DE102014116765A1 - PHOTOVOLTAIC POWER PLANT AND INVERTER FOR A PHOTOVOLTAIC POWER PLANT - Google Patents
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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.
Aus der
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
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
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:
Figurenbeschreibungfigure description
Die
Die räumliche Ausdehnung der PV-Felder
Die Anzahl und Anordnung der DC-Strommasten
Über die DC-Leitungen
Die Anordnung der Transformatoren
Alternativ zu der in
In der
Wie in der
In der
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
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |