DE102017115000A1 - Photovoltaic unit, photovoltaic system, method for operating a photovoltaic unit and method for operating a photovoltaic system - Google Patents

Photovoltaic unit, photovoltaic system, method for operating a photovoltaic unit and method for operating a photovoltaic system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit (1) mit einem Photovoltaikmodul (2), einem regelbaren Aufwärtswandler (3) sowie einer Regelungseinheit (9). Die Regelungseinheit (9) regelt den Aufwärtswandler (3) so, dass dieser resonant betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten (1), wobei jede Photovoltaikeinheit (1) ein Photovoltaikmodul (2) und einen regelbaren Aufwärtswandler (3) umfasst. Die Photovoltaikeinheiten (1) sind mit den jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler (3) parallel verschaltet. Entsprechende Betriebsverfahren werden ebenfalls aufgezeigt.

Figure DE102017115000A1_0000
The invention relates to a photovoltaic unit (1) with a photovoltaic module (2), an adjustable boost converter (3) and a control unit (9). The control unit (9) controls the boost converter (3) so that it is operated resonantly. Furthermore, the invention relates to a photovoltaic system with a plurality of photovoltaic units (1), wherein each photovoltaic unit (1) comprises a photovoltaic module (2) and a variable boost converter (3). The photovoltaic units (1) are connected in parallel with the respective output sides of the boost converter (3). Corresponding operating methods are also shown.
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Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit mit einem Photovoltaikmodul, sowie ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit beziehungsweise eines Photovoltaiksystems der genannten Art.The invention relates to a photovoltaic unit with a photovoltaic module, as well as a photovoltaic system with a plurality of photovoltaic units. Furthermore, the invention relates to a method for operating a photovoltaic unit or a photovoltaic system of the type mentioned.

Die Strahlungsenergie der Sonne soll möglichst effizient durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie gewandelt werden. Diese elektrische Energie soll gespeichert und/oder in nutzbare elektrische Energie gewandelt werden. Aufgrund eines Preisverfalls bei Photovoltaikmodulen werden mittlerweile auch Anwendungen mit nicht-idealer Ausrichtung kommerziell interessant. Dabei können Photovoltaikmodule in einer Anlage mit unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlichem Verschattungsgrad kombiniert werden.The radiation energy of the sun should be converted as efficiently as possible by photovoltaic cells into electrical energy. This electrical energy is to be stored and / or converted into usable electrical energy. Due to a decline in the price of photovoltaic modules, applications with non-ideal alignment are now becoming commercially interesting. This photovoltaic modules can be combined in a system with different orientation and varying degrees of shading.

Mittlerweile gehört es zum Standard, dass private sowie öffentliche Gebäude (zum Beispiel Einfamilien-, Mehrfamilienhäuser, öffentliche Gebäude und Industrieanlagen) mit Photovoltaikanlagen ausgestattet werden. Dabei wird zunächst die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischer Energie mittels Photovoltaikzellen gewandelt. Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Konzepte für Photovoltaikanlagen. Gemäß einem Konzept werden größere Photovoltaikanlagen (zum Beispiel Anlagen mit einer Peakleistung von größer 1 kWp) derzeit in sogenannte Photovoltaikstrings unterteilt. Dabei wird eine Vielzahl (zum Beispiel zwischen 6 und 14) von Photovoltaikmodulen in Reihe geschaltet. Die einzelnen Photovoltaikmodule bestehen ebenfalls aus in Reihe geschalteten einzelnen Photovoltaikzellen. Üblicherweise werden viele Photovoltaikzellen innerhalb eines Photovoltaikmoduls in Serie geschaltet, um eine möglichst effiziente Nutzung der elektrischen Energie zu ermöglichen. Dadurch entstehen Photovoltaikstrings mit teilweise über 100 in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen.It is now standard practice for private as well as public buildings (for example single-family homes, multi-family dwellings, public buildings and industrial plants) to be equipped with photovoltaic systems. First, the radiant energy of the sun is converted into electrical energy by means of photovoltaic cells. There are currently two different concepts for photovoltaic systems. According to one concept, larger photovoltaic plants (for example plants with a peak power of more than 1 kWp) are currently divided into so-called photovoltaic strings. It is a variety (for example, between 6 and 14 ) connected in series by photovoltaic modules. The individual photovoltaic modules also consist of series-connected individual photovoltaic cells. Typically, many photovoltaic cells are connected in series within a photovoltaic module in order to allow the most efficient use of electrical energy. This creates photovoltaic strings with partly over 100 series photovoltaic cells.

Ein Nachteil derartiger Photovoltaikstrings besteht darin, dass die Performance eines Photovoltaikstrings aufgrund der Serienschaltung von der schwächsten Photovoltaikzelle (das heißt von der Photovoltaikzelle mit dem niedrigsten Energieertrag) bestimmt wird. Werden nun eine oder mehrere Photovoltaikzellen verschattet beziehungsweise sehr geringer Strahlungsenergie ausgesetzt oder sind z.B. fehlerhaft, so wird der Arbeitspunkt aller in Reihe geschalteter Photovoltaikzellen negativ beeinflusst. Werden Photovoltaikanlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung (z.B. Süd, Ost, West) aufgebaut, müssen herkömmlich immer die Photovoltaikmodule gleicher Ausrichtung in einem Photovoltaikstring zusammengefasst werden. Anders gesagt sollten alle in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen bzw. Photovoltaikmodule eines Photovoltaikstrings möglichst gleichmäßig bestrahlt werden, um einer negativen Beeinflussung des Arbeitspunktes möglichst entgegenzuwirken.A disadvantage of such photovoltaic strings is that the performance of a photovoltaic string due to the series connection of the weakest photovoltaic cell (that is, of the photovoltaic cell with the lowest energy yield) is determined. If one or more photovoltaic cells are now shaded or exposed to very low radiant energy or are e.g. faulty, the operating point of all series-connected photovoltaic cells is negatively affected. If photovoltaic systems with different orientation (for example, south, east, west) are constructed, conventionally, the photovoltaic modules of the same orientation must always be combined in a photovoltaic string. In other words, all series-connected photovoltaic cells or photovoltaic modules of a photovoltaic string should be irradiated as uniformly as possible in order to counteract as far as possible a negative influence on the operating point.

Ferner wird bei derartigen Anlagen mit mehreren Photovoltaikstrings unterschiedlicher Ausrichtung jeder Photovoltaikstring in der Regel mit einem eigenen Wechselrichter betrieben. Dadurch werden die Wechselrichter der Anlagen in der Regel nur in einem Teillastbetrieb betrieben und haben einen schlechten Wandlungswirkungsgrad.Furthermore, in such systems with multiple photovoltaic strings of different orientation each photovoltaic string is usually operated with its own inverter. As a result, the inverters of the plants are usually operated only in a partial load operation and have a poor conversion efficiency.

Neben diesem Konzept größerer Photovoltaikanlagen existiert bisher ein weiteres Konzept zur Nutzung der Strahlungsenergie, das bisher bei sehr kleinen Anlagen genutzt wird, die meist nur aus einem Photovoltaikmodul bestehen. Dabei muss ein Wechselrichter für genau dieses einzelne Photovoltaikmodul eingesetzt werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei derartigen Anlagen ist somit relativ schlecht. Teilweise werden auch sogenannte Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker) eingesetzt, welche die elektrische Belastung einer Photovoltaikzelle oder eines Photovoltaikmoduls derart anpassen, dass der Photovoltaikzelle beziehungsweise dem Photovoltaikmodul die größtmögliche elektrische Leistung entnommen werden kann. Derartige leistungselektronische Schaltungen sind meist teuer und haben dennoch schlechte Teillastwirkungsgrade. Einzelne Modulwechselrichter haben in der Regel ebenfalls nur einen mäßigen Wirkungsgrad, sind teuer und erfüllen die technischen Anschlussvorschriften meist nicht.In addition to this concept of larger photovoltaic systems, there is yet another concept for the use of radiant energy, which has been used so far in very small systems, which usually consist of only one photovoltaic module. An inverter must be used for exactly this single photovoltaic module. The cost-benefit ratio of such systems is thus relatively poor. In some cases, so-called maximum power point trackers (MPP trackers) are used, which adjust the electrical load of a photovoltaic cell or a photovoltaic module such that the photovoltaic cell or the photovoltaic module, the maximum electrical power can be removed. Such power electronic circuits are usually expensive and still have low partial load efficiencies. Single modular inverters also usually have only a moderate efficiency, are expensive and usually do not meet the technical connection requirements.

Alle derzeit zur Verfügung stehenden Photovoltaikanlagen können ihre Energie ferner nur zum Zeitpunkt des Strahlungseinfalls zur Verfügung stellen und sind somit quellenabhängig. Eine Anpassung an den Verbrauch kann derzeit nur durch die Verwendung zusätzlicher Energiespeicher-Vorrichtungen erreicht werden. Durch diese zusätzlichen Speichersysteme werden die Wandlungsverluste einer Photovoltaikanlage nochmals deutlich erhöht.Furthermore, all currently available photovoltaic systems can provide their energy only at the time of the incidence of radiation and are thus source-dependent. Adaptation to consumption can currently only be achieved by the use of additional energy storage devices. These additional storage systems significantly increase the conversion losses of a photovoltaic system.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme und deren Betriebsverfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die eine Ausrichtung eines Photovoltaikmoduls nach den baulichen Erfordernissen ermöglichen, ohne Einschränkung aufgrund einer elektrischen Topologie der entsprechenden Anlage, und zudem einen verglichen mit herkömmlichen Lösungen verbesserten Wirkungsgrad erzielen. It is an object of the present invention to provide photovoltaic units or photovoltaic systems and their method of operation of the type mentioned, which allow alignment of a photovoltaic module according to the structural requirements, without limitation due to an electrical topology of the corresponding system, and also improved compared with conventional solutions efficiency achieve.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine Photovoltaikeinheit nach Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved according to a first aspect by a photovoltaic device according to claim 1.

