DE102013112616B4 - Photovoltaic system and retrofit kit for one - Google Patents

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Abstract

Photovoltaikanlage (10) mit einer Mehrzahl von parallelen Strängen (14) und einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (12), die mit den Strängen (14) elektrisch verbunden sind, wobei wenigstens einer der Stränge (14) einen steuerbaren Schalter (30) und wenigstens einer der Stränge (14) eine Diode (28) aufweist, die jeweils in Reihe mit wenigstens einem der Photovoltaikmodule (12) geschaltet sind, wobei die Stränge (14) elektrisch über eine gemeinsame Induktivität (24) mit einem Ausgangsanschluss (26) verbunden sind, um eine Ausgangsspannung (VA) der Photovoltaikanlage (10) in Abhängigkeit von Strangspannungen (VS) der Stränge (14) oder eine Differenzspannung zwischen einer Strangspannung (VS) und der Ausgangsspannung (VA) in Abhängigkeit der Strangspannung (VS) bereitzustellen, und wobei die Ausgangsspannung (VA) oder die Differenzspannung über ein Tastverhältnis (t/T) des steuerbaren Schalters (30) einstellbar ist.Photovoltaic system (10) with a plurality of parallel strings (14) and a plurality of photovoltaic modules (12) which are electrically connected to the strings (14), at least one of the strings (14) having a controllable switch (30) and at least one the strings (14) has a diode (28) which are each connected in series with at least one of the photovoltaic modules (12), the strings (14) being electrically connected to an output connection (26) via a common inductance (24), to provide an output voltage (VA) of the photovoltaic system (10) depending on the string voltages (VS) of the strings (14) or a differential voltage between a string voltage (VS) and the output voltage (VA) depending on the string voltage (VS), and where the Output voltage (VA) or the differential voltage can be set via a pulse duty factor (t / T) of the controllable switch (30).

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage und ein Nachrüstsatz zur Nachrüstung einer Photovoltaikanlage, bei der eine Mehrzahl von Photovoltaikmodulen mit einer Mehrzahl von Strängen elektrisch verbunden sind.The invention relates to a photovoltaic system and a retrofit kit for retrofitting a photovoltaic system, in which a plurality of photovoltaic modules are electrically connected to a plurality of strings.

Photovoltaikanlagen bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von Strängen, die jeweils eines oder mehrere Photovoltaikmodule aufweisen. Die einzelnen Photovoltaikmodule bzw. die einzelnen Photovoltaikstränge weisen üblicherweise durch Umgebungsbedingungen wie z.B. Abschattungen unterschiedliche Arbeitspunkte, d.h. unterschiedliche Strangströme und/oder unterschiedliche Strangspannungen auf und sind an einem gemeinsamen Spannungseingang eines Wechselrichters angeschlossen. Dadurch werden die einzelnen Photovoltaikmodule außerhalb ihrer optimalen Arbeitspunkte betrieben und somit außerhalb ihrer maximalen Leistungsabgabe, so dass der Energieertrag des Gesamtsystems geringer ist als die Summe der maximal möglichen Einzelleistungen der Photovoltaikmodule.Photovoltaic systems usually consist of a plurality of strings, each of which has one or more photovoltaic modules. The individual photovoltaic modules or the individual photovoltaic strings usually have different operating points, i.e. different string currents and / or different string voltages, due to ambient conditions such as shading, and are connected to a common voltage input of an inverter. As a result, the individual photovoltaic modules are operated outside their optimal operating points and thus outside their maximum power output, so that the energy yield of the overall system is less than the sum of the maximum possible individual outputs of the photovoltaic modules.

Zur Einstellung der Arbeitspunkte der einzelnen Photovoltaikmodule können die Stränge jeweils mit einem Wechselrichter verbunden werden, um entsprechend die maximale Leistung des jeweiligen Strangs einzustellen, wodurch der technische Aufwand für die Photovoltaikanlage entsprechend erhöht ist.To set the working points of the individual photovoltaic modules, the strings can each be connected to an inverter in order to set the maximum output of the respective string, which increases the technical effort for the photovoltaic system accordingly.

Alternativ können die Arbeitspunkte der jeweiligen Stränge jeweils durch einen Gleichspannungswandler eingestellt werden, der mit einem einzelnen Wechselrichter verbunden ist. Durch den technischen Aufwand der einzelnen Gleichspannungswandler und insbesondere durch die jeweilige Spule der Gleichspannungswandler ist das Gewicht der gesamten Photovoltaikanlage erhöht und die Leistungsdichte der Gesamtanlage reduziert.Alternatively, the operating points of the respective strings can each be set by a DC voltage converter that is connected to a single inverter. The weight of the entire photovoltaic system is increased and the power density of the overall system is reduced due to the technical complexity of the individual DC voltage converters and, in particular, the respective coils of the DC voltage converters.

Aus der DE 10 2005 021 152 A1 ist eine Photovoltaikanlage bekannt, bei der die einzelnen Photovoltaikmodule über steuerbare Schalter mit einem integrierten Spannungswandler verbunden sind und die Spannungen der einzelnen Photovoltaikmodule durch Taktung der steuerbaren Schalter an den Spannungswandler übertragen werden. Bei dieser Photovoltaikanlage werden die einzelnen Photovoltaikmodule in ihrem Arbeitspunkt mit maximaler Leistung betrieben, wobei jedoch durch die integrierten steuerbaren Schalter und den Spannungswandlern hohe Schaltverluste und hohe Leitverluste auftreten, insbesondere durch den aktiven Betrieb der Freilaufdiode.From the DE 10 2005 021 152 A1 a photovoltaic system is known in which the individual photovoltaic modules are connected to an integrated voltage converter via controllable switches and the voltages of the individual photovoltaic modules are transmitted to the voltage converter by clocking the controllable switches. In this photovoltaic system, the individual photovoltaic modules are operated at their operating point with maximum power, but high switching losses and high conduction losses occur due to the integrated controllable switches and voltage converters, in particular due to the active operation of the free-wheeling diode.

Aus der US 2013/0106194 A1 ist eine integrierte Photovoltaikanlage bekannt, die einen oder mehrere integrierte Gleichspannungswandlerschaltungen aufweist, wobei der Eingangsanschluss der Gleichspannungswandlerschaltung mit wenigstens einem Photovoltaikbauteil der Anlage verbunden ist und wobei der Gleichspannungswandler eine MPPT-Steuerung aufweist, um den Wandler zu einer maximalen Leistungsübertragung zu steuern.From the US 2013/0106194 A1 An integrated photovoltaic system is known which has one or more integrated DC / DC converter circuits, the input connection of the DC / DC converter circuit being connected to at least one photovoltaic component of the system, and the DC / DC converter having an MPPT controller to control the converter for maximum power transmission.

Aus der US 2012/0044014 A1 ist eine Steuerschaltung zum Steuern von elektrischer Leistung einer elektrischen Leistungsquelle bekannt, die eine integrierte Schaltung aufweist, wobei die integrierte Schaltung eine Mehrzahl von Transistoren schaltet, um die elektrische Leistung, die von der elektrischen Leistungsquelle bereitgestellt wird, zu maximieren.From the US 2012/0044014 A1 a control circuit for controlling electrical power of an electrical power source is known which comprises an integrated circuit, the integrated circuit switching a plurality of transistors to maximize the electrical power provided by the electrical power source.

Vor diesen Hintergrund liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Photovoltaikanlage bereitzustellen, bei der mit geringem Aufwand eine erhöhte Ausgangsleistung erzielt werden kann.Against this background, the object is to provide an improved photovoltaic system in which an increased output power can be achieved with little effort.

Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaikanlage gelöst mit einer Mehrzahl von parallelen Strängen und einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen, die mit den Strängen elektrisch verbunden sind, wobei wenigstens einer der Stränge einen steuerbaren Schalter und wenigstens einer der Stränge eine Diode aufweist, die jeweils in Reihe mit wenigstens einem der Photovoltaikmodule geschaltet sind, wobei die Stränge elektrisch über eine gemeinsame Induktivität mit einem Ausgangsanschluss verbunden sind, um eine Ausgangsspannung der Photovoltaikanlage in der Abhängigkeit von Strangspannungen der Stränge oder eine Differenzspannung zwischen einer Strangspannung und der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Strangspannung bereitzustellen, und wobei die Ausgangsspannung oder die Differenzspannung der Strangspannung zur Ausgangsspannung über ein Tastverhältnis des steuerbaren Schalters einstellbar ist.This object is achieved by a photovoltaic system with a plurality of parallel strings and a plurality of photovoltaic modules which are electrically connected to the strings, at least one of the strings having a controllable switch and at least one of the strings having a diode, each in series with at least one of the photovoltaic modules are connected, the strings being electrically connected via a common inductance to an output terminal in order to provide an output voltage of the photovoltaic system as a function of the string voltages of the strings or a differential voltage between a string voltage and the output voltage as a function of the string voltage, and the Output voltage or the voltage difference between the phase voltage and the output voltage can be set via a pulse duty factor of the controllable switch.

Diese Aufgabe wird ferner durch einen Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage gelöst, mit einer Mehrzahl von parallelen Strängen, die dazu ausgebildet sind, mit wenigstens einem Photovoltaikmodul verbunden zu werden, wobei wenigstens einer der parallelen Stränge einen steuerbaren Schalter und wenigstens einer der parallelen Stränge eine Diode aufweist, die jeweils in Reihe mit einem Anschluss zum Anschließen der Photovoltaikmodule geschaltet sind, wobei die parallelen Stränge elektrisch über eine gemeinsame Induktivität mit einem Ausgangsanschluss verbunden sind, um eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Spannungen der Photovoltaikmodule oder eine Differenzspannung zwischen einer Strangspannung und der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Spannungen der Photovoltaikmodule bereitzustellen, und wobei die Ausgangsspannung oder die Differenzspannung der Strangspannung zur Ausgangsspannung über ein Tastverhältnis wenigstens eines steuerbaren Schalters einstellbar ist.This object is also achieved by a retrofit kit for a photovoltaic system with a plurality of parallel strings which are designed to be connected to at least one photovoltaic module, at least one of the parallel strings having a controllable switch and at least one of the parallel strings having a diode , which are each connected in series with a connection for connecting the photovoltaic modules, wherein the parallel strings are electrically connected via a common inductance to an output connection in order to generate an output voltage as a function of voltages of the photovoltaic modules or a differential voltage between a phase voltage and the output voltage as a function of the voltages of the photovoltaic modules to provide, and wherein the output voltage or the differential voltage of the string voltage to the output voltage via a Duty cycle of at least one controllable switch is adjustable.

Durch das Schalten des steuerbaren Schalters wird entweder die Strangspannung des einen angeschlossenen Stranges oder aber die Strangspannung des anderen Stranges an die gemeinsame Induktivität angelegt, so dass entweder die Strangspannung des einen oder des anderen Stranges die Ausgangsspannung bildet und somit durch das Tastverhältnis ein Mittelwert der Strangspannungen als Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Dadurch kann durch geringen technischen Aufwand jedes Photovoltaikmodul in dem speziellen Arbeitspunkt bei maximaler Leistung betrieben werden, so dass die maximalen Einzelleistungen der Photovoltaikmodule und die maximale Gesamtleistung der Photovoltaikanlage bereitgestellt werden kann. Durch die geringe Anzahl von Bauelementen kann der technische Aufwand der Photovoltaikanlage und des Nachrüstsatzes reduziert werden und gleichzeitig die Verlustleistungen in den Bauelementen, insbesondere in den steuerbaren Schaltern minimiert werden.By switching the controllable switch, either the phase voltage of one connected strand or the phase voltage of the other strand is applied to the common inductance, so that either the strand voltage of one or the other strand forms the output voltage and thus an average value of the strand voltages due to the duty cycle is provided as output voltage. As a result, each photovoltaic module can be operated at maximum power at the special operating point with little technical effort, so that the maximum individual power of the photovoltaic modules and the maximum total power of the photovoltaic system can be provided. Due to the small number of components, the technical complexity of the photovoltaic system and the retrofit kit can be reduced and, at the same time, the power losses in the components, in particular in the controllable switches, can be minimized.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.The object of the present invention is thus completely achieved.

In einer besonderen Ausführungsform weist ein erster der parallelen Stränge mit einer höchsten der Strangspannungen den Schalter auf und ein zweiter der parallelen Stränge mit einer niedrigsten der Strangspannungen die Diode auf.In a particular embodiment, a first of the parallel strings with a highest of the string voltages has the switch and a second of the parallel strings with a lowest of the string voltages has the diode.

Dadurch kann der erste der parallelen Stränge lediglich mit einem steuerbaren Schalter und der zweite der parallelen Stränge lediglich mit der Diode ausgestattet werden, da die Diode die Strangspannung des ersten parallelen Strangs blockiert, sofern der steuerbare Schalter geschlossen ist und die Diode die Strangspannung des zweiten parallelen Strangs durchlässt, sofern der steuerbare Schalter geöffnet ist. Dadurch kann der technische Aufwand durch eine geringere Anzahl von Bauelementen weiter reduziert werden.As a result, the first of the parallel strings can only be equipped with a controllable switch and the second of the parallel strings only with the diode, since the diode blocks the string voltage of the first parallel string, provided the controllable switch is closed and the diode the string voltage of the second parallel string Strand lets through if the controllable switch is open. As a result, the technical effort can be further reduced by a smaller number of components.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Strängen jeweils eine Diode und einen steuerbaren Schalter aufweist, die zueinander in Reihe geschaltet sind.It is also preferred if a plurality of strands each have a diode and a controllable switch which are connected in series with one another.

Dadurch lassen sich eine Vielzahl von weiteren parallelen Strängen zusammenschalten, wobei die jeweiligen Stränge einzeln durch Schalten des jeweiligen steuerbaren Schalters mit der gemeinsamen Induktivität verbunden werden.As a result, a large number of further parallel strings can be interconnected, the respective strings being individually connected to the common inductance by switching the respective controllable switch.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Photovoltaikanlage eine Steuereinheit aufweist, die den wenigstens einen steuerbaren Schalter oder die steuerbaren Schalter steuert und dazu ausgebildet ist, den bzw. die steuerbaren Schalter derart zeitlich überlappend anzusteuern, dass die jeweiligen Strangspannungen zeitversetzt an die Induktivität angelegt werden.It is also preferred if the photovoltaic system has a control unit which controls the at least one controllable switch or switches and is designed to control the controllable switch (s) in such a way that the respective phase voltages are applied to the inductance with a time delay.

Dadurch können die Schaltverluste der steuerbaren Schalter bzw. der Diode reduziert werden, da durch das Überlappen während des Schaltvorgangs der steuerbaren Schalter jeweils nur die Differenz der jeweils verbundenen Strangspannungen über dem steuerbaren Schalter abfällt.As a result, the switching losses of the controllable switches or the diode can be reduced, since the overlapping during the switching process of the controllable switches means that only the difference between the respectively connected phase voltages drops across the controllable switch.

In einer besonderen Ausführungsform werden die steuerbaren Schalter nacheinander und zeitlich überlappend durchgeschaltet, so dass bei dem Überlappen jeweils zwei steuerbare Schalter von jeweils zwei der Stränge durchgeschaltet sind.In a particular embodiment, the controllable switches are switched through one after the other and overlapping in time, so that two controllable switches of two of the strings are switched through when they overlap.

Dadurch können die Schaltverluste gleichermaßen verringert werden, da lediglich die Differenzspannung zwischen den Strangspannungen der jeweiligen Stränge über den geschalteten steuerbaren Schaltern abfällt.As a result, the switching losses can also be reduced, since only the differential voltage between the phase voltages of the respective phases drops across the switched controllable switches.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das Tastverhältnis des steuerbaren Schalters oder der steuerbaren Schalter in Abhängigkeit der jeweiligen Strangspannung einzustellen.It is also preferred if the control unit is designed to set the pulse duty factor of the controllable switch or the controllable switches as a function of the respective phase voltage.

Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Strangspannungen eingestellt werden, um einen optimalen Arbeitspunkt der Photovoltaikanlage einzustellen.As a result, the output voltage can be set as a function of the string voltages with little technical effort in order to set an optimal operating point of the photovoltaic system.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Ausgangsspannung auf einen Wert zwischen der höchsten und der niedrigsten Wertstrangspannung eingestellt wird.It is also preferred if the output voltage is set to a value between the highest and the lowest value string voltage.

Dadurch kann der technische Aufwand zur Einstellung der Ausgangsspannung weiter reduziert werden, da auf Spannungswandler verzichtet werden kann.As a result, the technical effort for setting the output voltage can be further reduced since voltage converters can be dispensed with.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung auf der Grundlage eines Verhältnisses von Eingangsleistung der Stränge und Strangströmen einzustellen.It is further preferred if the control unit is designed to set the output voltage on the basis of a ratio of the input power of the strings and the string currents.

Dadurch kann eine Impedanzanpassung zwischen den Eingängen und dem Ausgang eingestellt werden, und es kann ferner auf den aktiven Betrieb einer Freilaufdiode verzichtet werden, wodurch die Schaltverluste insgesamt weiter reduziert werden können.As a result, an impedance matching can be set between the inputs and the output, and the active operation of a freewheeling diode can also be dispensed with, as a result of which the switching losses can be further reduced overall.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung auf einen Arbeitspunkt mit maximaler Ausgangsleistung einzustellen.It is also preferred if the control unit is designed to control the output voltage set to an operating point with maximum output power.

Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand eine maximale Effektivität und Leistungsausbeute der Photovoltaikanlage erreicht werden.In this way, maximum effectiveness and power output of the photovoltaic system can be achieved with little technical effort.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn jedem der Stränge eine Kapazität zugeordnet ist, die parallel zu dem jeweiligen Photovoltaikmodul geschaltet ist.It is also preferred if each of the strings is assigned a capacitance that is connected in parallel to the respective photovoltaic module.

Dadurch kann ein kontinuierlicher Leistungsfluss in den einzelnen Strängen und in der gesamten Photovoltaikanlage sichergestellt werden.This ensures a continuous flow of power in the individual strings and in the entire photovoltaic system.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn jedem der Stränge eine Kapazität zugeordnet ist, die parallel zu der Induktivität und dem jeweiligen steuerbaren Schalter und/oder der Diode geschaltet ist.It is also preferred if each of the strings is assigned a capacitance which is connected in parallel to the inductance and the respective controllable switch and / or the diode.

Dies ist vorteilhaft wegen der geringen Betriebsspannung der Kapazitäten und da durch diese indirekte Pufferung die Ausgangsspannung direkt an die Strangspannungen übertragen werden können, wodurch ein positives Regelverhalten erzielt wird.This is advantageous because of the low operating voltage of the capacitors and because this indirect buffering enables the output voltage to be transmitted directly to the phase voltages, which results in positive control behavior.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn eine Freilaufdiode zwischen einem gemeinsamen Verbindungsknoten der Stränge mit der Induktivität und einem Masseanschluss oder einem Referenzpotential geschaltet ist.It is also preferred if a freewheeling diode is connected between a common connection node of the strings with the inductance and a ground connection or a reference potential.

Dadurch können Überspannungen bei Öffnung aller der Schalter vermieden werden.This avoids overvoltages when all the switches are opened.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn jeder Strang an seinen Enden jeweils über eine Induktivität mit jeweils einem Ausgangsanschluss verbindbar ist.It is also preferred if each strand can be connected at its ends to one output connection via an inductance.

Dadurch ist eine stabilere Regelung der Photovoltaikanlage möglich.This enables more stable control of the photovoltaic system.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn einer der steuerbaren Schalter und/oder eine der Dioden eine Spannungsfestigkeit aufweist, die geringer ist als eine der Strangspannungen.It is also preferred if one of the controllable switches and / or one of the diodes has a dielectric strength which is lower than one of the phase voltages.

Dadurch können die Schalter und/oder Dioden mit technisch geringem Aufwand und elektrisch günstigeren Eigenschaften gefertigt werden, wobei die entsprechenden Schalter und/oder Dioden vor Überspannungen geschützt sind, da lediglich die Differenzspannung zwischen den Strangspannungen an den jeweiligen Bauelementen abfällt.As a result, the switches and / or diodes can be manufactured with little technical effort and electrically more favorable properties, with the corresponding switches and / or diodes being protected against overvoltages, since only the differential voltage between the phase voltages at the respective components drops.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn wenigstens ein Trennschalter zwischen einem der Stränge und dem jeweiligen Photovoltaikmodul geschaltet ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Stränge mit hoher Spannungsfestigkeit und einem parallelen Vorladewiderstand von dem Photovoltaikmodul getrennt werden können.It is also preferred if at least one isolating switch is connected between one of the strings and the respective photovoltaic module. It is particularly preferred if the strands can be separated from the photovoltaic module with a high dielectric strength and a parallel precharge resistor.

Dadurch können im Betrieb Stränge zu- oder abgeschaltet werden und die Schalter und/oder Dioden mit geringerer Spannungsfestigkeit von den Photovoltaikmodulen getrennt werden, wodurch diese mit technisch geringerem Aufwand und elektrisch besseren Eigenschaften gefertigt werden können.As a result, strings can be switched on or off during operation and the switches and / or diodes with lower dielectric strength can be separated from the photovoltaic modules, so that these can be manufactured with less technical effort and better electrical properties.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn parallel zu dem steuerbaren Schalter eine Vorladeeinrichtung geschaltet ist, die einen Schalter und einen Widerstand aufweist.It is also preferred if a precharge device is connected in parallel to the controllable switch, which has a switch and a resistor.

Dadurch kann vor dem Schalten des steuerbaren Schalters die entsprechende Kapazität aufgeladen werden, wodurch die steuerbaren Schalter einen geringere Spannungsfestigkeit aufweisen können und entsprechend mit technisch geringem Aufwand gefertigt werden können.As a result, the corresponding capacitance can be charged before the controllable switch is switched, as a result of which the controllable switches can have a lower dielectric strength and can accordingly be manufactured with little technical effort.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn wenigstens ein Strang mit einem elektrischen Energiespeicher als Spannungsquelle des Stranges verbunden ist.It is also preferred if at least one strand is connected to an electrical energy store as the voltage source of the strand.

Dadurch können unterschiedliche Spannungsquellen verwendet werden und entsprechend die Ausgangsspannung erhöht werden.This means that different voltage sources can be used and the output voltage can be increased accordingly.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn wenigstens ein Strang mit einem externen Spannungswandler als Spannungsquelle des Stranges verbindbar ist.It is also preferred if at least one strand can be connected to an external voltage converter as the voltage source of the strand.

Dadurch können unterschiedliche Spannungsquellen miteinander verbunden werden, so dass eine nahezu beliebige Ausgangsspannung einstellbar ist.This means that different voltage sources can be connected to one another, so that almost any output voltage can be set.

Es versteht sich, dass die besonderen Ausführungsformen der Photovoltaikanlage, die in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung definiert sind, auch entsprechend auf den Nachrüstsatz zu treffen bzw. anwendbar sind.It goes without saying that the particular embodiments of the photovoltaic system that are defined in the dependent claims and the description can also be applied to the retrofit kit accordingly.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage mit Maximum-Power-Point-Detektor;
  • 2 eine schematische Detailansicht einer Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl von Strängen in einer allgemeinen Form;
  • 3 eine schematische Detailansicht einer Ausführungsform der Photovoltaikanlage;
  • 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Einstellung der Ausgangsspannung der Photovoltaikanlage;
  • 5a-c Ausführungsformen der Photovoltaikanlage mit unterschiedlichen Pufferkondensatoren;
  • 6 eine Ausführungsform der Photovoltaikanlage in symmetrischer Schaltungsanordnung;
  • 7 ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung der Arbeitspunkteinstellung der Photovoltaikanlage;
  • 8a-c Leistungsdiagramme zur Erläuterung der Einstellung des Arbeitspunktes der Photovoltaikanlage; und
  • 9 eine Ausführungsform der Photovoltaikanlage mit Trennschaltern.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it:
  • 1 a schematic representation of a photovoltaic system with maximum power point detector;
  • 2 a schematic detailed view of a photovoltaic system with a plurality of strings in a general form;
  • 3 a schematic detailed view of an embodiment of the photovoltaic system;
  • 4th a diagram to explain the setting of the output voltage of the photovoltaic system;
  • 5a-c Embodiments of the photovoltaic system with different buffer capacitors;
  • 6th an embodiment of the photovoltaic system in a symmetrical circuit arrangement;
  • 7th a schematic block diagram to explain the setting of the operating point of the photovoltaic system;
  • 8a-c Performance diagrams to explain the setting of the operating point of the photovoltaic system; and
  • 9 an embodiment of the photovoltaic system with isolating switches.

