DE102016117049A1 - Multi-strand photovoltaic system, method for operating such and reverse current protection circuit for such - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage (1), umfassend: zwei oder mehr Photovoltaik-Stränge (10, 10‘), welche jeweils durch seriell geschaltete Photovoltaik-Module (12, 12‘) gebildet werden, einen zentralen Sammelpunkt (22a, b), an welchem die zwei oder mehr Photovoltaik-Stränge (10, 10‘) parallel zusammengeschaltet sind, wobei zumindest einer der Photovoltaik-Stränge (10, 10‘) eine Rückstromschutzschaltung (40) umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Unterbrechen der Verbindung eines Photovoltaik-Strangs zu einem zentralen Sammelpunkt mit anderen Photovoltaik-Strängen und/oder zum Wiederanschalten des Photovoltaik-Strangs an den zentralen Sammelpunkt sowie die Rückstromschutzschaltung.The invention relates to a multi-strand photovoltaic system (1), comprising: two or more photovoltaic strings (10, 10 ') which are each formed by series-connected photovoltaic modules (12, 12'), a central collection point (22a , b) to which the two or more photovoltaic strings (10, 10 ') are connected in parallel, wherein at least one of the photovoltaic strings (10, 10') comprises a reverse current protection circuit (40). The invention further relates to a method for interrupting the connection of a photovoltaic string to a central collection point with other photovoltaic strings and / or for reactivation of the photovoltaic string to the central collection point and the reverse current protection circuit.
Description
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage mit einer Rückstromschutzschaltung, ein Verfahren zum Trennen und/oder Wiederanschalten eines Photovoltaik-Strangs von bzw. an eine Parallelschaltung mit anderen Photovoltaik-Strängen an einem gemeinsamen Wechselrichter sowie eine Rückstromschutzschaltung hierfür. The invention relates to a multi-strand photovoltaic system with a reverse current protection circuit, a method for disconnecting and / or reactivation of a photovoltaic string from or to a parallel connection with other photovoltaic strings to a common inverter and a reverse current protection circuit for this purpose.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Eine Photovoltaik-Anlage umfasst typischerweise eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, welche zu Strängen (sogenannte Strings) in Serie geschaltet sind, um eine nominelle Photovoltaik-Generatorgleichspannung von typischerweise derzeit bis zu 1000 Volt oder sogar 1500 Volt zu erreichen. Ferner werden je nach Anzahl der zusammen geschalteten Photovoltaik-Module und deren Einzelspannung wiederum ggf. mehrere der Photovoltaik-Stränge parallel geschaltet, von denen jeder Photovoltaik-Strang beispielsweise einen nominellen Strom von 10 A erzeugen kann. Aufgrund der hohen Spannung und der hohen Ströme im Gleichspannungsteil der Photovoltaik-Anlage, besteht bei Wartung oder bei Störfällen, wie z.B. bei einem Brand, die Gefahr, dass Personen lebensgefährlichen Spannungen ausgesetzt sein könnten. A photovoltaic system typically includes a plurality of photovoltaic modules connected in series (strands) to achieve a nominal photovoltaic generator DC voltage of typically currently up to 1000 volts or even 1500 volts. Further, depending on the number of interconnected photovoltaic modules and their individual voltage in turn, if necessary, several of the photovoltaic strings connected in parallel, of which each photovoltaic string can produce, for example, a nominal current of 10A. Due to the high voltage and the high currents in the DC part of the photovoltaic system, there is maintenance or incidents such. in the event of a fire, the risk of people being exposed to life-threatening tensions.
Zwar weist eine Photovoltaik-Anlage typischerweise im sogenannten Generatoranschlusskasten einen Haupttrennschalter auf, allerdings lässt sich hiermit, z.B. bei Schäden durch Feuer, Wasser, Hagel etc. an den Solarpaneelen oder an den Anschlussleitungen nicht der Bereich vor dem Generatoranschlusskasten freischalten. Ferner ist eine selektive Freischaltung einzelner Photovoltaik-Module ebenfalls nicht möglich. Although a photovoltaic system typically has a main circuit breaker in the so-called generator junction box, it can be used here, e.g. in the case of damage caused by fire, water, hail etc. on the solar panels or on the connection lines, do not disconnect the area in front of the generator junction box. Furthermore, a selective activation of individual photovoltaic modules is also not possible.
Daher wurden Photovoltaik-Modul-Schutzschaltungen entwickelt, mit welchen die Photovoltaik-Module einzeln abgeschaltet werden können (vgl.
Wenn mehrere Stränge, manchmal auch als „Strings“ bezeichnet, parallel geschaltet werden, wird dies als Multistrang- oder Multistringverschaltung bezeichnet. Bei einer Multistrangverschaltung können grundsätzlich Rückströme, manchmal auch als Querströme oder Ausgleichsströme bezeichnet, entstehen. Besonders virulent werden Rückströme bei Multistrang-Photovoltaik-Anlagen bei welchen die Photovoltaik-Module einzeln abschalten können und mit einem Kurzschlussschalter an den Photovoltaik-Modulen überbrückt werden. Die Rückströme können bei einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage dazu führen, dass ein Photovoltaik-Strang als Quelle und ein zweiter Photovoltaik-Strang als Senke funktioniert und der Strom über die Parallel-Verbindung vor dem Wechselrichter oder Inverter fließt. Somit wäre ein Trennen am Wechselrichter, was im Normalfall zur Abschaltung einer solchen gesicherten Photovoltaik-Anlage führt, zwar möglich, würde aber nicht zwingend zur gewünschten Abschaltung der gesamten Multistrang-Photovoltaik Anlage führen. Der Strom könnte nämlich in dieser Verschaltung durch den zweiten Strang als Senke fließen und wäre dort mit Leitungsimpedanzen kurzgeschlossen. Hierbei könnte ein selbsthaltender Zustand erreicht werden, der ohne ein Auftrennen oder Abwarten bis zum Sonnenuntergang bestehen bleiben könnte. When multiple strings, sometimes called "strings", are connected in parallel, this is referred to as multi-string or multi-string connection. In a multistrang interconnection, return currents, sometimes referred to as cross currents or equalizing currents, can generally arise. Reverse currents in multi-strand photovoltaic systems are particularly virulent in which the photovoltaic modules can be switched off individually and bridged with a short-circuit switch on the photovoltaic modules. With a multi-line photovoltaic system, the return currents can cause a photovoltaic string to act as a source and a second photovoltaic string to sink and the current to flow through the parallel connection in front of the inverter or inverter. Thus, a disconnection at the inverter, which normally leads to the shutdown of such a secure photovoltaic system, although possible, but would not necessarily lead to the desired shutdown of the entire multi-strand photovoltaic system. The current could flow in this connection through the second strand as a sink and would be short-circuited there with line impedances. In this case, a self-sustaining state could be achieved, which could persist without a split or wait until sunset.
Man könnte zwar vor dem Parallel-Schaltpunkt Strangdioden einfügen, diese haben allerdings in nachteiliger Weise eine relativ hohe Verlustleistung, welche bei 10 A typischerweise etwa 7 W beträgt. Diese Verlustleistung ist insbesondere beim Einsatz in üblichen Kunststoffgehäusen in der Strangverkabelung unerwünscht. Eine solche Strang- oder Sperrdiode in einem zusätzlichen Gehäuse vorzusehen, kann ebenfalls unerwünscht sein, da es mit weiteren Kosten, Wartungsaufwand und Störungsanfälligkeit, z.B. an den zusätzlichen Steckverbindungen einhergehen kann. Generell können solche Strangdioden im Laufe der Zeit auch schlicht kaputt gehen. Although it would be possible to insert stranded diodes before the parallel switching point, they disadvantageously have a relatively high power loss, which is typically about 7 W at 10 A. This power loss is particularly undesirable when used in conventional plastic housings in the strand cabling. Providing such a stranded or blocking diode in an additional housing may also be undesirable, as it involves further expense, maintenance, and susceptibility to failure, e.g. can go along with the additional connectors. In general, such stranded diodes can simply break down over time.
