DE102014116765A1 - PHOTOVOLTAIC POWER PLANT AND INVERTER FOR A PHOTOVOLTAIC POWER PLANT - Google Patents

PHOTOVOLTAIC POWER PLANT AND INVERTER FOR A PHOTOVOLTAIC POWER PLANT Download PDF

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DE102014116765A1
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Andreas Falk
Marcel Sporleder
Daniel Schoeffler
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SMA Solar Technology AG
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Abstract

Ein Photovoltaikkraftwerk (1) zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Mehrzahl von PV-Feldern (2) in ein Energieversorgungsnetz (31) ist offenbart. Die einzelnen PV-Felder (2) sind über DC-Leitungen (12) jeweils mit einem DC-Eingang (21) eines dem PV-Feld (2) zugeordneten Wechselrichters (20) verbunden, wobei der Wechselrichter (20) ausgangsseitig über einen Transformator (40) mit dem Energieversorgungsnetz (31) verbunden ist. Jedes PV-Feld (2) ist aus einer Mehrzahl von Modulfeldern (3) gebildet, wobei jedes Modulfeld (3) eine Vielzahl an PV-Modulen (4) aufweist. Der Transformator (40) ist als Leistungstransformator ausgeführt, der direkt in Freileitungen (32) eines Hochspannungsversorgungsnetzes (30) einspeist. Die DC-Leitungen (12) sind direkt an Modulanschlussdosen (16) der einzelnen PV-Module (4) oder mittels elektrisch isolierender Halterungen (10), die an Aufständerungen (5) auf denen die PV-Module (4) angebracht sind, befestigt. Ein Wechselrichter (20) als Teil des Photovoltaikkraftwerks (1) ist ebenfalls näher beschrieben.A photovoltaic power plant (1) for feeding electrical energy from a plurality of PV fields (2) into a power grid (31) is disclosed. The individual PV fields (2) are each connected via DC lines (12) to a DC input (21) of an inverter (20) assigned to the PV field (2), the inverter (20) being connected on the output side via a transformer (40) connected to the power grid (31). Each PV array (2) is formed of a plurality of module arrays (3), each module array (3) comprising a plurality of PV modules (4). The transformer (40) is designed as a power transformer, which feeds directly into overhead lines (32) of a high-voltage power supply network (30). The DC lines (12) are directly to module junction boxes (16) of the individual PV modules (4) or by means of electrically insulating brackets (10) attached to elevations (5) on which the PV modules (4) are mounted , An inverter (20) as part of the photovoltaic power plant (1) is also described in detail.

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikkraftwerk zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Mehrzahl von PV-Feldern in ein Energieversorgungsnetz bevorzugt direkt in ein Hochspannungsnetz. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Konzept zur Führung der DC-Leitungen im PV-Feld und zur Verbindung dieser mit dem Wechselrichter.The invention relates to a photovoltaic power plant for feeding electrical energy from a plurality of PV fields in a power grid preferably directly into a high-voltage network. Furthermore, the invention comprises a concept for guiding the DC lines in the PV field and for connecting them to the inverter.

Stand der TechnikState of the art

In den letzten Jahren wurden weltweit immer größere Photovoltaikkraftwerke errichtet. Diese Kraftwerke können insbesondere in sonnreichen Regionen einen maßgeblichen Beitrag zur Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien liefern. Photovoltaikkraftwerke mit Leistungen von einigen 100 MW (z.B. Agua Caliente Solar Project) wurden bereits realisiert, solche mit Leistungen über 1 GW sind in Planung (z.B. Westlands Solar Park). Allerdings steigt der Preisdruck auf die Betreiber solcher Photovoltaikkraftwerke, die in direkter Konkurrenz zu konventionellen Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken stehen, stetig an.In recent years, ever larger photovoltaic power plants have been built worldwide. These power plants can make a significant contribution to the generation of electricity from renewable energies, especially in sunny regions. Photovoltaic power plants of some 100 MW (for example Agua Caliente Solar Project) have already been built, those with more than 1 GW are planned (for example Westlands Solar Park). However, the price pressure on the operators of such photovoltaic power plants, which are in direct competition with conventional coal, gas and nuclear power plants, is steadily rising.

Da solche leistungsfähigen Photovoltaikkraftwerke einen dementsprechend hohen Flächenbedarf aufweisen, steigt insbesondere der Aufwand hinsichtlich der Gleichstromverkabelung innerhalb der Photovoltaikfelder und auch der DC-Anschlussbereich in den Wechselrichtern zur Anbindung an die Photovoltaikfelder vergrößert sich entsprechend mit zunehmender photovoltaischer Leistung. Zudem treten hier Probleme hinsichtlich der auf Grund der entsprechend hohen DC-Spannungen notwendigen im Vergleich zu Kleinanlagen aufwändigeren Isolation der Kabel auf, die neben höheren Materialkosten auch negative Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Kabel und somit auf deren Handhabbarkeit während der Installation zur Folge hat. Dies stellt insbesondere bei den im Stand der Technik (z.B. DE 10 2011 053 523 A1 ) üblicherweise beschriebenen Wechselrichtern ein Problem dar, da hier auf Grund der Verlegung der Kabel in der Erde entsprechende Krümmungsradien der Kabel zum Anschluss dieser an den DC-Eingang der Wechselrichter benötigt werden.Since such high-performance photovoltaic power plants have a correspondingly high space requirement, in particular the cost of DC cabling within the photovoltaic panels increases and also the DC connection area in the inverters for connection to the photovoltaic panels increases correspondingly with increasing photovoltaic power. In addition, problems arise here in terms of due to the correspondingly high DC voltages necessary in comparison to small systems more complex insulation of the cable, which in addition to higher material costs also negative influences on the mechanical properties of the cable and thus on their handling during installation result. This is especially in the case of the prior art (eg DE 10 2011 053 523 A1 ) commonly described inverters is a problem because here due to the laying of the cables in the ground corresponding radii of curvature of the cable to connect these to the DC input of the inverter are needed.

