung erfolgen. Dieses erfordert jedoch zusätzlichen Verkabelungsaufwand und damit erhöhte Kosten bei der Installation der PV-Anlage.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einer PV-Anlage der eingangs genannten Art die Stromversorgung von elektronischen Komponenten zuverlässig und ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand und in allen Betriebszuständen des PV-Generators mit Strom zu versorgen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine PV-Anlage, einen Wechselrichter für eine PV-Anlage und ein Betriebsverfahren einer PV-Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße PV-Anlage der eingangs genannten Art weist eine Stromversorgungseinheit auf. Die Stromversorgungseinheit ist über die Gleichstromleitungen mit elektronischen Komponenten verbunden, um diese alternativ mit Strom versorgen zu können. Auf diese Weise ist auch in Fällen, in denen die elektronischen Komponenten nicht durch den PV-Generator versorgt werden können, ein Betrieb dieser Komponenten möglich. Gleiches gilt in Fällen, in denen der PV-Generator über ggf. generatornahe Trenn- und/oder Kurzschlussschalter frei von der Spannung des PV-Generators geschaltet wird. Ein weiterer Vorteil der Versorgung über die bereits vorhandenen und zur Leistungsübertragung eingesetzten Gleichstromleitungen liegt darin, dass kein zusätzlicher Verkabelungsaufwand notwendig ist. Dieser Vorteil wird umso ausgeprägter, je länger die Übertragungsstrecke durch die Gleichstromleitungen ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist die Stromversorgungseinheit ein Netzteil, das eingangsseitig mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist und ausgangsseitig mit den Gleichstromleitungen. Mithilfe des Netzteils kann eine Versorgung auch von generatornahen elektronischen Komponenten jederzeit gewährleistet werden. Bevorzugt ist das Netzteil über zumindest eine Diode mit zumindest einer der Gleichstromleitungen verbunden, um Rückströme in das Netzteil zu verhindern, wenn die Gleichstromleitungen mit einer ggf. hohen PV-Spannung des PV-Generators beaufschlagt sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist den elektronischen Komponenten zur Stromversorgung ein DC/DC-Wandler vorgeschaltet. Vorteilhaft kann so eine geeignete Betriebsspannung für die elektronischen Komponenten auch bei deutlich höherer und/oder variierender PV-Spannung erfolgen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage sind in zumindest einer der Gleichstromleitungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter ein Entkopplungselement, insbesondere ein Trennschalter oder eine weitere Diode, und/oder ein Kurzschlussschalter angeordnet. Bevorzugt sind die elektronischen Komponenten über eine erste Diode mit einem generatorseitigen Anschluss des Entkopplungselements und über eine zweite Diode mit einem wechselrichterseitigen Anschluss des Entkopplungselements verbunden. Ein solcher Trennschalter oder Kurzschlussschalter kann beispielsweise Teil einer Sicherheitseinrichtung sein, um den PV-Generator in Gefahrenfällen oder bei Wartungen von den Gleichstromleitungen zu trennen oder spannungsfrei zu schalten oder um aufgetretene Lichtbögen löschen zu können. Aufgrund der beiden Dioden ist eine Versorgung der elektronischen Komponenten alternativ sowohl aus dem PV-Generator, als auch über die Stromversorgungseinheit möglich, auch wenn der Trennschalter geöffnet ist und/oder der Kurzschlussschalter geschlossen ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor genannten PV-Anlage mit einem Kurzschlussschalter ist dieser Teil eines Hochsetzstellers. Ein solcher Hochsetzsteller kann z.B. dafür eingesetzt werden, um die Spannung des PV-Generators hochzusetzen und so die Gleichstromleitungen mit einer höheren Spannung und folglich geringerem Strom zu beaufschlagen. In einer Auslegung der PV-Anlage können dann die Gleichstromleitungen entsprechend mit geringerem Querschnitt und so mit geringerem Materialeinsatz ausgelegt werden.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter für eine PV-Anlage weist Gleichstromeingänge zur Verbindung mit einem PV-Generator der PV-Anlage auf und eine integrierte Stromversorgungseinheit für elektronische Komponenten, wobei die Stromversorgungseinheit dazu eingerichtet ist, den Gleichspannungseingang des Wechselrichters mit einer vorgegebenen Mindestspannung zu beaufschlagen. Ein solcher Wechselrichter kann vorteilhaft innerhalb einer PV-Anlage der zuvor beschriebenen Art eingesetzt werden. Die integrierte Stromversorgungseinheit übernimmt die Funktion der Stromversorgungseinheit. Ein zusätzlicher Montageaufwand für diese Stromversorgungseinheit entfällt somit.