DE102021201577A1

DE102021201577A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Betriebes von Photovoltaikmodulen

Info

Publication number: DE102021201577A1
Application number: DE102021201577.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ringer
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: DE102021201577B4

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes von Photovoltaikmodulen (4), die in einem Photovoltaikfeld (2) verschaltet sind, das von mindestens einer zugehörigen Leiterschleife (6) umschlossen ist, wobei die Leiterschleife (6) an eine Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung(14) angeschlossen ist, welche in einem Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes (2) an die jeweilige Leiterschleife (6) ein Freigabesignal (FGS) anlegt, das ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt, welches durch Magnetfelddetektoren (5C) detektierbar ist, die an Schaltmodulen (5) des Photovoltaikfeldes (2) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Betriebes von Photovoltaikmodulen, die in einem Photovoltaikfeld einer Photovoltaikanlage verschaltet sind.
Ein Photovoltaikfeld kann mehrere Photovoltaikstrings umfassen, die ihrerseits aus mehreren seriell verschalteten Photovoltaikmodulen bestehen. Bei Sonneneinstrahlung generiert jedes Photovoltaikmodul eine Gleichspannung. Durch die serielle Verschaltung der Photovoltaikmodule innerhalb eines Photovoltaikmodulstrings kann eine hohe DC-Spannung erzeugt werden, die an einen Wechselrichter bzw. Inverter in eine Wechselspannung angelegt wird. Unter bestimmten Umständen, insbesondere in einem Notfall, ist es daher erforderlich, die Photovoltaikanlage in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen. Beispielsweise ist es erforderlich, bei Ausbruch eines Feuers die Photovoltaikanlage in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen, um die Feuerwehrmänner bei ihrer Arbeit nicht zu gefährden. Hierzu wird ein sogenannter Module Level Shutdown (Rapid Shutdown) ausgeführt, um ein betroffenes Photovoltaikfeld einer Photovoltaikanlage schnell und sicher abzuschalten. Hierzu bestehen herkömmlicherweise verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können die Photovoltaikmodule des Photovoltaikfeldes über einen Bus an einen Rechner angeschlossen sein, welcher die Photovoltaikmodule bei Auftreten eines Ereignisses automatisch abschaltet. Alternativ kann auch eine drahtlose Kommunikation zwischen den Photovoltaikmodulen und dem Rechner stattfinden. Eine weitere herkömmliche Möglichkeit der Kommunikation stellt Powerline-Kommunikation PLC dar. Eine Kommunikation zwischen dem Wechselrichter und der Modulelektronik eines Photovoltaikmoduls per Funk bzw. drahtlos führt zu einer relativ hohen Störanfälligkeit und einer begrenzten Reichweite bei der Kommunikation. Das Vorsehen eines Datenbusses oder eines sonstigen drahtgebundenen Kommunikationsnetzwerkes führt demgegenüber zu einem erhöhten Installationsaufwand. Die Kommunikation über PLC ist ebenfalls relativ störanfällig und zudem kann es zwischen den Strängen bzw. Strings des Photovoltaikfeldes zu einem Übersprechen kommen. Auch die Sensitivität eines AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) kann durch PLC Signale negativ beeinflusst werden, sodass es zu Fehlauslösungen kommen kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Betriebes von Photovoltaikmodulen zu schaffen, das einen geringen Installationsaufwand erfordert und gleichzeitig schnell und zuverlässig den Betrieb der Photovoltaikmodule steuert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes von Photovoltaikmodulen mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes von Photovoltaikmodulen, die in einem Photovoltaikfeld verschaltet sind, das von mindestens einer zugehörigen Leiterschleife umschlossen ist,
wobei die Leiterschleife an eine Signalquelle der Steuerungsvorrichtung angeschlossen ist, welche in einem Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes an die jeweilige Leiterschleife ein Freigabesignal anlegt, das ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt, welches durch Magnetfelddetektoren detektierbar ist, die an Schaltmodulen des Photovoltaikfeldes vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes von Photovoltaikmodulen zeichnet sich durch einen sehr geringen Installationsaufwand aus. Darüber hinaus ist der schaltungstechnische Aufwand zur Erkennung bzw. Detektion eines Magnetfeldes relativ gering.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung wird ein Photovoltaikmodul des Photovoltaikfeldes durch ein zugehöriges Schaltmodul lokal automatisch abgeschaltet, sobald der Magnetfelddetektor des zugehörigen Schaltmoduls eine Veränderung des Magnetfeldes detektiert. Unter Abschaltung wird die Reduktion der Modulspannung auf ein für Menschen ungefährliches Level verstanden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung generiert die Signalquelle der Steuerungsvorrichtung im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes eine Pulssignalfolge und legt diese an die das Photovoltaikfeld umschließende Leiterschleife als Freigabesignal an.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist für jedes Photovoltaikfeld eine zugehörige entsprechend kodierte Pulssignalfolge vorgesehen, die von der Signalquelle generiert und an die Leiterschleife des betreffenden Photovoltaikfeldes angelegt wird.
Durch die kodierten Pulssignalfolgen ist es möglich, verschiedene Photovoltaikfelder einer Photovoltaikanlage unabhängig voneinander hinsichtlich ihres Betriebes zu steuern.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist die Signalquelle der Steuerungsvorrichtung mit einer Nutzerschnittstelle oder mit einer Steuerungseinheit einer Photovoltaikanlage über eine Schnittstelle verbunden.
Diese Schnittstelle ist bei einer möglichen Ausführungsform drahtgebunden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Schnittstelle eine drahtlose Schnittstelle.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung verändert die Signalquelle der Steuerungsvorrichtung mindestens einen Signalparameter des Freigabesignales in Abhängigkeit eines Steuersignales.
Dieses Steuersignal erhält die Signalquelle von der Nutzerschnittstelle oder von der Steuerungseinheit der Photovoltaikanlage.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ändert sich das von der Leiterschleife des Photovoltaikfeldes erzeugte Magnetfeld entsprechend dem geänderten Signalparameter des Freigabesignales, wobei diese Änderung des Magnetfeldes durch die Magnetfelddetektoren der Schaltmodule des Photovoltaikfeldes detektierbar ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist für eine oder mehrere seriell miteinander innerhalb eines Strings bzw. Stranges des Photovoltaikfeldes verschaltete Photovoltaikmodule ein zugehöriges Schaltmodul vorgesehen.
Bei einer möglichen Implementierung weist jedes Photovoltaikmodul innerhalb des Photovoltaikfeldes ein zugehöriges Schaltmodul auf.
Bei einer alternativen Implementierung ist für mehrere seriell miteinander innerhalb eines Stranges verschaltete Photovoltaikmodule ein zugehöriges Schaltmodul vorgesehen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung weist ein zu einem Photovoltaikmodul zugehöriges Schaltmodul einen Magnetfelddetektor zur Detektion einer Magnetfeldänderung des Magnetfeldes sowie einen Bypass-Schalter auf, welcher parallel zu dem entsprechenden Photovoltaikmodul verschaltet ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung bleibt der Bypass-Schalter des Schaltmoduls im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes geöffnet, solange das durch den Magnetfelddetektor des Schaltmoduls detektierte Magnetfeld das Vorhandensein des von der Signalquelle der Steuerungsvorrichtung für das Photovoltaikfeld generierte Freigabesignal anzeigt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung generiert die Signalquelle der Steuerungsvorrichtung im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes eine zugehörige Pulssignalfolge mit einer Pulsfrequenz, die in einem niederfrequenten Bereich von bis zu 100 kHz liegt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist in der das Photovoltaikfeld umschließenden Leiterschleife mindestens eine Sicherung verschaltet, die bei Auftreten einer hohen Temperatur in dem Photovoltaikfeld die Leiterschleife unterbricht, sodass kein Magnetfeld mehr erzeugt wird.
Das Vorsehen einer zusätzlichen Sicherung erhöht die Sicherheit bzw. die Zuverlässigkeit beim Abschalten des Photovoltaikfeldes infolge einer hohen Umgebungstemperatur, insbesondere bei einem auftretenden Feuer.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung weist die Signalquelle der Steuerungsvorrichtung eine Überwachungseinheit auf, welche einen Schleifenwiderstand der an die Signalquelle angeschlossenen Leiterschleife, welche das Photovoltaikfeld umschließt, während des Betriebes des Photovoltaikfeldes überwacht.
Eine kontinuierliche bzw. periodische Überwachung des Schleifenwiderstandes erhöht die Betriebssicherheit der Photovoltaikanlage und schützt vor einem ungewollten Abschalten einer Photovoltaikanlage aufgrund einer Durchtrennung einer Leiterschleife.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist das Photovoltaikfeld an einen Wechselrichter der Photovoltaikanlage angeschlossen, welcher eine von dem Photovoltaikfeld erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ist zwischen dem Photovoltaikfeld und dem Wechselrichter der Photovoltaikanlage ein Schalter vorgesehen, der durch die Nutzerschnittstelle oder durch die Steuereinheit der Photovoltaikanlage ansteuerbar ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Steuereinheit über Signale mit Gebäudesicherheitseinrichtungen, z.B. einer Brandmeldeanlage verbunden. Somit kann im Brandfall die PV Anlage präventiv in einen sicheren Betriebszustand gebracht werden.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Steuern von Photovoltaikmodulen eines Photovoltaikfeldes mit den in Patentanspruch 16 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Steuern von Photovoltaikmodulen eines Photovoltaikfeldes, welche zur Erzeugung eines elektrischen Stromes solange betrieben werden, bis ein Magnetfeld, welches von einer das Photovoltaikfeld umschließenden Leiterschleife erzeugt wird, sensorisch detektierbar verändert wird.
