DE102017005965A1 - Photovoltaikanlage, Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage und Verfahren zur Steuerung einer Photovoltaikanlage - Google Patents

Abstract

Photovoltaikanlage (10), mit mindestens einem Photovoltaikstrang (12), wobei jeder Photovoltaikstrang (12) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul (18) über einen Tiefsetzsteller (20) in den Photovoltaikstrang (12) eingebunden ist, wobei der Tiefsetzsteller (20) dem Photovoltaikstrang (12) eine Ausgangsspannung (Vx') bereitstellt, wobei ein steuerbarer Überbrückungsschalter (34A, 34B) parallel zu dem Tiefsetzsteller (20) angeschlossen ist, wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geöffnet ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert (V_G) ist, und wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geschlossen ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, größer als der vorgegebene erste Spannungsgrenzwert (V_G) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage, eine Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Photovoltaikanlage.
• Der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen hängt maßgeblich von deren Fähigkeit ab, auf sich ändernde äußere Bedingungen wie reduzierte Sonneneinstrahlung zu reagieren und unter normalen Betriebsbedingungen eine möglichst geringe Verlustleistung aufzuweisen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für eine Photovoltaikanlage zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die Anlage unter allen äußeren Bedingungen eine möglichst optimale Energieausbeute aus der bereit stehenden Sonnenenergie erzielt.
• Photovoltaikanlagen bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von Photovoltaiksträngen, die jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweisen. Nachfolgend werden abgekürzt Photovoltaikanlagen auch als PV-Anlagen, Photovoltaikstränge als PV-Stränge und Photovoltaikmodule als PV-Module oder Module bezeichnet.
• Bei herkömmlichen PV-Modulen weist jedes Modul in der Regel mindestens eine dazu parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode auf. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Abschattung oder eines Ausfalls des Moduls, kann das Modul über die Freilaufdiode überbrückt werden und das überbrückte Modul liefert keinen Beitrag mehr zur Ausgangsleistung. Somit kann der betroffene PV-Strang auch bei Ausfall des Moduls betrieben werden.
• Um bei Teilabschattung noch einen Beitrag zur jeweiligen PV-Strangleistung erzielen zu können, werden bei weiterentwickelten PV-Modulen anstelle von Freilaufdioden Tiefsetzsteller zwischen den Eingängen des PV-Moduls und dem PV-Strang des PV-Moduls konfiguriert. Dabei wird ein Schalter des Tiefsetzstellers, solange die Spannung des PV-Moduls größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, geschlossen. Dies bedeutet, dass der Schalter des Tiefsetzstellers im Normalbetrieb, also ohne Störung, geschlossen ist und der Tiefsetzsteller seine Ausgangsleistung nicht an den PV-Strang anpasst. Allerdings entstehen bei geschlossenem Schalter des Tiefsetzstellers ohmsche Verluste in den Bauteilen des Tiefsetzstellers, die als Verlustleistung im Normalbetrieb wirken. Diese Verluste können nur durch den Einsatz eines Schalters mit geringen Durchlasswiderstand und verlustoptimierter Bauteile im Tiefsetzsteller reduziert werden. Im Falle einer Verschattung des PV-Moduls und einer Spannung am PV-Modul unter dem vorgegebenen Schwellwerts öffnet und schließt der Schalter des Tiefsetzsteller in kurzen zeitlichen Abständen um seine Ausgangsleistung an den PV-Strang anzupassen und das PV-Modul liefert eine reduzierte Ausgangsleistung an den PV-Strang. Durch das Öffnen und Schließen des Schalters entstehen allerdings Schaltverluste in den Bauteilen des Tiefsetzstellers, die als Verlustleistung im Verschattungsfall auftreten. Diese Verluste können wiederum nur durch den Einsatz schaltungsoptimierter Bauteile im Tiefsetzsteller reduziert werden. Die Optimierung der Bauteile des Tiefsetzstellers für geringe ohmsche Verluste läuft allerdings einer Optimierung der Bauteile für geringe Schaltverluste entgegen. Daraus ergibt sich aber, dass der Tiefsetzsteller entweder für den Normalbetrieb oder für den Verschattungsfall optimiert werden kann, oder dass die Bauteile des Tiefsetzstellers für einen Kompromiss aus ohmschen Verlusten und Schaltverlusten ausgelegt werden müssen.
• Die einzelnen PV-Stränge der PV-Anlage können parallel geschaltet sein, um den Gesamtstrom entsprechend zu erhöhen. Dabei ist zumindest eine Steuerung vorgesehen, um die Gesamtleistung der PV-Anlage in Abhängigkeit von der externen Last und der Kennlinie zu maximieren. Die Steuerung führt in der Regel eine MPPT-Regelung (Maximum-Power-Point-Tracking) aus, was im Stand der Technik bekannt ist. Hierbei wird der Ausgangsstrom in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schritten so lange variiert, bis die Ausgangsleistung (Produkt aus Strangspannung und Strangstrom) des PV-Strangs maximiert ist.
• Je nach Aufbau der Photovoltaikanlage kann auch jeder einzelne Strang mit einer MPPT-Regelung versehen sein, um die daran angeschlossene Last, in der Regel ein Wechselrichter, mit der maximalen Leistung zu betreiben. Die Stränge können jedoch auch nur mittels einer einzigen MPPT-Steuerung geregelt sein. Bei einfachen Photovoltaikanlagen ist der Eingangskreis des jeweiligen Wechselrichters als MPPT-Regelung ausgestaltet. Im Prinzip könnte jedes Modul mit einer eigenen MPPT-Regelung versehen sein, der mit der MPPT-Regelung des betreffenden Strangs kommuniziert, um insgesamt eine Optimierung der Photovoltaikanlage zu erreichen. Dies wäre allerdings mit einem sehr hohen Schaltungs- und Regelungsaufwand verbunden.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Photovoltaikanlage, eine Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage und ein Verfahren zur Steuerung eine Photovoltaikanlage bereitzustellen, welche/welches die Effizienz einer Photovoltaikanlage erhöht und zudem kostenoptimiert konfigurieren werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Verbinden“ stets ein elektrisches Verbinden verstanden.
• Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Photovoltaikanlage mit mindestens einem Photovoltaikstrang, wobei jeder Photovoltaikstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist,
  wobei zumindest ein Photovoltaikmodul über einen Tiefsetzsteller in den Photovoltaikstrang eingebunden ist,
  wobei der Tiefsetzsteller dem Photovoltaikstrang eine Ausgangsspannung bereitstellt,