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator und einem über Gleichstromleitungen mit dem PV-Generator verbundenen Wechselrichter und elektronischen Komponenten, die zu ihrer Stromversorgung mit den Gleichstromleitungen verbunden sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die Gleichstromleitungen durch eine Stromversorgungseinheit mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden, wenn die Höhe der von dem PV-Generator auf die Gleichstromleitungen aufgebrachten Spannung unter die Höhe der Versorgungsspannung fällt. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der PV-Anlage zuvor beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Höhe der Versorgungsspannung kleiner als 120V und bevorzugt kleiner als 50V. Weiter bevorzugt wird der durch die Stromversorgungseinheit gelieferte Strom auf maximal 3A und besonders bevorzugt auf maximal 1,5A begrenzt. Eine Spannung in der genannten Höhe führt auch bei Kontakt nicht zu einer Lebensgefahr. Die genannten Werte für den Strom schließen eine Lichtbogenbildung aus. Ein Sicherheitsrisiko ist so bei einer Beaufschlagung der Gleichstromleitungen mit der Versorgungsspannung ausgeschlossen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Parallellichtbogen durch Betätigung eines Kurzschlussschalters zum Kurzschließen des PV-Generators gelöscht werden kann. Ein solcher Kurzschlussschalter sollte dauerhaft betätigt werden können, damit er den Parallellichtbogen dauerhaft unterdrücken kann. Der Kurzschlussschalter kann die zu seiner Betätigung notwendige Energie nicht aus dem PV-Generator beziehen, wenn dieser kurzgeschlossen wird. Eine dauerhafte Betätigung kann jedoch vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Versorgung der elektronischen Komponenten über die Gleichstromleitungen und die Stromversorgungseinheit erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage in einer schematischen Darstellung;
2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für eine PV-Anlage;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage in einer schematischen Darstellung;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage in einer schematischen Darstellung; und
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage in einer schematischen Darstellung.
1 zeigt eine PV-Anlage in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung. Ein PV-Generator 1 mit zugeordneten Einrichtungen 2 ist über Gleichstromleitungen 3, 4 mit Gleichstromeingängen 51 eines ggf. entfernt angeordneten Wechselrichters 50 verbunden. Der Wechselrichter 50 weist weiter einen Wechselstromausgang 52 auf, über den er an ein Energieversorgungsnetz 6 angekoppelt ist. Beispielhaft sind der Wechselstromausgang 52 und das Energieversorgungsnetz 6 dreiphasig ausgelegt. Im Rahmen der Anmeldung kann jedoch sowohl der Wechselrichter 50 als auch das Energieversorgungsnetz eine andere Anzahl an Phasen aufweisen, beispielsweise einphasig sein. Es wird angemerkt, dass die Figur lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Elemente der PV-Anlage zeigt. So können auf der Gleich- und/oder Wechselstromseite des Wechselrichters 50 beispielsweise nicht dargestellte Schaltorgane (z.B. Trennelemente, Schütze), Filter (z.B. ein Sinusfilter), Netzüberwachungseinrichtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein.
Der PV-Generator 1 ist vorliegend durch das Schaltzeichen einer einzelnen PV-Zelle symbolisiert. Es versteht sich, dass der PV-Generator 1 aus einer Vielzahl von PV-Modulen aufgebaut sein kann, die wiederum jeweils aus einer Mehrzahl von PV-Zellen bestehen. Die PV-Module können zu sogenannten Strings serienverschaltet sein. Zudem kann der PV-Generator 1 eine Verschaltung, beispielsweise eine Parallelschaltung, von mehreren solchen Strings darstellen. Es ist weiterhin denkbar, dass mehrere derartige PV-Generatoren 1 innerhalb der PV-Anlage vorgesehen sind, die ggf. über separate Gleichstromleitungen mit weiteren Wechselrichtern verbunden sind. In diesem Sinne kann der dargestellte PV-Generator 1 auch als ein PV-Teilgenerator innerhalb einer größeren PV-Anlage angesehen werden. Ebenso ist es möglich, dass der PV-Generator 1 mit mehreren Wechselrichtern verbunden ist, z.B. mit drei einphasigen Wechselrichtern zur Einspeisung in ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz.
Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels wird davon ausgegangen, dass sich die Einrichtungen 2 in unmittelbarer örtlicher Nähe zum PV-Generator 1 befinden. Sie werden daher im Folgenden auch als generatornahe Komponenten 2 bezeichnet. Davon sind entfernt vom PV-Generator 1 angeordnete Komponenten der PV-Anlage, beispielsweise der Wechselrichter 50 zu unterscheiden, die im Folgenden auch als generatorferne Einrichtungen 5 bezeichnet werden.
Im Rahmen der Anmeldung sind von den generatornahen Einrichtungen 2 insbesondere elektronische Komponenten relevant, die zu ihrem Betrieb eine Versorgung mit elektrischer Energie in Form einer Stromversorgung benötigen. Eine solche elektronische Komponente ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen 20 in der 1 dargestellt. Es kann sich bei der elektronischen Komponente 20 zum Beispiel um eine Überwachungseinrichtung für den PV-Generator 1 handeln, der Ströme und/oder (Teil-)Spannungen des PV-Generators 1 bestimmt und über eine hier nicht dargestellte Kommunikationsverbindung, beispielsweise eine Funkverbindung, ausgibt.
Zur Versorgung der elektronischen Komponente 20 ist diese über einen DC/DC-Wandler 21 und die Gleichstromleitungen 3, 4 mit dem PV-Generator 1 verbunden. Der DC/DC-Wandler 21 dient der Bereitstellung einer geeigneten Betriebsspannung für die elektronische Komponente 20, auch bei deutlich höherer und/oder variierender vom PV-Generator 1 ausgegebener Photovoltaik-Spannung U_PV. Fällt die Photovoltaik-Spannung U_PV jedoch unter einen bestimmten Schwellenwert, kann der DC/DC-Wandler 21 keine ausreichende Spannung und ggf. Leistung zur Versorgung der elektronischen Komponenten 20 mehr bereitstellen.
Es existieren Betriebszustände, in denen der PV-Generator 1 keine ausreichende Spannung und/oder Leistung zur Stromversorgung der elektronischen Komponenten 20 bereitstellt, z.B. bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung. Gegebenenfalls können in einem solchen Fall die Gleichstromleitungen 3, 4 über Freilaufdioden eines Leistungsteils des Wechselrichters 50 mit Spannung beaufschlagt sein, was eine Stromversorgung der elektronischen Komponenten 20 ermöglichen könnte. Dieses ist jedoch nicht sicher gegeben, z.B. dann nicht, wenn der Wechselrichter 50 wegen zu geringer vom PV-Generator 1 gelieferter Leistung vom Energieversorgungsnetz getrennt ist. Um die Stromversorgung der elektronischen Komponenten 20 auch dann zu ermöglichen, ist anmeldungsgemäß eine Stromversorgungseinheit vorgesehen, die die Gleichstromleitungen 3, 4 mit einer Versorgungsspannung U_V beaufschlagt. Wie im Beispiel der 1 gezeigt ist, kann diese vorteilhafterweise im Bereich der generatorfernen Einrichtungen 5 angeordnet sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Stromversorgungseinheit ein Netzteil 53 auf, das mit einem Wechselstromeingang 54 mit dem Wechselstromausgang 52 des Wechselrichters 50 gekoppelt ist, also dementsprechend an dem Energieversorgungsnetz angeschlossen ist.