Die Erfindung schafft ferner eine Photovoltaikanlage mit einem oder mehreren Photovoltaikfeldern, deren Photovoltaikmodule durch eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung steuerbar sind.
Im Weiteren werden die möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Betriebes von Photovoltaikmodulen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä-ßen Photovoltaikanlage mit einer Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Betriebes von Photovoltaikmodulen der Photovoltaikanlage;
2A, 2B, 2C Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;
3 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung vorgesehenen Signalquelle;
4 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung vorgesehenen Schaltmoduls.

Wie man aus 1 erkennen kann, weist die dort dargestellte Photovoltaikanlage 1 mindestens ein Photovoltaikfeld 2 auf. Das Photovoltaikfeld 2 umfasst einen oder mehrere Stränge bzw. Strings zur Erzeugung einer Gleichspannung. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel verfügt das Photovoltaikfeld 2 über N Strings 3-1 bis 3-N. Darüber hinaus sind in jedem String bzw. Strang M Photovoltaikmodule 4-1 bis 4-M seriell miteinander verschaltet. Demzufolge weist das Photovoltaikfeld 2 N x M Photovoltaikmodule 4 auf. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt jedes Photovoltaikmodul 4-i über ein zugehöriges Schaltmodul 5-i. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zugehörige Schaltmodul 5-i parallel zu dem entsprechenden Photovoltaikmodul 4-i verschaltet. Bei einer alternativen Ausführungsform können für mehrere seriell miteinander verschaltete Photovoltaikmodule 4-i auch ein gemeinsames Schaltmodul 5-i vorgesehen sein.
Das Photovoltaikfeld 2 ist von mindestens einer zugehörigen Leiterschleife 6 umschlossen, wie in 1 erkennbar. Die Leiterschleife 6 ist an eine Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung angeschlossen. Diese Signalquelle 7 legt in einem Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes 2 an die jeweilige Leiterschleife 6 ein Freigabesignal FGS an, das ein entsprechendes Magnetfeld MF erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld MF ist durch Magnetfelddetektoren 5C detektierbar, die an den Schaltmodulen 5 des Photovoltaikfeldes 2 vorgesehen sind, wie auch im Zusammenhang mit 4 beschrieben. Das Photovoltaikmodul 4 des Photovoltaikfeldes 2 wird bei einer möglichen Ausführungsform durch ein zugehöriges Schaltmodul 5 lokal automatisch abgeschaltet und/oder in einen sicheren Betriebszustand gebracht, sobald der Magnetfelddetektor 5C des zugehörigen Schaltmoduls 5 eine merkliche Veränderung des durch die Leiterschleife 6 erzeugten Magnetfeldes MF detektiert.
Die Steuervorrichtung 14, welche die Signalquelle 7, das Nutzerschnittstelle 8 und die Steuereinheit 9 aufweist, kann auch in dem in 1 dargestellten Wechselrichter 11 integriert sein.
Bei einer möglichen Ausführungsform generiert die Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung 14 im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes 2 eine Pulssignalfolge, wie in 2A dargestellt. Die Pulssignalfolge wird als Freigabesignal FGS im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes 2 durch die Signalquelle 7 an die das Photovoltaikfeld 2 umschließende Leiterschleife 6 angelegt. Wie in 2B schematisch dargestellt, kann bei einer möglichen Ausführungsform bei Auftreten eines Ereignisses - also unmittelbar - oder wie dargestellt mit dem nächsten Puls - das Freigabesignal FGS, insbesondere die in 2A dargestellte Pulssignalfolge, abgeschaltet werden, sodass die Magnetfeldstärke des Magnetfeldes MF auf null zurückgeht oder die Richtung des Magnetfelds nicht korrekt ist oder die Kodierung des Magnetfelds nicht korrekt ist, wie in 2C dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist für jedes Photovoltaikfeld 2 der Photovoltaikanlage 1 eine zugehörige entsprechend kodierte Pulssignalfolge vorgesehen, die von einer Signalgeneratoreinheit 7C der Signalquelle 7 generiert und an die Leiterschleife 6 des betreffenden Photovoltaikfeldes 2 angelegt wird. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Photovoltaikanlage 1 mehrere Photovoltaikfelder 2 auf, die an einer gemeinsamen Signalquelle 7 angeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform liefert die Signalquelle 7 verschiedene Freigabesignale FGS, die an die verschiedenen Leiterschleifen 6 der verschiedenen Photovoltaikfelder 2 parallel angelegt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann für jedes Photovoltaikfeld 2 und jede das Photovoltaikfeld 2 umschließende Leiterschleife 6 eine zugehörige eigene Signalgeneratoreinheit 7C der Signalquelle 7 vorgesehen sein. Da für jedes Photovoltaikfeld 2 eine eigene kodierte Pulssignalfolge vorgesehen ist, führt das Abschalten bzw. Umschalten eines Betriebszustandes eines ersten Photovoltaikfeldes 2 zu keiner Beeinträchtigung oder Veränderung eines anderen Photovoltaikfeldes 2 der gleichen Photovoltaikanlage 1. Wie in 1 dargestellt, kann die Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung mit einer Nutzerschnittstelle HMI 8 (Human Machine Interface) und/oder mit einer Steuereinheit 9 der Photovoltaikanlage 1 über eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle verbunden sein.