  wobei ein steuerbarer Überbrückungsschalter parallel zu dem Tiefsetzsteller angeschlossen ist,
  wobei der steuerbare Überbrückungsschalter geöffnet ist, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert ist, und
  wobei der steuerbare Überbrückungsschalter geschlossen ist, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, größer als der vorgegebene erste Spannungsgrenzwert ist.
• Der Vorteil des Einsatzes eines Überbrückungsschalters liegt dabei in der Möglichkeit einer entkoppelten Optimierung der Bauteile des Tiefsetzstellers und des Überbrückungsschalters für den Normalbetrieb und für den Verschattungsfall. Dabei ist der Überbrückungschalter für den Normalbetrieb geschlossen und der Überbrückungsschalter kann auf einen geringen Durchlasswiderstand und somit auf geringe ohmsche Verluste optimiert werden. Hierbei wird der Überbrückungschalter während des Normalbetriebs über Stunden nicht, oder nur selten geschaltet. Der Tiefsetzsteller hat dabei keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf die Verlustleistung, da nahezu der gesamte Strangstrom über den Überbrückungsschalter fließt und somit kaum Verlustleistung am Tiefsetzsteller entsteht. Im Verschattungsfall ist der Überbrückungschalter dagegen geöffnet und hat keinen Einfluss auf den Tiefsetzsteller. Die Bauteile des Tiefsetzstellers können somit auf geringe Schaltverluste während des Verschattungsfalls optimiert werden. Durch die Möglichkeit einer entkoppelten Optimierung können auch kostengünstige Bauteile für den Tiefsetzsteller und für den Überbrückungsschalter verwendet werden.
• Unter einer PV-Anlage wird im Sinne der Erfindung eine Solarstromanlage verstanden, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung von Sonnenenergie zu elektrischer Energie bezeichnet man als Photovoltaik.
• Die PV-Anlage besitzt zumindest zwei elektrische Kontakte beziehungsweise Eingänge, an die eine externe Last gekoppelt oder angeschlossen werden kann. Die PV-Anlage umfasst mindestens einem PV-Strang, in der Regel aber eine Mehrzahl von PV-Strängen, die zwischen den zwei Eingängen der PV-Anlage parallel zueinander geschaltet sind. Jeder PV-Strang umfasst mindestens einem PV-Modul, auch Solarmodul genannt, in der Regel aber eine Mehrzahl von PV-Modulen, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang des jeweiligen PV-Strangs in Serie hintereinander geschaltet sind. Die PV-Module bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einzelnen Solarzellen, welche hermetisch gekapselt, und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Handelsübliche PV-Module besitzen beispielsweise 60 in Serie geschaltete Solarzellen. Durch die Serienschaltung der Solarzellen, mit einer Spannung von nur etwa 0,5 V, und der Serienschaltung der PV-Module addiert sich die Spannung, die an der PV-Anlage zur Verfügung steht.
• Unter einem Tiefsetzsteller, auch Abwärtswandler oder Abwärtsregler genannt, versteht der Fachmann in der Elektronik eine Form von schaltendem Gleichspannungswandler. Der Tiefsetzsteller im Sinne der Erfindung weist zwei elektrische Eingangskontakte oder Eingänge auf, an die eine Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung angeschlossen oder gekoppelt wird. Außerdem weist der Tiefsetzsteller zwei elektrische Ausgangskontakte oder Ausgänge auf, an die eine Last angeschlossen oder gekoppelt wird. Die elektrischen Eingänge und Ausgänge sind jeweils als Anode und Kathode ausgebildet. Die Ausgangsspannung zwischen den zwei Ausgängen ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung am Tiefsetzsteller. Zudem weist der Tiefsetzsteller einen Tiefsetzstellerschalter auf. Der Tiefsetzstellerschalter, der meist als Transistor ausgebildet ist, wird von einer Steuerung regelmäßig ein- und ausgeschaltet oder mit anderen Worten geschlossen und geöffnet. Innerhalb des Tiefsetzstellers ist üblicherweise zwischen der Anode des Tiefsetzstellereingangs und der Anode des Tiefsetzstellerausgangs in Serie der Tiefsetzstellerschalter und eine Induktivität oder Spule angeschlossen. Außerdem ist parallel zur Spannungsquelle eine Diode angeschlossen. Die Diode ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, wobei die Anode der Diode an der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und die Kathode der Diode zwischen Tiefsetzstellerschalter und Induktivität anliegt. Außerdem ist die Kathode des Tiefsetzstellereingangs üblicherweise direkt mit der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs verbunden. Alternativ dazu kann auch zwischen der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs der Tiefsetzstellerschalter und die Induktivität in Serie angeschlossen sein, sowie die Anode der Diode zwischen Tiefsetzstellerschalter und Induktivität und die Kathode der Diode an der Anode des Tiefsetzstellereingangs anliegen. Dabei wäre dann die Anode des Tiefsetzstellereingangs direkt mit der Anode des Tiefsetzstellerausgangs verbunden. Zudem weist der Tiefsetzsteller üblicherweise auch eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs auf, also jeweils parallel zu den Tiefsetzstellereingängen und Tiefsetzstellerausgängen.
• Üblicherweise werden bei einem aktivierten Tiefsetzsteller einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzstellerschalter durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der angeschlossenen Spannungsquelle zur angeschlossenen Last transferiert. Die beiden Energiespeicher Spule und Kondensator ermöglichen die Versorgung der Last in den Phasen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule hält die höhere Eingangsspannung von der Last fern. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Tiefsetzstellerschalters eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt üblicherweise durch einen Regler, um Ausgangsspannung oder -strom auf einem gewünschten Wert zu halten. Während einer Einschaltzeit des Schalters fließt ein Laststrom durch die Spule und durch den Verbraucher und die Diode sperrt. Während der Ausschaltphase des Schalters wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode und aus dem Kondensator. Die Spule und der Kondensator bilden einen Tiefpass zweiter Ordnung. Die eigentliche Abwärtswandlung wird dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Der Wert des Gleichanteils kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden.