Aus der DE 10 2009 004 679 B3 ist z.B. ein Stromversorgungssystem mit einer Photovoltaik-Einrichtung bekannt, die mehrere gleichspannungserzeugende PV--Module umfasst,, wobei dort die Photovoltaik-Module in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind und eine die Spannungsfestigkeit der Photovoltaik-Module übersteigende und zur Hochspannungs-Gleichstromübertragung geeignete Gleichspannung erzeugen. Das Stromversorgungssystem weist eine mit einem für Verbraucher eingerichtete Stromversorgungsnetz verbindbare Umformstation auf und umfasst eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke (HGÜ), um die von der Photovoltaik-Einrichtung erzeugte Gleichspannung im Hochspannungs-Bereich zu der Umformstation zu übertragen. Die HGÜ-Strecke kann sowohl für große Entfernungen, vorzugsweise über Freileitungen, wie auch für kurze Entfernungen, vorzugsweise über Kabel, ausgelegt sein. Am Ende der HGÜ-Strecke ist dann lediglich eine Umsetzung von der übertragenen Gleichspannung in eine gewünschte Wechselspannung erforderlich. Insbesondere werden die in den herkömmlichen Systemen erzeugerseitig benötigten Wechselrichter und HGÜ-Gleichrichter-Stationen eingespart.From the DE 10 2009 004 679 B3 For example, a power supply system with a photovoltaic device is known which comprises a plurality of DC-generating PV modules, where the photovoltaic modules are connected in parallel and / or series connection with one another and exceed the dielectric strength of the photovoltaic modules and the high-voltage DC transmission generate suitable DC voltage. The power supply system has a forming station which can be connected to a power supply network arranged for consumers and comprises a high-voltage direct-current transmission link (HVDC) in order to transmit the DC voltage generated by the photovoltaic device in the high-voltage region to the forming station. The HVDC route can be designed both for long distances, preferably over overhead lines, as well as for short distances, preferably via cables. At the end of the HVDC line, only conversion from the transmitted DC voltage to a desired AC voltage is required. In particular, the inverters and HVDC rectifier stations required in the conventional systems on the generator side are saved.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 und einen Wechselrichter für eine solche Vorrichtung aufzuzeigen, die sowohl die Erstellungskosten insbesondere von großen Photovoltaikkraftwerken verringert, als auch die Wartung solcher Kraftwerke erleichtert.The invention has for its object an apparatus with the features of the preamble of independent claim 1 and an inverter for such a device to show that both reduces the cost of building particular large photovoltaic power plants, as well as facilitates the maintenance of such power plants.