Derzeit aufgebaute Photovoltaik-Anlagen akzeptieren negative Rückströme und sichern die Photovoltaik-Anlage lediglich mittels Strangsicherungen vor Überlastung durch diese unerwünschten Rückströme zwischen den parallel verschalteten Strängen ab. Solche Strangsicherungen sind jedoch nicht optimal, z.B. wenn einer oder mehrere Stränge von einer Vielzahl von parallelen Strängen beschattet werden oder wenn Stränge gezielt vom Wechselrichter getrennt werden sollen. Grundsätzlich schützen solche Strangsicherungen lediglich vor einer Überlastung, nicht jedoch grundsätzlich vor zurück fließenden Querströmen, was die Sicherheit und Langlebigkeit der Photovoltaik-Anlage beeinträchtigen kann. Currently constructed photovoltaic systems accept negative return currents and secure the photovoltaic system only by means of string fuses against overloading by these unwanted back currents between the parallel-connected strands. However, such string fuses are not optimal, e.g. if one or more strands are shaded by a large number of parallel strands or if strands are to be selectively separated from the inverter. In principle, such string fuses only protect against overloading, but not in principle against backflowing cross currents, which can impair the safety and longevity of the photovoltaic system.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung General description of the invention
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die hohen Sicherheitsanforderungen gerecht wird und deren Verkabelung und Steuerung eine geringe Verlustleistung und Wärmeentwicklung aufweist. The invention has therefore set itself the task of providing a multi-strand photovoltaic system that meets high security requirements and their wiring and control has a low power loss and heat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die hohen Sicherheitsanforderungen gerecht wird und die Ertrag und Langlebigkeit der Photovoltaik-Anlage miteinander in Einklang bringen kann. Another object of the invention is to provide a multi-strand photovoltaic system which meets high safety requirements and can reconcile the yield and longevity of the photovoltaic system.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die unerwünschte Rückströme zwischen parallelen Photovoltaik-Strängen vermeiden kann. Another object of the invention is to provide a multi-strand photovoltaic system that can avoid unwanted back currents between parallel photovoltaic strings.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, die hohen Sicherheitsanforderungen gerecht wird und es ermöglicht, Photovoltaik-Stränge einzeln abzuschalten, z.B. um diese zu warten. A further object of the invention is to provide a multi-strand photovoltaic system which meets high safety requirements and makes it possible to disconnect photovoltaic strings individually, e.g. to wait for this.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen, das eine hohe Sicherheit und Flexibilität im Betrieb, bei der Wartung und bei Störfällen bietet. Another object of the invention is to provide a method for operating a multi-line photovoltaic system, which offers a high level of safety and flexibility in operation, maintenance and accidents.
Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere und verlustarme Rückstromschutzschaltung für eine Multistrang-Photovoltaik-Anlage bereit zu stellen. Yet another object of the invention is to provide a safe and low-loss reverse current protection circuit for a multi-line photovoltaic system.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. The object of the invention is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Multistrang-Photovoltaik-Anlage umfasst zwei oder mehr Photovoltaik-Stränge. Die Photovoltaik-Stränge werden jeweils von seriell geschalteten Photovoltaik-Modulen gebildet, wobei die Photovoltaik-Module mittels einer zweipoligen Strangleitung in Serie geschaltet sind. The multi-strand photovoltaic system according to the invention comprises two or more photovoltaic strings. The photovoltaic strings are each formed by serially connected photovoltaic modules, wherein the photovoltaic modules are connected in series by means of a two-pole string line.
Die Multistrang-Photovoltaik-Anlage weist ferner einen zentralen Sammelpunkt auf, an welchem die Photovoltaik-Stränge parallel zusammengeschaltet sind, so dass der zentrale Sammelpunkt einen Parallelschaltpunkt der Photovoltaik-Stränge bildet. The multi-strand photovoltaic system further comprises a central collection point at which the photovoltaic strings are connected in parallel, so that the central collection point forms a parallel switching point of the photovoltaic strings.
Die Multistrang-Photovoltaik-Anlage umfasst ferner vorzugsweise einen Wechselrichter, manchmal auch als Solar-Inverter bezeichnet, welcher die von den Photovoltaik-Modulen erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Die Multistrang-Photovoltaik-Anlage kann aber auch ohne Wechselrichter, z.B. an eine Ladeeinheit angeschlossen sein. The multi-strand photovoltaic system further preferably includes an inverter, sometimes referred to as a solar inverter, which converts the DC voltage generated by the photovoltaic modules into AC voltage. The multi-strand photovoltaic system can also be used without an inverter, e.g. be connected to a charging unit.
Der Wechselrichter umfasst einen Gleichstromeingang, an welchen die Photovoltaik-Stränge angeschlossen und im Produktionsbetrieb elektrisch angeschaltet sind. Bei der Multistrang-Photovoltaik-Anlage sind also mehrere Photovoltaik-Stränge parallel an denselben Gleichstromeingang des Wechselrichters angeschlossen. Hierzu sind die mehreren Photovoltaik-Stränge über den zentralen Sammelpunkt, welcher stromaufwärts des Gleichstromeingangs des Wechselrichters liegt, parallel zusammengeschaltet und anschließend an denselben Gleichstromeingang des Wechselrichters angeschlossen. Vorzugsweise werden die mehreren parallelen Photovoltaik-Stränge von demselben Leistungsoptimierer, typischerweise einem Multi-Power-Point-Tracker (MPPT), gesteuert, um deren Leistung abhängig von der Bestrahlungssituation zu optimieren. The inverter includes a DC input to which the photovoltaic strings are connected and electrically connected during production. In the multi-strand photovoltaic system, therefore, several photovoltaic strings are connected in parallel to the same DC input of the inverter. For this purpose, the plurality of photovoltaic strings via the central collection point, which is upstream of the DC input of the inverter, connected in parallel and then connected to the same DC input of the inverter. Preferably, the multiple parallel photovoltaic strings are controlled by the same power optimizer, typically a multi-power point tracker (MPPT), to optimize their performance depending on the irradiation situation.
Zumindest einer der parallelen Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise alle der parallelen Photovoltaik-Stränge, an dem zentralen Sammelpunkt bzw. an dem Wechselrichter weisen nun eine Rückstromschutzschaltung zwischen den seriell geschalteten ersten Photovoltaik-Modulen und dem zentralen Sammelpunkt auf. Die Rückstromschutzschaltung besteht insbesondere nicht aus einer verlustleistungsbelasteten Strang- oder Sperrdiode, sondern ist eine aktiv schaltbare und/oder elektronisch gesteuerte Rückstromschutzschaltung. At least one of the parallel photovoltaic strings, preferably all of the parallel photovoltaic strings, at the central collection point or at the inverter now have a reverse current protection circuit between the series-connected first photovoltaic modules and the central collection point. In particular, the reverse current protection circuit does not consist of a stranded or blocking diode subjected to a power loss, but is an actively switchable and / or electronically controlled reverse current protection circuit.