Das Netzteil 53 weist Gleichspannungsausgänge 55 auf, die in einem Fall direkt und im anderen über eine Diode 56 mit den Gleichstromleitungen 3, 4 verbunden sind. Die Diode 56 verhindert Rückströme von den Gleichstromleitungen 3, 4 in das Netzteil 53. Diese können z.B. dann auftreten, wenn die vom PV-Generator 1 bereitgestellte Spannung U_PV größer ist als die Versorgungsspannung U_V. Weiter können Rückströme z.B. auch dann auftreten, wenn der Wechselrichter 50 mit dem Energieversorgungsnetz 6 verbunden ist und eine über Freilaufdioden seines Leistungsteils auf die Gleichstromleitungen 3, 4 abgegebene Spannung größer ist als die Versorgungsspannung U_V.
Bevorzugt ist die Versorgungsspannung U_V dabei so gewählt, dass eine Versorgung der elektronischen Komponenten 20 möglich ist, ohne dass die Gleichspannungsleitungen 3, 4 mit einer gefährdenden Spannung beaufschlagt sind. Die Höhe der Versorgungsspannung U_V ist beispielsweise so gewählt, dass sie unterhalb der sogenannten Gleichstromschutzspannung von 120 Volt (V) liegt. Weiterhin sollte die Versorgungsspannung U_V so bemessen sein, dass die zur Versorgung der elektronischen Komponenten 20 benötigten Ströme nicht so groß werden, dass von ihnen eine Lichtbogengefahr ausgeht. Bei vorgegebener benötigter Leistung zur Versorgung der elektronischen Komponenten 20 bedeutet dieses, dass die Versorgungsspannung U_V nicht so klein gewählt wird, dass Ströme im Bereich von mehreren Ampere (A) notwendig werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass ein Netzteil 53 entweder durch eine elektronische Schutzeinrichtung oder durch Vorsehen eines Widerstands in Reihenschaltung mit der Diode 56 im Hinblick auf seinen Ausgangsstrom begrenzt wird, beispielsweise auf eine Stromhöhe von maximal 3 A.
Die Stromversorgungseinheit kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, als eine der generatorfernen Einrichtungen 5 separat vom, aber z.B. in Nähe des Wechselrichters 50 angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, die Stromversorgungseinheit, also beispielsweise das Netzteil 53 sowie die Diode 56, innerhalb des Wechselrichters 50 anzuordnen. In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch denkbar, ein Beaufschlagen der Gleichstromeingänge 51 des Wechselrichters 50 mithilfe von inhärent im Wechselrichter 50 vorhandenen Komponenten zu bewerkstelligen. Beispielsweise kann ein im Wechselrichter vorhandener DC/DC-Wandler, der einer Wechselrichterbrücke vorgeschaltet ist, durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente des DC/DC-Wandlers genutzt werden, um eine am Wechselstromausgang 52 des Wechselrichters 50 anliegende Wechselspannung nach Gleichrichtung durch die Wechselrichterbrücke transformiert auf den niedrigen Spannungswert der Versorgungsspannung U_V an den Gleichstromeingängen 51 auszugeben.
Wechselrichter in PV-Anlagen sind häufig dazu eingerichtet, eine an den Gleichstromeingängen 51 anliegende Spannung zu überwachen und einen Startvorgang des Wechselrichters 50 durchzuführen, wenn die Spannung an den Gleichstromeingängen 51 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein Wechselrichter über Nacht in einem Stand-by-Zustand verweilt, in dem keine Energie aus dem Wechselstromausgang 52 zur Versorgung des Wechselrichters entnommen wird. Erst bei einer mit einer ausreichenden Einstrahlung einhergehenden an den Gleichstromeingängen 51 vorliegenden PV-Spannung U_PV startet der Wechselrichter in einem Betriebszustand. Die Versorgungsspannung U_V ist bei derartigen Wechselrichtern bevorzugt so gewählt, dass sie keinen Startvorgang des Wechselrichters hervorruft.