Lösungsolution

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Photovoltaikkraftwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 10 sind auf bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Photovoltaikkraftwerks gerichtet. Der Patentanspruch 11 betrifft einen Wechselrichter für ein erfindungsgemäßes Photovoltaikkraftwerk.The object of the invention is achieved by a photovoltaic power plant with the features of independent claim 1. The dependent claims 2 to 10 are directed to preferred embodiments of a photovoltaic power plant according to the invention. The claim 11 relates to an inverter for a photovoltaic power plant according to the invention.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikkraftwerk zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Mehrzahl von Photovoltaikfeldern (im Folgenden kurz PV-Feldern) in ein Energieversorgungsnetz, wobei die einzelnen PV-Felder über Gleichstromleitungen (im Folgenden kurz DC-Leitungen) jeweils mit einem Gleichspannungseingang (im Folgenden kurz DC-Eingang) eines dem PV-Feld zugeordneten Wechselrichters verbunden sind, der ausgangsseitig über einen Transformator mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Jedes PV-Feld ist aus einer Mehrzahl an Modulfeldern aufgebaut, die jeweils eine Vielzahl an Photovoltaikmodulen (im Folgenden kurz PV-Modulen) aufweisen. Die PV-Module sind innerhalb der Modulfelder derart installiert sind, dass eine Systemspannung größer 1 kV DC bevorzugt größer 5kV bezogen auf die Spannungsdifferenz zwischen den DC-Leitungen erhalten wird. Diese im Vergleich zu den üblicherweise in Großanlagen verwendeten Systemspannungen von 600 V bis 1000 V hohen Gleichspannungen erlauben den Einsatz entsprechender Wechselrichter, die bei gleicher DC-Stromstärke entsprechend höhere Leistungen umsetzen. Auf diese Weise können im Vergleich zu bestehenden Anlagen die Anzahl an Wechselrichtern und auch anderer Systemkomponenten bezogen auf die Kraftwerksleistung reduziert werden. Damit verringern sich insbesondere auch der Aufwand und die Kosten für Installation- und Wartung der Photovoltaikkraftwerke. Zwischen dem Transformator und dem Energieversorgungsnetz befindet sich in der Regel noch ein Umspannwerk bzw. Hochspannungsschaltanlage. Ein solches Umspannwerk bzw. eine solche Hochspannungsschaltanlage enthält beispielsweise eine Trennvorrichtung, die eine Trennung des Kraftwerks vom Energieversorgungsnetz ermöglicht, eine Erdungseinrichtung, die den abgetrennten Teil der Anlage erdet, einen Leistungsschalter, einen oder mehrere Messwandler zur Messung von z.B. Strom und Spannung und gegebenenfalls noch weitere Mess- und Schalteinrichtungen, die aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind.The invention relates to a photovoltaic power plant for feeding electrical energy from a plurality of photovoltaic panels (hereinafter referred to as PV fields) in a power grid, wherein the individual PV fields via DC lines (hereinafter DC lines) each with a DC voltage input (hereinafter short DC input) of the PV array associated inverter are connected, the output side is connected via a transformer to the power grid. Each PV field is made up of a plurality of module fields, each of which has a multiplicity of photovoltaic modules (in the following abbreviated to PV modules). The PV modules are installed within the module fields such that a system voltage greater than 1 kV DC, preferably greater than 5 kV based on the voltage difference between the DC lines is obtained. These compared to the system voltages of 600 V usually used in large plants Up to 1000 V high DC voltages allow the use of appropriate inverters that implement correspondingly higher power at the same DC current. In this way, compared to existing systems, the number of inverters and other system components related to the power plant performance can be reduced. This reduces in particular the cost and the cost of installation and maintenance of photovoltaic power plants. Between the transformer and the power grid is usually still a substation or high voltage switchgear. Such a substation or such a high-voltage switchgear includes, for example, a separator that allows separation of the power plant from the power grid, a grounding device that grounds the separated part of the system, a circuit breaker, one or more transducers for measuring eg current and voltage and possibly also other measuring and switching devices, which are well known from the prior art.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die einzelnen Modulfelder über oberirdische Leitungen direkt oder über Sicherungseinrichtungen mit der DC-Leitung verbunden. Die Leitungen werden mittels elektrisch isolierender Halterungen, die an Aufständerungen auf denen die PV-Module angebracht sind oder sich an zusätzlich errichteten DC-Strommasten befinden, geführt. Dabei können auch die einzelnen PV-Module untereinander mittels DC-Freileitungen verbunden sein.In an embodiment according to the invention, the individual module fields are connected via overhead lines directly or via safety devices to the DC line. The cables are routed by means of electrically insulating brackets, which are attached to supports on which the PV modules are mounted or to additionally installed DC power poles. In this case, the individual PV modules can be interconnected by means of DC overhead lines.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Halterung der DC-Leitungen direkt ohne zusätzliche elektrisch isolierender Halterungen über die jeweiligen Modulanschlussdosen, die an der Unterseite der PV-Module in einer Weise angebracht sind, dass möglichst große Luft- und Kriechstrecken zu allen leitfähigen Komponenten der Aufständerung eingehalten werden. In beiden Fällen können an Stelle von elektrisch isolierten Leitungen auch Leitungen ohne Isolation verwendet werden, wenn entsprechende elektrisch isolierende Halterungen verwendet und Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden.In another embodiment, the support of the DC lines is carried out directly without additional electrically insulating brackets on the respective module junction boxes, which are mounted on the underside of the PV modules in such a way that the largest possible clearance and creepage distances to all conductive components of the elevation observed become. In both cases, lines without insulation can be used instead of electrically insulated lines, if appropriate electrically insulating brackets used and creepage distances and clearances are met.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die DC-Leitungen zwischen dem PV-Feld und dem jeweiligen Wechselrichter oberirdisch als DC-Freileitungen ausgeführt. Bei diesen Leitungen kann im Unterschied zu in der Erde verlegten Kabeln auf eine elektrische Isolation der Leitungen verzichtet werden. Auf diese Weise lassen sich Materialkosten im Vergleich zu isolierten Kabeln einsparen. Zusätzlich führt das Fehlen der elektrischen Isolation der Leitungen zu einer besseren Wärmeabfuhr und damit zu einer geringeren thermischen Belastung der Leitungen. Damit lassen sich durch die Verwendung von Leitungen mit im Vergleich zu in der Erde verlegten Kabeln geringeren Querschnitten und/oder von Leitungen aus Materialien mit einer schlechteren elektrischen Leitfähigkeit weiter Kosten einsparen. Die DC-Freileitungen können, wenn das auf Grund der zu überbrückenden Entfernung notwendig sein sollte, mittels DC-Strommasten geführt werden, die entsprechende elektrisch isolierende Halterungen aufweisen.In an embodiment according to the invention, the DC lines between the PV array and the respective inverter are constructed above ground as DC overhead lines. These cables can be dispensed with, unlike cables laid in the ground on an electrical insulation of the lines. In this way, material costs can be saved compared to insulated cables. In addition, the lack of electrical insulation of the lines leads to better heat dissipation and thus to a lower thermal load on the lines. In this way, the use of cables with cables of smaller cross-sections and / or cables made of materials with a poorer electrical conductivity, which are laid in the ground, can further save costs. The DC overhead lines, if this should be necessary due to the distance to be bridged, can be guided by means of DC power pylons having corresponding electrically insulating holders.

In einer bevorzugten Ausführungsform bilden ein entsprechender DC-Strommast z.B. der zentrale DC-Strommast und das Wechselrichtergehäuse eine Einheit, um zusätzliche Erdarbeiten, wie etwa ein entsprechendes Fundament einzusparen. Die DC-Freileitungen werden über Abgriffe direkt an Isolator-Durchführungen, die sich bevorzugt auf dem Dach oder an den Seitenwänden des Wechselrichters befinden, angeschlossen. Auf diese Weise kann der sonst übliche DC-Anschlussbereich im Wechselrichtergehäuse entfallen, da er erfindungsgemäß nun nach außen verlegt wird. Kleine Krümmungsradien beim Anschluss der Leitungen können bei der Verwendung durch Freileitungen durch geeignete Führung dieser Leitungen vermieden werden. Auf Grund der fehlenden Isolation der Leitungen sind diese im Vergleich zu entsprechenden Erdkabeln darüber hinaus auch noch mechanisch flexibler.In a preferred embodiment, a corresponding DC power pole, e.g. the central DC power pole and the inverter housing a unit to save additional earthworks, such as a corresponding foundation. The DC overhead lines are connected via taps directly to insulator feedthroughs, which are preferably located on the roof or on the sidewalls of the inverter. In this way, the otherwise customary DC connection region in the inverter housing can be dispensed with, since according to the invention it is now routed to the outside. Small radii of curvature when connecting the lines can be avoided when using overhead lines by suitable guidance of these lines. Due to the lack of insulation of the cables they are also mechanically more flexible compared to corresponding underground cables.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Transformator zwei Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung auf, wobei jeweils genau ein Wechselrichter ausgangsseitig mit einer Primärwicklung des Transformators verbunden ist. Weiter kann der Transformator als Leistungstransformator ausgeführt sein, der direkt in Freileitungen eines Hochspannungsversorgungsnetzes (Hochspannung = Spannung > 50 kV; meist 110 kV) einspeist.In a further embodiment of the invention, the transformer has two primary windings and a secondary winding, wherein in each case exactly one inverter is connected on the output side to a primary winding of the transformer. Furthermore, the transformer can be designed as a power transformer which feeds directly into overhead lines of a high-voltage power supply network (high voltage = voltage> 50 kV, usually 110 kV).