• Im Gegensatz zu den herkömmlichen PV-Anlagen mit Freilaufdioden parallel zu den PV-Modulen weist die erfindungsgemäße PV-Anlage mindestens ein PV-Modul auf, das über einen Tiefsetzsteller in den PV-Strang eingebunden ist. Eingebunden heißt in diesem Zusammenhang, dass das PV-Modul mit seinen zwei Eingangskontakten oder Eingängen (Anode und Kathode des PV-Moduls) nicht mehr direkt in Serie zu den anderen PV-Modulen in den PV-Strang angeschlossen ist, sondern über die Ausgänge des Tiefsetzstellers in Serie an die anderen PV-Module des PV-Strang angeschlossen ist. Dabei ist die Anode des PV-Moduleingangs an die Anode des Tiefsetzstellereingangs und Kathode des PV-Moduleingangs an die Kathode des Tiefsetzstellereingangs angeschlossen.
• Vorteilhafterweise wird nun ein steuerbarer Überbrückungsschalter parallel zu dem Tiefsetzsteller angeschlossen, üblicherweise also parallel zur Anode des Tiefsetzstellereingangs und zur Anode des Tiefsetzstellerausgangs. In einer alternativen Ausführungsform ist der steuerbare Überbrückungsschalter parallel zur Kathode des Tiefsetzstellereingangs und zur Kathode des Tiefsetzstellerausgangs angeschlossen. Für den Fall, dass sich das PV-Modul im Normalbetrieb befindet, also die Spannung zwischen den Eingängen des PV-Moduls größer als ein vorgegebener Spannungsgrenzwert ist, bleibt der Überbrückungsschalter geschlossen und das PV-Modul liefert seine Ausgangsleistung nicht über den Tiefsetzsteller, sondern direkt an den PV-Strang. Somit tritt keine Verlustleistung am Tiefsetzsteller, im besonderen an der Induktivität des Tiefsetzstellers auf. Tritt jedoch der Fall der Teilabschattung auf und fällt die Spannung des PV-Moduls unter den ersten Schwellwert ab, so wird der Überbrückungsschalter geöffnet. Dadurch wird der Tiefsetzsteller aktiviert, wodurch sich dessen Ausgangsspannung erhöht.
• Vorteilhafterweise ist ein Kondensator parallel zu den zwei Eingängen des PV-Modul geschaltet. Durch das Zusammenspiel dieses Kondensators mit der Induktivität sowie Kapazität des Tiefsetzstellers wird die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers vergleichmäßigt, was sich vorteilhaft auf einen störungsfreien Betrieb auswirkt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tiefsetzsteller über einen steuerbaren Tiefsetzstellerschalter aktivierbar. Aktivierbar heißt in diesem Zusammenhang, dass der Tiefsetzstellerschalter nicht geschlossen oder geöffnet bleibt, sondern in kurzen zeitlichen Abständen abwechselnd geöffnet und geschlossen wird um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers an den PV-Strang anzupassen. Vorzugsweise liegt die Schaltfrequenz des Tiefsetzstellerschalters in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz, also einer Schaltzyklusdauer zwischen 1 µs und 10 µs. Der Tiefsetzsteller ist nach der Aktivierung über einen steuerbaren Tiefsetzstellerschalter auch wieder deaktivierbar beziehungsweise ist nicht mehr aktiviert, wenn der Tiefsetzstellerschalter geschlossen oder geöffnet bleibt. Die Aktivierung des Tiefsetzstellerschalters erfolgt für den Fall, dass die Spannung am Photovoltaikmodul unter den ersten Schwellwert absinkt. Hierbei wird der Überbrückungsschalter geöffnet. Bei der Aktivierung spricht die Diode des Tiefsetzstellers an und der Tiefsetzstellerschalter wird abwechselnd geöffnet und geschlossen. Durch das Ein- und Ausschalten beginnt der Tiefsetzsteller zu arbeiten, wodurch dessen Ausgangsspannung erhöht wird. Üblicherweise werden nach der Aktivierung des Tiefsetzstellers während des Verschattungsfall einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzstellerschalter durchgeführt. Bei einem auf geringe Schaltverluste optimierten Tiefsetzstellerschalter kann die Verlustleistung somit deutlich reduziert werden. Die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des Tiefsetzstellers erfolgt üblicherweise während des Verlaufs eines Tages nur für sehr wenige Zyklen, beispielsweise bei jeder Suche nach dem globalen Maximum-Power-Point (MPP) alle 5 bis 10 Minuten. Aufgrund der Sonnenbahn und des dabei auftretenden Schattenverlaufs ist der Tiefsetzsteller maximal 50 % der Tageszeit aktiv. Daraus ergeben sich an einem typischen Sommertag mit etwa 16 Stunden Sonnenscheindauer nur etwa 200 Aktivierungen beziehungsweise Deaktivierungen des Tiefsetzstellerschalters, die mit eben so vielen Schaltzyklen des Überbrückungsschalters einher gehen. Durch die geringe Anzahl an Schaltzyklen des Überbrückungsschalters sind die Schaltverluste am Überbrückungsschalter vernachlässigbar. Ist der Tiefsetzstellerschalter deaktiviert, erzeugt der Tiefsetzstellerschalter keine Schaltverluste und ein auf geringe ohmsche Verluste optimierter und geschlossener Überbrückungsschalter liefert kaum zusätzliche Verlustleistung. Im Vergleich zu konventionellen PV-Modulen mit MPPT im Dauerbetrieb sinkt somit die Verlustenergie im PV-Modul und die Energieeffizienz steigt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der steuerbare Tiefsetzstellerschalter durch eine Tiefsetzstellersteuerung gesteuert beziehungsweise geregelt.
• Vorzugsweise wird die Tiefsetzstellersteuerung durch einen Mikroprozessor ausgeführt, mittels derer der steuerbare Tiefsetzstellerschalter gesteuert wird, um die Ausgangsleistung des PV-Moduls zu maximieren, wenn ein Abfall der Spannung des PV-Moduls unter den vorgegebenen Wert detektiert wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der steuerbare Überbrückungsschalter durch eine Überbrückungsschaltersteuerung gesteuert beziehungsweise geregelt. Vorzugsweise wird die Überbrückungsschaltersteuerung ebenfalls durch einen Mikroprozessor ausgeführt, mittels derer der steuerbare Überbrückungsschalter gesteuert oder geregelt wird. Hierbei können die Tiefsetzstellersteuerung und die Überbrückungsschaltersteuerung durch denselben Mikroprozessor konfiguriert und ausgeführt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene erste Spannungsgrenzwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt auf und der aktivierte Tiefsetzsteller erhöht die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schaltet der steuerbare Tiefsetzstellerschalter bei aktiviertem Tiefsetzsteller periodisch, um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers in geeigneter Weise angepasst werden, um die Ausgangsleistung des teilabgeschatteten PV-Moduls an den PV-Strangstrom des PV-Moduls anzupassen und seine Leistung abzugeben, ohne die anderen PV-Module im PV-Strang zu beeinflussen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steuert die Tiefsetzstellersteuerung den steuerbaren Tiefsetzstellerschalter und die Überbrückungsschaltersteuerung steuert den steuerbaren Überbrückungsschalter, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren. Dabei ist die Tiefsetzstellersteuerung mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet. Durch das MPPT kann die Ausgangsleistung des PV-Moduls bei Teilabschattung in optimaler Weise angepasst werden, um die Ausgangsleistung des PV-Moduls bei vorgegebenem Strangstrom zu maximieren.