Mit anderen Worten kann für den Rückstromschutz auf zusätzliche Strang- oder Sperrdioden verzichtet werden. Bevorzugt weist die Rückstromschutzschaltung eine Verlustleistung im Produktionsbetrieb des zugehörigen Photovoltaik-Strangs von kleiner als 1 W, beispielsweise bei 1000 Volt und 10 Ampere pro Photovoltaik-Strang auf. In other words, it is possible to dispense with additional stranded or blocking diodes for the reverse current protection. Preferably, the reverse current protection circuit has a power loss in the production operation of the associated photovoltaic string of less than 1 W, for example at 1000 volts and 10 amps per photovoltaic string.
Die Rückstromschutzschaltung weist zumindest einen Schalter, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des oder der Schalter auf. Zwar kann die Rückstromschutzschaltung auch einen Halbleiterschalter umfassen, vorzugsweise weist die Rückstromschutzschaltung aber nicht ausschließlich Halbleiterbauelemente, sondern zumindest einen nicht-Halbleiter-basierten Schalter, z.B. ein Relais auf. Vorzugsweise fließt also zumindest zeitweise, insbesondere im dauerhaften Produktionsbetrieb des Photovoltaik-Strangs der photovoltaisch erzeugte Strom in dem Teil des Photovoltaik-Strangs, in dem die volle nominelle Spannung der mehreren seriellen Photovoltaik-Module oder des gesamten Photovoltaik-Strangs (typ. > 500 Volt) anliegt, vorzugsweise ausschließlich, durch metallische Leiter, z.B. Metallkabel, Metallsteckverbinder und/oder Relais und zumindest nicht dauerhaft durch Halbleiterbauelemente. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Verlustleistung gering gehalten werden, so dass die Rückstromschutzschaltung ggf. in vorhandene Gehäuse eingebaut werden kann, ohne dass diese überhitzen. Je nach Anforderung kann es aber auch möglich sein, eine Schalteinrichtung einzusetzen, welche ausschließlich Halbleiterschalter umfasst. The reverse current protection circuit has at least one switch, and a control device for controlling the switch or switches. Although the reverse current protection circuit can also comprise a semiconductor switch, the reverse current protection circuit preferably does not comprise exclusively semiconductor components but at least one non-semiconductor-based switch, e.g. a relay on. Preferably, therefore, at least at times, in particular in the permanent production operation of the photovoltaic string, the photovoltaically generated current flows in the part of the photovoltaic string in which the full nominal voltage of the plurality of photovoltaic photovoltaic modules or the entire photovoltaic string (typ.> 500 volts) ) is applied, preferably exclusively, by metallic conductors, eg Metal cables, metal connectors and / or relays and at least not permanently by semiconductor devices. As a result, the power loss can be kept low in an advantageous manner, so that the reverse current protection circuit can optionally be installed in existing housing, without these overheat. Depending on the requirements, it may also be possible to use a switching device which comprises only semiconductor switches.
Vorzugsweise weist jeder parallele Photovoltaik-Strang vor dem zentralen Sammelpunkt eine solche Rückstromschutzschaltung auf. Die Rückstromschutzschaltungen weisen eingangsseitig (also strang- oder Photovoltaik-Modul-seitig) einen Pluspoleingang und einen Minuspoleingang zum Anschließen des Pluspols bzw. Minuspols der Strangleitung sowie ausgangsseitig (also sammelpunktseitig) einen Pluspolausgang und einen Minuspolauseingang zum Anschließen des Pluspols bzw. Minuspols einer Fortsetzung der Strangleitung bis zu dem zentralen Sammelpunkt der Photovoltaik-Stränge bzw. bis zum Gleichstromeingang des Wechselrichters auf. Es liegt demnach insbesondere die gesamte Strangspannung an der Rückstromschutzschaltung an und/oder der gesamte Strangstrom fließt durch die Rückstromschutzschaltung hindurch, um stromabwärts in Richtung des Wechselrichters an dem zentralen Sammelpunkt mit den Strömen der anderen parallelen Photovoltaik-Stränge parallel vereinigt zu werden. Somit sind die Pluspolausgänge und der Minuspolausgänge der parallelen Photovoltaik-Stränge über den zentralen Sammelpunkt mit dem Pluspol bzw. dem Minuspol des Gleichstromeingangs des Wechselrichters verbunden. Die Rückstromschutzschaltung bewirkt nun einen Schutz gegen einen Rückstrom, welcher durch die Parallelschaltung hervorgerufen werden kann, aus den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strang, also den Photovoltaik-Strang in dessen Strangleitung die jeweilige Rückstromschutzschaltung vor dem zentralen Sammelpunkt eingeschaltet ist. Insbesondere verhindert die Rückstromschutzschaltung, dass ein Querstrom so groß wird, dass sich die Richtung des Stromflusses in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang umkehrt, d.h. ein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltaik-Strang fließt. In vorteilhafter Weise können also unerwünschte Rückströme verhindert werden, welche ansonsten entstehen können, wenn der zugehörige Photovoltaik-Strang niederimpedanter sein sollte als der Wechselrichter oder entsprechende Stromabnehmer stromabwärts des zentralen Sammelpunkts. Dies kann einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der zugehörigen Photovoltaik-Module haben. Je nach Sicherheitsausrüstung der Photovoltaik-Anlage kann die Rückstromschutzschaltung auch die Sicherheit der Anlage erhöhen, insbesondere beim Abschalten einzelner Photovoltaik-Stränge oder der Photovoltaik-Anlage, z.B. aufgrund nicht mehr hinreichender Bestrahlung, Wartungsarbeiten oder bei einer Gefahrenabschaltung, insbesondere in dem die Rückstromschutzschaltung verhindert, dass die Abschaltung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs aufgrund eines Rückstroms verhindert wird. Preferably, each parallel photovoltaic string in front of the central collection point such a reverse current protection circuit. The reverse current protection circuits have the input side (ie, strand or photovoltaic module side) a positive terminal and a negative terminal for connecting the positive pole or negative pole of the string line and the output side (ie collection point side) a positive terminal and a negative pole input for connecting the positive pole or negative pole of a continuation of Catenary up to the central collection point of the photovoltaic strings or up to the DC input of the inverter. In particular, all of the string voltage is applied to the reverse current protection circuit and / or the entire string current flows through the reverse current protection circuit to be parallelized downstream in the direction of the inverter at the central collection point with the currents of the other parallel photovoltaic strings. Thus, the plus pole outputs and the minus pole outputs of the parallel photovoltaic strings are connected via the central collection point with the positive pole or the negative pole of the DC input of the inverter. The reverse current protection circuit now provides protection against a reverse current, which can be caused by the parallel circuit, from the other parallel photovoltaic strings in the associated photovoltaic string, so the photovoltaic string in the string line the respective reverse current protection circuit is turned on before the central collection point. In particular, the reverse current protection circuit prevents a cross current from becoming so large that the direction of the current flow in the associated photovoltaic string reverses, ie, a negative current flows back into the associated photovoltaic string. Advantageously, therefore, unwanted return currents can be prevented, which can otherwise arise if the associated photovoltaic string should be less impedance than the inverter or corresponding current collector downstream of the central Sammelppunkt. This can have a positive influence on the lifetime of the associated photovoltaic modules. Depending on the safety equipment of the photovoltaic system, the reverse current protection circuit can also increase the safety of the system, in particular when switching off individual photovoltaic strings or the photovoltaic system, eg due to inadequate irradiation, maintenance work or in the event of a danger shutdown, in particular in which the reverse current protection circuit prevents that the shutdown of the associated photovoltaic string is prevented due to a return current.