Die Photovoltaikeinheit weist ein Photovoltaikmodul sowie einen regelbaren Aufwärtswandler auf. Der regelbare Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet. The photovoltaic unit has a photovoltaic module and a variable boost converter. The variable boost converter is configured to regulate a DC voltage of the photovoltaic module at an input side of the boost converter to a higher DC output voltage at an output side of the boost converter for controlled removal of electrical power provided by the photovoltaic module.

Ferner weist die Photovoltaikeinheit eine Regelungseinheit zum Regeln des Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit weist eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit ist eingerichtet, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird.Furthermore, the photovoltaic unit has a control unit for controlling the boost converter. The control unit has an input side for supplying signal values of at least one electrical variable of the photovoltaic unit and an output side for providing at least one control signal for actuating at least one switching means of the controllable up-converter. The control unit is set up to regulate by means of the at least one control signal in addition to a variable switching ratio also a switching frequency and / or a switching dead time of the at least one switching means such that the boost converter is operated resonantly.

Durch Einsatz eines derart resonant schaltenden Aufwärtswandlers kann der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Durch Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb, das heißt Betreiben des Aufwärtswandlers mit einer spezifischen (ggf. betriebspunkt-abhängigen) Schaltfrequenz bzw. Schalttotzeit (wie unten näher erläutert wird), wird erreicht, dass die dem Photovoltaikmodul entnommene Energie einen maximalen Wert annimmt. Durch eine entsprechende Regelung des Aufwärtswandlers stellt dieser somit den Strom des Photovoltaikmoduls derart ein, dass bei einer bestimmten gegebenen Strahlungsintensität der Energieertrag der Photovoltaikeinheit maximal wird. Auf diese Weise kann die Photovoltaikeinheit in einem individuellen, sich gegebenenfalls zeitlich veränderlichen, Arbeitspunkt betrieben werden, wodurch die Strahlungsenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Ein optimaler Arbeitspunkt wird vermittels der Regelung trotz sich verändernder Betriebsverhältnisse (tageszeitabhängige Strahlungsintensität bzw. sich ändernder Verschattungsgrad) stetig nachgeregelt, sodass der Aufwärtswandler stets resonant betrieben wird und den bestmöglichen Energieertrag des Photovoltaikmoduls gewährleistet. Auf diese Weise kann auch der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, in der eine solche Photovoltaikeinheit eingesetzt wird, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erheblich erhöht werden.By using such a resonant switching boost converter, the efficiency of the photovoltaic device can be kept very high over almost the entire work area. By controlling the boost converter in a resonant mode, ie operating the boost converter with a specific (possibly operating point-dependent) switching frequency or switching dead time (as will be explained in more detail below), it is achieved that the energy taken from the photovoltaic module assumes a maximum value. By an appropriate regulation of the up-converter, the latter thus adjusts the current of the photovoltaic module in such a way that, given a given radiation intensity, the energy yield of the photovoltaic unit becomes maximum. In this way, the photovoltaic unit can be operated in an individual, possibly temporally variable, operating point, whereby the radiation energy can be optimally converted into electrical energy with the highest efficiency. An optimal operating point is constantly readjusted by means of the control despite changing operating conditions (daytime-dependent radiation intensity or changing degree of shading), so that the boost converter is always operated resonantly and ensures the best possible energy yield of the photovoltaic module. In this way, the efficiency of a photovoltaic system, in which such a photovoltaic unit is used, can be significantly increased compared to conventional solutions.

Aufwendige MPP-Tracker können bei einer solchen Photovoltaikeinheit entweder gänzlich entfallen oder um das erläuterte Regelungskonzept erweitert werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit oder einer ganzen Photovoltaikanlage beziehungsweise deren Kosten-Nutzen-Verhältnis verbessert wird.Elaborate MPP tracker can be omitted in such a photovoltaic unit either entirely or be extended by the explained control concept, so that the efficiency of the photovoltaic unit or an entire photovoltaic system or their cost-benefit ratio is improved.

Die wenigstens eine elektrische Größe der Photovoltaikeinheit, die der Regelungseinheit an deren Eingangsseite zuführbar ist, kann beispielsweise eine elektrische Spannung beziehungsweise ein elektrischer Strom am Photovoltaikmodul und/oder eine Ausgangsspannung an der Ausgangsseite der Photovoltaikeinheit sein. Die Regelungseinheit kann vermittels des wenigstens einen Steuersignals ein veränderliches Schaltverhältnis des wenigstens einen Schaltmittels im Aufwärtswandler, zum Beispiel durch einen pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, vorgeben. Zusätzlich kann, wie erläutert, die Schaltfrequenz des wenigstens einen Schaltmittels variabel gestaltet werden, sodass diese regelbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Schalttotzeit des Schaltmittels geregelt werden. Die Schalttotzeit beschreibt hierbei eine Zeitspanne einer Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels zwischen den Schaltzuständen. Durch eine geregelte Schalttotzeit kann ein Schalten des Schaltmittels auf Zeitpunkte abgestimmt werden, in denen am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Das heißt, dass die Schalttotzeit eine geregelte Verzögerung des Schaltens vorgibt, wobei ein Schalten verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste im Schaltmittel minimiert werden. Ein steuerndes Eingreifen der Regelungseinheit zumindest in einen der Parameter Schaltfrequenz beziehungsweise Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels des Aufwärtswandlers neben dem veränderlichen Schaltverhältnis ermöglicht eine Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb mit den oben erläuterten Vorteilen.The at least one electrical variable of the photovoltaic unit, which can be fed to the control unit at its input side, can be, for example, an electrical voltage or an electrical current at the photovoltaic module and / or an output voltage at the output side of the photovoltaic unit. The control unit may, by means of the at least one control signal, predefine a variable switching ratio of the at least one switching means in the up-converter, for example by a pulse-width-modulated (PWM) signal. In addition, as explained, the switching frequency of the at least one switching means can be made variable so that it can be regulated. Alternatively or additionally, a switching dead time of the switching means can be regulated. The switching dead time in this case describes a period of a delay of the switching of the switching means between the switching states. By a controlled Schalttotzeit switching of the switching means can be tuned to timings in which the switching means, a voltage near zero (ideally zero) is reached. That is, the switching dead time provides a controlled delay of switching, with switching delayed until the switching means reaches a voltage near zero (ideally zero). In this way, switching losses in the switching means can be minimized. A controlling intervention of the control unit at least in one of the parameters switching frequency and switching dead time of the at least one switching means of the boost converter in addition to the variable switching ratio allows a regulation of the boost converter in a resonant mode with the advantages explained above.

Der resonant arbeitende Aufwärtswandler wird beispielsweise mit sehr hohen Schaltfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz betrieben. Dadurch ist es möglich, die passiven Bauteile der Leistungselektronik sehr kompakt auszuführen. Somit sind auch die Herstellungskosten des resonant arbeitenden Aufwärtswandlers deutlich günstiger als die derzeit verfügbaren Leistungselektroniken, zum Beispiel Wechselrichter, die für typische Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme eingesetzt werden.The resonant up-converter is operated, for example, with very high switching frequencies between 100 and 500 kHz. This makes it possible to make the passive components of the power electronics very compact. Thus, the manufacturing costs of the resonant up-converter are significantly cheaper than currently available power electronics, such as inverters, which are used for typical photovoltaic units or photovoltaic systems.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Photovoltaiksystem nach Patentanspruch 2 gelöst.The above object is achieved according to a second aspect by a photovoltaic system according to claim 2.

Das Photovoltaiksystem weist eine Vielzahl N von Photovoltaikeinheiten auf, wobei jede Photovoltaikeinheit ein Photovoltaikmodul und einen regelbaren Aufwärtswandler umfasst. Ein jeder regelbarer Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet. Die Photovoltaikeinheiten sind mit den jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel verschaltet.The photovoltaic system has a variety N of photovoltaic units, each one Photovoltaic unit comprises a photovoltaic module and a variable boost converter. Each controllable boost converter is configured to regulate DC voltage of the respective photovoltaic module at an input side of the respective boost converter to a higher output DC voltage at an output side of the respective boost converter for controlled extraction of electrical power provided by the respective photovoltaic module. The photovoltaic units are connected in parallel with the respective output sides of the boost converter.

Bei einem derartigen Photovoltaiksystem erhält somit jedes einzelne Photovoltaikmodul eine eigene Leistungselektronik (Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller), die in der Lage ist, den Arbeitspunkt des einzelnen Photovoltaikmoduls unabhängig von anderen Photovoltaikmodulen ideal einzustellen und somit den höchsten Energieertrag für jedes individuelle Photovoltaikmodul sicherzustellen, das heißt den Strom eines jeweiligen Photovoltaikmoduls derart einzustellen, dass bei gegebener Strahlungsintensität der Energieertrag jeweils maximal wird. Diese Leistungselektronik wird jedoch, nicht wie bisher üblich, als Wechselrichter ausgeführt, sondern als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller. Ein Aufwärtswandler hat einen deutlich besseren Wirkungsgrad als ein Wechselrichter. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. Jedes einzelne Photovoltaikmodul des Photovoltaiksystems kann somit in seinem individuellen, sich zeitlich veränderlichen Arbeitspunkt betrieben und geregelt werden, wodurch die Strahlungsenergie der Sonne optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann.In such a photovoltaic system thus receives each photovoltaic module own power electronics (boost converter or boost converter), which is able to adjust the operating point of each photovoltaic module independently of other photovoltaic modules ideal and thus ensure the highest energy yield for each individual photovoltaic module, that is Adjust current of a respective photovoltaic module such that at a given radiation intensity of the energy yield is maximum. However, this power electronics is not, as usual, designed as an inverter, but as a boost converter or boost converter. An up-converter has a much better efficiency than an inverter. In this way, the overall efficiency of the photovoltaic system compared to conventional solutions can be significantly increased. Each individual photovoltaic module of the photovoltaic system can thus be operated and regulated in its individual, time-varying operating point, whereby the radiation energy of the sun can be optimally converted into electrical energy with the highest efficiency.