In der 2 ist das bei einer anmeldungsgemäßen PV-Anlage mit einem PV-Generator und einem davon entfernt angeordneten, über Gleichstromleitungen verbundenen Wechselrichter durchgeführte Betriebsverfahren zur Versorgung von elektronischen Komponenten nochmals in Form eines Flussdiagramms dargestellt.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Spannung von einer Stromversorgungseinheit, beispielsweise dem Netzteil 53 der 1, bereitgestellt. Wenn die PV-Spannung des PV-Generators unter die Höhe einer Versorgungsspannung U_V fällt, werden in einem Schritt S2 die Gleichstromleitungen durch die Stromversorgungseinheit mit einer Spannung in Höhe der Versorgungsspannung U_V beaufschlagt. Im Schritt S3 werden anschließend die elektronischen Komponenten durch die Stromversorgungseinheit über die Gleichstromleitungen mit Strom versorgt. Ein Umschalten der Stromversorgung auf die Stromversorgungseinheit erfolgt dabei beispielsweise durch eine der Stromversorgungseinheit nachgeschaltete Diode (Diode 56 in der 1). Es wird angemerkt, dass dabei die von der Stromversorgungseinheit bereitgestellte Spannung etwas höher sein kann als die Versorgungsspannung U_V, um einen Spannungsabfall in den Gleichstromleitungen und auch über der genannten Diode zu kompensieren.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage, in der eine alternative Versorgung der elektronischen Komponenten 20 über die Gleichstromleitungen 3, 4 erfolgt. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in dieser wie den folgenden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Bezüglich der grundsätzlichen Funktionsweise, insbesondere der generatorfernen Einrichtungen 5, wird auf die Ausführung zu 1 verwiesen.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorliegend im Bereich der generatornahen Einrichtungen 2 ein Trennschalter 22 in einer der Gleichstromleitungen, hier der Gleichstromleitung 4, angeordnet. Über diesen Trennschalter 22 können die Gleichstromleitungen 3, 4 vom PV-Generator 1 getrennt werden, beispielsweise im Gefahrenfall oder zu Wartungszwecken. Weiter ist ein Kurzschlussschalter 23 vorhanden, der in Energieflussrichtung beim Einspeisebetrieb vor dem Trennschalter 22 parallel zu dem PV-Generator 1 angeordnet ist. Der Trennschalter 22 und der Kurzschlussschalter 23 können beispielsweise Teil einer Schutzeinrichtung sein, die zudem die elektronischen Komponenten 20 aufweist. Gesteuert über die elektronischen Komponenten 20 können über den Trennschalter 22 oder den Kurzschlussschalter 23 die Gleichstromleitungen 3, 4 frei von der PV-Spannung geschaltet werden. Zudem kann der Trennschalter 22 eingesetzt werden, um einen innerhalb des PV-Generators 1 aufgetretenen Serienlichtbogen löschen zu können. Der Kurzschlussschalter 23 kann verwendet werden, um einen parallel zum PV-Generator 1 aufgetretenen Parallellichtbogen zu löschen.
Die Versorgung der elektronischen Komponenten 20 erfolgt wiederum über den DC/DC-Wandler 21, der wiederum mit den Gleichstromleitungen 3, 4 verbunden ist. Vorliegend ist die Verbindung mit der durchgängigen Gleichstromleitung 3 unmittelbar. Die Verbindung mit der den Trennschalter 22 aufweisenden Gleichstromleitung 4 erfolgt über zwei Dioden 24, 25, von denen eine (Diode 24) die Gleichstromleitung 4 vom Trennschalter 22 bzw. dem Kurzschlussschalter 23 aus gesehen auf Seiten des PV-Generators 1 und die andere (Diode 25) vom Trennschalter 22 bzw. dem Kurzschlussschalter 23 aus gesehen auf Seiten des Wechselrichters 50 kontaktiert. Auf diese Weise ist eine Versorgung der elektronischen Komponenten 20 sowohl aus dem PV-Generator 1 als auch über die Stromversorgungseinheit 53 möglich, auch wenn der Trennschalter 22 geöffnet ist und/oder der Kurzschlussschalter 23 geschlossen ist. Um beispielsweise einen parallel zum PV-Generator 1 aufgetretenen Parallellichtbogen dauerhaft zu löschen, wird der Kurzschlussschalter 23 geschlossen und geschlossen gehalten und der Trennschalter 22 geöffnet. Eine Ansteuerung des Kurzschlussschalters 23 durch die elektronischen Komponenten 20, mit der der Kurzschlussschalter 23 dauerhaft geschlossen gehalten werden kann, erfolgt dann durch das Netzteil 53, über die Diode 56, über die Gleichstromleitungen 3, 4 und schließlich die Diode 25.