Vorzugsweise ist die Rückstromschutzschaltung in ein elektrisch isolierendes Gehäuse eingebaut, welches am strangseitigen Eingang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol der Strangleitung und einen Minuspol-Anschluss für den Minuspol der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs aufweist. Ferner vorzugsweise weist die Rückstromschutzschaltung am sammelpunktseitigen Ausgang einen Pluspol-Anschluss für den Pluspol und einen Minuspol-Anschluss für den Minuspol der Verlängerung der Strangleitung, die zu dem zentralen Sammelpunkt führt, auf. Die Anschlüsse an dem Gehäuse sind vorzugsweise als Photovoltaik-Steckverbinder, z.B. gemäß dem SUNCLIX®-System der Anmelderin ausgebildet. Das Gehäuse mit der Rückstromschutzschaltung, welche mit den Steckverbindern in die beiden Leitungen der Strangleitung des zugehörigen Photovoltaik-Moduls eingefügt werden können, kann demnach eine separat steckbare Einheit in Form einer Rückstromschutzbox bilden, die auch als Nachrüstlösung noch in vorhandene Strangleitungen zwischen die Photovoltaik-Module jeweils eines Photovoltaik-Strangs und den zentralen Sammelpunkt bzw. den gemeinsamen Wechselrichter eingefügt werden kann. Preferably, the reverse current protection circuit is installed in an electrically insulating housing, which has a positive pole connection for the positive pole of the string line and a negative terminal for the negative terminal of the string line of the associated photovoltaic string at the string-side input. Further preferably, the backflow protection circuit at the collection point side output has a plus pole terminal for the plus pole and a minus pole terminal for the negative pole of the extension of the branch line leading to the central collection point. The terminals on the housing are preferably formed as photovoltaic connectors, for example, according to the SUNCLIX ® system of the applicant. The housing with the reverse current protection circuit, which can be inserted with the connectors in the two lines of the strand line of the associated photovoltaic module, can therefore form a separately pluggable unit in the form of a Rückstromschutzbox, which also as a retrofit solution in existing strand lines between the photovoltaic modules each of a photovoltaic string and the central collection point or the common inverter can be inserted.
Vorzugsweise enthält die Rückstromschutzschaltung eine Steuerschaltung und einen mit der Steuerschaltung verbundenen Sensor zum Messen einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang. In Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße schaltet die Steuerschaltung den zumindest einen Schalter. Insbesondere unterbricht der zumindest eine Schalter, gesteuert von der Steuerschaltung in Ansprechen auf die mit dem Sensor gemessene elektrische Kenngröße die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem zentralen Sammelpunkt, z.B. wenn die gemessene elektrische Kenngröße außerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung für die erste elektrische Kenngröße liegt. Preferably, the reverse current protection circuit includes a control circuit and a sensor connected to the control circuit for measuring an electrical characteristic on the associated photovoltaic string. In response to the measured with the sensor electrical characteristic, the control circuit switches the at least one switch. In particular, the at least one switch, controlled by the control circuit, interrupts the current carrying connection of the associated photovoltaic string to the central collection point, e.g., in response to the electrical characteristic measured by the sensor. if the measured electrical parameter is outside of a definitive safety condition for the first electrical parameter for the return current.
Der Sensor ist vorzugsweise ein Stromsensor oder ein Spannungssensor, welcher zumindest eine der folgenden elektrischen Kenngrößen misst:
- – Eingangsspannung am strangseitigen Eingang der Rückstromschutzschaltung,
- – Ausgangsspannung am sammelpunktseitigen bzw. wechselrichterseitigen Ausgang der Rückstromschutzschaltung,
- – Strangstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs bzw. durch die Rückstromschutzschaltung oder -box,
- – negativer Stromfluss.
- Input voltage at the line-side input of the reverse current protection circuit,
- Output voltage at the collector-side or inverter-side output of the reverse current protection circuit,
- Strand current of the associated photovoltaic string or by the reverse current protection circuit or box,
- - negative current flow.
Ein negativer Stromfluss bedeutet, dass der Strom in dem Photovoltaik-Strang entgegen der Flussrichtung des im Betrieb photovoltaisch erzeugten Stroms durch die Rückstromschutzschaltung fließt. D.h. der Stromsensor ist insbesondere dazu ausgebildet, auch einen negativen Stromfluss messen zu können. A negative current flow means that the current in the photovoltaic string flows through the reverse current protection circuit counter to the direction of flow of the photovoltaically generated current during operation. That the current sensor is in particular designed to be able to measure a negative current flow.
In Ansprechen auf eine oder mehrere dieser mit dem oder den Sensoren gemessenen elektrischen Kenngrößen schaltet die die Rückstromschutzschaltung den zumindest einen Schalter und unterbricht die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters. Die Rückstromschutzschaltung enthält daher vorzugsweise einen Stromsensor, der auch negative Ströme messen kann und/oder einen Eingangsspannungssensor und/oder einen Ausgangsspannungssensor. In response to one or more of these electrical characteristics measured by the sensor or sensors, the reverse current protection circuit switches the at least one switch and disconnects the associated photovoltaic string to the parallel connection with the other photovoltaic strings and the DC input of the inverter. The reverse current protection circuit therefore preferably includes a current sensor which can also measure negative currents and / or an input voltage sensor and / or an output voltage sensor.