Die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten wandeln die Gleichspannung eines jeweiligen Photovoltaikmoduls auf ein höheres Spannungsniveau an einer jeweiligen Ausgangsseite des entsprechenden Aufwärtswandlers. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Photovoltaikeinheiten mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel zu verschalten. Es ist somit bei dem Photovoltaiksystem der erläuterten Art nicht mehr notwendig, Photovoltaikmodule, wie bisher üblich, in Reihe zu verschalten, um eine entsprechend hohe Ausgangsspannung für eine weitere Verarbeitung (zum Beispiel durch einen oder mehrere Wechselrichter) zu erzielen. Somit entfallen auch die Nachteile einer Performanceeinbuße herkömmlicher Systeme aufgrund einer Serienschaltung von Photovoltaikmodulen, wie sie eingangs erläutert worden sind.The respective boost converters of the respective photovoltaic units convert the DC voltage of a respective photovoltaic module to a higher voltage level at a respective output side of the respective boost converter. This makes it possible in a simple manner to interconnect the photovoltaic units with their respective output sides of the boost converter in parallel. It is thus no longer necessary in the photovoltaic system of the type described, photovoltaic modules, as previously customary, connect in series in order to achieve a correspondingly high output voltage for further processing (for example by one or more inverters). Thus, the disadvantages of a performance penalty of conventional systems due to a series connection of photovoltaic modules, as they have been explained in the beginning, are also eliminated.

Im Gegenteil trägt bei einem Photovoltaiksystem der hier erläuterten Art ein jedes Photovoltaikmodul individuell zur Leistungsbereitstellung bei, ohne dass das Photovoltaiksystem auf die Performance des schwächsten Photovoltaikmoduls beziehungsweise eines schwächsten Photovoltaikstrings mit dem geringsten Energieertrag reduziert wird. Vielmehr wird der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems erhöht, weil der summierte Energieertrag sämtlicher Photovoltaikmodule trotz gegebenenfalls unterschiedlicher Strahlungsintensitäten beziehungsweise Verschattungsgrade aufgrund der Parallelschaltung der jeweiligen Photovoltaikmodule im Photovoltaiksystem Berücksichtigung findet. Wie erläutert, kann zudem durch die jeweiligen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten der Arbeitspunkt eines jeden Photovoltaikmoduls individuell eingestellt und nachgeregelt werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems weiter erhöht.On the contrary, in a photovoltaic system of the type described here, each photovoltaic module individually contributes to power delivery without the photovoltaic system being reduced to the performance of the weakest photovoltaic module or a weakest photovoltaic string having the lowest energy yield. Rather, the overall efficiency of the photovoltaic system is increased because the summed energy yield of all photovoltaic modules despite possibly different radiation intensities or shading due to the parallel connection of the respective photovoltaic modules in the photovoltaic system is taken into account. As explained, in addition, the operating point of each photovoltaic module can be individually adjusted and readjusted by the respective up-converter of the photovoltaic units, which further increases the overall efficiency of the photovoltaic system.

Die jeweiligen Aufwärtswandler können direkt in das jeweilige Photovoltaikmodul integriert sein und mit diesem eine gemeinsame Einheit bilden. Die so gebildeten Photovoltaikeinheiten können dann direkt mit den jeweiligen Ausgangseiten über zwei (oder mehr) Leiter parallel verschaltet werden.The respective boost converters can be integrated directly into the respective photovoltaic module and form a common unit with it. The photovoltaic units thus formed can then be connected in parallel directly to the respective output sides via two (or more) conductors.

In diversen Ausführungsformen umfasst das Photovoltaiksystem wenigstens einen Wechselrichter, wobei der wenigstens eine Wechselrichter mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten verschaltet ist zum Wandeln einer Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen Wechselrichters in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite des Wechselrichters. Der wenigstens eine Wechselrichter ist vorteilhaft für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt. Bei einer derartigen Implementierung des Photovoltaiksystems benötigt nicht jede Photovoltaikeinheit einen eigenen Wechselrichter. Herkömmlich teilweise eingesetzte Einzelmodulwechselrichter mit mäßigem bis schlechtem Wirkungsgrad entfallen somit bei dem hier erläuterten Photovoltaiksystem. Vielmehr werden ein oder mehrere Wechselrichter eingesetzt, die parallel zu den Photovoltaikeinheiten verschaltet sind und jeweils für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt sind.In various embodiments, the photovoltaic system comprises at least one inverter, wherein the at least one inverter is connected to an input side parallel to the photovoltaic units for converting a DC voltage at the input side of the at least one inverter into an AC voltage at an output side of the inverter. The at least one inverter is advantageous for a summed current consumption of a plurality M , With M greater than 1, designed by photovoltaic units. In such an implementation of the photovoltaic system, not every photovoltaic unit needs its own inverter. Conventionally partially used single-module inverters with moderate to poor efficiency thus omitted in the photovoltaic system described here. Rather, one or more inverters are used, which are connected in parallel with the photovoltaic units and in each case for a summed current consumption from a plurality M , With M greater than 1, are designed by photovoltaic units.

Durch eine derartige Modularisierung des Photovoltaiksystems, wobei jeweils ein Wechselrichter für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl von zum Wechselrichter parallel geschalteten Photovoltaikeinheiten ausgelegt ist, ist es möglich, die Auslastung eines einzelnen Wechselrichters zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Auf diese Weise arbeiten der oder die Wechselrichter statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich, selbst wenn die jeweiligen Energieerträge der Photovoltaikeinheiten zum Beispiel aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsenergie beziehungsweise eines unterschiedlichen Verschattungsgrades der jeweiligen Photovoltaikmodule schwanken. Dadurch werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag des Photovoltaiksystems deutlich gesteigert.By such a modularization of the photovoltaic system, wherein in each case an inverter is designed for a summed current consumption from a plurality of parallel to the inverter photovoltaic units, it is possible to increase the utilization of a single inverter and thus to achieve a very high overall conversion efficiency. In this way, the inverter or statistically more often work in a favorable for their efficiency range, even if the respective energy yields of the photovoltaic units for Example fluctuate due to a different radiation energy or a different degree of shading of the respective photovoltaic modules. This minimizes conversion losses and significantly increases the yield of the photovoltaic system.

In diversen Ausführungsformen des Photovoltaiksystems sind eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten gemäß der oben erläuterten Art ausgeführt. Das bedeutet, dass eine jeweilige Regelungseinheit in den jeweiligen Photovoltaikeinheiten eingerichtet ist, die gemäß der oben erläuterten Art das wenigstens eine Schaltmittel des jeweiligen Aufwärtswandlers derart regelt, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird. Idealerweise sind sämtliche Photovoltaikeinheiten des Photovoltaiksystems derart ausgeführt. Somit kann der Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten sowie letztlich des gesamten Photovoltaiksystems über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheiten und einem Teillastwirkungsgrad von über 98 %. Dagegen erreichen handelsübliche Leistungselektroniken in der Regel nur Wirkungsgrade von maximal 95 % im besten Arbeitspunkt. Ein derartiger Wirkungsgrad herkömmlicher Lösungen fällt bei Teillast sehr schnell unter 90 %.In various embodiments of the photovoltaic system, one or more of the photovoltaic units are designed according to the above-mentioned type. This means that a respective control unit is arranged in the respective photovoltaic units, which, according to the manner explained above, controls the at least one switching means of the respective boost converter in such a way that the boost converter is operated resonantly. Ideally, all the photovoltaic units of the photovoltaic system are designed in this way. Thus, the efficiency of the individual photovoltaic units and ultimately the entire photovoltaic system over almost the entire work area can be kept very high. Experiments resulted in an efficiency of more than 99% in the typical working range of the photovoltaic units and a partial load efficiency of over 98%. In contrast, commercially available power electronics usually only achieve efficiencies of up to 95% at the best operating point. Such efficiency of conventional solutions falls under part load very quickly below 90%.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit nach Patentanspruch 7 gelöst.The above object is achieved according to a third aspect by a method for operating a photovoltaic device according to claim 7.

Das Verfahren ist implementiert zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, wobei der Regelungseinheit Signalwerte wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit zugeführt werden und die Regelungseinheit wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers bereitstellt. Die Regelungseinheit regelt vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels, sodass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird.The method is implemented for operating a photovoltaic unit of the type described above, wherein the control unit is supplied with signal values of at least one electrical variable of the photovoltaic unit and the control unit provides at least one control signal for driving the at least one switching means of the variable boost converter. The control unit regulates by means of at least one control signal in addition to a variable switching ratio and a switching frequency and / or a switching dead time of the at least one switching means, so that the boost converter is operated resonantly.

Die Implementierung eines solchen Verfahrens hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit der entsprechend eingerichteten Photovoltaikeinheit beziehungsweise dem entsprechend eingerichteten Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren einer Photovoltaikeinheit kann auf diese Weise der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.The implementation of such a method has the advantages, as have been explained above in connection with the correspondingly equipped photovoltaic unit or the correspondingly equipped photovoltaic system. By such a method of operation of a photovoltaic unit, the efficiency over conventional solutions can be significantly increased in this way.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem vierten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach Patentanspruch 8 gelöst.The above object is achieved according to a fourth aspect by a method for operating a photovoltaic system according to claim 8.

Das Verfahren ist zum Betrieb eines Photovoltaiksystems der oben erläuterten Art implementiert, wobei die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen.The method is implemented for operating a photovoltaic system of the type discussed above, wherein the respective boost converters of the respective photovoltaic units independently set the respective photovoltaic modules individually to a specific operating point of power extraction.

Auch ein derartiges Verfahren hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit einem entsprechenden Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren eines Photovoltaiksystems kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.Such a method also has the advantages as described above in connection with a corresponding photovoltaic system. By such a method of operation of a photovoltaic system, the overall conversion efficiency compared to conventional solutions can be significantly increased.

In diversen Implementierungen des Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems wird der Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers variabel eingestellt. Jedoch wird der Wert der Ausgangsgleichspannung oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule erzeugten Gleichspannung eingestellt. Auf diese Weise kann der Betrieb des Photovoltaiksystems bezüglich der erzeugten Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel gestaltet werden. Dennoch ist es möglich, den maximalen Energieertrag des stärksten Photovoltaikmoduls (des Photovoltaikmoduls mit der höchsten erzeugten Gleichspannung) einzustellen.In various implementations of the method of operating a photovoltaic system, the value of the DC output voltage is variably set on an output side of a respective boost converter. However, the value of the DC output voltage is set above the value of the highest DC voltage generated by the photovoltaic modules. In this way, the operation of the photovoltaic system with respect to the generated output DC voltage of the respective boost converter can be made variable. Nevertheless, it is possible to set the maximum energy yield of the strongest photovoltaic module (the photovoltaic module with the highest DC voltage generated).

Die jeweiligen Aufwärtswandler des Photovoltaiksystems können in diversen Implementierungen des Verfahrens derart eingestellt beziehungsweise parametriert werden, dass die Ausgangsspannung der jeweiligen Aufwärtswandler nicht über ein entsprechendes Maximum steigen kann. Auf diese Weise wird die Ausgangsgleichspannung an den Ausgangsseiten der Aufwärtswandler begrenzt und die Gefahr einer Schädigung nachgeschalteter Komponenten, weiterer Komponenten in der Parallelschaltung des Photovoltaiksystems oder eines Betriebspersonals unterbunden. Prinzipiell ist die Ausgangsgleichspannung eines jeweiligen Aufwärtswandlers jedoch vorteilhaft, innerhalb der erläuterten Grenzen, variabel. Auf diese Weise kann die Parallelschaltung sämtlicher Photovoltaikeinheiten zum Beispiel an die Eigenschaften parallel verschalteter Wechselrichter oder Energiespeicher angepasst werden. Ferner ist denkbar, das Photovoltaiksystem auf einfache Weise modular mit weiteren Photovoltaikeinheiten zu ergänzen. Hierbei könnte die Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel angepasst werden, um ein modular erweitertes Photovoltaiksystem beziehungsweise eine Wechselrichtung der durch die Photovoltaikeinheiten bereitgestellten elektrischen Leistung zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz flexibel handzuhaben.The respective boost converters of the photovoltaic system can be set or parameterized in various implementations of the method such that the output voltage of the respective boost converter can not rise above a corresponding maximum. In this way, the DC output voltage is limited at the output sides of the boost converter and the risk of damage to downstream components, other components in the parallel connection of the photovoltaic system or an operating staff prevented. In principle, however, the output DC voltage of a respective boost converter is advantageous, within the limits explained, variable. In this way, the parallel connection of all photovoltaic units can be adapted, for example, to the characteristics of parallel-connected inverters or energy stores. It is also conceivable to supplement the photovoltaic system with other photovoltaic units in a simple manner in a modular manner. In this case, the output direct voltage of the respective boost converter could be variably adapted to a modularly extended photovoltaic system or an alternating direction of the through the photovoltaic units to flexibly handle the electrical power supplied for feeding into an AC grid.

In diversen Implementierungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems werden eine oder mehrere, oder vorteilhaft sämtliche, der Photovoltaikeinheiten gemäß einem Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, das heißt mit einem resonant betriebenen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheit, betrieben. Aufgrund eines resonanten Betriebes eines oder mehrerer oder sämtlicher Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten im Photovoltaiksystem kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems während des Betriebes, wie oben erläutert, nochmals erhöht werden.In various implementations of a method of operating a photovoltaic system, one or more, or advantageously all, of the photovoltaic units are operated in accordance with a method of operating a photovoltaic device of the type discussed above, that is, a resonant up-converter of the photovoltaic device. Due to a resonant operation of one or more or all of the up-converters of the photovoltaic units in the photovoltaic system, the overall conversion efficiency of the photovoltaic system during operation, as explained above, can be further increased.

Sämtliche Aspekte und Ausgestaltungen der Implementierungen der genannten Verfahren finden in strukturellen Merkmalen und Aspekten der oben erläuterten Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme Niederschlag und umgekehrt. Das bedeutet, dass sämtliche Implementierungen der Verfahren der oben erläuterten Art auf entsprechende Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme der oben erläuterten Art angewendet werden können. Umgekehrt können die Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme gemäß dem oben erläuterten Betriebsverfahren strukturell gemäß den oben erläuterten Photovoltaikeinheiten und Photovoltaiksystemen ausgeführt sein.All aspects and embodiments of the implementations of said methods are reflected in structural features and aspects of the above-explained photovoltaic units or photovoltaic systems and vice versa. This means that all implementations of the methods of the type described above can be applied to corresponding photovoltaic units or photovoltaic systems of the type explained above. Conversely, according to the operating method explained above, the photovoltaic units or photovoltaic systems can be designed structurally in accordance with the above-explained photovoltaic units and photovoltaic systems.

Weitere vorteilhafte Aspekte sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.Further advantageous aspects are disclosed in the associated subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with the aid of several drawings.

Es zeigen:

  • 1 eine schematisierte Darstellung einer Photovoltaikeinheit,
  • 2 eine schematisierte Darstellung einer Regelung einer Photovoltaikeinheit gemäß 1 und
  • 3 eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten gemäß 1.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a photovoltaic unit,
  • 2 a schematic representation of a control of a photovoltaic device according to 1 and
  • 3 a schematic representation of a portion of a photovoltaic system with a plurality of photovoltaic units according to 1 ,

1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Photovoltaikeinheit 1 mit einem Photovoltaikmodul 2 und einem Aufwärtswandler 3. Das Photovoltaikmodul 2 kann eine Vielzahl von seriell verschalteten Photovoltaikzellen aufweisen, die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie wandeln und somit eine elektrische Leistung am Photovoltaikmodul 2 bereitstellen. Auf diese Weise fällt am Photovoltaikmodul 2 eine charakteristische Gleichspannung U_in ab, wobei ein charakteristischer Gleichstrom I_in aus dem Photovoltaikmodul 2 entnehmbar ist. Diese elektrischen Größen des Photovoltaikmoduls 2 liegen an Eingangsanschlüssen des Aufwärtswandlers 3 an. 1 shows a schematic representation of a photovoltaic device 1 with a photovoltaic module 2 and a boost converter 3 , The photovoltaic module 2 can have a plurality of serially interconnected photovoltaic cells, the radiation energy of the sun convert into electrical energy and thus an electrical power at the photovoltaic module 2 provide. This is the case with the photovoltaic module 2 a characteristic DC voltage U_in starting with a characteristic direct current I_in from the photovoltaic module 2 is removable. These electrical sizes of the photovoltaic module 2 are at input terminals of the boost converter 3 at.

Der Aufwärtswandler 3 umfasst eine Spule beziehungsweise Induktivität 4, eine Diode 5, eine Speicher-Kapazität 6, sowie ein gesteuertes Schaltmittel 7. Das Schaltmittel 7 kann gemäß der Ausführungsform in 1 ein Halbleiterschalter (zum Beispiel MOSFET) sein. Das Schaltmittel 7 kann eine interne (parasitäre) Kapazität aufweisen, die gemeinsam mit der Induktivität 4 ein LC-resonantes Verhalten des Aufwärtswandlers 3 bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann eine zum Schaltmittel 7 parallel geschaltete Kapazität 7' (in 1 gestrichelt dargestellt) eingerichtet sein, vermittels der ein spezielles kapazitives Verhalten des Aufwärtswandlers 3 beeinflusst und das LC-resonante Verhalten vorgegeben wird. Der Aufwärtswandler 3 ist eingerichtet, die Gleichspannung U_in des Photovoltaikmoduls 2 an dessen Eingangsseite gesteuert in eine höhere Ausgangsgleichspannung U_out an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 zu wandeln. Durch gesteuertes Schalten des Schaltmittels 7 mit einem bestimmten Schaltverhältnis zwischen einer Einschaltphase und einer Ausschaltphase, die gemäß 1 über ein pulsweitengesteuertes Signal (PWM) gesteuert werden, sowie mit einer gesteuerten Schalttotzeit t_tot und einer gesteuerten Schaltfrequenz f_s kann elektrische Energie aus dem Photovoltaikmodul 2 in der Induktivität 4 zwischengespeichert werden und entsprechend über die Diode 5 in die Kapazität 6 geladen werden, welche die erhöhte Ausgangsgleichspannung U_out an der Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 vorhält.The up-converter 3 includes a coil or inductance 4 , a diode 5 , a storage capacity 6 , as well as a controlled switching means 7 , The switching means 7 can according to the embodiment in 1 a semiconductor switch (for example MOSFET). The switching means 7 may have an internal (parasitic) capacitance, which is common to the inductance 4 an LC-resonant behavior of the up-converter 3 is determined. Alternatively or additionally, one may be the switching means 7 parallel connected capacity 7 ' (in 1 dashed lines), by means of which a special capacitive behavior of the boost converter 3 influenced and the LC-resonant behavior is given. The up-converter 3 is set up, the DC voltage U_in the photovoltaic module 2 controlled at the input side in a higher DC output voltage U_out at an output side of the up-converter 3 to change. By controlled switching of the switching means 7 with a specific switching ratio between a switch-on phase and a switch-off phase, according to 1 can be controlled via a pulse width-controlled signal (PWM), as well as with a controlled switching dead time t_tot and a controlled switching frequency f_s, electrical energy from the photovoltaic module 2 in the inductance 4 be cached and according to the diode 5 in the capacity 6 which are the increased DC output voltage U_out at the output side of the boost converter 3 holds.