• Alternativ dazu steuert nur die Tiefsetzstellersteuerung den steuerbaren Tiefsetzstellerschalter oder nur die Überbrückungsschaltersteuerung steuert den steuerbaren Überbrückungsschalter um die Ausgangsleistung des PV-Moduls zu maximieren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein Strangstrom und ein Modulstrom durch das PV-Modul überwacht und der steuerbare Überbrückungsschalter ist geschlossen, wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom und dem Modulstrom unter einen bestimmten Stromgrenzwert absinkt. Die Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom stellt eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann oder durch die Mindestausschaltzeit eines Transistors bei der eingeschalteten Tiefsetzstellersteuerung des Tiefsetzstellerschalters durch die Bauteile vorgegeben ist. Wird der Modulstrom annähernd gleich groß wie der Strangstrom, so befindet wird das PV-Modul im Normalbetrieb versetzt und eine Aktivierung des Tiefsetzstellerschalters ist nicht mehr nötig. Bei Deaktivierung des Tiefsetzsteller wird auch der Überbrückungsschalter wieder geschlossen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom in einem Bereich von kleiner 1% bis zu einer Abweichung von kleiner als 10%. Dabei kann es sich etwa um eine Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom von 10%, bevorzugt von 5% und besonders bevorzugt von 1% handeln.
• In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der steuerbare Überbrückungsschalter geschlossen, wenn das Tastverhältnis des steuerbaren Tiefsetzstellerschalters größer als ein bestimmter Tastverhältnisgrenzwert ist.
• Dabei ist das Tastverhältnis des steuerbaren Tiefsetzstellerschalters der Anteil der Zeit während einer vorgegebenen Zeitdauer, bei welcher der Tiefsetzstellerschalter geschlossen ist. Das Tastverhältnis wird als dimensionslose Zahl in Prozent angegeben und kann zwischen 0 % und 100 % liegen. Dabei kann es sich etwa um einen Tastverhältnisgrenzwert handeln, der vorzugsweise größer als 80%, weiter bevorzugt größer als 85% und besonders bevorzugt größer als 90% beträgt. Übersteigt das Tastverhältnis des Tiefsetzstellerschalters mindestens 80%, wird der steuerbare Überbrückungsschalter und je nach Ausführungsform falls möglich, der Tiefsetzstellerschalter dauerhaft geschlossen, so dass sich das betreffende PV-Modul wie ein normales PV-Modul ohne Tiefsetzsteller verhält. Das PV-Modul weist daher in diesem Zustand auch eine Kennlinie wie ein herkömmliches PV-Modul auf, das lediglich mit einer Freilaufdiode ausgerüstet ist.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jeder Photovoltaikstrang über einen MPPT-Regler mit einer Last koppelbar. Dabei stellt der MPPT-Regler des PV-Strangs bei Teilabschattung einen Strangstrom ein, bei dem die Diode leitfähig wird. So detektiert die Steuerung bzw. der Mikroprozessor eines PV-Moduls des PV-Strangs, dass die Spannung des PV-Moduls kleiner einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert wird und öffnet seinen Tiefsetzstellerschalter und den Überbrückungsschalter. Der vorgegebene Spannungsgrenzwert kann dabei auch kleiner null sein. Somit stellt sich am PV-Modul bzw. dem dazu parallel geschalteten Kondensator eine Leerlaufspannung ein. Durch gezieltes periodisches Schalten des Tiefsetzstellerschalters bei geöffnetem Überbrückungsschalter kann nun die Spannung am Ausgang des Tiefsetzstellers wieder erhöht werden, um dem PV-Modul die maximal mögliche Leistung zu entnehmen. Hierzu wird vorzugsweise eine MPPT-Regelung verwendet. Auch bei der Regelung, über die jeder PV-Strang mit der Last, etwa dem Wechselrichter, verbunden ist, handelt es sich vorzugsweise um einen MPPT-Regler.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MPPT-Regler des Photovoltaikstrangs mit jeder Tiefsetzstellersteuerung jedes Photovoltaikmoduls gekoppelt, um die Leistung des Photovoltaikstrangs zu maximieren. Hierzu wird vorzugsweise der optimale Strangstrom an die Steuerung jedes Tiefsetzstellers kommuniziert, um so die Strangleistung zu maximieren. Um nur die Modulsteuerung der teilabgeschatteten PV-Module in den Schaltzustand zu versetzen, versucht die Regelung des Strangs einen möglichst kleinen Strangstrom, das heißt eine möglichst große Systemspannung bei maximaler Leistung zu erreichen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der steuerbare Überbrückungsschalter als selbst leitender Schalter ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass im Normalbetrieb keine Spannung und kein Strom notwendig sind, um den Schalter durchzuschalten. Zudem ergeben sich im Normalbetrieb durch die geringen Schaltzyklen kaum Schaltverluste. So ergibt sich ein energiesparender Betrieb mit einer geringen Bauteilbelastung.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der steuerbare Tiefsetzstellerschalter für kurze Schaltzeiten ausgelegt und der geschlossene steuerbare Überbrückungsschalter weist einen geringen elektrischen Widerstand auf. Alternativ dazu ist nur der steuerbare Tiefsetzstellerschalter für kurze Schaltzeiten ausgelegt oder nur der steuerbare Überbrückungsschalter weist einen geringen elektrischen Widerstand auf.
• Bei PV-Modulen, die mit Tiefsetzsteller aber ohne parallelen Überbrückungsschalter ausgestattet sind, stellt sich die Auslegung des Tiefsetzstellerschalters als sehr schwierig dar. Um ein solches PV-Modul für den Normalbetrieb, also ohne Verschattung zu optimieren, sollten die ohmschen Verluste des geschlossenen oder eingeschalteten Tiefsetzstellerschalters möglichst gering sein. Soll das PV-Modul dagegen für den Verschattungsfall optimiert werden, muss ein Tiefsetzstellerschalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit und somit kurzen Schaltzeiten verwendet werden um geringe Schaltverluste zu erzeugen. Für den Einsatz als Tiefsetzstellerschalter kommt zum Beispiel ein Transistor mit PMOS oder NMOS Technologie in Frage. Dabei schaltet ein PMOS Transistor bei gleichem Widerstand im leitenden Zustand langsamer als ein NMOS Transistor. Soll ein PMOS Transistor dagegen ähnlich schnell schalten wie ein NMOS Transistor, so ergibt sich für den PMOS Transistor im leitenden Zustand ein höherer Widerstand als beim NMOS Transistor. Daher ist der Einsatz eines NMOS Transistors bevorzugt zu verwenden. Allerdings kann ein NMOS Transistor für bestimmte Ausführungsformen und Verschaltungen nicht zum dauerhaften Schließen des Schalters eingesetzt werden, wie zum Beispiel als Schalttransistor beim Tiefsetzsteller zwischen der Anode des Tiefsetzstellereingangs und der Induktivität. Um einen möglichst ausgewogene Konfiguration zwischen Normalbetrieb und Verschattungsfall zu erreichen, muss der Tiefsetzstellerschalter demnach ein hochwertiges Bauteil darstellen, welches möglichst hohe Schaltgeschwindigkeiten besitzt und dennoch im geschlossenen Zustand geringe ohmsche Verluste besitzt.