Die Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung 14 verändert vorzugsweise mindestens einen Signalparameter des Freigabesignals FGS in Abhängigkeit eines erhaltenen Steuersignales. Dieses Steuersignal kann die Signalquelle 7 von der Nutzerschnittstelle 8 oder von der Steuerungseinheit 9 der Photovoltaikanlage 1 über eine Datenschnittstelle empfangen. Das von der Leiterschleife 6 des Photovoltaikfeldes 2 erzeugte Magnetfeld MF ändert sich entsprechend dem geänderten Signalparameter des Freigabesignales FGS. Diese Änderung des Magnetfeldes MF kann durch Magnetfelddetektoren 5C innerhalb der Schaltmodule 5 des Photovoltaikfeldes 2 detektiert werden.
Das Photovoltaikfeld 2 erzeugt eine DC-Gleichspannung, die über einen Schalter 10 an einen Wechselrichter 11 der Photovoltaikanlage 1 angelegt wird. Der Wechselrichter bzw. Inverter 11 wandelt die DC-Gleichspannung in eine AC-Wechselspannung um, die in ein Wechselspannungsnetz 12 eingespeist werden kann. Bei dem Wechselspannungsnetz 12 kann es sich um ein lokales oder um ein öffentliches Netz handeln. Der zwischen dem Photovoltaikfeld 2 und dem Wechselrichter 11 der Photovoltaikanlage 1 vorgesehene Schalter 10 ist bei einer möglichen Ausführungsform ebenfalls durch die Nutzerschnittstelle 8 oder über die Steuereinheit 9 der Photovoltaikanlage 1 ansteuerbar. Der Schalter 10 kann aber auch auf beide Pole wirken.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die das Photovoltaikfeld 2 umschließende Leiterschleife 6 eine Sicherung 13 auf, die bei Auftreten einer hohen Temperatur (z.B. Brand) in dem Photovoltaikfeld 2 die Leiterschleife 6 automatisch unterbricht, sodass kein Magnetfeld MF mehr erzeugt wird.
Die Sicherung 13 weist bei einer möglichen Implementierung ein schmelzbares elektrisch leitendes Material zwischen zwei Kontakten auf, wobei das Material bei einer Schmelztemperatur schmilzt und die elektrische Verbindung trennt.
Diese Änderung des Magnetfeldes MF kann durch die Magnetfelddetektoren 5C der Schaltmodule 5 erkannt werden. Das Vorsehen einer derartigen Sicherung 13 erhöht die Zuverlässigkeit der Steuerungsvorrichtung 14 bei einem notwendigen Abschaltvorgang bei Auftreten hoher Temperaturen T, insbesondere bei Auftreten eines Feuers an dem Photovoltaikfeld 2. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Signalquelle 7 zusätzlich eine Überwachungseinheit 7D auf, welche einen ohmschen und/oder komplexen Schleifenwiderstand der an die Signalquelle 7 angeschlossenen Leiterschleife 6, welche das Photovoltaikfeld 2 umschließt, während des Betriebes des Photovoltaikfeldes 2 überwacht. Hierzu kann die Überwachungseinheit 7D kontinuierlich oder periodisch den Widerstand der Leiterschleife 6 messen. Hierdurch kann die Überwachungseinheit 7D feststellen, ob die Leiterschleife 6 ungewollt, beispielsweise bei Bauarbeiten oder Montagearbeiten, durchtrennt worden ist. Liefert beispielsweise ein Photovoltaikfeld 2 keine Gleichspannung UDC mehr, weil beispielsweise ihre zugehörige Leiterschleife 6 ungewollt unterbrochen worden ist, kann man die Ursache hierfür mithilfe der Widerstandsmessung schnell feststellen und entweder die unterbrochene Leiterschleife 6 reparieren oder eine neue Leiterschleife 6 verlegen. Darüber hinaus kann die Überwachungseinheit 7D der Signalquelle 7 zusätzlich feststellen, sobald eine Sicherung 13 innerhalb der Leiterschleife 6 ausgelöst hat und zu einem Abschalten des Magnetfeldes MF geführt hat. Durch die kontinuierliche Überwachung des Schleifenwiderstandswertes der Leiterschleife 6 wird somit die Betriebszuverlässigkeit der Photovoltaikanlage 1 erhöht.