Durch Steuern des Schaltmittels 7 über die drei Parameter Schaltverhältnis PWM, Schalttotzeit t_tot und Schaltfrequenz f_s wird der Aufwärtswandler 3 derart geregelt, dass er mit einer charakteristischen Schaltfrequenz betrieben wird, so dass er resonant arbeitet. Auf diese Weise kann der aus dem Photovoltaikmodul 2 entnommene Strom I_in derart eingestellt werden, dass die transferierte Energie einen Maximalwert im jeweiligen Betriebspunkt beziehungsweise Arbeitspunkt des Photovoltaikmoduls 2 erreicht. Somit wird der Energieertrag des Photovoltaikmoduls 2 durch die genannte Regelung des Aufwärtswandlers 3 maximal beziehungsweise bestmöglich. Insbesondere bei zeitlich variierendem Arbeitspunkt, der unter anderem von der Strahlungsintensität, von der Temperatur am Photovoltaikmodul 2 und vom Typ des Photovoltaikmoduls 2 beziehungsweise der im Photovoltaikmodul 2 eingesetzte Photovoltaikzellen abhängt, kann auf diese Weise der Wirkungsgrad in jeder Betriebsphase des Photovoltaikmoduls 2, insbesondere bei tageszeit- und ausrichtungsabhängig variierender Strahlungsintensität optimal eingestellt werden.By controlling the switching means 7 The up-converter is set via the three parameters: switching ratio PWM, switching dead-time t_tot and switching frequency f_s 3 is controlled so that it is operated at a characteristic switching frequency, so that it operates resonantly. In this way, the from the photovoltaic module 2 taken current I_in be adjusted such that the energy transferred a maximum value in the respective operating point or operating point of the photovoltaic module 2 reached. Thus, the energy yield of the photovoltaic module 2 by said regulation of the up-converter 3 maximum or best possible. Especially with time varying operating point, among other things of the radiation intensity, of the temperature at the photovoltaic module 2 and the type of photovoltaic module 2 or in the photovoltaic module 2 used photovoltaic cells depends, can in this way the efficiency in each phase of operation of the photovoltaic module 2 be optimally adjusted, in particular with varying daytime and orientation-dependent varying radiation intensity.

Durch den Einsatz des resonant schaltenden Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 kann somit der Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheit 1 sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich und einem Teillastwirkungsgrad von über 98 %. By using the resonant switching boost converter 3 according to 1 Thus, the efficiency over almost the entire working range of the photovoltaic unit 1 be kept very high. Experiments resulted in an efficiency above 99% in the typical working range and a partial load efficiency of over 98%.

Die Parameter PWM, t_tot und f_s zur Ansteuerung des Schaltmittels 7 werden über eine entsprechende Regelungseinheit (in 1 nicht dargestellt, vergleiche hierzu 2) bereitgestellt. Die Regelungseinheit kann hierzu ein oder mehrere Steuersignale erzeugen, wobei die Parameter PWM, t_tot und f_s regelungsabhängig angepasst werden.The parameters PWM, t_tot and f_s for controlling the switching means 7 be via a corresponding control unit (in 1 not shown, compare this 2 ) provided. For this purpose, the control unit can generate one or more control signals, wherein the parameters PWM, t_tot and f_s are adjusted in a control-dependent manner.

Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform kann das Schaltmittel 7 mehrere Schaltelemente aufweisen, die über entsprechende Steuersignale mit den Parametern PWM, t_tot und f_s angesteuert werden zum geregelten Betreiben des Aufwärtswandlers 3 gemäß der erläuterten Art.Alternatively to the in 1 illustrated embodiment, the switching means 7 Have a plurality of switching elements, which are controlled via corresponding control signals with the parameters PWM, t_tot and f_s for the controlled operation of the up-converter 3 according to the explained type.

Die Schalttotzeit t_tot beschreibt eine Zeitspanne einer Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels 7 zwischen den Schaltzuständen. Die Schalttotzeit t_tot wird derart geregelt, dass ein Schalten des Schaltmittels 7 geregelt verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste minimiert werden.The switching dead time t_tot describes a period of delay of the switching of the switching means 7 between the switching states. The switching dead time t_tot is controlled such that switching of the switching means 7 is delayed controlled until the switching means, a voltage near zero (ideally zero) is reached. In this way switching losses can be minimized.

Durch eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 kann ein sehr hoher Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich des Photovoltaikmoduls 2 erzielt werden.Through a photovoltaic unit 1 according to 1 can be a very high efficiency over almost the entire working range of the photovoltaic module 2 be achieved.

2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Regelung für eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1. In 2 sind eine MPP-Tracker-Einheit 8 sowie eine Regelungseinheit 9 gezeigt. Die MPP-Tracker-Einheit 8 erhält an einer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in und I_in des Photovoltaikmoduls 2 (vergleiche Erläuterungen zu 1). Die MPP-Tracker-Einheit 8 berechnet aus diesen elektrischen Größen ein entsprechendes Betriebsverhalten des Photovoltaikmoduls 2, sodass das Photovoltaikmodul 2 idealerweise in einem Betrieb mit maximalem Energieertrag betrieben werden kann. Die MPP-Tracker-Einheit 8 kann beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers aufgebaut sein, der eine entsprechende Funktionalität bereitstellt. 2 shows a schematic representation of a control for a photovoltaic device 1 according to 1 , In 2 are an MPP tracker unit 8th as well as a control unit 9 shown. The MPP tracker unit 8th receives on an input side the electrical quantities U_in and I_in of the photovoltaic module 2 (See explanatory notes to 1 ). The MPP tracker unit 8th calculates a corresponding operating behavior of the photovoltaic module from these electrical variables 2 so that the photovoltaic module 2 ideally be operated in a plant with maximum energy yield. The MPP tracker unit 8th can be constructed, for example, in the form of a microcontroller, which provides a corresponding functionality.

Einstellungen bzw. Informationen (z.B. Steuerinformationen) der MPP-Tracker-Einheit 8 können in Form eines Steuersignals 10 an die Regelungseinheit 9 übergeben werden. Zum Beispiel kann das Steuersignal 10 einen Sollwert des Stroms I_in vorgeben. Die Regelungseinheit 9 erhält daneben an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 (vergleiche hierzu ebenfalls die Erläuterungen zu 1). Aus diesen elektrischen Größen berechnet die Regelungseinheit 9 schließlich die variablen Parameter PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß 1. Auf diese Weise ist gemäß 2 ein Regelungskonzept implementiert, das Vorzüge eines herkömmlichen MPP-Trackings mit einer hier erläuterten Resonanzregelung eines Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 kombiniert. Auf diese Weise kann für jeden Betriebszustand des Photovoltaikmoduls 2 ein optimaler Arbeitspunkt mit maximalem Energieertrag ermittelt werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 bestmöglich optimiert wird.Settings or information (eg control information) of the MPP tracker unit 8th can be in the form of a control signal 10 to the control unit 9 be handed over. For example, the control signal 10 specify a setpoint of the current I_in. The control unit 9 In addition, at its input side, the electrical quantities U_in, I_in and U_out of the photovoltaic unit are obtained 1 (See also the comments to 1 ). The control unit calculates from these electrical variables 9 Finally, the variable parameters PWM, t_tot and f_s for resonance control of the boost converter 3 according to 1 , This way is according to 2 implements a control concept, the advantages of a conventional MPP tracking with a resonance control of an up-converter explained here 3 according to 1 combined. In this way, for each operating state of the photovoltaic module 2 An optimal operating point with maximum energy yield can be determined, so that the efficiency of the photovoltaic unit 1 according to 1 optimized as best as possible.

Alternativ zur Ausführungsform gemäß 2 kann eine MPP-Tracker-Einheit 8 auch entfallen. In diesem Fall ist lediglich eine Regelungseinheit 9 vorgesehen, die an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 empfängt und die entsprechenden Regelungssignale PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 bestimmt.Alternatively to the embodiment according to 2 can be an MPP tracker unit 8th also omitted. In this case, there is only one control unit 9 provided on its input side, the electrical quantities U_in, I_in and U_out the photovoltaic unit 1 according to 1 receives and the corresponding control signals PWM, t_tot and f_s for resonance control of the up-converter 3 according to 1 certainly.

3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems, das eine Vielzahl von Photovoltaikeinheiten 1 gemäß 1 aufweist. Eine jede Photovoltaikeinheit 1 umfasst ein Photovoltaikmodul 2 sowie einen resonant geregelten Aufwärtswandler 3, wie sie zu 1 erläutert worden sind. Die Photovoltaikeinheiten 1 sind mit den entsprechenden Ausgangsseiten der jeweiligen Aufwärtswandler 3 über zwei Leiter S1 und S2 parallel verschaltet. Ferner weist das Photovoltaiksystem in der Ausführungsform gemäß 3 zwei Wechselrichter 11 auf zum Wandeln einer durch die Photovoltaikeinheiten 1 bereitgestellten Gleichspannung beziehungsweise eines bereitgestellten Gleichstroms in eine entsprechende Wechselspannung beziehungsweise einen Wechselstrom zum Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz. Hierzu sind die Wechselrichter 11 mit ihren jeweiligen Eingangsseiten an den Leitern S1 und S2 parallel zu den Photovoltaikeinheiten 1 verschaltet. Entsprechende Ausgangsseiten der Wechselrichter 11 sind mit entsprechenden Phasen beziehungsweise Leitern eines Wechselspannungsnetzes verschaltet. Konkret ist in 3 der linke Wechselrichter 11 mit der Phase L3, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet, während der rechte Wechselrichter 11 in 3 mit der Phase L2, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet ist. Somit bilden die Wechselrichter 11 in 3 sogenannte Einphasen-Wechselrichter. Alternativ zur Ausführungsform in 3 können auch Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt werden. Diese können zum Beispiel in sehr großen Photovoltaikanlagen Anwendung finden. 3 shows a schematic representation of a portion of a photovoltaic system comprising a plurality of photovoltaic units 1 according to 1 having. Every photovoltaic unit 1 includes a photovoltaic module 2 and a resonantly controlled boost converter 3 as they too 1 have been explained. The photovoltaic units 1 are with the corresponding output sides of the respective boost converter 3 over two conductors S1 and S2 connected in parallel. Further, the photovoltaic system in the embodiment according to 3 two inverters 11 to convert one through the photovoltaic units 1 provided DC voltage or a DC power provided in a corresponding AC voltage or an AC current for feeding into an AC voltage network. These are the inverters 11 with their respective entry sides at the ladders S1 and S2 parallel to the photovoltaic units 1 connected. Corresponding output sides of the inverter 11 are interconnected with corresponding phases or conductors of an AC voltage network. Is concrete in 3 the left inverter 11 with the phase L3 , the neutral conductor N and the protective conductor PE interconnected while the right inverter 11 in 3 with the phase L2 , the neutral conductor N and the protective conductor PE is interconnected. Thus, the inverters form 11 in 3 so-called single-phase inverters. Alternatively to the embodiment in FIG 3 Three-phase inverters can also be used. These can be used, for example, in very large photovoltaic systems.