• Mit dem Einsatz eines PV-Moduls mit Tiefsetzsteller und parallelem Überbrückungsschalter kann das beschriebene Optimierungsproblem zwischen Normalbetrieb und Verschattungsfall entkoppelt und für beide Betriebsarten gesondert optimiert werden. Für den Normalbetrieb ist dabei der Überbrückungsschalter durchgängig geschlossen und Schaltverluste am Überbrückungsschalter sind vernachlässigbar. Der Tiefsetzstellerschalter ist im Normalbetrieb gar nicht aktiviert und liefert keine Verlustleistung. Somit kann der Überbrückungsschalter auf niedrige ohmsche Verluste optimiert werden, zum Beispiel durch Einsatz eines niederohmigen, aber langsam schaltenden PMOS Transistor.. Im Verschattungsfall ist der Überbrückungsschalter für die Zeit der Verschattung geöffnet und erzeugt ebenso keine Schaltverluste. Im Verschattungsfall ist der Tiefsetzstellerschalter aktiviert und wird dabei mit hoher Schaltgeschwindigkeit abwechselnd geschlossen und geöffnet. Dabei kann der Tiefsetzstellerschalter auf geringe Schaltverluste optimiert werden, zum Beispiel durch Einsatz eines NMOS Transistors. Hierbei kann der NMOS Schalttransistor mit einer gängigen Ansteuerung betrieben werden, da der Tiefsetzstellerschalter nicht dauerhaft geschlossen werden muss, sondern nur getaktet betrieben wird. Für die dauerhafte Überbrückung ist dabei der Überbrückungsschalter zuständig und optimal ausgelegt. Somit kann durch Einsatz eines Überbrückungsschalters mit geringen ohmschen Verlusten im geschlossenen Zustand und durch Einsatz eines Tiefsetzstellerschalters mit geringen Schaltverlusten das PV-Modul sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Verschattungsfall optimiert sein.
• Neben dem Überbrückungsschalter und dem Tiefsetzstellerschalter können auch die Bauteile des Tiefsetzstellers im Hinblick auf eine kostengünstige Auslegung optimiert sein. Dabei können zum Beispiel durch die höhere Taktfrequenz am Tiefsetzstellerschalter Drosseln mit einem geringeren Kupferanteil oder aus Aluminium verwendet werden. Ebenso sind als Dioden Schottky-Dioden einsetzbar. Auch ist der Einsatz von bestehenden integrierter Schaltungen für Überbrückungsschalter und Tiefsetzsteller möglich.
• Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage mit einem Tiefsetzsteller,
  wobei die Photovoltaikanlage mindestens einem Photovoltaikstrang aufweist, wobei jeder Photovoltaikstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist,
  wobei der Tiefsetzsteller dem Photovoltaikstrang eine Ausgangsspannung bereitstellt,
  wobei ein steuerbarer Überbrückungsschalter parallel zu dem Tiefsetzsteller angeschlossen ist,
  wobei der steuerbare Überbrückungsschalter geöffnet ist, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert ist, und
  wobei der steuerbare Überbrückungsschalter geschlossen ist, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, größer als der vorgegebene erster Spannungsgrenzwert ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tiefsetzsteller der Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage dazu ausgebildet, eine Freilaufdiode eines Photovoltaikmoduls der Photovoltaikanlage zu ersetzen. Die Steuerschaltung kann somit als Nachrüstsatz für herkömmliche PV-Module mit paralleler Freilaufdiode eingesetzt werden. Dabei sind die Kontakte der Freilaufdiode in einem Standard-PV-Modul zur Umkonfiguration zugänglich, die Freilaufdiode ist entnehmbar und die Steuerschaltung ist an den für die Freilaufdiode vorgesehenen Kontakten einsetzbar.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage steuert die Tiefsetzstellersteuerung den steuerbaren Tiefsetzstellerschalter und die Überbrückungsschaltersteuerung steuert den steuerbaren Überbrückungsschalter, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren. Dabei ist die Tiefsetzstellersteuerung mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet. Durch das MPPT kann die Ausgangsleistung des PV-Moduls bei Teilabschattung in optimaler Weise angepasst werden, um die Ausgangsleistung des PV-Moduls bei vorgegebenem Strangstrom zu maximieren. Alternativ dazu steuert nur die Tiefsetzstellersteuerung den steuerbaren Tiefsetzstellerschalter oder nur die Überbrückungsschaltersteuerung steuert den steuerbaren Überbrückungsschalter um die Ausgangsleistung des PV-Moduls zu maximieren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage sind ein Strangstrom und ein Modulstrom durch das PV-Modul überwacht und der steuerbare Überbrückungsschalter ist geschlossen, wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom und dem Modulstrom unter einen bestimmten Stromgrenzwert absinkt. Die Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom stellt eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann oder durch die Mindestausschaltzeit eines Transistors bei der eingeschalteten Tiefsetzstellersteuerung des Tiefsetzstellerschalters durch die Bauteile vorgegeben ist. Wird der Modulstrom annähernd gleich groß wie der Strangstrom, so befindet wird das PV-Modul im Normalbetrieb versetzt und eine Aktivierung des Tiefsetzstellerschalters ist nicht mehr nötig. Bei Deaktivierung des Tiefsetzsteller wird auch der Überbrückungsschalter wieder geschlossen.
• Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft die Verwendung der Steuerschaltung wie oben beschrieben als Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage.
• Eine weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Photovoltaikanlage mit mindestens einem Photovoltaikstrang, wobei jeder Photovoltaikstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist, und wobei zumindest ein Photovoltaikmodul über einen Tiefsetzsteller in den Photovoltaikstrang eingebunden ist. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
• - Bereitstellen einer Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers für einen Photovoltaikstrang,
• - Öffnen eines parallel zu dem Tiefsetzsteller angeschlossenen, steuerbaren Überbrückungsschalters solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert ist, und