Dabei ist es in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform bevorzugt die Wechselrichter, deren zugehörigen Transformatoren und auch die Freileitungen des Energieversorgungsnetzes, das z.B. auch ein Hochspannungsversorgungsnetz sein kann, entlang eines zentralen, befahrbaren Weges anzuordnen. Auf diese Weise können insbesondere die schweren Komponenten, wie z.B. Umspannwerk, Hochspannungsschaltanlagen, Transformatoren und Wechselrichterwährend der Installation des PV-Kraftwerks mittels entsprechender Transporter über den zentralen, befahrbaren Weg angeliefert, als auch im Falle von Wartungsarbeiten problemlos hierüber erreicht werden. Dabei ist es vorteilhaft wenn eine Ausdehnung der PV-Felder senkrecht zum zentralen, befahrbaren Weg um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um mindestens einen Faktor 10 größer ist als eine Ausdehnung parallel zum zentralen, befahrbaren Weg. Aber es sind erfindungsgemäß durchaus auch andere Geometrien der PV-Felder denkbar.In a further embodiment according to the invention, it is preferred that the inverters, their associated transformers and also the overhead lines of the power supply network, e.g. may also be a high voltage power supply network to arrange along a central, drivable path. In this way, in particular the heavy components, e.g. Substation, high-voltage switchgear, transformers and inverters during the installation of the PV power plant by means of appropriate transporters via the central, accessible way, as well as in the case of maintenance can be achieved easily about this. It is advantageous if an expansion of the PV fields perpendicular to the central, drivable path by at least a factor of 5, preferably by at least a factor 10 is greater than an extension parallel to the central, drivable path. But according to the invention other geometries of the PV fields are also conceivable.

Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Wechselrichter für ein erfindungsgemäßes Photovoltaikkraftwerk, wie es oben beschrieben wurde. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeichnet sich ein solcher Wechselrichter dadurch aus, dass er ein Gehäuse aufweist, an dessen Oberseite und/oder Seitenwänden Isolator-Durchführungen angebracht sind, die eine gegen das Gehäuse elektrisch isolierende elektrische Verbindung der oberirdisch geführten DC-Leitungen von außen in das Innere des Wechselrichter ermöglichen. Auf diese Weise kann der im Stand der Technik übliche im Gehäuse des Wechselrichters befindliche DC-Anschlussbereich entfallen und nach außen verlagert werden. Damit ist es möglich, das Gehäuse des Wechselrichters kleiner und in der Folge auch kostengünstiger auszuführen. Zusätzlich kann auch die Verbindung des AC-Ausgangs des Wechselrichters mit dem Transformator in ähnlicher Weise mittels Freileitungen erfolgen. In diesem Fall weist der Wechselrichter weitere Isolator-Durchführungen für den Anschluss der AC-Leitungen auf. Je nach Distanz zwischen Wechselrichter und Transformator kann es aber auch bevorzugt sein, die elektrische Anbindung des Wechselrichters an den Transformator mittels Erdleitungen, Stromschienen oder auf ähnliche Weise zu realisieren. Furthermore, the invention relates to an inverter for a photovoltaic power plant according to the invention, as described above. In one embodiment of the invention, such an inverter is characterized in that it comprises a housing, on whose top and / or side walls insulator bushings are mounted, which electrically insulates against the housing electrical connection of the above-ground DC lines from the outside into the Inside of the inverter. In this way, the DC connection area located in the housing of the inverter, which is customary in the state of the art, can be omitted and shifted outwards. This makes it possible to make the housing of the inverter smaller and subsequently cheaper. In addition, the connection of the AC output of the inverter to the transformer can be made in a similar manner by means of overhead lines. In this case, the inverter has further insulator bushings for connecting the AC cables. Depending on the distance between the inverter and the transformer, it may also be preferable to realize the electrical connection of the inverter to the transformer by means of ground lines, busbars or in a similar manner.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:

1 einen schematischen Aufbau eines Photovoltaikkraftwerks, 1 a schematic structure of a photovoltaic power plant,

2 eine Detailansicht (schematisch) der Anbindung eines PV-Strings an DC-Strommasten, 2 a detailed view (schematically) of the connection of a PV string to DC power poles,

3 eine Detailansicht (schematisch) der Führung der DC-Leitungen, 3 a detailed view (schematically) of the leadership of the DC lines,

4 eine Seitenansicht (schematisch) der Aufständerung eines Modulfeldes mit mehreren übereinander angeordneten PV-Modulen sowie der zugehörigen Modulanschlussdose und 4 a side view (schematic) of the elevation of a module array with several superposed PV modules and the associated module junction box and

5 eine Detailansicht (schematisch) der Anbindung der Modulfelder an den Wechselrichter über DC-Freileitungen. 5 a detailed view (schematic) of the connection of the module fields to the inverter via DC overhead lines.

Figurenbeschreibungfigure description

Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Photovoltaikkraftwerks 1. Dargestellt sind hier nur die für die Erfindung maßgeblichen Komponenten eines solchen Photovoltaikkraftwerks. Weitere Komponenten, wie z.B. Filter, Trenn- und Sicherungseinrichtungen sind der übersichtlichkeitshalber nicht eingezeichnet. Die einzelnen PV-Module 4 eines Modulfeldes 3 sind hier in Reihe geschaltet. Eine solche Verschaltung wird auch als PV-String 3 bezeichnet. Eine Vielzahl von parallel verschalteten PV-Strings bildet ein PV-Feld 2, wobei die PV-Strings eines PV-Feldes 2 jeweils die gleiche Anzahl an PV-Modulen 3 aufweisen. Dabei kann das Photovoltaikkraftwerk 1 eine Vielzahl an PV-Feldern 2 aufweisen.The 1 schematically shows a section of a structure of a photovoltaic power plant according to the invention 1 , Shown here are only relevant for the invention components of such a photovoltaic power plant. Other components, such as filters, separation and safety devices are not shown for the sake of clarity. The individual PV modules 4 a module field 3 are connected in series here. Such an interconnection is also called a PV string 3 designated. A large number of PV strings connected in parallel form a PV field 2 , where the PV strings of a PV field 2 in each case the same number of PV modules 3 exhibit. This can be the photovoltaic power plant 1 a variety of PV fields 2 exhibit.

Die räumliche Ausdehnung der PV-Felder 2 wird bestimmt durch die Länge der zugehörigen PV-Strings 3 sowie die Anzahl der parallel geschalteten PV-Strings. Im Folgenden sei mit Länge L eines PV-Feldes 2, die räumliche Ausdehnung des PV-Feldes 2 auf Grund der Länge der PV-Strings und mit Breite B des PV-Feldes die räumliche Ausdehnung auf Grund der parallelen Anordnung einer Vielzahl von PV-Strings bezeichnet. Dabei ist die Breite B des PV-Feldes 2 z.B. um einen Faktor 5 bis 20 größer als die Länge L des PV-Feldes. Der Übersichtlichkeit halber sind in der 1 nur einige wenige PV-Module (durch entsprechende Schaltungssymbole gekennzeichnet) innerhalb der einzelnen Strings und auch nur einige wenige PV-Strings dargestellt. Die Punkte verdeutlichen die ausgelassenen Komponenten.The spatial extent of the PV fields 2 is determined by the length of the associated PV strings 3 as well as the number of PV strings connected in parallel. In the following, let L be a PV field 2 , the spatial extent of the PV field 2 due to the length of the PV strings and width B of the PV field, the spatial extent due to the parallel arrangement of a plurality of PV strings referred to. In this case, the width B of the PV field 2 for example, by a factor of 5 to 20 greater than the length L of the PV field. For the sake of clarity are in the 1 only a few PV modules (indicated by corresponding circuit symbols) within the individual strings and also only a few PV strings are shown. The dots illustrate the omitted components.

Die Anzahl und Anordnung der DC-Strommasten 14 ist jeweils an die konkreten Anforderungen eines realen Photovoltaikkraftwerk anzupassen und in der 1 nur exemplarisch angedeutet. Die Aufständerung 5 der PV-Module ist hier nicht dargestellt.The number and arrangement of DC power poles 14 is to be adapted to the specific requirements of a real photovoltaic power plant and in the 1 only indicated by way of example. The elevation 5 the PV modules is not shown here.

Über die DC-Leitungen 12, die hier als DC-Freileitungen 13 ausgeführt seien, erfolgt die Anbindung der PV-Felder 2 an die jeweiligen DC-Eingänge 21 der den PV-Feldern 2 zugeordneten Wechselrichter 20. Die AC-Ausgänge 22 der Wechselrichter 20 sind über einen Transformator 40 mit dem Energieversorgungsnetz 31 verbunden. In der 1 weist der Transformator 40 zwei Primärwicklungen 41 zum Anschluss von jeweils einem Wechselrichter 20 und eine Sekundärwicklung 42 zum Anschluss an das Energieversorgungsnetz 31 auf. An dieser Stelle sei erwähnt, dass selbstverständlich auch andere Transformatoren, z.B. mit jeweils zwei Primär- und Sekundärwicklungen zum Einsatz kommen können. Oder dass jeder Wechselrichter direkt über einen nur ihm zugeordneten Transformator mit jeweils einer Primär- und Sekundärwicklung mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist.About the DC lines 12 that are here as DC overhead lines 13 executed, the connection of the PV fields 2 to the respective DC inputs 21 the PV fields 2 associated inverter 20 , The AC outputs 22 the inverter 20 are over a transformer 40 with the power supply network 31 connected. In the 1 points the transformer 40 two primary windings 41 for connection of one inverter each 20 and a secondary winding 42 for connection to the power supply network 31 on. It should be mentioned that, of course, other transformers, for example, each with two primary and secondary windings can be used. Or that each inverter is connected directly via a transformer only associated with each having a primary and secondary winding to the power grid.

Die Anordnung der Transformatoren 40 und der Wechselrichter 20 erfolgt entlang eines zentralen, befestigten Weges 33 und sind daher auch mit entsprechend schwereren Fahrzeugen, wie etwa einem LKW oder einem Kranwagen erreichbar. Parallel zu diesem Weg 33 sind Masten 34 des Energieversorgungsnetzes 31 zur Führung der Freileitungen 32 eines Energieversorgungsnetzes 31 angeordnet. Das Energieversorgungsnetz 31 kann auch als Hochspannungsversorgungsnetz 30 ausgebildet sein. Die PV-Felder 2 befinden sich zu beiden Seiten des Weges 33, wobei deren mit L bezeichnete kürzere Seite parallel zum Weg 33 ausgerichtet ist. Zwischen dem Transformator 40 und dem Energieversorgungsnetz 31 befindet sich in der Regel noch ein Umspannwerk bzw. eine Hochspannungsschaltanlage, die in der Figur nicht dargestellt ist.The arrangement of the transformers 40 and the inverter 20 takes place along a central, paved path 33 and are therefore also accessible with correspondingly heavier vehicles, such as a truck or a crane car. Parallel to this way 33 are masts 34 of the power supply network 31 for the management of overhead lines 32 an energy supply network 31 arranged. The power supply network 31 Can also be used as a high voltage power supply 30 be educated. The PV fields 2 are on both sides of the way 33 with its shorter side designated L parallel to the path 33 is aligned. Between the transformer 40 and the power grid 31 is usually still a substation or a high voltage switchgear, which is not shown in the figure.

2 zeigt schematisch eine mögliche erfindungsgemäße Variante der Anbindung eines PV-Strings 3 an DC-Strommasten 14. Die PV-Module 4 befinden sich auf einer Aufständerung 5, die in der Figur durch die entsprechenden Stützpfosten angedeutet ist und verfügen jeweils über eine Modulanschlussdose 16, wobei der positive Pol des einen PV-Modules 4 mit dem negativen Pol des benachbarten PV-Modules 4 verbunden ist. Der positive Pol des ersten PV-Moduls 4‘ des PV-Strings ist mittels einer positiven DC-Anschlussleitung 17 und über eine Sicherungseinrichtung 11 mit der DC-Leitung 12‘ verbunden, die in der 2 senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der negative Pol des letzten PV-Modules 4‘‘ des PV-Strings ist mittels einer negativen DC-Anschlussleitung 18 und über eine weitere (optionale) Sicherungseinrichtung 11 mit der DC-Leitung 12‘‘ verbunden. Die beiden DC-Leitungen 12‘ und 12‘‘ werden mittels isolierender Halterung 10 an DC-Strommasten entlang der Seite B auf beiden Seiten des PV-Feldes 2 geführt. In einer Ausführungsform kann bei den DC-Anschlussleitungen 17/18 sowie den DC-Leitungen zwischen den Modulanschlussdosen 16 auf eine elektrische Isolation der Leitungen verzichtet werden, wenn entsprechende Abstände z.B. zu der Aufständerung 5 eingehalten werden. 2 schematically shows a possible inventive variant of the connection of a PV string 3 on DC power poles 14 , The PV modules 4 are on an elevation 5 , which is indicated in the figure by the corresponding support posts and each have a module junction box 16 , where the positive pole of a PV module 4 with the negative pole of the adjacent PV module 4 connected is. The positive pole of the first PV module 4 ' of the PV string is by means of a positive DC connection cable 17 and a safety device 11 with the DC line 12 ' connected in the 2 runs perpendicular to the drawing plane. The negative pole of the last PV module 4 '' of the PV string is by means of a negative DC connection line 18 and another (optional) security device 11 with the DC line 12 '' connected. The two DC lines 12 ' and 12 '' be by means of insulating bracket 10 on DC power pylons along side B on both sides of the PV array 2 guided. In an embodiment, in the DC connection lines 17 / 18 and the DC lines between the module junction boxes 16 to be dispensed with electrical insulation of the lines, if appropriate distances, for example, to the elevation 5 be respected.

Alternativ zu der in 2 dargestellten Führung der DC-Leitung ist in 3 schematisch eine weitere Variante der Halterung der DC-Leitungen 12 dargestellt, bei der die DC-Leitungen zu beiden Seiten der PV-Strings 3 direkt über die Modulanschlussdosen 16 der jeweils äußeren PV-Module 4‘, 4‘‘ der anderen PV-Strings 3 des PV-Feldes 2 miteinander verbunden sind. Alternativ können auch zusätzlich oder allein weitere elektrisch isolierende Halterung 10 zur Führung der DC-Leitungen 12 direkt an den Aufständerungen 5 der PV-Module 4 vorgesehen sein.Alternatively to the in 2 shown leadership of the DC line is in 3 schematically another variant of the holder of the DC cables 12 shown where the DC lines on both sides of the PV strings 3 directly via the module junction boxes 16 each outer PV modules 4 ' . 4 '' the other PV strings 3 of the PV field 2 connected to each other. Alternatively, additionally or solely further electrically insulating holder 10 to guide the DC cables 12 directly at the elevations 5 the PV modules 4 be provided.

In der 4 ist schematisch die Seitenansicht einer Aufständerung von PV-Modulen 4 dargestellt bei der mehrere PV-Module 4 – hier 3 PV-Module – übereinander angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um drei übereinander angeordnete PV-Strings 3, wobei die positiven bzw. die negativen DC-Anschlussleitung 17/18 der einzelnen PV-Strings direkt über die Modulanschlussdosen 16 der jeweils äußeren PV-Module miteinander verbunden sind. Auch hierbei kann eine zusätzliche elektrisch isolierende Halterung 10 an der Aufständerung 5 zur Führung der DC-Leitungen 12 vorgesehen sein. Die Verbindung der DC-Leitungen 12 der auf dieser Aufständerung befindlichen PV-Strings mit PV-Strings auf weiteren Aufständerungen kann anlog der in der in 2 oder 3 beschriebene Weise erfolgen.In the 4 is a schematic side view of an elevation of PV modules 4 shown at the multiple PV modules 4 - here 3 PV modules - arranged one above the other. In this embodiment, there are three stacked PV strings 3 , wherein the positive and the negative DC connection line 17 / 18 individual PV strings directly via the module junction boxes 16 the respective outer PV modules are connected to each other. Here too, an additional electrically insulating holder 10 at the elevation 5 to guide the DC cables 12 be provided. The connection of the DC lines 12 The PV strings on these elevations with PV strings on further elevations can be logged in the in 2 or 3 manner described done.