Für den Fall, dass der dargestellte PV-Generator 1 einer von mehreren PV-Generatoren der PV-Anlage ist, kann vorgesehen sein, weitere PV-Generatoren jeweils über eine weitere Diode an dem Knotenpunkt zwischen den beiden Dioden 24, 25 anzuschließen. Auch die weiteren PV-Generatoren können so alternativ oder zusätzlich zur Versorgung der elektronischen Komponenten 20 beitragen.
In einer alternativen Ausgestaltung der PV-Anlage der 3 kann der Trennschalter 22 auch in der anderen der beiden Gleichstromleitungen 3, 4, also der Gleichstromleitung 3 angeordnet werden. Die Dioden 24, 25 kontaktieren dann entsprechend die Gleichstromleitung 3. Weiterhin ist es möglich, den PVgenerator 1 allpolig von dem Wechselrichter 50 zu trennen, indem Trennschalter 22 in beiden Gleichstromleitungen 3, 4 angeordnet werden. In einem solchen Fall sind Dioden 24, 25 für beide Gleichstromleitungen 3, 4 vorzusehen. Alternativ kann vorgesehen sein, zwei DC/DC-Wandler anstelle des einen DC/DC-Wandlers 21 vorzusehen, was zusätzlich vorteilhaft zu einer sicheren galvanischen Trennung führt.
4 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der PV-Anlage der 3. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 ist vorliegend als Schutzeinrichtung zur Spannungsfreischaltung der Gleichstromleitungen 3, 4 kein Trennschalter (vgl. Trennschalter 22 der 3), sondern nur der Kurzschlussschalter 23 vorgesehen, mit dem der PV-Generator 1 kurzgeschlossen werden kann.
Um zu verhindern, dass bei einem Kurzschluss des PV-Generators 1 auch ein Strom von Seite des Wechselrichters über den Kurzschlussschalter 23 fließt, wodurch z.B. auch eine Einspeisung der Versorgungsspannung für die elektronischen Komponenten 20 über die Gleichstromleitungen 3, 4 verhindert würde, ist hier anstelle des Trennschalters 22 eine weitere Diode 26 zwischen dem Kurzschlussschalter 23 und einer der Gleichstromleitungen, hier beispielhaft der Gleichstromleitung 4, angeordnet. Diese Diode könnte analog zu den Erläuterungen den Trennschalter 22 in 3 betreffend auch in der Gleichstromleitung 3 angeordnet sein oder es könnten hier auch in beiden Gleichstromleitungen 3, 4 Dioden vorgesehen sein. Die weitere Diode 26 stellt somit ebenso wie der Trennschalter 22 ein Entkopplungselement zwischen dem PV-Generator 1 und den Gleichstromleitungen 3, 4 dar. Wiederum erfolgt eine Versorgung der elektronischen Komponenten 20 über den PV-Generator 1 und die Diode 24 in Verbindung mit dem DC/DC-Wandler 21, wenn die Spannung des PV-Generators 1 die Spannung des Netzteils 53 übersteigt. Ist die Spannung des PV-Generators 1 geringer als die des Netzteils 53, sei es wegen zu geringer Einstrahlung auf den PV-Generator 1 oder weil der Kurzschlussschalter 23 geschlossen ist, erfolgt eine Versorgung der elektronischen Komponenten 20 über das Netzteil 53 und die nachgeschaltete Diode 56 sowie die Diode 25 und wiederum den DC/DC-Wandler 21.
5 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung aus 4. Wiederum ist ein Kurzschlussschalter 23 zwischen den Ausgängen des PV-Generators 1 und eine weitere Diode 26, die zwischen einem Anschlusspunkt des Kurzschlussschalters 23 und einer der Gleichstromleitungen 3, 4 hier beispielhaft der Gleichstromleitung 4, angeordnet ist, vorgesehen. Weiterhin sind ebenso wie bei den zuvor dargestellten Beispielen generator- und wechselrichterseitig von dem Kurzschlussschalter 23 Abgriffe an der Gleichstromleitung 4 vorhanden, um über die Dioden 24 und/oder 25 und den DC/DC-Wandler 21 die elektronischen Komponenten 20 versorgen zu können. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen zu den 1 bis 4 verwiesen.