• - Schließen des steuerbaren Überbrückungsschalters solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, größer als der vorgegebene erster Spannungsgrenzwert ist.
• Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.
• Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
• Figurenliste
• 1 zeigt verschiedene vereinfachte Darstellungen von PV-Anlagen mit jeweils nur einem PV-Strang nach dem Stand der Technik;
• 2 zeigt eine vereinfachte Darstellungen einer PV-Anlagen mit nur einem PV-Strang in Verbindung mit einer MPPT-Regelung, die mit einem Wechselrichter gekoppelt ist;
• 3 zeigt schematische Schaltbilder eines PV-Moduls, welches über einen Tiefsetzsteller an den PV-Strang einer PV-Anlage angeschlossen ist;
• 4 zeigt schematische Schaltbilder eines PV-Moduls, welches über einen Tiefsetzsteller an den PV-Strang einer PV-Anlage angeschlossen ist und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Überbrückungsschalter parallel zum Tiefsetzsteller aufweist.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Die 1 zeigt vereinfachte Darstellungen von PV-Anlagen 10 mit jeweils nur einem PV-Strang 12 nach dem Stand der Technik. Der PV-Strang 12 weist dabei jeweils drei PV-Module 18A, 18B, 18C auf. Dabei liegt an allen PV-Anlagen 10 zwischen ihren Ausgängen eine Ausgangsspannung an, die einer Ausgangsspannung Vs des PV-Strangs entspricht.
• 1a zeigt eine PV-Anlage 10 ohne Maßnahmen gegen Verschattung oder des Ausfalls eines der PV-Module 18A, 18B, 18C. Dabei sind die PV-Module 18A, 18B, 18C zwischen den Ausgängen der PV-Anlage in Serie hintereinander angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vs des PV-Strangs ergibt sich aus der Summe der Spannungen V₁ , V₂ , V₃ an den Photovoltaikmodulen 18A, 18B, 18C. Die Modulströme I₁ , I₂ , I₃ an den PV-Modulen 18A, 18B, 18C entsprechen dabei alle dem Strangstrom Is. Fällt eines der PV-Module 18A, 18B, 18C durch Teilverschattung oder Störung aus, fällt der gesamte PV-Strang 12 aus und der PV-Strang 12 kann keine Ausgangsleistung bereitstellen.
• 1b zeigt eine PV-Anlage 10 mit in Serie angeordneten PV-Modulen 18A, 18B, 18C mit einer jeweils parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode 40A, 40B, 40C. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Verschattung oder Ausfalls eines oder mehrerer der PV-Module 18A, 18B, 18C, kann das betroffene PV-Modul oder ein Teil des Moduls über die jeweilige Freilaufdiode überbrückt werden. In dem gezeigten Beispiel ist das PV-Modul 18C gestört und wird über die Freilaufdiode 40C überbrückt. Das PV-Modul 18C fällt dabei komplett aus und liefert keine Ausgangsleistung mehr. Die Ausgangsspannung Vs des PV-Strangs ergibt sich somit aus der Summe der Spannungen V₁ , V₂ an den im Normalbetrieb arbeitenden Photovoltaikmodulen 18A, 18B. Die Modulströme I₁ , I₂ , an den Photovoltaikmodulen 18A, 18B und der Strom an der Freilaufdiode 40C entsprechen dabei alle dem Strangstrom Is. Somit fällt bei Ausfall eines der PV-Module 18A, 18B, 18C durch Verschattung oder Störung nicht der gesamte PV-Strang 12 aus.
• 1c zeigt eine PV-Anlage 10 mit in Serie angeordneten PV-Modulen 18A, 18B mit einer jeweils parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode 40A, 40B sowie ein PV-Modul 18C, das über einen Tiefsetzsteller 20 in Serie zu den PV-Modulen 18A, 18B angeordnet ist. Der Tiefsetzsteller 20 ist zwischen den Eingang und Ausgang des PV-Moduls 18C, dem Ausgang des PV-Moduls 18B und dem Ausgang des PV-Strangs 12 konfiguriert. In dem gezeigten Beispiel ist das PV-Modul 18C gestört und der Tiefsetzsteller 20 ist aktiviert. Das PV-Modul 18C liefert dabei eine reduzierte Ausgangsleistung Px' (Px' = Vx'·Is) an den PV-Strang 12. Die Ausgangsspannung Vs des PV-Strangs ergibt sich somit aus der Summe der Spannungen V₁ , V₂ an den im Normalbetrieb arbeitenden Photovoltaikmodulen 18A, 18B sowie Ausgangsspannung Vx' am Tiefsetzsteller 20. Die Modulströme I₁ , I₂ , an den Photovoltaikmodulen 18A, 18B und der Ströme an dem Ein- und Ausgang des Tiefsetzstellers 20 entsprechen dabei alle dem Strangstrom Is.
• Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer PV-Anlage 10. Im dargestellten Fall ist nur ein PV-Strang 12 gezeigt, der über eine Regelung 14 (Maximum-Power-Point-Tracker MPPT mit Mikrocontroller) mit einem Wechselrichter 16 gekoppelt ist, der die Last darstellt. Die PV-Anlage 10 weist in der Regel mehrere PV-Stränge 12 auf, die etwa parallel zueinander geschaltet sein können, wobei vorzugsweise jeder PV-Strang 12 eine eigene Regelung 14 aufweist. Die Regelung 14 kann auch in den Wechselrichter 16 integriert sein. Der Ausgang des Wechselrichters 16 kann unmittelbar mit einer Last gekoppelt sein oder mit dem Versorgungsnetz, um die Ausgangsleistung in dieses einzuspeisen. Jedes PV-Modul 18 ist ferner mit einem Tiefsetzsteller 20 gekoppelt, dessen Aufgabe und Funktionsweise im Folgenden anhand der 3 und 4 näher erläutert wird.
• Die 3 zeigt schematische Schaltbilder eines PV-Moduls 18, welches über einen Tiefsetzsteller 20 an den PV-Strang 12 einer PV-Anlage 12 angeschlossen ist. Der Tiefsetzsteller 20 wird dabei durch eine Tiefsetzstellersteuerung im MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) Modus betrieben.
• In den 3a und 3b besitzt ein PV-Modul 18 jeweils zwei elektrische Kontakte oder Eingänge. Parallel zu den zwei elektrischen Kontakten des PV-Moduls 18 ist ein Kondensator 22 angeschlossen. Die elektrischen Kontakte des PV-Moduls sind jeweils mit einem von zwei Eingangskontakten eines Tiefsetzstellers 20 verbunden, die als Anode 50 und Kathode 52 gekennzeichnet sind. Außerdem weist der Tiefsetzsteller 20 zwei elektrische Ausgangskontakte oder Ausgänge auf, die als Anode 54 und Kathode 56 gekennzeichnet sind. Die Ausgangsspannung Vx' zwischen den zwei Ausgängen des Tiefsetzstellers 20 ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung Vx am Tiefsetzsteller 20. Die Ausgangsspannung Vx' kann über ein Spannungsmessgerät 60 gemessen werden.
• In der 3a weist der Tiefsetzsteller 20 zwischen der Anode 50 am Tiefsetzstellereingang und der Anode 54 am Tiefsetzstellerausgang zunächst einen Tiefsetzstellerschalter 30A auf und in Serie eine Induktivität 28A. Der Tiefsetzstellerschalter 30A wird von einer Tiefsetzstellersteuerung 32 regelmäßig ein- und ausgeschaltet. Zwischen dem Kontaktpunkt 58A von Tiefsetzstellerschalter 30A und Induktivität 28A sowie der Kathode 52 des Tiefsetzstellereingangs ist eine Diode 26 angeschlossen. Die Diode 26 ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, also die Anode der Diode 26 an die Kathode 52 des Tiefsetzstellereingangs und die Kathode der Diode 26 an den Kontaktpunkt 58A. Zudem ist ein Kondensator 24 zwischen der Anode 54 und der Kathode 56 des Tiefsetzstellerausgangs angeschlossen. Außerdem ist die Kathode 52 des Tiefsetzstellereingangs direkt mit der Kathode 56 des Tiefsetzstellerausgangs verbunden.