In vorteilhafter Weise kann hiermit auf einfache Weise separat an jedem Photovoltaik-Strang kontinuierlich festgestellt werden, ob ein Zustand des zugehörigen Photovoltaik-Strangs vorliegt, welcher außerhalb der gewünschten Betriebs- und Sicherheitsparameter liegt. Advantageously, it can be determined hereby in a simple manner separately on each photovoltaic string continuously whether a state of the associated photovoltaic string is present, which lies outside the desired operating and safety parameters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor demnach ein Stromsensor, welcher einen negativen Stromfluss durch die Rückstromschutzschaltung messen kann. Die Rückstromschutzschaltung kann die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem zentralen Sammelpunkt, d.h. zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrechen, zumindest wenn der Strom in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang negativ ist und/oder einen vordefinierten Schwellenwert für den Betrag des negativen Stroms überschreitet. Ein negativer Strom ist allerdings keine notwendige Voraussetzung für das Trennen. Je nachdem welche Betriebs- und Sicherheitsparameter vorgegeben sind, kann die Rückstromschutzschaltung die Unterbrechung auch bereits dann durchführen, wenn der Strom zwar noch positiv ist, aber unterhalb eines vordefinierten Sicherheits-Schwellwertes liegt. Dies kann z.B. dann vorkommen, wenn die Photovoltaik-Module des zugehörigen Photovoltaik-Strangs erheblich stärker abgeschattet sind als die Photovoltaik-Module der anderen Photovoltaik-Stränge. In diesem Fall sorgen die Querströme möglicherweise noch nicht für einen negativen Gesamt-Stromfluss in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang, reduzieren aber den von den von den zugehörigen Photovoltaik-Strang photovoltaisch erzeugten Strom ggf. bereits so weit, dass der Produktionsbetrieb dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist, so dass es besser ist, die Verbindung dieses zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem gemeinsamen Wechselrichter zu unterbrechen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der von der Rückstromschutzschaltung gemessene Strom zwar noch positiv ist, aber erheblich unter dem Maximalstrom des Photovoltaik-Strangs, z.B. kleiner als 10% des Maximalstroms des Photovoltaik-Strangs ist. Mit anderen Worten ist die Steuerschaltung vorzugsweise dazu ausgebildet, die Rückstromschutzschaltung automatisch zu schalten, bzw. die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung und zu dem Wechselrichter zu unterbrechen, wenn die Bedingung eintritt, dass der Strangstrom IS kleiner wird als ein vordefinierter Schwellenwert I0. Der vordefinierte Schwellenwert I0 kann zwischen positiv und erheblich kleiner als der Maximalstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und einem negativen Sicherheitswert für den Stromfluss ausgewählt werden. Mathematisch ausgedrückt kann die Schaltbedingung definiert werden als IS < I0, wobei I0 ausgewählt wird aus einem Intervall [I1, I2], wobei I1 ein negativer Sicherheitswert ist, bei welchem der zugehörige Photovoltaik-Strang beschädigt werden könnte und I2 ein positiver Wert ist, unterhalb dessen ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr sinnvoll erscheint. According to a preferred embodiment of the invention, the sensor is accordingly a current sensor which can measure a negative current flow through the reverse current protection circuit. The reverse current protection circuit may interrupt the connection of the associated photovoltaic string to the central collection point, ie to the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter, at least if the current in the associated photovoltaic string is negative and / or a predefined one Threshold for the amount of negative current exceeds. However, a negative current is not a necessary condition for disconnection. Depending on which operating and safety parameters are specified, the reverse current protection circuit can already perform the interruption even if the current is still positive, but is below a predefined safety threshold. This can occur, for example, when the photovoltaic modules of the associated photovoltaic string are significantly more shaded than the photovoltaic modules of the other photovoltaic strings. In this case, the cross-currents may not yet provide for a total negative current flow in the associated photovoltaic string, but may already reduce the photovoltaic-generated current from the associated photovoltaic string to such an extent that the production operation of that associated photovoltaic string does not make economic sense, so it is better to break the connection of this associated photovoltaic string to the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the common inverter. This may be useful, in particular, if the current measured by the reverse current protection circuit is still positive, but is considerably below the maximum current of the photovoltaic string, for example less than 10% of the maximum current of the photovoltaic string. In other words, the control circuit is preferably designed to switch the reverse current protection circuit automatically or to interrupt the connection of the associated photovoltaic string to the parallel circuit and to the inverter if the condition occurs that the phase current IS becomes smaller than a predefined threshold value I0. The predefined threshold I0 can be selected between positive and significantly smaller than the maximum current of the associated photovoltaic string and a negative safety value for the current flow. Expressed mathematically, the switch condition may be defined as IS <I0, being selected I0 from an interval [I1, I2], where I1 is a negative safety value, could be wherein the associated photovoltaic strand damaged and I 2 is a positive value, below which an economic operation no longer makes sense.
Insbesondere schaltet die Steuerschaltung der Rückstromschutzschaltung den zugehörigen Photovoltaik-Strang auch wieder elektrisch an die Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und an den gemeinsamen Wechselrichter elektrisch an, wenn die Betriebs- und Sicherheitsparameter dies erlauben. Hierzu ist die Steuerschaltung mit einer Sensoreinrichtung zum Messen zumindest einer elektrischen Kenngröße verbunden. Diese elektrische Kenngröße kann dieselbe elektrische Kenngröße sein, welche zum Unterbrechen der Verbindung verwendet wird, vorzugsweise ist es jedoch eine andere elektrische Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang. In Ansprechen auf diese mit der Sensoreinrichtung gemessene elektrische Kenngröße schaltet die Steuerschaltung den Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung unterbrochen wurde, automatisch wieder an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters elektrisch an, wenn diese gemessene elektrische Kenngröße innerhalb einer für den nach dem elektrischen Anschalten zu erwartenden Rückstrom maßgeblichen Betriebs- und Sicherheitsbedingung liegt. In particular, the control circuit of the reverse current protection circuit electrically switches the associated photovoltaic string again electrically to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the common inverter if the operating and safety parameters permit this. For this purpose, the control circuit is connected to a sensor device for measuring at least one electrical parameter. This electrical characteristic may be the same electrical characteristic used to break the connection, but preferably it is another electrical characteristic on the associated photovoltaic string. In response to this measured with the sensor device electrical characteristic, the control circuit switches the photovoltaic string whose connection was interrupted, automatically back to the other parallel photovoltaic strings and to the DC input of the inverter when this measured electrical characteristic within a for the after the electrical start-up expected return current relevant operating and safety condition is.
Mit anderen Worten ist die Rückstromschutzschaltung vorzugsweise dazu ausgebildet, in Ansprechen auf eine gemessene elektrische Kenngröße den zugehörigen Photovoltaik-Strang elektrisch abzuschalten, wenn die gemessene elektrische Kenngröße außerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung liegt und/oder den zugehörigen Photovoltaik-Strang elektrisch anzuschalten, wenn die gemessene elektrische Kenngröße innerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung liegt. In other words, the reverse current protection circuit is preferably designed to electrically switch off the associated photovoltaic string in response to a measured electrical characteristic, if the measured electrical parameter is outside a safety condition governing the reverse current and / or electrically connecting the associated photovoltaic string, if the measured electrical characteristic lies within a safety condition relevant for the return current.