In 1 ist eine Photovoltaikanlage schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Photovoltaikanlage weist eine Mehrzahl von Photovoltaikmodulen 12 auf, die in separaten Strängen 14 parallel zueinander geschaltet sind. Die Stränge 14 sind mit einem Masseanschluss 16 und mit einem Wandler 18 verbunden, der vorzugsweise als Maximum-Power-Point-Wandler 18 ausgebildet ist. Der Wandler 18 ist mit einem Wechselrichter 20 verbunden, der eine Ausgangsgleichspannung VA und ein Ausgangsgleichstrom IA des Wandlers 18 in eine Wechselspannung und einen Wechselstrom wandelt.In 1 a photovoltaic system is shown schematically and generally designated 10. The photovoltaic system has a plurality of photovoltaic modules 12 on that in separate strands 14th are connected in parallel to each other. The strands 14th are with a ground connection 16 and with a converter 18th connected, preferably as a maximum power point converter 18th is trained. The converter 18th is with an inverter 20th connected to a DC output voltage V A and a DC output current I A of the converter 18th converts into an alternating voltage and an alternating current.

Die Photovoltaikmodule 12 stellen jeweils einen Strangstrom IS und eine Strangspannung VS bereit, die von dem Wandler 18 entsprechend in den Ausgangsstrom IA und die Ausgangsspannung VA gewandelt wird. Der Wandler 18 stellt entsprechend einen Arbeitspunkt der Photovoltaikmodule 12 ein, so dass die Photovoltaikmodule 12 jeweils in ihrem optimalen Arbeitspunkt bei maximaler Leistungsabgabe betrieben werden, wie es im Folgenden näher erläutert ist.The photovoltaic modules 12 each provide a phase current I S and a phase voltage V S , which are supplied by the converter 18th is converted accordingly into the output current I A and the output voltage V A. The converter 18th accordingly represents an operating point of the photovoltaic modules 12 one so that the photovoltaic modules 12 are each operated in their optimal operating point with maximum power output, as explained in more detail below.

In 2 ist die Photovoltaikanlage 10 mit dem Wandler 18 schematisch zur Erläuterung der Funktionsweise des Wandlers 18 dargestellt. Der Wandler 18 ist mit den unterschiedlichen Strängen 14 der Photovoltaikmodule 12 verbunden, wobei die Stränge 14 an einem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 zusammengeführt sind bzw. elektrisch miteinander verbunden bzw. verbindbar sind. Der Verbindungsknoten 22 ist über eine gemeinsame Induktivität 24 mit einem Ausgangsanschluss 26 verbunden, an dem der Ausgangsstrom IA und die Ausgangsspannung VA bereitgestellt werden.In 2 is the photovoltaic system 10 with the converter 18th schematically to explain how the converter works 18th shown. The converter 18th is with the different strands 14th of the photovoltaic modules 12 connected, the strands 14th at a common connection node 22nd are brought together or are electrically connected to one another or can be connected. The connection node 22nd is across a common inductor 24 with an output connector 26th connected, at which the output current I A and the output voltage V A are provided.

In der hier dargestellten Ausführungsform weisen zwei der Stränge 14 jeweils eine Diode 28 und einen steuerbaren Schalter 30 auf, die in Reihe mit dem jeweiligen Photovoltaikmodul 12 geschaltet sind und das jeweilige Photovoltaikmodul 12 mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 verbinden. Ein weiterer Strang weist lediglich den steuerbaren Schalter 30 auf, um das angeschlossene Photovoltaikmodul 12 mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 zu verbinden. Ein weiterer der Stränge weist lediglich die Diode 28 auf, um das entsprechende Photovoltaikmodul 12 mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 zu verbinden. Die einzelnen Stränge 14 weisen ferner eine Eingangskapazität 32 auf, die jeweils parallel zu dem Photovoltaikmodul 12 geschaltet sind.In the embodiment shown here, two of the strands have 14th one diode each 28 and a controllable switch 30th in series with the respective photovoltaic module 12 are switched and the respective photovoltaic module 12 with the common connection node 22nd connect. Another strand only has the controllable switch 30th to the connected photovoltaic module 12 with the common connection node 22nd connect to. Another of the strands only has the diode 28 to the corresponding photovoltaic module 12 with the common connection node 22nd connect to. The individual strands 14th also have an input capacitance 32 on, each parallel to the photovoltaic module 12 are switched.

Mittels der steuerbaren Schalter 30 werden die einzelnen Photovoltaikmodule 12 nacheinander mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 verbunden, so dass die jeweilige Strangspannung VS und der jeweilige Strangstrom IS zeitweise und abwechselnd an die Induktivität 24 angelegt wird, um den Ausgangsstrom IA und die Ausgangsspannung VA bereitzustellen, wie es im weiteren näher erläutert ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der erste der Stränge 14, der lediglich über den einen steuerbaren Schalter 30 mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 verbindbar ist der Strang, der die höchste Strangspannung VS1 bereitstellt, wobei der vierte der Stränge, der lediglich über die Diode 28 mit dem gemeinsamen Verbindungsknoten 22 verbunden ist, der Strang mit der niedrigsten Strangspannung VSN ist. Durch diese Spannungskonstellation der Strangspannung VS1 und VSN kann jeweils auf eines der Bauelemente (Schalter 30 oder Diode 28) verzichtet werden, da die Diode 28 des vierten Stranges blockiert, sofern der Schalter 30 des ersten Stranges geschlossen ist und leitet, sofern der Schalter 30 des ersten Stranges geöffnet ist. Der zweite und der dritte Strang, die jeweils die Diode 28 und den Schalter 30 aufweisen, können in einer einfachsten Ausführungsform entfallen, so dass die einfachste Ausführungsform lediglich den ersten Strang mit dem Schalter 30 und den vierten Strang mit der Diode 28 aufweist.Using the controllable switches 30th the individual photovoltaic modules 12 one after the other with the common connection node 22nd connected, so that the respective phase voltage V S and the respective phase current I S temporarily and alternately to the inductance 24 is applied to provide the output current I A and the output voltage V A , as will be explained in more detail below. In the in 2 The embodiment illustrated is the first of the strands 14th , which only has one controllable switch 30th with the common connection node 22nd The string that provides the highest string voltage V S1 can be connected , with the fourth of the strings, which is only via the diode 28 with the common connection node 22nd is connected, the phase with the lowest phase voltage is VSN. Due to this voltage constellation of the phase voltage V S1 and V SN , one of the components (switch 30th or diode 28 ) can be omitted because the diode 28 of the fourth line blocked if the switch 30th of the first line is closed and conducts, provided the switch 30th of the first strand is open. The second and the third strand, each the diode 28 and the switch 30th have, can be omitted in a simplest embodiment, so that the simplest embodiment only the first strand with the switch 30th and the fourth strand with the diode 28 having.