• 3b stellt eine alternativen Ausführungsform von 3a dar. Dabei weist der Tiefsetzsteller 20 zwischen der Kathode 52 am Tiefsetzstellereingang und der Kathode 56 am Tiefsetzstellerausgang zunächst einen Tiefsetzstellerschalter 30B auf und in Serie eine Induktivität 28B. Der Tiefsetzstellerschalter 30B wird von einer Tiefsetzstellersteuerung 32 regelmäßig ein- und ausgeschaltet. Zwischen dem Kontaktpunkt 58B von Tiefsetzstellerschalter 30B und Induktivität 28B sowie der Anode 50 des Tiefsetzstellereingangs ist eine Diode 26 angeschlossen. Die Diode 26 ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, also die Anode der Diode 26 an den Kontaktpunkt 58B und die Kathode der Diode 26 an die Anode 50 des Tiefsetzstellereingangs. Zudem ist ein Kondensator 24 zwischen der Anode 54 und der Kathode 56 des Tiefsetzstellerausgangs angeschlossen. Außerdem ist die Anode 50 des Tiefsetzstellereingangs direkt mit der Anode 54 des Tiefsetzstellerausgangs verbunden.
• Die 4 zeigt schematische Schaltbilder eines PV-Moduls 18, welches über einen Tiefsetzsteller an den PV-Strang 12 einer PV-Anlage 10 angeschlossen ist und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Überbrückungsschalter 34A oder 34B parallel zum Tiefsetzsteller aufweist. 4a weist zunächst ein identischen Aufbau des schematischen Schaltbildes von 3a auf. Zusätzlich ist aber parallel zu dem Tiefsetzsteller 20 über die Anode 50 des Tiefsetzstellereingangs und der Anode 54 des Tiefsetzstellerausgangs ein Überbrückungsschalter 34A angeschlossen. Der Überbrückungsschalter 34A wird von einer Überbrückungsschaltersteuerung 36 gesteuert. 4b weist wiederum ein identischen Aufbau des schematischen Schaltbildes von 3b auf und stellt eine alternative Ausführungsform von 4a dar. Hierbei ist zusätzlich parallel zu dem Tiefsetzsteller 20 über die Kathode 52 des Tiefsetzstellereingangs und der Kathode 56 des Tiefsetzstellerausgangs ein Überbrückungsschalter 34B angeschlossen. Der Überbrückungsschalter 34B wird von der Überbrückungsschaltersteuerung 36 gesteuert. Die Tiefsetzstellersteuerung 32 wie auch die Überbrückungsschaltersteuerung 36 wird vorzugsweise durch Mikroprozessoren umgesetzt. Hierbei können die Tiefsetzstellersteuerung 32 und die Überbrückungsschaltersteuerung 36 auch durch denselben Mikroprozessor konfiguriert und ausgeführt werden um die Schaltungskomplexität des PV-Moduls 18 niedrig zu halten und um kostengünstige Bauteile verwenden zu können.
• Der Tiefsetzsteller 20 ist über den Tiefsetzstellerschalter 30A oder in der alternativen Ausführungsform über den Tiefsetzsteller 30B aktivierbar. Im aktivierten Zustand des Tiefsetzstellers 20 wird der Tiefsetzstellerschalter 30A oder 30B in kurzen zeitlichen Abständen abwechselnd geöffnet und geschlossen, um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers 20 an den PV-Strang 12 anzupassen. Dabei wird im Regelfall der Tiefsetzstellerschalter 30A oder 30B periodisch geöffnet und geschlossen, um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers 20 zu erhöhen. Der Tiefsetzsteller 20 wird für den Verschattungsfall aktiviert und die Aktivierung erfolgt über die Tiefsetzstellersteuerung 32. Zur Maximierung der Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers 20 wird die Tiefsetzstellersteuerung 32 dabei häufig mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) betrieben. Für den Verschattungsfall muss gleichzeitig zur Aktivierung des Tiefsetzstellers 20 auch der Überbrückungsschalter 34A oder in der alternativen Ausführungsform der Überbrückungsschalter 34B geöffnet werden. Für den Normalbetrieb wird der Tiefsetzsteller 20 deaktiviert, was bedeutet dass der Tiefsetzstellerschalter 30A oder 30B geöffnet oder geschlossen bleibt. Für den Normalbetrieb muss gleichzeitig zur Deaktivierung des Tiefsetzstellers auch der Überbrückungsschalter 34A oder in der alternativen Ausführungsform der Überbrückungsschalter 34B geschlossen werden. Das Öffnen und Schließen der Überbrückungschalter 34A oder 34B wird von der Überbrückungsschaltersteuerung 36 gesteuert oder geregelt.
• Für den Wechsel des PV-Moduls 18 zwischen Normalbetrieb und Verschattungsfall versetzen die Tiefsetzstellersteuerung 32 und die Überbrückungsschaltersteuerung 36 wie oben beschrieben zum Zeitpunkt des Wechsels ihre zu steuernde oder zu regelnde Schalter in den jeweils anderen Zustand. Zur Bestimmung des Zeitpunkts für einen Wechsel zwischen Normalbetrieb und Verschattungsfall wird dabei von der Tiefsetzstellersteuerung 32 und der Überbrückungsschaltersteuerung 36 die Ausgangsspannung Vx' des Tiefsetzstellers 20 zum Beispiel über das Spannungsmessgerät 60 überwacht und mit einem festgelegten Spannungsgrenzwert V_G verglichen. Bei einem Wechsel des aktuellen Meßwertes über- oder unterhalb des Spannungsgrenzwertes V_G erfolgt dann ein Wechsel in den jeweils anderen Zustand durch die Tiefsetzstellersteuerung 32 und die Überbrückungsschaltersteuerung 36. Dabei kann ein aktueller Meßwert oberhalb von einem Spannungsgrenzwertes V_G gleich 0V den Zustand des Normalbetriebs und ein aktueller Meßwert unterhalb oder gleich diesem Spannungsgrenzwert den Verschattungsfall anzeigen.
• Neben der Überwachung des Spannungsgrenzwertes V_G können die Tiefsetzstellersteuerung 32 und die Überbrückungsschaltersteuerung 36 auch die Differenz zwischen Strangstrom Is und Ix messen und mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert I_G vergleichen, um eine zuätzliche Entscheidungsregel für das Detektieren des Normalbetriebes oder des Verschattungsfalles zu konfigurieren. Alternativ zur Messung des Stromgrenzwertes kann auch das Tastverhältnis des Tiefsetzstellerschalters 30A oder 30B gemessen und mit einem Tastverhältnisgrenzwert W verglichen werden.
• Für eine möglichst effiziente und verlustleistungsarme Konfiguration des PV-Moduls 18 wird ein selbst leitender Überbrückungsschalter 34A oder 34B eingesetzt, der im geschlossen Zustand einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. Für den Tiefsetzstellerschalter 30A oder 30B wird vorzugsweise ein Schalter mit geringen Schaltzeiten und Schaltverlusten verwendet. Auch die Diode 26, die Induktivität 28A oder 28B und die Kondensatoren 22 und 24 werden für geringe Schaltzeiten und Schaltverluste ausgelegt und können durch kostengünstige Bauteile realisiert werden.
• Bezugszeichenliste