Wie in der 5 angedeutet, werden an der dem Weg 33 zugewandten Seite des PV-Feldes 2 die beiden DC-Leitungen (positive und negative Leitungen) 13 auf einen zentralen DC-Strommast 15 zusammengeführt und von dort gegebenenfalls über weitere DC-Strommasten zum Wechselrichter 20 geführt. 5 zeigt den zentralen DC-Strommast 15 sowie einen weiteren am Wechselrichter 20 angeordneten Strommast 25 zur Führung der Leitungen. An der Oberseite des Wechselrichtergehäuses 24 befinden sich Isolator-Durchführungen 23, die eine gegen das Wechselrichtergehäuse elektrisch isolierende elektrische Verbindung der oberirdisch geführten DC-Freileitungen 13 von außen in das Innere des Wechselrichters 20 ermöglichen. Die Verbindungsleitungen 26 zwischen der DC-Freileitung 13 und dem Wechselrichter 20 können, wie in der 5 gezeigt im Bereich oder auch an speziellen Halterungen des Mastes 25, mit den DC-Freileitung 13 verbunden sein.Like in the 5 indicated, be on the way 33 facing side of the PV field 2 the two DC lines (positive and negative lines) 13 on a central DC power pole 15 merged and from there via other DC power poles to the inverter 20 guided. 5 shows the central DC power pole 15 and another at the inverter 20 arranged power pole 25 for guiding the lines. At the top of the inverter housing 24 There are isolator bushings 23 , the one electrically insulated against the inverter housing electrical connection of the above-ground DC overhead lines 13 from the outside into the interior of the inverter 20 enable. The connection lines 26 between the DC overhead line 13 and the inverter 20 can, as in the 5 shown in the area or on special brackets of the mast 25 , with the DC overhead line 13 be connected.

In der 5 sind neben den DC-seitigen Isolator-Durchführungen 23 auch weitere Isolator-Durchführungen 23‘ vorgesehen, die den AC-Ausgang 22 des Wechselrichters 20 mit den Primärwicklungen 41 des Transformator 40 ebenfalls per Freileitung verbinden. Das ist in der Figur nicht dargestellt. Je nach Distanz zwischen Wechselrichter und Transformator kann es aber auch bevorzugt sein, die elektrische Anbindung des Wechselrichters an den Transformator mittels Erdleitungen, Stromschienen oder auf ähnliche Weise zu realisieren.In the 5 are next to the DC side insulator bushings 23 also further isolator bushings 23 ' provided that the AC output 22 of the inverter 20 with the primary windings 41 of the transformer 40 also connect by overhead line. This is not shown in the figure. Depending on the distance between the inverter and the transformer, it may also be preferable to realize the electrical connection of the inverter to the transformer by means of ground lines, busbars or in a similar manner.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Photovoltaikkraftwerk Photovoltaic power plant
22
PV-Feld PV field
33
Modulfeld/PV-Strings Module Field / PV strings
44
PV-Modul PV module
55
Aufständerung elevation
1010
isolierender Halterung insulating bracket
1111
Sicherungseinrichtung safety device
1212
DC-Leitung DC line
1313
DC-Freileitung DC overhead line
1414
DC-Strommast DC power pole
1515
Zentraler DC-Strommast Central DC power pole
1616
Modulanschlussdose Module Wall Outlet
1717
Positive DC-Anschlussleitung Positive DC connection cable
1818
Negative DC-Anschlussleitung Negative DC connection cable
2020
Wechselrichter inverter
2121
DC-Eingang DC input
2222
AC-Ausgang AC output
2323
Isolator-Durchführung Insulator bushing
2424
Wechselrichtergehäuse Inverter case
25 25
Strommast power pole
2626
Verbindungsleitung connecting line
3030
Hochspannungsversorgungsnetz High voltage power supply network
3131
Energieversorgungsnetz Power grid
3232
Freileitungen Overhead lines
3333
Weg path
3434
Masten masts
4040
Transformator transformer
4141
Primärwicklung primary
4242
Sekundärwicklung secondary winding

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011053523 A1 [0003] DE 102011053523 A1 [0003]
  • DE 102009004679 B3 [0004] DE 102009004679 B3 [0004]

Claims (12)