Hiermit können in vorteilhafter Weise die Betriebs- und Sicherheitsparameter des zugehörigen Photovoltaik-Strangs nicht nur während des Produktionsbetriebs, sondern auch während des Zeitraums der Trennung von der Parallelschaltung und von dem Wechselrichter, z.B. bei Beschattung oder bei Störungen permanent überwacht werden, um sobald wie möglich den zugehörigen Photovoltaik-Strang wieder elektrisch anzuschalten, sobald die Betriebs- und Sicherheitsparameter dies wieder zulassen. Es erfolgt also eine dauerhafte Rückstromschutz-Überwachung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs während des Produktionsbetriebs und/oder während des Zeitraums der Unterbrechung der Verbindung zu der Parallelschaltung und zu dem Wechselrichter. Dadurch können Ertrag der Photovoltaik-Anlage und Betriebs- bzw. Sicherheitsparameter in Einklang gebracht werden. Hereby can advantageously the operating and safety parameters of the associated photovoltaic string not only during the Production operation, but also during the period of separation from the parallel circuit and the inverter, for example, in case of shading or disturbances are permanently monitored to turn on as soon as possible, the associated photovoltaic string again electrically as soon as the operating and safety parameters allow this again. Thus, there is a permanent reverse current protection monitoring of the associated photovoltaic string during the production operation and / or during the period of interruption of the connection to the parallel circuit and to the inverter. As a result, the yield of the photovoltaic system and operating or safety parameters can be reconciled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung zum elektrischen Wiederanschalten des Photovoltaik-Strangs einen Eingangsspannungssensor, welcher die strangseitige Eingangsspannung an der Rückstromschutzschaltung misst und/oder einen Ausgangsspannungssensor, welcher die sammelpunktseitige bzw. wechselrichterseitige Ausgangsspannung an der Rückstromschutzschaltung misst. In Ansprechen auf die gemessene strangseitige Eingangsspannung und/oder auf die gemessene sammelpunktseitige bzw. wechselrichterseitige Ausgangsspannung schaltet die Steuereinrichtung den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, automatisch wieder an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters elektrisch an. According to a preferred embodiment, the photovoltaic string electrical switching-on sensor device comprises an input voltage sensor which measures the input side voltage to the reverse current protection circuit and / or an output voltage sensor which measures the collector side or inverter side output voltage at the backflow protection circuit. In response to the measured line-side input voltage and / or the measured collector-side or inverter-side output voltage, the controller automatically switches the associated photovoltaic line whose connection is interrupted to the central collection point back to the other parallel photovoltaic lines and to the DC input of the Inverter electrically.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung verglichen und die Steuereinrichtung schaltet in Ansprechen auf den Vergleich der gemessenen strangseitigen Eingangsspannung und der gemessenen sammelpunktseitigen bzw. wechselrichterseitigen Ausgangsspannung den zumindest einen Schalter, insbesondere dahingehend, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, automatisch wieder an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters angeschaltet wird. Durch den Spannungsvergleich kann gewährleistet werden, dass nach dem elektrischen Wiederanschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs die erwünschten Betriebs- und Sicherheitsparameter erfüllt sind, z.B. dass kein negativer Strom zurück in den zugehörigen Photovoltaik-Strang fließt bzw. der positive Produktionsstrom einen Mindestwert übersteigt, indem der zugehörige Photovoltaik-Strang nur dann elektrisch wieder angeschaltet wird, wenn die Differenz aus Ausgangsspannung U2 minus Eingangsspannung U1 kleiner ist, als ein vordefinierter Schwellenwert U0. Wenn U0 = 0 gilt, bedeutet das, dass die Ausgangsspannung U2 kleiner ist als die Eingangsspannung U1. Hierbei kann eine gewisse Toleranz vorhanden sein, insbesondere kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die Eingangsspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, die Leerlaufspannung ist, wohingegen die Ausgangsspannung, welche die von den anderen parallelen Photovoltaik-Modulen erzeugte Spannung darstellt, bereits eine Lastspannung darstellt, welche typischerweise um etwa 20% niedriger ist als die Leerlaufspannung, weil der Wechselrichter bereits arbeitet. Demnach kann die Steuereinrichtung in Ansprechen auf den Vergleich der Leerlaufspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs mit der Lastspannung der anderen Photovoltaik-Stränge den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, automatisch wieder an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters anschalten. Zusätzlich zu dem Spannungsvergleich kann noch geprüft werden, ob die Spannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs einen vordefinierten Schwellenwert U_min übersteigt, z.B. um zu gewährleisten, dass der zugehörige Photovoltaik-Strang zu diesem Zeitpunkt eine hinreichende Leistung erzeugen kann. According to a further preferred embodiment of the invention, the input voltage is compared with the output voltage and the control device switches the at least one switch in response to the comparison of the measured line-side input voltage and the measured collector-side or inverter-side output voltage, in particular in that the associated photovoltaic line, whose connection to the central collection point is interrupted is automatically switched back to the other parallel photovoltaic strings and to the DC input of the inverter. The voltage comparison can ensure that after the electrical restart of the associated photovoltaic string the desired operating and safety parameters are fulfilled, e.g. that no negative current flows back into the associated photovoltaic string or the positive production current exceeds a minimum value by the associated photovoltaic string is only electrically switched on again when the difference between output voltage U2 minus input voltage U1 is smaller than a predefined threshold U0. If U0 = 0, this means that the output voltage U2 is smaller than the input voltage U1. In this case, a certain tolerance can be present, in particular, the effect can be exploited that the input voltage of the associated photovoltaic string whose connection to the central collection point is interrupted, the open circuit voltage, whereas the output voltage, which is different from that of the other parallel photovoltaic modules generated voltage already represents a load voltage, which is typically about 20% lower than the open circuit voltage, because the inverter is already working. Thus, in response to the comparison of the open circuit voltage of the associated photovoltaic string with the load voltage of the other photovoltaic strings, the controller may automatically redirect the associated photovoltaic string having its connection to the central collection point to the other parallel photovoltaic strings switch on the DC input of the inverter. In addition to the voltage comparison, it is still possible to check whether the voltage of the associated photovoltaic string exceeds a predefined threshold value U_min, e.g. to ensure that the associated photovoltaic string can generate sufficient power at this time.
Die Rückstromschutzschaltung umfasst vorzugsweise eine Schalteinrichtung, welche im geschlossenen Zustand den zugehörigen Photovoltaik-Strang parallel mit den anderen Photovoltaik-Strängen elektrisch verbindet und im offenen Zustand die stromführende Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu dem zentralen Sammelpunkt bzw. zu dem Wechselrichter innerhalb der Strangleitung unterbricht. The reverse current protection circuit preferably comprises a switching device which electrically connects the associated photovoltaic string in parallel with the other photovoltaic strings in the closed state and interrupts the current-carrying connection of the associated photovoltaic string to the central collection point or to the inverter within the string line in the open state ,
Dabei sollte die Schalteinrichtung für eine Trennspannung von mindestens 500 Volt, besser mindestens 1000 Volt und/oder für einen Durchgangsstrom von mindestens 5 Ampere, besser mindestens 10 Ampere ausgelegt sein. Es soll nämlich insbesondere die Gesamtspannung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs von der Schalteinrichtung unterbrochen bzw. geschaltet werden und/oder der gesamte Produktionsstrom des zugehörigen Photovoltaik-Strangs im Produktionsbetrieb des Photovoltaik-Strangs durch die Rückstromschutzschaltung, genauer durch die Schalteinrichtung, fließen. The switching device should be designed for a separation voltage of at least 500 volts, better at least 1000 volts and / or for a through current of at least 5 amps, more preferably at least 10 amps. Namely, in particular, the total voltage of the associated photovoltaic string is interrupted or switched by the switching device and / or flow the entire production of the associated photovoltaic string in the production operation of the photovoltaic string through the reverse current protection circuit, more precisely by the switching device.
Vorzugsweise enthält die Schalteinrichtung ein Relais, insbesondere eine Parallelschaltung aus einem Halbleiterschalter, insbesondere einem MOS-FET, und einem Relais. Vorzugsweise schließt die Steuereinrichtung beim elektrischen Wiederanschalten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters zunächst den Halbleiterschalter und erst nach einer zeitlichen Verzögerung das hierzu parallele Relais. Dies hat den Vorteil, dass der Halbleiterschalter im Produktionsbetrieb des Photovoltaik-Strangs durch das Relais vom Stromfluss entlastet wird, so dass einerseits die Verlustleitung reduziert und andererseits das Relais geschont werden kann. Die thermischen und räumlichen Gegebenheiten der Rückstromschutzschaltung sind dabei geeignet, um sie in vorhandene Gehäuse, wie z.B. eine ohnehin vorhandene Startbox einzubauen. Vorzugsweise führt zunächst nur der Halbleiterschalter die benötigten Schaltvorgänge aus, welche auch mehrfach wiederholt werden können und erst wenn sichergestellt ist, dass der Photovoltaik-Strang sich dauerhaft im Produktionsbetrieb befindet, wird das Relais geschlossen. Dies kann einerseits die Zahl der Schaltvorgänge des Relais niedrig halten und andererseits tritt die Verlustleistung an dem Halbleiterschalter nur für eine kurze Zeitspanne auf, nämlich nur solange, wie das Relais noch nicht geschlossen ist. Preferably, the switching device includes a relay, in particular a parallel circuit of a semiconductor switch, in particular a MOS-FET, and a relay. Preferably, when the electrical connection is switched on again, the control unit closes the associated photovoltaic string to the other parallel photovoltaic strings and to the DC input of the inverter first the semiconductor switch and only after a time delay, the parallel relay. this has the advantage that the semiconductor switch is relieved in the production operation of the photovoltaic string by the relay from the flow of current, so that on the one hand reduces the loss of line and on the other hand, the relay can be spared. The thermal and spatial conditions of the reverse current protection circuit are suitable for installation in existing housings, such as an already existing start box. Preferably, initially only the semiconductor switch performs the required switching operations, which can also be repeated several times and only when it is ensured that the photovoltaic string is permanently in production, the relay is closed. This can on the one hand keep the number of switching operations of the relay low and on the other hand, the power loss occurs on the semiconductor switch only for a short period of time, namely only as long as the relay is not closed.