Die Signalgeneratoreinheit 7C der Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung 14 kann im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes 2 als Freigabesignal FGS eine zugehörige Pulssignalfolge mit einer Pulsfrequenz oder mit einer definierten Abfolge positiver und negativer Pulse generieren, die in einem bestimmten Frequenzbereich liegt. Bei einer möglichen Ausführungsform hat die Pulssignalfolge eine Pulsfrequenz, die in einem niederfrequenten Bereich von bis zu 100 kHz liegt. Beispielsweise liegt die Pulsfrequenz bei einer möglichen Implementierung in einem niederfrequenten Bereich von bis zu 10 kHz. Hierdurch kann die elektromagnetische Verträglichkeit EMV der Photovoltaikanlage 1 gewährleistet werden. Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die verschiedenen Pulssignalfolgen bzw. Freigabesignale FGS für unterschiedliche Photovoltaikfelder 2 der Photovoltaikanlage 1 unterschiedliche Pulsfrequenzen auf, die in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen.
Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 14 führt bei Auftreten eines bestimmten Ereignisses automatisch einen Module Level Shutdown (MLSD) des zu schützenden Photovoltaikfeldes 2 automatisch in kurzer Zeit aus. Das Photovoltaikfeld 2 wird mit einem elektrischen Leiter physikalisch entlang der Außengrenzen des Photovoltaikfeldes 2 umspannt. Der elektrische Leiter weist vorzugsweise einen isolierenden Mantel auf. Bei einem Normalbetrieb kann der elektrische Leiter bzw. die Leiterschleife 6 mit einem elektrischen Strom I durchflossen werden und erzeugt auf diese Weise kontinuierlich ein Magnetfeld MF. Die Richtung des Magnetfeldes MF wird dabei mit Verlegung der Leiterschleife 6 klar abgegrenzt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Leiterschleife 6 äußerlich erkennbar um das Photovoltaikfeld 2 herum verlegt. Hierdurch ist von außen erkennbar, welche Photovoltaikmodule 4 von einem Shutdown-Bereich umfasst sind. Die Magnetfeldstärke des Magnetfeldes MF (z.B. im Shutdown-Bereich) ist proportional zu dem durch die Leiterschleife 6 fließenden elektrischen Strom des Freigabesignales FGS. Bei Auftreten eines definierten Ereignisses initiiert die Signalquelle 7 eine Veränderung des elektrischen Stromflusses, beispielsweise eine vollständige Abschaltung des Stromflusses oder eine Umkehr oder Änderung von Parametern des Stromflusses. Bei einer möglichen Ausführungsform kann es sich bei dem elektrischen Strom, welcher durch die Leiterschleife 6 fließt, um einen Gleichstrom handeln. Dieser Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld MF, dessen Feldlinien im Wesentlichen senkrecht durch das Photovoltaikfeld 2 verlaufen bzw. hindurchtreten. Während eines Normalbetriebes der Photovoltaikanlage 1 entsteht dieses Magnetfeld MF und kann von entsprechenden Detektoren 5C der Schaltmodule 5 erkannt werden. Bei Auftreten eines Ereignisses kann durch die Signalquelle 7 der durch die Leiterschleife 6 fließende Gleichstrom abgeschaltet werden. Das Abschalten des Stromflusses führt zu einem Abschalten des Magnetfeldes MF, welches wiederum durch die Detektoren 5C der Schaltmodule 5 erkannt wird. Alternativ kann auch die Richtung des Stromflusses bei Auftreten eines Ereignisses umgekehrt werden. Eine Umkehrung des Stromflusses führt wiederum zu einer Umkehrung der Feldlinien des Magnetfeldes MF, welches von den Detektoren 5C der Schaltmodule 5 des Photovoltaikfeldes 2 erkannt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann es sich bei dem durch die Leiterschleife 6 fließenden Strom auch um einen Wechselstrom handeln. Bei dieser Ausführungsform kann ebenfalls bei Auftreten eines Ereignisses mindestens ein Parameter des Wechselstromes durch die Signalquelle 7 verändert werden. Beispielsweise verändert sich bei Auftreten eines Ereignisses die Frequenz des durch die Leiterschleife 6 fließenden Wechselstromes und somit auch die Frequenz der Magnetfeldumkehrung des bestehenden Magnetfeldes MF. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Polarität, die Amplitude und/oder die Frequenz des Magnetfeldes MF durch eine entsprechende Veränderung des Stromflusses verändert werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung 14 können verschiedenartige Ereignisse verschiedenartig kodiert werden, beispielsweise durch Veränderung zugehöriger Parameter des Stromflusses. Vorzugsweise führt ein Ereignis, welches eine Abschaltung der Photovoltaikmodule 4 erfordert, zu einem automatischen Abschalten des Stromes und des zugehörigen Magnetfeldes MF (fail-safe).