Gemäß 3 kann jeweils ein Wechselrichter 11 für eine Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt und dimensioniert werden. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 11 für je vier bis acht Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt werden. Dabei ist vorteilhaft, die Wechselrichter 11 jeweils in der Mitte der entsprechenden Photovoltaikeinheiten 1 an die Leiter S1 und S2 anzuschließen, um den Querschnitt beziehungsweise die Stromtragfähigkeit der beiden Leiter S1 und S2 zu minimieren. Sind viele Photovoltaikeinheiten 1, wie in 3 der Fall, in den Photovoltaiksystem vorhanden, werden mehrere Wechselrichter 11 im Photovoltaiksystem verteilt, wobei die Wechselrichter 11, wie erläutert, auf verschiedenen Phasen des Wechselstromnetzes angeschlossen werden können. Sinnvollerweise sollte dies derart aufgeteilt werden, dass es der normalen Lastverteilung im lokalen Wechselstromnetz entspricht. Beispielsweise kann jeder Einphasen-Wechselrichter 11 gemäß 3 für eine maximale Leistung von 3,6 kVA ausgelegt sein und kann somit in jede Hausinstallation integriert werden. According to 3 can each be an inverter 11 for a majority M of photovoltaic units 1 used and dimensioned. For example, an inverter 11 for every four to eight photovoltaic units 1 be used. It is advantageous, the inverter 11 each in the middle of the corresponding photovoltaic units 1 to the ladder S1 and S2 connect to the cross section or the current carrying capacity of the two conductors S1 and S2 to minimize. Are many photovoltaic units 1 , as in 3 The case, present in the photovoltaic system, will be multiple inverters 11 distributed in the photovoltaic system, the inverters 11 as explained, can be connected to different phases of the AC mains. It makes sense that this should be split up to match the normal load distribution in the local AC grid. For example, any single-phase inverter 11 according to 3 be designed for a maximum power of 3.6 kVA and can thus be integrated into any domestic installation.

In größeren Photovoltaiksystemen, in denen mehr als drei Wechselrichter 11 arbeiten, können einzelne Wechselrichter 11 im Teillastbetrieb ausgeschaltet werden. Dies erhöht die Auslastung der verbliebenen Wechselrichter 11 und somit deren Wirkungsgrad.In larger photovoltaic systems, where more than three inverters 11 can work, individual inverters 11 be switched off in partial load operation. This increases the utilization of the remaining inverters 11 and thus their efficiency.

Schließlich ist bei dem Photovoltaiksystem gemäß 3 noch eine Energiespeicher-Vorrichtung 12 vorgesehen, die mit einer Eingangsseite über die beiden Leiter S1 und S2 zu den sonstigen Komponenten parallel verschaltet ist. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 weist in der Ausführungsform gemäß 3 ein Wechselrichter-Modul 13 auf zur Wechselrichtung der in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 gespeicherten elektrischen Energie zum Einspeisen in das Wechselspannungsnetz. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist über ihr Wechselrichter-Modul 13 mit der Phase L1, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE ausgangsseitig verschaltet. Das Wechselrichter-Modul 13 kann Aufgaben analog zu den sonstigen Wechselrichtern 11 übernehmen. Auf diese Weise können Wechselrichter 11 eingespart werden.Finally, in the photovoltaic system according to 3 another energy storage device 12 provided with an input side over the two conductors S1 and S2 is connected in parallel to the other components. The energy storage device 12 indicates in the embodiment according to 3 an inverter module 13 to the direction of change in the energy storage device 12 stored electrical energy for feeding into the AC voltage network. The energy storage device 12 is about her inverter module 13 with the phase L1 , the neutral conductor N and the protective conductor PE connected on the output side. The inverter module 13 can perform tasks analogous to the other inverters 11 take. In this way, inverters can 11 be saved.

In alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 auch lediglich ein Batteriemanagement ohne spezielle Leistungselektronik aufweisen. In dieser Ausführungsform kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 als Batterie zum Speichern elektrischer Energie aus den jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 dienen. In weiter alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 anstelle eines Wechselrichter-Moduls 13 ein Umrichter-Modul aufweisen, das mit einer oder mehreren Phasen L1 bis L3 des Wechselspannungsnetzes verbunden ist bzw. parallel zum Gleichspannungsnetz geschaltet ist. Durch ein derartiges Umrichter-Modul kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 bidirektional betrieben werden, d.h. einmal aus dem Gleichspannungsnetz S1, S2 und einmal aus dem Wechselspannungsnetz L1 bis L3, N, PE versorgt werden. Durch eine Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz kann beispielsweise elektrische Energie für den Betrieb von Komponenten, z.B. die Wechselrichter 11, bereitgestellt werden.In alternative embodiments, the energy storage device may 12 also have only a battery management without special power electronics. In this embodiment, the energy storage device 12 as a battery for storing electrical energy from the respective photovoltaic units 1 serve. In further alternative embodiments, the energy storage device 12 instead of an inverter module 13 a converter module having one or more phases L1 to L3 the AC voltage network is connected or connected in parallel to the DC voltage network. By such a converter module, the energy storage device 12 be operated bidirectionally, ie once from the DC network S1 . S2 and once from the AC mains L1 to L3 . N . PE be supplied. By a supply from the AC voltage network, for example, electrical energy for the operation of components, such as the inverter 11 , to be provided.

Die Platzierung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 erfolgt vorteilhaft nach den gleichen Kriterien, wie die Platzierung der Wechselrichter 11. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die Mindestladungsspannung knapp über der tiefsten Ausgangsgleichspannung an der Ausgangsseite der entsprechenden Aufwärtswandler 3 liegt. Auf diese Weise belastet die Energiespeicher-Vorrichtung 12 die Photovoltaikeinheiten 1 nicht unmittelbar bei dem niedrigst möglichen Energieertrag. Weiterhin ist das Photovoltaiksystem vorteilhaft derart dimensioniert, dass die maximale Ausgangsgleichspannung, die die jeweiligen Aufwärtswandler 3 zulassen, unter der Ladeschlussspannung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 durch eine überhöhte Ausgangsgleichspannung der Aufwärtswandler 3 zerstört wird oder Schaden nimmt. Weiterhin sollte der maximale Ladestrom der Energiespeicher-Vorrichtung 12 mindestens so bemessen sein, dass die Summe aller ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 nicht unterschritten wird. Auch auf diese Weise soll verhindert werden, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 Schaden nimmt.The placement of the energy storage device 12 advantageously takes place according to the same criteria as the placement of the inverter 11 , The energy storage device 12 is advantageously designed so that the minimum charge voltage just above the lowest DC output voltage on the output side of the corresponding boost converter 3 lies. In this way, the energy storage device charged 12 the photovoltaic units 1 not immediately at the lowest possible energy yield. Furthermore, the photovoltaic system is advantageously dimensioned such that the maximum output DC voltage that the respective boost converter 3 allow under the end-of-charge voltage of the energy storage device 12 lies. In this way it prevents the energy storage device 12 by an excessive output DC voltage of the boost converter 3 is destroyed or takes damage. Furthermore, the maximum charging current of the energy storage device should 12 be at least such that the sum of all the output-side currents of the boost converter 3 less the maximum currents of the inverters 11 not fallen below. Also in this way is to be prevented that the energy storage device 12 Takes damage.

Zudem sollte die Kapazität der Energiespeicher-Vorrichtung 12 so hoch liegen, dass das Integral der ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 über einen entsprechenden Zeitraum des höchsten Energieertrags erreicht wird, das heißt, dass die überschüssige gewandelte Energie der Photovoltaikeinheiten 1, die nicht durch die Wechselrichter 11 an das Wechselspannungsnetz abgegeben werden kann, in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 zwischengespeichert werden kann.In addition, the capacity of the energy storage device should 12 are so high that the integral of the output side currents of the boost converter 3 less the maximum currents of the inverters 11 is reached over a corresponding period of the highest energy yield, that is, the excess converted energy of the photovoltaic units 1 not through the inverter 11 can be delivered to the AC voltage network, in the energy storage device 12 can be cached.

Alternativ zu Ausführungsform in 3 sind natürlich mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art denkbar.Alternative to embodiment in 3 are of course several energy storage devices 12 the type explained conceivable.

Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Aufwärtswandler 3 eine Gleichspannung U_in der einzelnen Photovoltaikmodule 2 (vergleiche 1) in eine höhere ausgangsseitige Ausgangsgleichspannung wandeln, können die Photovoltaikeinheiten 1, wie in 3 dargestellt, parallel geschaltet werden. Eine Parallelschaltung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 hat gegenüber herkömmliche Architekturen den Vorteil, dass eine Serienschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 2 entfällt. Auf diese Weise entfallen auch Performanceeinbußen, wie sie bei herkömmlichen Lösungen auftreten, wenn die Performance des Photovoltaiksystems auf den geringsten Energieertrag eines oder mehrerer Photovoltaikmodule 2 beschränkt werden. Eine derartige Performanceeinbuße ist bei dem System gemäß 3 vermieden. Denn aufgrund der Parallelschaltung der Photovoltaikeinheiten 1 tragen in zeitlich variierenden Betriebszuständen beziehungsweise Arbeitspunkten der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsintensität beziehungsweise Ausrichtung der Photovoltaikeinheiten 1 dennoch sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 zu einem Gesamtenergieertrag des Systems bei, weil sich sämtliche aus den einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 entnommenen Ströme zu einem Gesamtstrom aufaddieren. Aufgrund der resonant arbeitenden Aufwärtswandler 3 der jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 wird zudem der jeweilige Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 weiter erhöht, sodass der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems gemäß 3 gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht wird.Due to the fact that the individual boosters 3 a DC voltage U_in the individual photovoltaic modules 2 (see 1 ) into a higher output-side DC output voltage, the photovoltaic units 1 , as in 3 shown, be connected in parallel. A parallel connection of the individual photovoltaic units 1 has the advantage over conventional architectures that a series connection of the individual photovoltaic modules 2 eliminated. In this way, also performance losses, as they occur in conventional solutions, when the performance of the photovoltaic system on the lowest energy yield of one or more photovoltaic modules 2 be limited. Such a performance penalty is in the system according to 3 avoided. Because of the parallel connection of the photovoltaic units 1 wear in time-varying operating conditions or operating points of the individual photovoltaic units 1 due to a different radiation intensity or orientation of the photovoltaic units 1 nevertheless all photovoltaic units 1 to a total energy yield of the system, because all of the individual photovoltaic units 1 Add the removed currents to a total current. Due to the resonant up-converter 3 the respective photovoltaic units 1 is also the respective efficiency of the individual photovoltaic units 1 further increased, so that the total conversion efficiency of the photovoltaic system according to 3 is increased compared to conventional solutions.

Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß 3 robust gegen Fehlerfälle einzelner Photovoltaikeinheiten 1. Fällt beispielsweise eine Photovoltaikeinheit 1 aus, so können die anderen Photovoltaikeinheiten 1 weiter betrieben werden. Es müssen ggf. lediglich Systemparameter wie die Ausgangsgleichspannungen der verbliebenen Photovoltaikeinheiten 1 bzw. Parameter der Wechselrichter 11 oder der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 nachjustiert werden.In addition, the photovoltaic system is according to 3 robust against failure of individual photovoltaic units 1 , For example, if a photovoltaic unit fails 1 out, so can the other photovoltaic units 1 continue to operate. It may only have system parameters such as the output DC voltages of the remaining photovoltaic units 1 or parameter of the inverter 11 or the energy storage devices 12 be readjusted.

Die Ausführungsform gemäß 3 zeigt neben den bisher erläuterten Komponenten noch eine Betriebsführungs-Komponente 14. Diese kann beispielsweise eine übergeordnete Regelung zur Ansteuerung der diversen Komponenten des Photovoltaiksystems gemäß 3 umfassen. Auf diese Weise ist eine intelligente Betriebsführung erzielbar, sodass das Photovoltaiksystem gemäß 3 an unterschiedliche und vor allem zeitlich variierende Verhältnisse flexibel anpassbar ist. Auch eine modulare Erweiterbarkeit des Photovoltaiksystems durch verschiedene der erläuterten Komponenten kann auf diese Weise flexibel gestaltet werden. Beispielsweise kann über die übergeordnete Betriebsführungs-Komponente 14 eine Anpassung der Ausgangsgleichspannungen der jeweiligen Aufwärtswandler 3 der Photovoltaikeinheiten 1 oder der Parameter der Wechselrichter 11 bzw. der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 je nach Bestückung und Auslastung des Photovoltaiksystems angepasst werden. Hier sind vielerlei Varianten denkbar.The embodiment according to 3 shows in addition to the previously discussed components nor a management component 14 , This can, for example, a higher-level control for controlling the various components of the photovoltaic system according to 3 include. In this way, an intelligent operation management can be achieved, so that the photovoltaic system according to 3 is flexibly adaptable to different and above all temporally varying conditions. Even a modular expandability of the photovoltaic system by means of various of the components explained can be made flexible in this way. For example, via the parent operating component 14 an adjustment of the output DC voltages of the respective boost converter 3 the photovoltaic units 1 or the parameter of the inverter 11 or the energy storage devices 12 be adapted according to the equipment and utilization of the photovoltaic system. Here are many variants conceivable.

Das Photovoltaiksystem gemäß 3 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit gemischter Ausrichtung der Photovoltaikeinheiten 1 sein. Beispielsweise können diverse Photovoltaikeinheiten 1 nach Süd, Ost oder West ausgerichtet sein. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 sind parallel verdrahtet. Am Morgen überwiegt die Einspeisung der östlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1, gegen Mittag tragen die östlich, westlich und überwiegend die südlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 und gegen Abend die westlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 zum Energieertrag des Photovoltaiksystems bei. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 werden durch die integrierten Aufwärtswandler 3 optimal ausgesteuert. Kombiniert man nun sämtliche Ausrichtungen kann man berechnen (zum Beispiel innerhalb einer intelligenten Betriebsführungs-Komponente 14), welche maximale Leistung zu erwarten ist. Die Anlage kann auf die kombinierte maximale Leistung ausgelegt werden. Dadurch erhält man über den Tag gesehen eine deutlich höhere Auslastung der Wechselrichter 11 und somit einen deutlich höheren Energieertrag gegenüber herkömmlichen Systemen, da die Wandlungsverluste bei höherer Auslastung deutlich geringer sind. Ist die maximale Erzeugungsleistung der Photovoltaikeinheiten 1 größer als der zeitgleiche minimale Verbrauch, können Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art in das System einfach integriert werden. Jedoch sollten diese vorteilhaft wegen der hohen Investitionskosten und der relativ hohen Lade- und Entladeverlust möglichst nur in extremen Betriebszuständen Verwendung finden.The photovoltaic system according to 3 For example, a photovoltaic system with mixed alignment of the photovoltaic units 1 be. For example, various photovoltaic units 1 be aligned to the south, east or west. All photovoltaic units 1 are wired in parallel. In the morning, the feed of the east-facing photovoltaic units predominates 1 At noon, the east, west and predominantly south-facing photovoltaic units carry 1 and in the evening the west-facing photovoltaic units 1 to the energy yield of the photovoltaic system. All photovoltaic units 1 be through the integrated boost converter 3 optimally controlled. Combining all orientations can be calculated (for example, within a smart operation component 14 ), which maximum performance is expected. The system can be designed for the combined maximum power. This gives you a significantly higher utilization of the inverter over the day 11 and thus a significantly higher energy yield compared to conventional systems, since the conversion losses are significantly lower at higher utilization. Is the maximum power of photovoltaic units 1 greater than the simultaneous minimum consumption, energy storage devices can 12 of the type explained are simply integrated into the system. However, because of the high investment costs and the relatively high charging and discharging loss, these should be used only in extreme operating conditions if possible.

Wie erläutert, sind bei dem Photovoltaiksystem gemäß 3 sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 weder direkt in Reihe geschaltet, noch mittels Modulwechselrichter auf Wechselspannungsseite parallel angeschlossen. Die Verknüpfung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt vielmehr gleichspannungsseitig über eine Parallelschaltung. Der Arbeitspunkt jedes einzelnen Photovoltaikmoduls 2 wird individuell mit dem jeweiligen Aufwärtswandler 3 eingestellt. Dieser Aufwärtswandler 3 wird resonant betrieben und erreicht dadurch einen sehr hohen Spitzenwirkungsgrad von mindestens 99 % und einen über einen weiten Arbeitsbereich nur gering abfallenden Wirkungsgrad, üblicherweise über 98 % im Arbeitsbereich zwischen 20 % und 100 % der Modulleistung. Die Wechselrichter 11 werden dann zentral so im Photovoltaiksystem platziert, dass die Querschnitte der Leiter minimiert werden können. Durch Modularisierung, das heißt Zuordnung einzelner Wechselrichter 11 zu einer Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1, ist es möglich, die Auslastung der einzelnen Wechselrichter 11 zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Die Nachrüstung mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 ist ohne Probleme möglich. Das System kann somit den wandelnden Anforderungen einfach angepasst werden.As explained, in the photovoltaic system according to 3 all photovoltaic units 1 neither directly connected in series, nor connected in parallel by means of a modular inverter on the AC side. The connection of the individual photovoltaic units 1 rather takes place on the DC side via a parallel connection. The operating point of each individual photovoltaic module 2 becomes individual with the respective up-converter 3 set. This up-converter 3 is operated resonantly and thereby achieves a very high peak efficiency of at least 99% and an over a wide working range only slightly decreasing efficiency, usually over 98% in the working range between 20% and 100% of the module capacity. The inverters 11 are then placed centrally in the photovoltaic system so that the cross sections of the conductors can be minimized. By modularization, that is, assignment of individual inverters 11 to a majority M of photovoltaic units 1 , it is possible the utilization of each inverter 11 increase and thus achieve a very high overall conversion efficiency. The retrofitting with energy storage devices 12 is possible without problems. The system can therefore be easily adapted to changing requirements.

Auf diese Weise kann bei einem Photovoltaiksystem gemäß 3 jede einzelne Photovoltaikeinheit 1 je nach baulichen Randbedingungen platziert werden. Eine besondere Ausrichtung, die von der elektrischen Topologie abhängig ist, ist nicht mehr nötig. Es treten im Photovoltaiksystem nur noch Spannungen im Bereich der Schutzgleichspannung auf, sodass das Photovoltaiksystem für Personen sicher ist.In this way, in a photovoltaic system according to 3 every single photovoltaic unit 1 be placed according to structural constraints. A special orientation that depends on the electrical topology is no longer necessary. Only voltages in the range of the protective DC voltage occur in the photovoltaic system, so that the photovoltaic system is safe for people.