Der gemeinsame Verbindungsknoten 22 ist ferner über eine Freilaufdiode 34 mit einem Masseanschluss 36 verbunden, um Überspannungen der Induktivität 24 zu vermeiden, sofern es zu abrupten Stromänderungen des Stroms IL in der Induktivität kommt.The common connection node 22nd is also via a freewheeling diode 34 with a ground connection 36 connected to inductance surges 24 should be avoided if there are abrupt changes in the current I L in the inductance.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind. Die Photovoltaikanlage 10 aus 3 weist vier Stränge 14 auf, die jeweils die Diode 28 und den steuerbaren Schalter 30 aufweisen, um die jeweiligen Photovoltaikmodule 12 über die gemeinsame Induktivität 24 mit dem Ausgangsanschluss 26 zu verbinden.In 3 is a further embodiment of the photovoltaic system 10 shown schematically. The same elements are denoted by the same reference numerals, only the special features being explained here. The photovoltaic system 10 out 3 has four strands 14th on each of the diode 28 and the controllable switch 30th have to the respective photovoltaic modules 12 about the common inductance 24 with the output connector 26th connect to.

Durch die besondere Ausführungsform aus 3 können die Photovoltaikmodule 12 unabhängig von ihrer bereitgestellten Spannung VS selektiv mit dem Ausgangsanschluss 26 verbunden werden, um entsprechend den Ausgangsstrom IA und die Ausgangsspannung VA einzustellen. Die steuerbaren Schalter 30 werden nacheinander und zeitlich überlappend geschlossen, so dass über dem jeweiligen steuerbaren Schalter 30 während des Schaltvorgangs lediglich eine Differenzspannung zwischen den jeweiligen Strangspannungen VS abfällt und somit die Schaltverluste in den steuerbaren Schaltern 30 reduziert ist.Due to the special embodiment 3 can the photovoltaic modules 12 selectively with the output terminal regardless of their provided voltage V S 26th are connected to set the output current I A and the output voltage V A accordingly. The controllable switches 30th are closed one after the other and overlapping in time, so that above the respective controllable switch 30th during the switching process, only a differential voltage between the respective phase voltages V S drops and thus the switching losses in the controllable switches 30th is reduced.

In 4 ist ein Zeitdiagramm der Steuersignale der steuerbaren Schalter 30 der vier Stränge aus 3 sowie die resultierende Ausgangsspannung VA und der resultierenden Ausgangsstrom IA über eine Periode T dargestellt.In 4th Figure 3 is a timing diagram of the control signals of the controllable switches 30th of the four strands 3 as well as the resulting output voltage V A and the resulting output current I A over a period T.

Die steuerbaren Schalter 30 der Stränge 1 bis 4 werden jeweils für eine Zeit t1, t2, t3, t4 sequenziell bzw. nacheinander durchgeschaltet bzw. geschlossen wie es in 4a schematisch dargestellt ist. Dabei überlappen sich die Zeiten, in denen jeweils zwei der steuerbaren Schalter 30 geschlossen sind und zwar für eine Zeitdauer Δt, wie es in 4a schematisch dargestellt ist. Dadurch fällt während des Schaltvorgangs über den steuerbaren Schaltern 30 jeweils lediglich eine Differenzspannung zwischen den jeweiligen Strangspannungen VS ab, so dass die Schaltverluste für die Schaltvorgänge reduziert sind.The controllable switches 30th the strands 1 to 4th are respectively switched through or closed sequentially or one after the other for a time t 1 , t 2 , t 3 , t 4, as in FIG 4a is shown schematically. The times in which two of the controllable switches overlap 30th are closed for a period of time Δ t , as shown in 4a is shown schematically. This means that it falls over the controllable switches during the switching process 30th in each case only a differential voltage between the respective phase voltages V S , so that the switching losses for the switching operations are reduced.

Wie in 4b dargestellt ist, werden die Strangspannungen VS der jeweiligen Photovoltaikmodule 12 nacheinander an dem Ausgangsanschluss 26 angelegt, wodurch die Ausgangsspannung VA als Mittelwert der einzelnen Strangspannungen und der jeweiligen Schaltzeit t1 - t4 der steuerbaren Schalter 30 gebildet wird. Dabei wirkt die Ausgangskapazität 38 als Glättungskondensator für die Ausgangsspannung VA.As in 4b is shown, the line voltages V S of the respective photovoltaic modules 12 one after the other at the output port 26th applied, whereby the output voltage V A as the mean value of the individual phase voltages and the respective switching time t 1 - t 4 of the controllable switches 30th is formed. The output capacitance is effective 38 as a smoothing capacitor for the output voltage V A.

Wie es in 4c gezeigt ist, werden die jeweiligen Strangströme IS1, IS2, IS3, IS4 an die Induktivität 24 geleitet und bilden den Spulenstrom IL, der jeweils durch die Trägheit der Induktivität 24 linear steigt oder linear fällt. Durch die Induktivität 24 und den Glättungskondensator 38 wird ein im Wesentlichen konstanter Ausgangsstrom IA eingestellt, wie es in 4c schematisch angedeutet ist.Like it in 4c is shown, the respective phase currents I S1 , I S2 , I S3 , I S4 to the inductance 24 conducted and form the coil current I L , which is determined by the inertia of the inductance 24 increases or decreases linearly. By inductance 24 and the smoothing capacitor 38 an essentially constant output current I A is set, as shown in 4c is indicated schematically.

Die Ausgangsspannung VA und der Ausgangsstrom IA werden über die Schaltzeiten t1 - t4 bzw. das Tastverhältnis der steuerbaren Schalter 30 relativ zu der Periodendauer T eingestellt, wobei die Ausgangsspannung VA einen Mittelwert der einzelnen Strangspannungen VS gewichtet über die Schaltzeiten t1- t4 gebildet wird und wobei der Ausgangsstrom IA entsprechend über die einzelnen Strangströme IS und die Schaltzeiten t1- t4 gebildet wird.The output voltage V A and the output current I A are determined via the switching times t 1 -t 4 or the duty cycle of the controllable switches 30th is set relative to the period T, the output voltage V A being a mean value of the individual phase voltages V S weighted over the switching times t 1 - t 4 and the output current I A corresponding to the individual phase currents I S and the switching times t 1 - t 4 is formed.

Dadurch, dass die einzelnen Strangspannungen VS jeweils mittels der steuerbaren Schalter 30 an den Ausgangsanschluss 26 angelegt werden, stellt sich für jedes der Photovoltaikmodule 12 der optimale Arbeitspunkt ein, bei dem die maximale Leistungsabgabe der einzelnen Photovoltaikmodule 12 erfolgt. Über die Einstellung der Ausgangsspannung VA kann gleichzeitig der Arbeitspunkt der gesamten Photovoltaikanlage 10 eingestellt werden. Dadurch kann die Leistungsausbeute der gesamten Photovoltaikanlage 10 optimiert werden, auch wenn einzelne der Photovoltaikmodule 12 eine geringere Leistungsabgabe durch beispielsweise Beschattung des Moduls haben. Der Arbeitspunkt bzw. die Leistungsabgabe der gesamten Photovoltaikanlage 10 wird über das Tastverhältnis der jeweiligen steuerbaren Schalter 30 und entsprechend über die Ausgangsspannung VA eingestellt. Somit kann mit geringem technischen Aufwand die Leistungsausbeute und somit der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 10 erhöht werden.The fact that the individual phase voltages V S each by means of the controllable switch 30th to the output port 26th is created for each of the photovoltaic modules 12 the optimal working point at which the maximum power output of the individual photovoltaic modules 12 he follows. By setting the output voltage V A , the operating point of the entire photovoltaic system 10 can be set. This allows the power output of the entire photovoltaic system 10 can be optimized, even if individual photovoltaic modules 12 have a lower power output due to, for example, shading the module. The working point or the power output of the entire photovoltaic system 10 is via the duty cycle of the respective controllable switch 30th and adjusted accordingly via the output voltage V A. Thus, with little technical effort, the power output and thus the efficiency of the photovoltaic system 10 increase.

Alternativ kann über das Tastverhältnis der steuerbaren Schalter 30 eine Differenzspannung zwischen den Strängen 14 und dem Ausgangsanschluss 26 eingestellt werden.Alternatively, the duty cycle of the controllable switch can be used 30th a differential voltage between the strands 14th and the output port 26th can be set.