3 zeigt das Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung 14 vorgesehenen Signalquelle 7. Die Signalquelle 7 verfügt über zwei Anschlüsse 7A, 7B zum Anschluss einer Leiterschleife 6. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Signalquelle 7 eine Signalgeneratoreinheit 7C zur Erzeugung einer Pulssignalfolge als Freigabesignal FGS, wie sie beispielhaft in 2A dargestellt ist. Die Signalgeneratoreinheit 7C generiert eine Pulssignalfolge mit einer Pulsfrequenz, die vorzugsweise in einem niederfrequenten Bereich von bis zu 100 kHz liegt. Darüber hinaus weist die Signalquelle 7 eine Überwachungseinheit 7D auf, welche einen Schleifenwiderstand der an den Anschlüssen 7A, 7B angeschlossenen Leiterschleife 6 überwacht. Die Signalgeneratoreinheit 7C und die Überwachungseinheit 7D sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einen Prozessor 7E der Signalquelle 7 angeschlossen. Dieser verfügt über eine Schnittstelle 7F zur Verbindung mit der Nutzerschnittstelle 8 und/oder mit der Steuereinheit 9.
Bei einer möglichen Ausführungsform überwacht die Überwachungseinheit 7D fortlaufend einen ohmschen Widerstand der Leiterschleife 6. Die Durchtrennung der Leiterschleife 6 führt zu einem sprunghaften Anstieg des ohmschen Widerstandes, welcher über den Prozessor 7E an die Schnittstelle 7F an eine externe Steuerungseinheit 9 gemeldet werden kann oder über eine Nutzerschnittstelle 8 einem Nutzer der Photovoltaikanlage 1 angezeigt wird. Bei einer möglichen Ausführungsform ist für jedes Photovoltaikfeld 2 eine zugehörige entsprechend kodierte Pulssignalfolge vorgesehen, die von der Signalgeneratoreinheit 7C der entsprechenden Signalquelle 7 generiert und an die zugehörige Leiterschleife 6 des betreffenden Photovoltaikfeldes 2 als Freigabesignal FGS angelegt wird. Beispielsweise können unterschiedliche Pulssignalfolgen für verschiedene Photovoltaikfelder 2 unterschiedliche Pulsfrequenzen aufweisen.
Wie in 3 dargestellt ist die Überwachungseinheit 7D der Steuerungsvorrichtung 14 vorzugsweise vierpolig ausgeführt und zwischen den Klemmen 7A,7B und der Signalgeneratoreinheit 7E verschaltet. Bei dieser Ausführungsform misst die Überwachungseinheit 7D sowohl die anliegende Spannung als auch den Stromfluss. Bei einer alternativen Ausführungsform ist eine Konstant-Stromquelle vorgesehen. Dies erlaubt es den Schleifenwiderstand der Leiterschleife 6 durch reine Spannungsmessung zu bestimmen. Der Schleifenwiderstand der Leiterschleife 6 hat in den meisten Fällen einen nahezu rein ohmschen Widerstandswert (R). Der Schleifenwiderstand der Leiterschleife 6 kann jedoch auch einen komplexen Widerstandswert(Z)aufweisen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltmoduls 5. Das Schaltmodul 5 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über Anschlüsse 5A, 5B parallel zu mindestens einem Photovoltaikmodul 4 verschaltet. Das Schaltmodul 5 verfügt über einen Magnetfelddetektor 5C zur Detektion einer Magnetfeldänderung des umgebenden Magnetfeldes MF. Der Magnetfelddetektor 5C meldet eine aufgetretene Magnetfeldänderung an einen integrierten Controller 5D, welcher einen Bypass-Schalter 5E ansteuert. Parallel zu dem Schalter 5E kann eine Bypass-Diode 5F vorgesehen sein, wie in 4 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das in 4 dargestellte Schaltmodul 5 parallel zu einem einzelnen Photovoltaikmodul 4 des Photovoltaikfeldes 2 verschaltet, wie auch in 1 dargestellt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch ein gemeinsames Schaltmodul 5 für mehrere seriell verschaltete Photovoltaikmodule 4 vorgesehen sein. Der Bypass-Schalter 5E des Schaltmoduls 5 bleibt im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes 2 geöffnet, solange das durch den Magnetfelddetektor 5C des Schaltmoduls 5 detektierte Magnetfeld MF ein Vorhandensein des von der Signalquelle 7 der Steuerungsvorrichtung für das Photovoltaikfeld 2 generierten Freigabesignals FGS anzeigt. Bei diesem Freigabesignal FGS kann es sich beispielsweise um eine zyklisch wiederkehrende Pulssignalfolge handeln, wie sie beispielhaft in 2A dargestellt ist. Je nach Anwendungsfall kann es sich bei dem Magnetfelddetektor 5C um verschiedenartige Sensortypen handeln, beispielsweise ein Halleffektsensor, eine einfache Stromschleife oder magnetoresistive oder magnetinduktive Detektoren.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem Freigabesignal FGS auch um einen kontinuierlich in eine Richtung fließenden Gleichstrom I_DC handeln. Wird dieser Gleichstrom abgeschaltet oder kehrt sich die Stromrichtung um, kann dies durch den Magnetfelddetektor 5C des Schaltmoduls 5 erkannt werden und zu einer automatischen Schließung des Schalters 5E führen.