10

Photovoltaikanlage

12

Photovoltaikstrang

14

MPPT-Regler Photovoltaikstrang

16

Wechselrichter Photovoltaikstrang

18

Photovoltaikmodul

18A, 18B, 18C

Photovoltaikmodule eines Photovoltaikstrangs

20

Tiefsetzsteller

22

Kondensator Photovoltaikmodul

24

Kondensator Tiefsetzsteller im positiven Strompfad

26

Diode

28A

Induktivität im positiven Strompfad

28B

Induktivität im negativen Strompfad

30A

Tiefsetzstellerschalter im positiven Strompfad

30B

Tiefsetzstellerschalter im negativen Strompfad

32

Tiefsetzstellersteuerung

34A

Überbrückungsschalter im positiven Strompfad

34B

Überbrückungsschalter im negativen Strompfad

36

Überbrückungsschaltersteuerung

40A, 40B, 40C

Freilaufdioden

50

Anode Tiefsetzstellereingang

52

Kathode Tiefsetzstellereingang

54

Anode Tiefsetzstellerausgang

56

Kathode Tiefsetzstellerausgang

58A, 58B

Kontaktpunkte

60

Spannungsmessgerät

Vx

Spannung am Photovoltaikmodul

V₁, V₂, V₃

Spannungen an den Photovoltaikmodulen 18A, 18B, 18C

Vx'

Ausgangsspannung am Tiefsetzsteller

Vs

Ausgangsspannung am PV-Strang

Is

Strangstrom

Ix

Modulstrom

I₁, I₂, I₃

Modulströme an den Photovoltaikmodulen 18A, 18B, 18C

Px'

Ausgangsleistung

V_G

Spannungsgrenzwert

I_G

Stromgrenzwert

W

Tastverhältnisgrenzwert

Claims (16)

1. Photovoltaikanlage (10), mit mindestens einem Photovoltaikstrang (12), wobei jeder Photovoltaikstrang (12) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul (18) über einen Tiefsetzsteller (20) in den Photovoltaikstrang (12) eingebunden ist, wobei der Tiefsetzsteller (20) dem Photovoltaikstrang (12) eine Ausgangsspannung (Vx') bereitstellt, wobei ein steuerbarer Überbrückungsschalter (34A, 34B) parallel zu dem Tiefsetzsteller (20) angeschlossen ist, wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geöffnet ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert (V_G) ist, und wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geschlossen ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, größer als der vorgegebene erste Spannungsgrenzwert (V_G) ist.
2. Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 1, wobei der Tiefsetzsteller (20) über einen steuerbaren Tiefsetzstellerschalter (30A, 30B) aktivierbar ist.
3. Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 2, wobei der steuerbare Tiefsetzstellerschalter (30A, 30B) durch eine Tiefsetzstellersteuerung (32) gesteuert wird.
4. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) durch eine Überbrückungsschaltersteuerung (36) gesteuert wird.
5. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene erste Spannungsgrenzwert (V_G) einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist und der aktivierte Tiefsetzsteller (20) die Ausgangsleistung (Px') des Tiefsetzstellers (20) erhöht.
6. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Tiefsetzstellerschalter (30A, 30B) bei aktiviertem Tiefsetzsteller (20) periodisch schaltet, um die Ausgangsleistung (Px') des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen.
7. Photovoltaikanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Tiefsetzstellersteuerung (32) den steuerbaren Tiefsetzstellerschalter (30A, 30B) steuert und/oder die Überbrückungsschaltersteuerung (36) den steuerbaren Überbrückungsschalter (34A, 34B) steuert, um die Ausgangsleistung (Px') des Photovoltaikmoduls zu maximieren und die Tiefsetzstellersteuerung (32) mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet ist.
8. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Strangstrom (Is) und ein Modulstrom (Ix) durch das Photovoltaikmodul überwacht sind und der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geschlossen ist, wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom (Is) und dem Modulstrom (Ix) unter einen bestimmten Stromgrenzwert absinkt (I_G).
9. Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 8, wobei die Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom in einem Bereich von kleiner 1% bis zu einer Abweichung von kleiner als 10% liegt.
10. Photovoltaikanlage (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geschlossen ist, wenn das Tastverhältnis des steuerbaren Tiefsetzstellerschalters (30A, 30B) größer als ein bestimmter Tastverhältnisgrenzwert (W) ist.
11. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Photovoltaikstrang (12) über einen MPPT-Regler (14) mit einer Last (16) koppelbar ist.
12. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) als selbst leitender Schalter ausgebildet ist.
13. Photovoltaikanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Tiefsetzstellerschalter (30A, 30B) für kurze Schaltzeiten ausgelegt ist und/oder der geschlossene steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
14. Steuerschaltung für eine Photovoltaikanlage (10) mit einem Tiefsetzsteller (20), wobei die Photovoltaikanlage (10) mindestens einem Photovoltaikstrang (12) aufweist, wobei jeder Photovoltaikstrang (12) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, wobei der Tiefsetzsteller (20) dem Photovoltaikstrang (12) eine Ausgangsspannung (Vx') bereitstellt, wobei ein steuerbarer Überbrückungsschalter (34A, 34B) parallel zu dem Tiefsetzsteller (20) angeschlossen ist, wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geöffnet ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert (V_G) ist, und wobei der steuerbare Überbrückungsschalter (34A, 34B) geschlossen ist, solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, größer als der vorgegebene erster Spannungsgrenzwert (V_G) ist.
15. Steuerschaltung nach Anspruch 14, wobei der Tiefsetzsteller (20) dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode eines Photovoltaikmoduls (18) der Photovoltaikanlage (10) zu ersetzen.
16. Verfahren zur Steuerung einer Photovoltaikanlage (10) mit mindestens einem Photovoltaikstrang (12), wobei jeder Photovoltaikstrang (12) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, und wobei zumindest ein Photovoltaikmodul (18) über einen Tiefsetzsteller (20) in den Photovoltaikstrang (12) eingebunden ist, das Verfahren mit den Schritten: - Bereitstellen einer Ausgangsspannung (Vx') des Tiefsetzstellers (20) für einen Photovoltaikstrang (12), - Öffnen eines parallel zu dem Tiefsetzsteller (20) angeschlossenen, steuerbaren Überbrückungsschalters (xx) solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert (V_G) ist, und - Schließen des steuerbaren Überbrückungsschalters (34A, 34B) solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt, größer als der vorgegebene erster Spannungsgrenzwert (V_G) ist.

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