In den 5a bis 5c sind weitere Ausführungsformen der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt mit unterschiedlichen Pufferkondensatoren zur Pufferung der Eingangs- bzw. Strangspannungen VS.In the 5a to 5c are further embodiments of the photovoltaic system 10 shown schematically with different buffer capacitors for buffering the input or phase voltages V S.

In 5a sind die Photovoltaikmodule 12 jeweils direkt über eine Kapazität mit 40 mit dem Ausgangsanschluss 26 verbunden, um die Strangspannungen entsprechend zu puffern. Dadurch kann die Betriebsspannung der Kapazitäten 40 deutlich reduziert werden, da die Differenz zwischen der jeweiligen Strangspannung VS und der Ausgangsspannung VA entsprechend gering ist.In 5a are the photovoltaic modules 12 each directly over a capacity of 40 with the output connector 26th connected to buffer the string voltages accordingly. This can reduce the operating voltage of the capacitors 40 can be significantly reduced, since the difference between the respective phase voltage V S and the output voltage V A is correspondingly small.

In 5b ist eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt. Dabei ist ein Stromrückpfad 42 des Wechselrichters 20 bzw. der Ausgangskapazität 38 getrennt von dem Masseanschluss 36 ausgeführt und direkt mit der Freilaufdiode 34 verbunden.In 5b is a further embodiment of the photovoltaic system 10 shown schematically. There is a current return path 42 of the inverter 20th or the output capacitance 38 separated from the ground connection 36 executed and directly with the freewheeling diode 34 connected.

Durch die Kapazitäten 40, die das jeweilige Photovoltaikmodul 12 mit dem Ausgangsanschluss 26 verbinden, wie es in den 5a und 5b gezeigt ist, ist es möglich, dass lediglich die positiven Potentiale der Photovoltaikmodule 12 und der positive Eingangsanschluss 26 des Wechselrichters 20 mit dem Wandler 18 verbunden werden müssen, so dass der Wandler 18 auch separat als Nachrüstsatz für eine bestehende Photovoltaikanlage bereitgestellt werden kann und entsprechend zwischen die Photovoltaikmodule 12 und den Wechselrichter 20 geschaltet werden kann.Through the capacities 40 that the respective photovoltaic module 12 with the output connector 26th connect as it did in the 5a and 5b is shown, it is possible that only the positive potentials of the photovoltaic modules 12 and the positive input terminal 26th of the inverter 20th with the converter 18th need to be connected so that the converter 18th can also be provided separately as a retrofit kit for an existing photovoltaic system and accordingly between the photovoltaic modules 12 and the inverter 20th can be switched.

In 5c ist eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt. Dabei werden die Strangspannungen VS sowohl direkt mittels den Kapazitäten 32 und indirekt mittels der Kapazitäten 40 gepuffert.In 5c is a further embodiment of the photovoltaic system 10 shown schematically. The phase voltages V S are both directly by means of the capacitances 32 and indirectly by means of capacities 40 buffered.

In 6 ist eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern gezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.In 6th is a further embodiment of the photovoltaic system 10 shown schematically. The same elements are marked with the same reference numbers, only the special features being explained here.

In 6 ist die Photovoltaikanlage 10 als symmetrische Schalteranordnung dargestellt, wobei die einzelnen Photovoltaikmodule 12 mit ihren jeweiligen Anschlüssen mit zwei unterschiedlichen gemeinsamen Induktivitäten 43, 44 verbindbar sind. Die Photovoltaikmodule 12 sind entsprechend an ihren beiden Spannungsanschlüssen jeweils über die Diode 28 und den steuerbaren Schalter 30 mit den gemeinsamen Induktivitäten 43, 44 verbindbar. Die Induktivitäten 43, 44 sind jeweils mit einem Ausgangsanschluss 45, 46 und einer Ausgangskapazität 47, 48 verbunden, wobei die Werte für die Induktivitäten 43, 44 und die Kapazitäten 47, 48 jeweils halb so groß wie das entsprechende einzelne Bauteil aus den vorherigen Ausführungsformen. Entsprechend sind auch die Strangspannungen VS, die an den jeweiligen Kapazitäten 49, 50 abfallen und die Ausgangsspannungen VA jeweils halb so groß wie die entsprechenden Werte der vorherigen Ausführungsformen.In 6th is the photovoltaic system 10 shown as a symmetrical switch arrangement, with the individual photovoltaic modules 12 with their respective connections with two different common inductances 43 , 44 are connectable. The photovoltaic modules 12 are correspondingly connected to their two voltage connections via the diode 28 and the controllable switch 30th with the common inductors 43 , 44 connectable. The inductors 43 , 44 are each with an output connector 45 , 46 and an output capacitance 47 , 48 connected, taking the values for the inductors 43 , 44 and the capacities 47 , 48 each half as large as the corresponding individual component from the previous embodiments. The phase voltages V S applied to the respective capacitors are also corresponding 49 , 50 drop and the output voltages V A are each half as large as the corresponding values of the previous embodiments.

In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden Induktivitäten 43, 44 aus 6 magnetisch gekoppelt.In a particular embodiment, the two are inductors 43 , 44 out 6th magnetically coupled.

In 7 ist eine Ausführungsform des Wandlers 18 als Maximum-Power-Point-Steuerung schematisch dargestellt. Der Wandler 18 steuert dabei das Tastverhältnis der steuerbaren Schalter 30, wobei die Summe der Einschaltzeiten t1 - t4 gleich der Periodendauer T ist. Das Regelziel des Wandlers 18 ist es, dass für alle Stränge eine Änderung der abgegebenen Leistung PS über der jeweiligen Strangspannung 0 ist (dPS/dVS = 0). Weiterhin ist das Regelziel des Wechselrichters 20, die Änderung der Ausgangsleistung PA in Abhängigkeit der Ausgangsspannung VA auf 0 einzustellen (dPA/dVA = 0). Um dies zu erreichen, passt der Wandler 18 für je zwei der Stränge 14 die Änderung der Leistung PS in Abhängigkeit der Änderung der Strangspannung VS aneinander an. Die Kombination dieser Regelziele führt dazu, dass das Gesamtregelziel erreicht wird.In 7th is one embodiment of the converter 18th shown schematically as a maximum power point control. The converter 18th controls the duty cycle of the controllable switches 30th , where the sum of the switch-on times t 1 - t 4 is equal to the period duration T. The control target of the converter 18th it is that for all strings there is a change in the output power P S over the respective string voltage 0 is (dP S / dV S = 0). Furthermore, it is the control target of the inverter 20th , the change in output power P A to be set to 0 depending on the output voltage V A (dP A / dV A = 0). To achieve this, the converter fits 18th for every two of the strands 14th the change in power P S depending on the change in phase voltage V S to one another. The combination of these rule goals leads to the overall rule goal being achieved.

Eine einfache Regelung verwendet als Stellgröße den Tastgrad t/T aus den üblichen MPPT-Algorithmen.A simple control uses the duty cycle t / T from the usual MPPT algorithms as the manipulated variable.

In 7 ist dieser Regelalgorithmus schematisch dargestellt, wobei die Grundlage die Erfassung der Änderung der Leistung über der Strangspannung (dP/dV) ist, wie es bei 52 gezeigt ist. Über eine Vorzeichenfunktion 54 wird erfasst, ob die Steigung der Leistung PS über der Spannung VS positiv oder negativ ist, wobei das Gesamtregelziel von den Vorzeichenfunktionen abgezogen wird, wie es bei 56 gezeigt ist. Die Tastgrade der steuerbaren Schalter 1 bis N - 1 werden bestimmt und aus den Tastgraden der steuerbaren Schalter 1 bis N - 1 der Tastgrad des letzten Schalters N bestimmt wird.In 7th this control algorithm is shown schematically, the basis being the detection of the change in power versus phase voltage (dP / dV), as shown at 52. Via a sign function 54 a determination is made as to whether the slope of the power P S over the voltage V S is positive or negative, the overall control target being subtracted from the sign functions, as shown at 56. The duty cycle of the controllable switches 1 to N - 1 are determined and from the duty cycle of the controllable switches 1 until N - 1 the duty cycle of the last switch N is determined.