Bei dem Bypass-Schalter 5E handelt es sich beispielsweise um einen steuerbaren Halbleiterschalter, insbesondere um einen MOSFET. Die Bypass-Diode 5F dient zum Schutz des zugehörigen Photovoltaikmoduls 4 gegenüber einem in umgekehrter Richtung fließenden Strom. Der Schalter 5E wird also derart angesteuert, dass dieser im Normalbetrieb geöffnet ist und im Fehlerfall geschlossen wird und somit das Photovoltaikmodul 4 kurzgeschlossen wird.
Bei einer weiteren möglichen Implementierung kann das Schaltmodul 5 auch einen mit dem Prozessor bzw. Controller 5D verbundenen Transceiver aufweisen, welcher eine erfolgte Abschaltung des Photovoltaikmoduls 4 an die Steuerungsvorrichtung 14 zurückmeldet. Die innerhalb der Leiterschleife 6 liegenden Magnetfelddetektoren 5C der verschiedenen Schaltmodule 5 erfassen gleichzeitig parallel eine Magnetfeldveränderung und können somit synchron und schnell gleichzeitig die zugehörigen Photovoltaikmodule 4 des Photovoltaikfeldes 2 abschalten. Die Schaltmodule 5 können ihre Stromversorgung von dem zugehörigen Photovoltaikmodul 4 beziehen. Weitere Ausführungsformen sind möglich. So können die Schaltmodule 5 bei einer möglichen Ausführungsform lokal einen Kondensator zum Speichern von Energie aufweisen, sodass der Controller 5D des Schaltmoduls 5 zu allen Tageszeiten über eine Stromversorgung verfügt. Bei dem Bypass-Schalter 5E handelt es sich vorzugsweise um einen Halbleiterschalter. Alternativ können auch elektromechanische Schalter bzw. Relais vorgesehen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform können die Schaltmodule 5 auch in zugehörige Photovoltaikmodule 4 integriert werden. Bei einer möglichen Ausführungsform sind in einer Tabelle für verschiedene Photovoltaikfelder 2 zugehörige Freigabesignalparameter des zugehörigen Freigabesignales FGS gespeichert. Die Freigabesignalparameter umfassen beispielsweise Pulssignalfrequenzen, Polarität etc. Diese Tabelle kann in einem lokalen Speicher der Steuerungsvorrichtung 14 gespeichert sein. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Tabelle über die Cloud bzw. das Internet von einer Datenbank geladen.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage
2: Photovoltaikfeld
3: Strang
4: Photovoltaikmodul
5: Schaltmodul
6: Leiterschleife
7: Stromquelle
8: Nutzerschnittstelle
9: Steuereinheit
10: Schalter
11: Wechselrichter
12: Wechselstromnetz
13: Sicherung
14: Steuerungsvorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes einer Photovoltaikanlage (1) mit Photovoltaikmodulen (4), die in einem Photovoltaikfeld (2) verschaltet sind, das von mindestens einer zugehörigen Leiterschleife (6) umschlossen ist, wobei die Leiterschleife (6) an eine Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) angeschlossen ist, welche in einem Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes (2) an die jeweilige Leiterschleife (6) ein Freigabesignal (FGS) anlegt, das ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt, welches durch Magnetfelddetektoren (5C) detektierbar ist, die an Schaltmodulen (5) des Photovoltaikfeldes (2) vorgesehen sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Photovoltaikmodul (4) des Photovoltaikfeldes (2) durch ein zugehöriges Schaltmodul (5) lokal automatisch abgeschaltet wird, sobald der Magnetfelddetektor (5C) des zugehörigen Schaltmoduls (5) eine Veränderung des Magnetfeldes detektiert.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes (2) eine Pulssignalfolge generiert und an die das Photovoltaikfeld (2) umschließende Leiterschleife (6) als Freigabesignal (FGS) anlegt.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei für jedes Photovoltaikfeld (2) eine zugehörige entsprechend kodierte Pulssignalfolge vorgesehen ist, die von der Signalquelle (7) generiert und an die Leiterschleife (6) des betreffenden Photovoltaikfeldes (2) angelegt wird.