Vorzugsweise sind der Halbleiterschalter und/oder das Relais als Schließer (Normal-On) ausgebildet. Dies könnte zwar auf den ersten Blick nachteilig erscheinen, da für das Halten des On-Zustandes elektrische Leistung benötigt wird. Dies wird aber in Kauf genommen, um die damit verbundene Sicherheit zu erzielen, nämlich dass die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs im Normalzustand der Schalteinrichtung zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters unterbrochen ist. Preferably, the semiconductor switch and / or the relay are designed as normally open (normally open). While this may seem disadvantageous at first glance, electrical power is required to hold the on-state. However, this is accepted in order to achieve the associated safety, namely that the connection of the associated photovoltaic string in the normal state of the switching device to the parallel circuit with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter is interrupted.
In vorteilhafter Weise kann ein Halbleiterschalter, z.B. ein MOS-FET verwendet werden, welcher einen RDS-On (Resistance-Drain-Source-On, auf Deutsch auch als Einschaltwiderstand bezeichnet) von z.B. mindestens 50 mOhm, ggf. sogar mehreren 100 mOhm oder mehr aufweist. Dieser erzeugt zwar eine relativ große Verlustleitung von ggf. einem Watt, einigen Watt oder mehr, was aber insbesondere durch die Entlastung durch das parallel geschaltete Relais akzeptabel ist. Advantageously, a semiconductor switch, e.g. a MOS-FET may be used, which has an RDS-on (Resistance-Drain-Source-On, also referred to as on-resistance) of e.g. at least 50 mOhms, possibly even several 100 mOhms or more. Although this generates a relatively large power loss of possibly one watt, a few watts or more, but this is acceptable in particular by the discharge through the parallel relay.
Die vorliegend offenbarte Erfindung bzw. Rückstromschutzschaltung ist insbesondere vorteilhaft einzusetzen in Photovoltaik-Anlagen, bei welchen die seriell geschalteten Photovoltaik-Module in zumindest einem der Photovoltaik-Stränge, vorzugsweise in allen Photovoltaik-Strängen, jeweils Schutzschaltungen aufweisen, mittels welchen die Photovoltaik-Module einzeln von dem zugehörigen Strang abgeschaltet werden können, und wobei die Schutzschaltungen der einzelnen Photovoltaik-Module den Ausgang des jeweiligen Photovoltaik-Moduls an den Anschlusspunkten für die Strangleitung kurzschließt, um einen niederohmigen Bypass für das jeweilige Photovoltaik-Modul zu erzeugen. Solche Schutzschaltungen für die Photovoltaik-Module sind in der
Bevorzugt können eine solche Startschaltung zum Starten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und die Rückstromschutzschaltung für den zugehörigen Photovoltaik-Strang in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, so dass eine kombinierte Start-und-Rückstromschutzbox für den zugehörigen Photovoltaik-Strang entsteht. Die kombinierte Start-und-Rückstromschutzbox wird mit Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Eingang und Pluspol- und Minuspol-Anschlüssen am Ausgang der Box zwischen die Serie aus Photovoltaik-Modulen des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und den zentralen Sammelpunkt mit den anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strangs geschaltet, wo sie beide Funktionen – Starten des zugehörigen Photovoltaik-Strangs und Rückstromschutz für denselben Photovoltaik-Strang erfüllen kann. Hierdurch können überflüssige Komponenten, insbesondere Steckverbindungen eingespart werden, was sich positiv auf Kosten, Lebensdauer und Verlustleitung der Photovoltaik-Anlage auswirken kann. Die Verlustleistung der Rückstromschutzschaltung ist im Produktionsbetrieb, insbesondere bei geschlossenem Relais so niedrig, dass die thermische Belastung akzeptabel ist. Preferably, such a start circuit for starting the associated photovoltaic string and the reverse current protection circuit for the associated photovoltaic string can be accommodated in a common housing, so that a combined start-and-Rückstromschutzbox for the associated photovoltaic string is formed. The combined start and reverse current protection box is provided with plus and minus pole terminals at the input and plus and minus pole terminals at the output of the box between the series of photovoltaic modules of the associated photovoltaic string and the central collection point with the other photovoltaic strings connected in the associated photovoltaic string, where they can fulfill both functions - starting the associated photovoltaic string and reverse current protection for the same photovoltaic string. As a result, superfluous components, in particular connectors can be saved, which can have a positive effect on costs, life and loss management of the photovoltaic system. The power loss of the reverse current protection circuit is so low in the production mode, in particular when the relay is closed, that the thermal load is acceptable.
Vorzugsweise ist jeder Photovoltaik-Strang der Parallelschaltung an dem zentralen Sammelpunkt bzw. dem Gleichstromeingang desselben Wechselrichters mit der beschriebenen Rückstromschutzschaltung, Rückstromschutzbox bzw. kombinierter Start-und-Rückstromschutzbox ausgerüstet. Preferably, each photovoltaic string of the parallel circuit at the central collection point or the DC input of the same inverter with the described reverse current protection circuit, Rückstromschutzbox or combined start and Rückstromschutzbox is equipped.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Unterbrechen der stromführenden Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt bzw. zu dem Wechselrichter zum Schutz gegen Rückströme und zum Wiederanschalten der Photovoltaik-Stränge der vorstehend beschriebenen Multistrang-Photovoltaik-Anlage an den zentralen Sammelpunkt bzw. an den Gleichstromeingang des Wechselrichters. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
Während des gesamten Betriebs der Multistrang-Photovoltaik-Anlage wird dauerhaft jeweils eine elektrische Kenngröße in den Photovoltaik-Strängen mittels jeweils einer dem jeweiligen Photovoltaik-Strang zugehörigen Rückstromschutzschaltung zum Schutz gegen aus den jeweils anderen Photovoltaik-Strängen in den jeweils einen Photovoltaik-Strang zurück fließenden Querstrom oder Rückstrom gemessen. The invention also relates to a method for interrupting the current-carrying connection to the central collection point or to the inverter for protection against reverse currents and for reactivation of the photovoltaic strings of the multi-strand photovoltaic system described above to the central collection point or to the DC input of the inverter , The method comprises the following steps:
During the entire operation of the multi-strand photovoltaic system permanently becomes an electrical parameter in the photovoltaic strings in each case by means of a respective reverse current protection circuit belonging to the respective photovoltaic string for protection against transverse current or reverse current flowing back from the respectively other photovoltaic strings into the respective one photovoltaic string.
Wenn die gemessene elektrische Kenngröße außerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung für die elektrische Kenngröße des zugehörigen Photovoltaik-Strangs liegt, z.B. wenn ein negativer Gesamt-Stromfluss auftritt, wird die Verbindung desjenigen Photovoltaik-Strangs zu den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters automatisch unterbrochen. If the measured electrical parameter is outside a safety condition for the electrical characteristic of the associated photovoltaic string, which is decisive for the reverse current, e.g. if a negative total current flow occurs, the connection of that photovoltaic string to the other parallel photovoltaic strings and to the DC input of the inverter is automatically interrupted.