Dadurch kann über den Tastgrad t/T der steuerbaren Schalter 30 das Regelziel zur Optimierung der Leistungsausbeute der Photovoltaikanlage 10 berechnet werden.This allows the controllable switch via the duty cycle t / T 30th the control target for optimizing the power output of the photovoltaic system 10 be calculated.

In 8a bis 8c sind Leistungsverläufe über der jeweiligen Spannung aufgetragen dargestellt zur Erläuterung der Einstellung der Arbeitspunkte von zwei Strängen 14 und des Gesamtsystems bzw. des Wechselrichters 20. In 8a ist der Arbeitspunkt des Gesamtsystems mit 60 und die Arbeitspunkte zweier Stränge 14 mit 62 bezeichnet. Die Arbeitspunkte 60, 62 der drei Leistungskurven PA , P1 , P2 sind jeweils vor dem jeweiligen Maximum, d.h. die Funktion dP/dV ist für alle drei Leistungskurven ungleich null und positiv. Daher wird die Ausgangsspannung VA von dem Wechselrichter 20 weiter erhöht, um den optimalen Arbeitspunkt zu erreichen.In 8a to 8c Power curves are shown plotted against the respective voltage to explain the setting of the operating points of two strands 14th and the overall system or the inverter 20th . In 8a is the operating point of the overall system with 60 and the operating points of two strings 14th denoted by 62. The working points 60 , 62 of the three performance curves P A , P 1 , P 2 are in each case before the respective maximum, ie the function dP / dV is not equal to zero and positive for all three power curves. Therefore, the output voltage becomes V A from the inverter 20th further increased in order to reach the optimal operating point.

In 8b sind die Leistungskurven PA , P1 , P2 für den Fall dargestellt, dass die Funktion dP/dV der Gesamtleistung PA = 0 ist, also der Arbeitspunkt 60 des Gesamtsystems ein Maximum erreicht hat. Die Funktionen dP1/dV1 und dP2/dV2 weisen für diesen Fall unterschiedliche Vorzeichen auf, d.h., dass der Arbeitspunkt 62 des ersten Stranges vor dem Leistungsmaximum eingestellt ist und der Arbeitspunkt 62 des zweiten Stranges hinter dem Maximum der Leistungskurve P2 eingestellt ist. In dieser Situation werden durch den Wandler 18 die Arbeitspunkte 62 der beiden Stränge 14 entsprechend in entgegengesetzte Richtungen verlagert, wie es in 8c gezeigt ist. Dadurch können die Arbeitspunkte 62 der beiden Stränge 14 in das Leistungsmaximum verlegt werden, so dass gleichzeitig die Gesamtleistung PA ein Maximum für die resultierende Ausgangsspannung VA erreicht, wie es in 8c dargestellt ist.In 8b are the performance curves P A , P 1 , P 2 for the case that the function dP / dV of the total power P A = 0, i.e. the working point 60 of the overall system has reached a maximum. The functions dP 1 / dV 1 and dP 2 / dV 2 have different signs for this case, ie the operating point 62 of the first line is set before the power maximum and the operating point 62 of the second line behind the maximum of the power curve P 2 is set. In this situation, the converter 18th the working points 62 of the two strands 14th accordingly shifted in opposite directions, as in 8c is shown. This allows the working points 62 of the two strands 14th be relocated to the maximum output, so that at the same time the total output P A reaches a maximum for the resulting output voltage V A , as shown in FIG 8c is shown.

Dadurch können die einzelnen Stränge 14 der Photovoltaikanlage 10 auf ihren optimalen Arbeitspunkt 62 bei maximaler Leistungsabgabe in Abhängigkeit der Strangspannung eingestellt werden und gleichzeitig das Gesamtsystem in einem optimalen Arbeitspunkt 60 eingestellt werden, so dass die gesamte abgegebene Leistung maximiert wird.This allows the individual strands 14th the photovoltaic system 10 to their optimal working point 62 can be set at maximum power output depending on the line voltage and at the same time the entire system is at an optimal operating point 60 adjusted so that the total output power is maximized.

In einer besonderen Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 können einzelne der Stränge 14 anstelle eines Photovoltaikmoduls 12 mit einem elektrischen Energiespeicher oder mit einem Gleichspannungswandler verbunden werden, um entsprechend eine Strangspannung bereitzustellen.In a special embodiment of the photovoltaic system 10 can single of the strands 14th instead of a photovoltaic module 12 be connected to an electrical energy store or to a DC voltage converter in order to provide a phase voltage accordingly.

In 9 ist eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage 10 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.In 9 is a further embodiment of the photovoltaic system 10 shown schematically. The same elements are denoted by the same reference numbers, only the differences being explained here.

In dieser Ausführungsform ist zwischen den steuerbaren Schaltern 30 und/oder den Dioden 28 und den Photovoltaikmodulen 12 jeweils eine Trennvorrichtung 70 mit jeweils einem Trennschalter 72 und einer parallelen Vorladeschaltung 74 geschaltet, die einen Trennschalter 76 wie beispielsweise ein Relais und einen Serienwiderstand 78 wie beispielsweise einen Schalter mit Serienwiderstand aufweist, so dass die Stränge 14 einzeln zu- und abgeschaltet werden können. Die Trennschalter 72, 76 sind jeweils über eine Steuereinheit 80 ansteuerbar.In this embodiment there is between the controllable switches 30th and / or the diodes 28 and the photovoltaic modules 12 one separator each 70 with one isolating switch each 72 and a parallel precharge circuit 74 switched to a circuit breaker 76 such as a relay and a series resistor 78 such as a switch with series resistance, so that the strands 14th can be switched on and off individually. The disconnectors 72 , 76 are each via a control unit 80 controllable.

Über die Vorladeschaltung 74 mit dem Vorladewiderstand 78 kann die entsprechende Kapazität 32 bei geschlossenem Trennschalter 76 aufgeladen werden und dadurch die Spannung über dem jeweiligen steuerbaren Schalter 30 und der jeweiligen Diode 28 reduziert werden, so dass die Schaltverluste des jeweiligen steuerbaren Schalters 30 reduziert werden können. Durch diesen reduzierten Spannungsabfall über den Schaltelementen kann ferner die Spannungsfestigkeit der jeweiligen Schaltelemente und somit der jeweilige technische Aufwand reduziert werden.Via the precharge circuit 74 with the precharge resistor 78 can have the appropriate capacity 32 with the disconnector closed 76 are charged and thereby the voltage across the respective controllable switch 30th and the respective diode 28 can be reduced, so that the switching losses of the respective controllable switch 30th can be reduced. This reduced voltage drop across the switching elements can also reduce the dielectric strength of the respective switching elements and thus the respective technical effort.

Die Photovoltaikanlage 10 aus 9 weist ferner ein Referenzspannungspotential VH auf, das an einem Referenzpunkt 82 bereitgestellt wird, wobei die Freilaufdiode 34 an dem Referenzpunkt 82 angeschlossen ist. Dadurch lässt sich ein beliebiges Bezugspotential für die Photovoltaikanlage 10 einstellen.The photovoltaic system 10 out 9 also has a reference voltage potential V H which is at a reference point 82 is provided, the freewheeling diode 34 at the reference point 82 connected. This allows any reference potential for the photovoltaic system 10 to adjust.