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) mit einer Nutzerschnittstelle (8) oder mit einer Steuerungseinheit (9) einer Photovoltaikanlage (1) oder einer Einrichtung zur Gebäudesicherheit,insbesondere einer Brandmeldeanlage, über eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle verbunden ist.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) mindestens einen Signalparameter des Freigabesignales (FGS) in Abhängigkeit eines Steuersignals verändert, das die Signalquelle (7) von der Nutzerschnittstelle (8) oder von der Steuerungseinheit (9) der Photovoltaikanlage (1) oder von der Einrichtung zur Gebäudesicherheit über die Schnittstelle erhält.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich das von der Leiterschleife (6) des Photovoltaikfeldes (2) erzeugte Magnetfeld entsprechend dem geänderten Signalparameter des Freigabesignales (FGS) ändert, wobei diese Änderung des Magnetfeldes durch die Magnetfelddetektoren (5C) der Schaltmodule (5) des Photovoltaikfeldes (2) detektierbar ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für eine oder mehrere seriell miteinander innerhalb eines Stranges (3) des Photovoltaikfeldes (2) verschaltete Photovoltaikmodule (4) ein zugehöriges Schaltmodul (5) vorgesehen ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein zu einem Photovoltaikmodul (4) zugehöriges Schaltmodul (5) einen Magnetfelddetektor (5C) zur Detektion einer Magnetfeldänderung des Magnetfeldes und einen Bypass-Schalter (5E) aufweist, welcher parallel zu dem entsprechenden mindestens einen Photovoltaikmodul (4) verschaltet ist.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bypass-Schalter (5E) des Schaltmoduls (5) im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes (2) geöffnet bleibt, solange das durch den Magnetfelddetektor (5C) des Schaltmoduls (5) detektierte Magnetfeld das Vorhandensein des von der Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) für das Photovoltaikfeld (2) generierte Freigabesignal (FGS) anzeigt.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) im Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes (2) als Freigabesignal (FGS) eine zugehörige Pulssignalfolge mit einer Pulsfrequenz generiert, die in einem niederfrequenten Bereich von bis zu 100 kHz liegt.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der das Photovoltaikfeld (2) umschließenden Leiterschleife (6) mindestens eine Sicherung (13) verschaltet ist, die bei Auftreten einer hohen Temperatur in dem Photovoltaikfeld (2) die Leiterschleife (6) unterbricht, sodass kein Magnetfeld mehr erzeugt wird.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Signalquelle (7) der Steuerungsvorrichtung (14) eine Überwachungseinheit (7D) aufweist, welche einen Schleifenwiderstand der an die Signalquelle (7) angeschlossenen Leiterschleife (6), welche das Photovoltaikfeld (2) umschließt, während des Betriebes des Photovoltaikfeldes (2) überwacht.
Steuerungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Photovoltaikfeld (2) an einen Wechselrichter (11) der Photovoltaikanlage (1) angeschlossen ist, welcher eine von dem Photovoltaikfeld (2) erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei zwischen dem Photovoltaikfeld (2) und dem Wechselrichter (11) der Photovoltaikanlage (1) ein Schalter (10) vorgesehen ist, der durch die Nutzerschnittstelle (8) oder durch die Steuereinheit (9) der Photovoltaikanlage (1) ansteuerbar ist.
Verfahren zum Steuern einer Photovoltaikanlage (1) mit Photovoltaikmodulen (4) eines Photovoltaikfeldes (2), welche zur Erzeugung eines elektrischen Stromes solange betrieben werden, bis sich ein Magnetfeld, welches in einem Normalbetrieb des Photovoltaikfeldes(2) durch ein Freigabesignal (FGS) erzeugt wird, das an eine das Photovoltaikfeld (2) umschließende Leiterschleife (6) angelegt wird, verändert und die Veränderung des Magnetfeldes detektiert wird.
Photovoltaikanlage (1) mit einem oder mehreren Photovoltaikfeldern (2), deren Photovoltaikmodule (4) durch eine Steuerungsvorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 steuerbar sind.