Zusätzlich ist zwischen einem Ausgang des PV-Generators 1 und dem einen Anschlusspunkt des Kurzschlussschalters 23 eine Induktivität 27 in einer der Gleichstromleitungen 3, 4, hier wiederum beispielhaft der Gleichstromleitung 4, in einer Reihenschaltung mit der weiteren Diode 26 in den Gleichstromkreis eingebracht. Der Kurzschlussschalter 23 ist als ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder als ein Bipolartransistor, insbesondere ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgeführt. Er kann, wenn er dauerhaft geschlossen wird, in gleicher Weise wie der Kurzschlussschalter 23 der 4 verwendet werden, um den PV-Generator 1 spannungslos zu schalten und entsprechend die Gleichstromleitungen 3, 4 bis auf die aufgebrachte ungefährliche Versorgungsspannung U_V des Netzteils 53 von gefährlichen Spannungen frei zu schalten. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Gleichstromleitungen 3, 4 in einem solchen Fall nicht über Freilaufdioden des Leistungsteils des Wechselrichters mit einer Spannung in ggf. gefährlicher Höhe beaufschlagt werden. Das kann erreicht werden, wenn der Wechselrichter einen DC/DC-Wandler in seiner Eingangsstufe aufweist oder wenn der Wechselrichter vom Energieversorgungsnetz 6 getrennt wird.
Wird der Halbleiter-Kurzschlussschalter 23 getaktet betrieben, fungiert er zusammen mit der Induktivität 27 und der weiteren Diode 26 als ein Hochsetzsteller 28. Dieser Hochsetzsteller 28 kann z.B. dafür eingesetzt werden, die Spannung des PV-Generators 1 hochzusetzen und so die Gleichstromleitungen 3, 4 mit einer höheren Spannung und folglich einem geringeren Strom zu beaufschlagen. In einer Auslegung der PV-Anlage gemäß der 5 könnten damit z.B. die Gleichstromleitungen 3, 4 entsprechend mit geringerem Querschnitt und so mit geringerem Materialeinsatz ausgelegt werden.
Bei einer Zusammenschaltung mehrerer PV-Teilgeneratoren mit jeweils einem nachgeschaltetem Hochsetzsteller an einem Wechselrichter bietet der Hochsetzsteller zusätzlich den Vorteil, abhängig von ggf. unterschiedlichen Einstrahlungsbedingungen die PV-Teilgeneratoren bei unterschiedlichen Arbeitsspannungen zu betreiben. Die Hochsetzsteller können dann durch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse an ihren Ausgängen eine in ihrer Höhe gleiche Spannung einstellen, so dass sie am Ausgang parallel geschaltet auf die Gleichspannungsleitungen und den Eingang des Wechselrichters zusammengeschaltet werden können.
Ein weiterer Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass gleichspannungsseitig dem Wechselrichter 50 ein Gleichstromschalter 57 und wechselspannungsseitig ein Wechselstromschalter 58 vor- bzw. nachgeschaltet ist. Wenn der PV-Generator 1 keine für einen Einspeisebetrieb ausreichende Leistung liefert, kann so der Wechselrichter vollständig gleich- und wechselstromseitig abgetrennt werden, so dass Standby-Verluste des Wechselrichters 50 unterbunden werden. Auch bei vollständig abgetrenntem Wechselrichter 50 ist über das Netzteil 53, zusammen mit der Diode 56, eine Versorgung der elektronischen Komponenten 20 gegeben. Dabei kann beispielweise vorgesehen sein, dass von den elektronischen Komponenten 20 eine Überwachung der PV-Spannung des PV-Generators 1 erfolgt, wobei die Gleichstromschalter 57 und ggf. der Wechselstromschalter 58 bei ausreichender Einstrahlung auf den PV-Generator 1 gesteuert von den elektronischen Komponenten wieder eingeschaltet werden, um den Wechselrichter 50 in den normalen Einspeisebetriebszustand zu bringen.