Wenn in dem zugehörigen Photovoltaik-Strang die eine oder eine andere gemessene elektrische Kenngröße innerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung liegt, z.B. wenn die strangseitige Eingangsspannung größer ist als die sammelpunktseitige bzw. wechselrichterseitige Ausgangsspannung, wird der zugehörige Photovoltaik-Strang an die parallelen anderen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters automatisches elektrisch wiederangeschaltet. If, in the associated photovoltaic string, one or another measured electrical characteristic is within a safety condition relevant to the return current, e.g. if the input line side voltage is greater than the collector-side or inverter-side output voltage, the associated photovoltaic string is automatically switched back to the parallel other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter automatically electrical.
Je nach Komplexität der Sicherheitsarchitektur kann zwischen dem Unterbrechen und dem Wiederanschalten ein längerer Zeitraum, z.B. eine Nacht liegen und/oder es können weitere Prüfprozesse durchgeführt und/oder die einzelnen Photovoltaik-Module aus einem Schutzzustand aktiviert werden. Depending on the complexity of the security architecture, a longer period of time, e.g. lie one night and / or it can be carried out further test processes and / or the individual photovoltaic modules are activated from a protective state.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Rückstromschutzschaltung für einen Photovoltaik-Strang einer Multistrang-Photovoltaik-Anlage zum Schutz gegen einen in den zugehörigen Photovoltaik-Strang aus den anderen parallelen Photovoltaik-Strängen zurückfließenden Querstrom oder Rückstrom, wie hierin offenbart. Die Rückstromschutzschaltung umfasst hierfür insbesondere:
eine Schalteinrichtung, welche im geschlossenen Zustand den zugehörigen Photovoltaik-Strang parallel mit den anderen Photovoltaik-Strängen elektrisch verbindet und im offenen Zustand die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Wechselrichter unterbricht,
eine Steuerschaltung zumindest zum Steuern der Schalteinrichtung und
einen oder mehrere mit der Steuerschaltung verbundene Sensoren zum Messen jeweils einer elektrischen Kenngröße an dem zugehörigen Photovoltaik-Strang. The invention further provides the reverse current protection circuit for a photovoltaic string of a multi-strand photovoltaic system for protection against backflow into the associated photovoltaic string from the other parallel photovoltaic strings, as disclosed herein. The reverse current protection circuit includes in particular:
a switching device which in the closed state electrically connects the associated photovoltaic string in parallel with the other photovoltaic strands and in the open state interrupts the connection of the associated photovoltaic string to the parallel connection with the other photovoltaic strands and to the inverter,
a control circuit at least for controlling the switching device and
one or more sensors connected to the control circuit for measuring in each case an electrical parameter on the associated photovoltaic string.
In Ansprechen auf eine erste mit einem der Sensoren gemessene elektrische Kenngröße unterbricht die Rückstromschutzschaltung die Verbindung des zugehörigen Photovoltaik-Strangs zu der Parallelschaltung mit den anderen Photovoltaik-Strängen und zu dem Gleichstromeingang des Wechselrichters, in dem die Steuerschaltung die Schalteinrichtung öffnet, wenn die gemessene erste elektrische Kenngröße außerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung für die erste elektrische Kenngröße liegt, z.B. ein negativer Strom in der Rückstromschutzschaltung. In response to a first electrical characteristic measured with one of the sensors, the reverse current protection circuit breaks the connection of the associated photovoltaic string to the parallel connection with the other photovoltaic strings and to the DC input of the inverter in which the control circuit opens the switching means when the measured first electrical characteristic is outside a decisive for the return current safety condition for the first electrical characteristic, eg a negative current in the reverse current protection circuit.
In Ansprechen auf die erste und/oder eine andere zweite mit dem ersten bzw. einem anderen zweiten Sensor gemessene elektrische Kenngröße schaltet die Rückstromschutzschaltung den zugehörigen Photovoltaik-Strang, dessen Verbindung zu dem zentralen Sammelpunkt unterbrochen ist, automatisch wieder an die anderen parallelen Photovoltaik-Stränge und an den Gleichstromeingang des Wechselrichters elektrisch an, wenn die erste bzw. zweite elektrische Kenngröße innerhalb einer für den Rückstrom maßgeblichen Sicherheitsbedingung liegen, z.B. wenn die Eingangsspannung größer ist als die Ausgangsspannung. In response to the first and / or another second electrical parameter measured with the first or another second sensor, the reverse current protection circuit automatically switches the associated photovoltaic string whose connection to the central collection point is interrupted back to the other parallel photovoltaic strings and to the DC input of the inverter electrically, when the first and second electrical characteristic are within a relevant for the return current safety condition, eg when the input voltage is greater than the output voltage.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung zwar besonders vorteilhaft für Photovoltaik-Anlagen verwendbar, jedoch prinzipiell auch für andere DC-Generatoren einsetzbar ist, insbesondere wenn diese eine Parallelverschaltung an einem gemeinsamen Wechselrichter aufweisen. Diese sollen nicht ausgeschlossen sein. It will be apparent to those skilled in the art that although the invention can be used particularly advantageously for photovoltaic systems, it can also be used in principle for other DC generators, in particular if they have a parallel connection to a common inverter. These should not be excluded.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the figures, wherein the same and similar elements are partially provided with the same reference numerals and the features of the various embodiments can be combined.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Es zeigen: Show it:
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Bezug nehmend auf
Jeder Photovoltaik-Strang umfasst eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen oder Photovoltaik-Paneelen
Bezug nehmend auf
Wieder Bezug nehmend auf
Die Startboxen
Bezug nehmend auf
Die Photovoltaik-Module
Die Startbox
Der Eingangsspannungssensor
Die Startbox
Um unerwünschte Rückströme von den anderen Photovoltaik-Strängen in den zugehörigen Photovoltaik-Strang
Damit alle Startboxen den jeweils zugehörigen Photovoltaik-Strang sauber vom Wechselrichter
Bezug nehmend auf
Bezug nehmend auf
Zum Systemstart bei
Wenn nun der zugehörige Photovoltaik-Strang
Während des Produktionsbetriebs wird dann in einem Prüfschritt
Falls die Abfrage in dem Schritt
Es ist ferner nicht zwingend, dass die Unterbrechung der Verbindung erst dann erfolgt, wenn der Gesamtstrom tatsächlich negativ wird, d.h. dass der Querstrom von den anderen Photovoltaik-Strängen größer wird, als der bei Einzelverschaltung von dem zugehörigen Photovoltaik-Strang
Zusammenfassend ist es mit der Messtechnik und den Schaltern möglich, über eine Software- und/oder Hardware-Anschaltung die Funktionalität einer Strangdiode nachzubilden, aber ohne deren zusätzliche Verlustleistung zu erzeugen. Dazu wird in einer bestehenden Startbox der MOS-FET S1 der Schalteinrichtung auf 1000V oder höher ausgelegt und ein paralleles Relais
Es werden beide an der Startbox anliegende Spannungen, d.h. die Eingangsspannung/Strangspannung des zugehörigen Strangs U1 und die Ausgangsspannung/Spannung am Wechselrichter U2, gemessen. Die Startbox
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. It will be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments are to be read by way of example, and that the invention is not limited to them, but that they can be varied in many ways without departing from the scope of the claims. It is also to be understood that the features, independently as they are disclosed in the specification, claims, figures, or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if described together with other features.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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