Ferner ist beim Photovoltaiksystem gemäß 3 mit kombinierter Ausrichtung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 das Verhältnis von Spitzenleistung zum Mittelwert der Leistung deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Da die Wechselrichter 11 immer auf die Spitzenleistung ausgelegt werden müssen, sind die spezifischen Investitionskosten für die Wechselrichter 11 deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Gleichzeitig arbeiten die Wechselrichter 11 statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich. Auf diese Weise werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag der Anlage deutlich gesteigert.Furthermore, according to the photovoltaic system 3 with combined alignment of the individual photovoltaic units 1 the ratio of peak power to the mean value of the power significantly lower than in conventional solutions. Because the inverters 11 always have to be designed for peak performance, are the specific investment costs for the inverter 11 significantly lower than conventional solutions. At the same time, the inverters are working 11 statistically more often in a favorable for their efficiency range. In this way, conversion losses are minimized and the yield of the plant increased significantly.

Das Photovoltaiksystem gemäß 3 kann einfach mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 oder sonstigen Batteriespeichern kombiniert werden. Eine gesonderte Leistungselektronik für entsprechende Batteriespeicher ist nicht nötig (keine entsprechenden Investitionen, keine entsprechenden Wandlungsverluste).The photovoltaic system according to 3 Can easily with energy storage devices 12 or other battery storage can be combined. Separate power electronics for corresponding battery storage is not necessary (no corresponding investments, no corresponding conversion losses).

Ferner sind die Kosten für die nötigen Aufwärtswandler 3 sehr gering, da diese gemäß 1 eine der einfachsten leistungselektronischen Grundschaltungen darstellen und für jede Photovoltaikeinheit 1 in sehr hohen Stückzahlen gefertigt werden können.Further, the cost of the necessary up-converters 3 very low, as this according to 1 represent one of the simplest power electronic basic circuits and for each photovoltaic unit 1 can be manufactured in very high quantities.

Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß 3 eigensicher, da die einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 nur dann in den gemeinsamen Zwischenkreis (Leiter S1 und S2) speisen, wenn die Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 erhöht wird, da die ausgangsseitige Gleichspannung der Aufwärtswandler 3 immer über der Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 gehalten wird. Die Entkoppelung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt durch die jeweiligen Dioden 5 der Aufwärtswandler 3 (siehe 1). Das Photovoltaiksystem kann jederzeit erweitert werden.In addition, the photovoltaic system is according to 3 intrinsically safe, since the individual photovoltaic units 1 only in the common DC link (ladder S1 and S2 ) when the DC voltage of the photovoltaic modules 2 is increased, since the output side DC voltage of the boost converter 3 always above the DC voltage of the photovoltaic modules 2 is held. The decoupling of the individual photovoltaic units 1 takes place through the respective diodes 5 the up-converter 3 (please refer 1 ). The photovoltaic system can be extended at any time.

Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft.The illustrated embodiments are merely exemplary.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Photovoltaikeinheitphotovoltaic unit
22
Photovoltaikmodulphotovoltaic module
33
Aufwärtswandlerboost converter
44
Spule/InduktivitätCoil / inductance
55
Diodediode
66
Kapazitätcapacity
77
gesteuertes Schaltmittelcontrolled switching means
88th
MPP-Tracker-EinheitMPP tracker Unit
99
Regelungseinheitcontrol unit
1010
Steuersignal der MPP-Tracker-EinheitControl signal of the MPP tracker unit
1111
Wechselrichterinverter
1212
Energiespeicher-VorrichtungEnergy storage device
1313
Wechselrichter-ModulInverter Module
1414
Betriebsführungs-KomponenteBetriebsführungs component
U_inU_in
Gleichspannung eines PhotovoltaikmodulsDC voltage of a photovoltaic module
I_inI_in
Gleichstrom eines PhotovoltaikmodulsDC of a photovoltaic module
U_outu_out
Ausgangsgleichspannung einer PhotovoltaikeinheitDC output voltage of a photovoltaic unit
PWMPWM
PulsweitensignalPulse width signal
f_sf_s
Schaltfrequenzswitching frequency
t_tott_tot
Schalttotzeitswitching dead
S1S1
GleichspannungsleitungDC line
S2S2
GleichspannungsleitungDC line
L1L1
Phasephase
L2L2
Phasephase
L3L3
Phasephase
NN
Neutralleiterneutral
PEPE
Schutzleiterprotective conductor

Claims (10)

Photovoltaikeinheit (1), aufweisend: - ein Photovoltaikmodul (2), - einen regelbaren Aufwärtswandler (3) zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des Photovoltaikmoduls (2) an einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers (3) in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen Leistung, sowie - eine Regelungseinheit (9) zum Regeln des Aufwärtswandlers (3), wobei die Regelungseinheit (9) eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels (7) des regelbaren Aufwärtswandlers (3) aufweist, wobei die Regelungseinheit (9) eingerichtet ist, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird.Photovoltaic unit (1), comprising: - a photovoltaic module (2), - an adjustable boost converter (3) for the controlled conversion of a direct voltage of the photovoltaic module (2) at an input side of the boost converter (3) into a higher DC output voltage at an output side of the boost converter (3 ) for a controlled removal of an electrical power provided by the photovoltaic module (2), and a control unit (9) for controlling the boost converter (3), wherein the control unit (9) has an input side for supplying signal values of at least one electrical quantity (U_in, I_in, U_out) of the photovoltaic unit (1) and an output side for providing at least one control signal to Controlling at least one switching means (7) of the variable boost converter (3), wherein the control unit (9) is arranged by means of the at least one control signal in addition to a variable switching ratio (PWM) and a switching frequency (f_s) and / or a switching dead time (t_tot ) of the at least one switching means (7) such that the boost converter (3) is operated resonantly. Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl N von Photovoltaikeinheiten (1), wobei jede Photovoltaikeinheit (1) ein Photovoltaikmodul (2) und einen regelbaren Aufwärtswandler (3) umfasst, zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen Photovoltaikmoduls (2) an einer Eingangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen Leistung, wobei die Photovoltaikeinheiten (1) mit den jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler (3) parallel verschaltet sind.A photovoltaic system comprising a plurality N of photovoltaic units (1), each photovoltaic unit (1) comprising a photovoltaic module (2) and a variable boost converter (3) for the controlled conversion of a DC voltage of the respective photovoltaic module (2) at an input side of the respective boost converter (3 ) to a higher DC output voltage at an output side of the respective boost converter (3) for controlled removal of an electrical power provided by the respective photovoltaic module (2), the photovoltaic units (1) being connected in parallel with the respective output sides of the boosters (3). Photovoltaiksystem nach Anspruch 2, mit wenigstens einem Wechselrichter (11), wobei der wenigstens eine Wechselrichter (11) mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist zum Wandeln einer Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen Wechselrichters (11) in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite des Wechselrichters (11), und wobei der wenigstens eine Wechselrichter (11) für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten (1) ausgelegt ist.Photovoltaic system after Claim 2 , at least one inverter (11), wherein the at least one inverter (11) is connected to an input side parallel to the photovoltaic units (1) for converting a DC voltage at the input side of the at least one inverter (11) into an AC voltage at an output side of the Inverter (11), and wherein the at least one inverter (11) for a summed current consumption of a plurality M, with M greater than 1, of photovoltaic units (1) is designed. Photovoltaiksystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß Anspruch 1 ausgeführt sind.Photovoltaic system after Claim 2 or 3 , wherein one or more of the photovoltaic units (1) according to Claim 1 are executed. Photovoltaiksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit wenigstens einer Energiespeicher-Vorrichtung (12) zum Speichern von durch die Photovoltaikeinheiten (1) bereitgestellter elektrischer Energie, wobei die wenigstens eine Energiespeicher-Vorrichtung (12) mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist.Photovoltaic system according to one of the Claims 2 to 4 , with at least one energy storage device (12) for storing electrical energy provided by the photovoltaic units (1), wherein the at least one energy storage device (12) is connected to an input side parallel to the photovoltaic units (1). Photovoltaiksystem nach Anspruch 5, wobei die Energiespeicher-Vorrichtung (12) ein Umrichter-Modul aufweist zum Speichern elektrischer Energie aus einer Wechselspannung in die Energiespeicher-Vorrichtung (12) oder zum Wandeln einer in der Energiespeicher-Vorrichtung (12) gespeicherten Gleichspannung in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite der Energiespeicher-Vorrichtung (12).Photovoltaic system after Claim 5 wherein the energy storage device (12) comprises a converter module for storing electrical energy from an AC voltage in the energy storage device (12) or for converting a DC voltage stored in the energy storage device (12) into an AC voltage on an output side of Energy storage device (12). Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Regelungseinheit (9) Signalwerte wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) zugeführt werden und die Regelungseinheit (9) wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels (7) des regelbaren Aufwärtswandlers (3) bereitstellt, wobei die Regelungseinheit (9) vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) regelt, so dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird.Method for operating a photovoltaic unit (1) according to Claim 1 in that signal values of at least one electrical variable (U_in, I_in, U_out) of the photovoltaic unit (1) are supplied to the control unit (9) and the control unit (9) has at least one control signal for driving the at least one switching means (7) of the controllable boost converter (3). wherein the control unit (9) also controls a switching frequency (f_s) and / or a switching dead time (t_tot) of the at least one switching means (7) by means of the at least one control signal, in addition to a variable switching ratio (PWM), so that the boost converter (3 ) is operated resonantly. Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die jeweiligen Aufwärtswandler (3) der jeweiligen Photovoltaikeinheiten (1) unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule (2) individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen.Method for operating a photovoltaic system according to one of Claims 2 to 6 in which the respective boost converters (3) of the respective photovoltaic units (1) independently of one another set the respective photovoltaic modules (2) individually to a respective specific operating point of a power extraction. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers (3) variabel eingestellt wird, jedoch oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule (2) erzeugten Gleichspannung eingestellt wird.Method according to Claim 8 wherein the value of the DC output voltage is variably set on an output side of each boost converter (3), but set above the value of the highest DC voltage generated by the photovoltaic modules (2). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 7 betrieben werden.Method according to Claim 8 or 9 , wherein one or more of the photovoltaic units (1) according to a method according to Claim 7 operate.
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