Ganz allgemein könnten auch die in 1 und 3 bis 4 dargestellten Einrichtungen 5 in dieser Weise ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: PV-Generator
2: generatornahe Einrichtungen
20: elektronische Komponenten
21: DC/DC-Wandler
22: Trennschalter
23: Kurzschlussschalter
24, 25: Diode
26: weitere Diode
27: Induktivität
28: Hochsetzsteller
3, 4: Gleichstromleitung
5: generatorferne Einrichtungen
50: Wechselrichter
51: Gleichstromeingang
52: Wechselstromausgang
53: Netzteil
54: Wechselstromeingang
55: Gleichspannungsausgang
56: Diode
57: Gleichstromschalter
58: Wechselstromschalter
6: Energieversorgungsnetz

Claims

PV-Anlage mit – mindestens einem PV-Generator (1) und einem mit diesem über Gleichstromleitungen (3, 4) verbundenen Wechselrichter (50) und – elektronische Komponenten (20), die zu ihrer Stromversorgung mit dem PV-Generator (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die PV-Anlage eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit den Gleichstromleitungen (3, 4) verbunden ist zur alternativen Stromversorgung der elektronischen Komponenten (20) über die Gleichstromleitungen (3, 4).
PV-Anlage nach Anspruch 1, bei der die Stromversorgungseinheit ein Netzteil (53) ist, das eingangsseitig mit einem Energieversorgungsnetz (6) verbunden ist und ausgangsseitig mit den Gleichstromleitungen (3, 4).
PV-Anlage nach Anspruch 2, bei der das Netzteil (53) mit zumindest einer der Gleichstromleitungen (3, 4) über zumindest eine Diode (56) verbunden ist.
PV-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der den elektronischen Komponenten (20) zur Stromversorgung ein DC/DC-Wandler (21) vorgeschaltet ist.
PV-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen dem PV-Generator (1) und den elektronischen Komponenten (20) mindestens eine Diode (24, 25) angeordnet ist.
PV-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der in zumindest einer der Gleichstromleitungen (3, 4) zwischen dem PV-Generator (1) und dem Wechselrichter (50) ein Entkopplungselement angeordnet ist.
PV-Anlage nach Anspruch 5, bei der das Entkopplungselement ein Trennschalter (22) oder eine weitere Diode (26) ist.
PV-Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die elektronischen Komponenten (20) über eine erste Diode (24) mit einem generatorseitigen Anschluss des Entkopplungselements und über eine zweite Diode (25) mit einem wechselrichterseitigen Anschluss des Entkopplungselements verbunden sind.
PV-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der ein Kurzschlussschalter (23) zum Kurzschließen des PV-Generators (1) vorgesehen ist.
PV-Anlage nach Anspruch 9, bei der der Kurzschlussschalter (23) Teil eines Hochsetzstellers (28) ist.
Wechselrichter (50) für eine PV-Anlage, aufweisend Gleichstromeingänge (51) zur Verbindung mit einem PV-Generator (1) der PV-Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine integrierte Stromversorgungseinheit (53) für elektronische Komponenten (20) aufweist, wobei die Stromversorgungseinheit (53) dazu eingerichtet ist, den Gleichspannungseingang (51) des Wechselrichters mit einer vorgegebenen Mindestspannung zu beaufschlagen.
Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator (1) und einem über Gleichstromleitungen (3, 4) mit dem PV-Generator (1) verbundenen Wechselrichter (50) und elektronischen Komponenten (20), die zu ihrer Stromversorgung mit dem PV-Generator (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromleitungen (3, 4) durch eine Stromversorgungseinheit mit einer Versorgungsspannung (U_V) beaufschlagt werden, wenn die Höhe der von dem PV-Generator (1) auf die Gleichstromleitungen (3, 4) aufgebrachten Spannung unter die Höhe der Versorgungsspannung (U_V) fällt.
Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage nach Anspruch 12, bei dem die Höhe der Versorgungsspannung (U_V) kleiner 120V und bevorzugt kleiner 50V ist.
Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der durch die Stromversorgungseinheit gelieferte Strom auf maximal 3A und bevorzugt auf maximal 1,5A begrenzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage nach Anspruch 12, bei dem ein Parallellichtbogen durch Betätigung eines Kurzschlussschalters (23) zum Kurzschließen des PV-Generators (1) gelöscht werden kann.