Photovoltaikkraftwerk (1) zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Mehrzahl von PV-Feldern (2) in ein Energieversorgungsnetz (31), wobei die einzelnen PV-Felder (2) über DC-Leitungen (12) jeweils mit einem DC-Eingang (21) eines dem PV-Feld (2) zugeordneten Wechselrichters (20) verbunden sind, wobei der Wechselrichter (20) ausgangsseitig über einen Transformator (40) mit dem Energieversorgungsnetz (31) verbunden ist, wobei jedes PV-Feld (2) aus einer Mehrzahl von Modulfeldern (3) gebildet ist, wobei jedes Modulfeld (3) eine Vielzahl an PV-Modulen (4) aufweist, wobei der Transformator (40) als Leistungstransformator ausgeführt ist, der direkt in Freileitungen (32) eines Hochspannungsversorgungsnetz (30) einspeist, wobei die DC-Leitungen (12) direkt an Modulanschlussdosen (16) der einzelnen PV-Module (4) oder mittels elektrisch isolierender Halterungen (10), die an Aufständerungen (5) auf denen die PV-Module (4) angebracht sind, befestigt sind.Photovoltaic power plant ( 1 ) for feeding electrical energy from a plurality of PV fields ( 2 ) into a power grid ( 31 ), whereby the individual PV fields ( 2 ) via DC lines ( 12 ) each with a DC input ( 21 ) of a PV field ( 2 ) associated inverter ( 20 ), the inverter ( 20 ) on the output side via a transformer ( 40 ) to the power grid ( 31 ), each PV field ( 2 ) from a plurality of module fields ( 3 ), each module field ( 3 ) a variety of PV modules ( 4 ), wherein the transformer ( 40 ) is designed as a power transformer directly in overhead lines ( 32 ) of a high voltage power grid ( 30 ), the DC lines ( 12 ) directly to module junction boxes ( 16 ) of the individual PV modules ( 4 ) or by means of electrically insulating holders ( 10 ), which were raised 5 ) on which the PV modules ( 4 ) are attached, are attached. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Leitungen (12) zwischen dem PV-Feld (2) und dem jeweiligen Wechselrichter (20) oberirdisch als DC-Freileitungen (13) ausgeführt sind.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the DC lines ( 12 ) between the PV field ( 2 ) and the respective inverter ( 20 above ground as DC overhead lines ( 13 ) are executed. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC-Strommast (25) mit dem Wechselrichtergehäuse (24) eine Einheit bildet.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 2, characterized in that a DC power pole ( 25 ) with the inverter housing ( 24 ) forms a unit. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Modulfelder (3) über oberirdische Leitungen (17, 18) direkt oder über Sicherungseinrichtungen (11) mit den DC-Leitungen (12) verbunden sind.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the individual module fields ( 3 ) via overhead lines ( 17 . 18 ) directly or via safety devices ( 11 ) with the DC lines ( 12 ) are connected. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (40) zwei Primärwicklungen (41) und eine Sekundärwicklung (42) aufweist, wobei jeweils genau ein Wechselrichter (20, 20‘) ausgangsseitig mit einer Primärwicklung (41) des Transformators (40) verbunden ist.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the transformer ( 40 ) two primary windings ( 41 ) and a secondary winding ( 42 ), wherein in each case exactly one inverter ( 20 . 20 ' ) on the output side with a primary winding ( 41 ) of the transformer ( 40 ) connected is. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die PV-Module (4) innerhalb der Modulfelder (3) derart installiert sind, dass eine Systemspannung größer 5 kV DC bezogen auf die Spannungsdifferenz zwischen den DC-Leitungen (12) erhalten wird.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the PV modules ( 4 ) within the module fields ( 3 ) are installed such that a system voltage greater than 5 kV DC with respect to the voltage difference between the DC lines ( 12 ). Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter (20) und die zugehörigen Leistungstransformatoren entlang eines zentralen, befahrbaren Weges (33) angeordnet sind und dass auch Freileitungen (32) des Energieversorgungsnetzes (31) parallel zu diesem Weg (33) verlaufen. Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the inverters ( 20 ) and the associated power transformers along a central, drivable path ( 33 ) and that also overhead lines ( 32 ) of the energy supply network ( 31 ) parallel to this path ( 33 ). Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter (20), die Transformatoren (40), die Freileitungen (32) und eine Hochspannungsschaltanlage(33) zu beiden Seiten senkrecht zum Weg erstrecken.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the inverters ( 20 ), the transformers ( 40 ), the overhead lines ( 32 ) and a high-voltage switchgear ( 33 ) extend perpendicular to the path on both sides. Photovoltaikkraftwerk (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausdehnung der PV-Felder senkrecht zum Weg (33) um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt mindestens einen Faktor 10 größer als eine Ausdehnung parallel zum Weg (33) ist.Photovoltaic power plant ( 1 ) according to claim 7, characterized in that an extension of the PV fields perpendicular to the path ( 33 ) by at least a factor of 5, preferably at least a factor of 10 greater than an extent parallel to the path ( 33 ). Wechselrichter (20) für ein Photovoltaikkraftwerk (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (20) ein Gehäuse (24) aufweist, an dessen Oberseite Isolator-Durchführungen (23) angebracht sind, die eine gegen das Gehäuse (24) elektrisch isolierende elektrische Verbindung der oberirdisch geführten DC-Leitungen (13) von außen in das Innere des Wechselrichter (20) ermöglichen.Inverter ( 20 ) for a photovoltaic power plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter ( 20 ) a housing ( 24 ), on whose upper side insulator passages ( 23 ), one against the housing ( 24 ) electrically insulating electrical connection of the above-ground DC lines ( 13 ) from the outside into the interior of the inverter ( 20 ) enable. Wechselrichter (20) für ein Photovoltaikkraftwerk (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (20) ein Gehäuse (24) aufweist, an dessen Seitenwänden Isolator-Durchführungen (23) angebracht sind, die eine gegen das Gehäuse (24) elektrisch isolierende elektrische Verbindung der oberirdisch geführten DC-Leitungen (13) von außen in das Innere des Wechselrichter (20) ermöglichen.Inverter ( 20 ) for a photovoltaic power plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter ( 20 ) a housing ( 24 ), on whose side walls insulator bushings ( 23 ), one against the housing ( 24 ) electrically insulating electrical connection of the above-ground DC lines ( 13 ) from the outside into the interior of the inverter ( 20 ) enable. Wechselrichter (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an seinem Gehäuse ein Strommast (25) angebracht ist.Inverter ( 20 ) according to claim 10, characterized in that on its housing a power pole ( 25 ) is attached.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009004679B3 (en) 2009-01-12 2010-06-17 Schott Solar Ag Power supply system and photovoltaic device for it
DE102011053523A1 (en) 2011-04-19 2012-10-25 Sma Solar Technology Ag Inverter for photovoltaic system, has pre-installation device that is mechanically affixed and detachably secured for pre-installation of conductors in mounting base

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