Claims (18)

Photovoltaikanlage (10) mit einer Mehrzahl von parallelen Strängen (14) und einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (12), die mit den Strängen (14) elektrisch verbunden sind, wobei wenigstens einer der Stränge (14) einen steuerbaren Schalter (30) und wenigstens einer der Stränge (14) eine Diode (28) aufweist, die jeweils in Reihe mit wenigstens einem der Photovoltaikmodule (12) geschaltet sind, wobei die Stränge (14) elektrisch über eine gemeinsame Induktivität (24) mit einem Ausgangsanschluss (26) verbunden sind, um eine Ausgangsspannung (VA) der Photovoltaikanlage (10) in Abhängigkeit von Strangspannungen (VS) der Stränge (14) oder eine Differenzspannung zwischen einer Strangspannung (VS) und der Ausgangsspannung (VA) in Abhängigkeit der Strangspannung (VS) bereitzustellen, und wobei die Ausgangsspannung (VA) oder die Differenzspannung über ein Tastverhältnis (t/T) des steuerbaren Schalters (30) einstellbar ist.Photovoltaic system (10) with a plurality of parallel strings (14) and a plurality of photovoltaic modules (12) which are electrically connected to the strings (14), at least one of the strings (14) having a controllable switch (30) and at least one the strings (14) has a diode (28) which are each connected in series with at least one of the photovoltaic modules (12), the strings (14) being electrically connected to an output connection (26) via a common inductance (24), an output voltage (V A ) of the photovoltaic system (10) depending on the string voltages (V S ) of the strings (14) or a differential voltage between a string voltage (V S ) and the output voltage (V A ) depending on the string voltage (V S ) provide, and wherein the output voltage (V A ) or the differential voltage can be set via a pulse duty factor (t / T) of the controllable switch (30). Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, wobei ein erster der parallelen Stränge (14) mit einer höchsten der Strangspannungen (VS) den Schalter (30) aufweist und ein zweiter der parallelen Stränge (14) mit einer niedrigsten der Strangspannungen die Diode (28) aufweist.Photovoltaic system after Claim 1 , wherein a first of the parallel strings (14) with a highest of the string voltages (V S ) has the switch (30) and a second of the parallel strings (14) with a lowest of the string voltages has the diode (28). Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Mehrzahl von Strängen (14) jeweils eine Diode (28) und einen steuerbaren Schalter (30) aufweist, die zueinander in Reihe geschaltet sind.Photovoltaic system after Claim 1 or 2 , wherein a plurality of strands (14) each having a diode (28) and a controllable switch (30) which are connected in series with one another. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Photovoltaikanlage (10) eine Steuereinheit aufweist, die den wenigstens einen steuerbaren Schalter (30) oder die steuerbaren Schalter (30) steuert und dazu ausgebildet ist, den bzw. die steuerbaren Schalter (30) derart zeitlich überlappend anzusteuern, dass die jeweiligen Strangspannungen (VS) zeitversetzt an die Induktivität (24) angelegt werden.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the photovoltaic system (10) has a control unit which controls the at least one controllable switch (30) or the controllable switches (30) and is designed to control the controllable switch (s) (30) in such a way that the respective Phase voltages (V S ) are applied to the inductance (24) with a time delay. Photovoltaikanlage nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das Tastverhältnis (t/T) des steuerbaren Schalters (30) oder der steuerbaren Schalter in Abhängigkeit der jeweiligen Strangspannung (VS) einzustellen.Photovoltaic system after Claim 4 , the control unit being designed to set the pulse duty factor (t / T) of the controllable switch (30) or the controllable switches as a function of the respective phase voltage (V S ). Photovoltaikanlage nach Anspruch 5, wobei die Ausgangsspannung (VA) auf einen Wert zwischen der höchsten und der niedrigsten der Strangspannung (VS) eingestellt wird.Photovoltaic system after Claim 5 , wherein the output voltage (V A ) is set to a value between the highest and the lowest of the phase voltage (V S ). Photovoltaikanlage nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung (VA) auf der Grundlage eines Verhältnisses von Eingangsleistung der Stränge und Strangströmen einzustellen.Photovoltaic system after Claim 4 , wherein the control unit is designed to set the output voltage (V A ) on the basis of a ratio of the input power of the strings and the string currents. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung (VA) auf einen Arbeitspunkt (60) mit maximaler Ausgangsleistung (PA) einzustellen.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 7th wherein the control unit is designed to set the output voltage (V A ) to an operating point (60) with maximum output power (P A ). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jedem der Stränge (14) eine Kapazität (32) zugeordnet ist, die parallel zu dem jeweiligen Photovoltaikmodul (12) geschaltet ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 8th wherein each of the strings (14) is assigned a capacitance (32) which is connected in parallel to the respective photovoltaic module (12). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jedem der Stränge (14) eine Kapazität (40) zugeordnet ist, die parallel zu der Induktivität (24) und dem jeweiligen steuerbaren Schalter (30) und/oder der Diode (28) geschaltet ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 9 wherein each of the strands (14) is assigned a capacitance (40) which is connected in parallel to the inductance (24) and the respective controllable switch (30) and / or the diode (28). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Diode (28) zwischen einem gemeinsamen Verbindungsknoten (22) der Stränge mit der Induktivität (24) und einem Masseanschluss (36) oder einem Referenzpotential geschaltet ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 10 , wherein a diode (28) is connected between a common connection node (22) of the strands with the inductance (24) and a ground connection (36) or a reference potential. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeder Strang (14) an seinen Enden jeweils über eine Induktivität (43, 44) mit jeweils einem Ausgangsanschluss (45, 46) verbindbar ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 11 Each strand (14) can be connected at its ends to an output connection (45, 46) via an inductance (43, 44). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei einer der steuerbaren Schalter (30) und/oder eine der Dioden (28) eine Spannungsfestigkeit aufweist, die geringer ist als eine der Strangspannungen (VS).Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 12 , wherein one of the controllable switches (30) and / or one of the diodes (28) has a dielectric strength which is lower than one of the phase voltages (V S ). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei wenigstens ein Trennschalter zwischen einem der Stränge (14) und dem jeweiligen Photovoltaikmodul (12) geschaltet ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 13 , wherein at least one isolating switch is connected between one of the strings (14) and the respective photovoltaic module (12). Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei parallel zu den steuerbaren Schaltern (30) eine Vorladeeinrichtung geschaltet ist, die einen Schalter und einen Widerstand aufweist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 14th wherein a precharge device is connected in parallel to the controllable switches (30), which has a switch and a resistor. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei wenigstens ein Strang (14) mit einem elektrischen Energiespeicher als Spannungsquelle des Stranges verbunden ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 15th , wherein at least one strand (14) is connected to an electrical energy store as a voltage source of the strand. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei wenigstens ein Strang (14) mit einem externen Spannungswandler als Spannungsquelle des Stranges verbindbar ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 1 to 16 , wherein at least one strand (14) can be connected to an external voltage converter as the voltage source of the strand. Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage (10), mit einer Mehrzahl von parallelen Strängen (14), die dazu ausgebildet sind, mit wenigstens einem Photovoltaikmodul (12) verbunden zu werden, wobei wenigstens einer der parallelen Stränge (14) einen steuerbaren Schalter (30) und wenigstens einer der parallelen Stränge eine Diode (28) aufweist, die jeweils in Reihe mit einem Anschluss zum Anschließen der Photovoltaikmodule (12) geschaltet sind, wobei die parallelen Stränge (14) elektrisch über eine gemeinsame Induktivität (24) mit einem Ausgangsanschluss (26) verbunden sind, um eine Ausgangsspannung (VA) in Abhängigkeit von Spannungen (VS) der Photovoltaikmodule (12) oder eine Differenzspannung zwischen einer Strangspannung (VS) und der Ausgangsspannung (VA) in Abhängigkeit der Spannungen (VS) der Photovoltaikmodule (12) bereitzustellen, und wobei die Ausgangsspannung (VA) oder die Differenzspannung über ein Tastverhältnis (t/T) des wenigstens einen steuerbaren Schalters (30) einstellbar ist.Retrofit kit for a photovoltaic system (10), with a plurality of parallel strings (14) which are designed to be connected to at least one photovoltaic module (12), at least one of the parallel strings (14) having a controllable switch (30) and at least one of the parallel strings has a diode (28) which are each connected in series with a connection for connecting the photovoltaic modules (12), the parallel strings (14) being electrically connected via a common inductance (24) to an output connection (26) are connected to an output voltage (V A ) depending on voltages (V S ) of the photovoltaic modules (12) or a differential voltage between a string voltage (V S ) and the output voltage (V A ) depending on the voltages (V S ) of the photovoltaic modules (12) to provide, and wherein the output voltage (V A ) or the differential voltage via a duty cycle (t / T) of the at least one controllable switch (30) is adjustable.
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