DE112011103867B4

DE112011103867B4 - Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen

Info

Publication number: DE112011103867B4
Application number: DE112011103867.4T
Authority: DE
Inventors: Marco Götz
Original assignee: DMOS GmbH
Current assignee: DMOS GMBH, DE
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: DE112011103867A5; WO2012069044A2; WO2012069044A3; DE102010053500A1

Abstract

Photovoltaikgenerator (40) mit Schaltungsanlage (1) zum Schutz von Photovoltaikmodulen (2), wobei die Schaltungsanlage (1) über zumindest eine Generatorstrangleitung (6), einen Generatoranschlusskasten (42) und ein Gleichstromnetz (22) in der Reihenfolge an einen Wechselrichter (41) angeschlossen und die Photovoltaikmodule (2) über jeweils eine Modulelektronik (3) mit der Generatorstrangleitung (6) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind, wobei die Schaltungsanlage (1) je Photovoltaikmodul (2) eine dem Photovoltaikmodul (2) zugehörige Modulelektronik (3) und eine allen Photovoltaikmodulen (2) zugeordnete Leitstelle (14, 141) aufweist, die signaltechnisch mit den einzelnen Modulelektroniken (3) in Verbindung steht, wobei zumindest folgende Baugruppen für die Modulelektronik (3) vorgesehen sind: – ein aktives Schaltelement (8), das in einer Kurzschlussleitung (17) zwischen einem ersten positiven Stranganschluss (4) und einem zweiten negativen Stranganschluss (5) der Generatorstrangleitung (6) geschaltet ist und – eine Modulelektroniksteuereinheit (90), die zwischen Modulanschlüssen (12, 13) zum Photovoltaikmodul (2) geschaltet ist und die – eine Versorgungseinheit (29), die sich aus dem Photovoltaikmodul (2) am ersten positiven Modulanschluss (12, 21) speist und zumindest eine Ansteuerelektronik (9) dauerhaft mit Strom versorgt, wobei in einem Abschaltzustand (39) die Versorgungsspannung für die Abschaltelektronik (9) durch die Erzeugung einer höheren Versorgungsspannung aus der niedrigen Modulrestspannung (UR) mittels der Versorgungseinheit (29) bewirkt wird, – eine Ansteuerelektronik (9), die zumindest eine Ansteuerlogik (92) und eine Abschaltregelung (94) aufweist, sowie – eine stationäre Abschaltregeleinrichtung aus der Abschaltregelung (94) und dem Schaltelement (8) für die Modulspannung (Upv) am positiven Stranganschluss (4) derart umfasst, dass im Abschaltzustand (39) durch einen Differenzverstärker (53) eine Differenz (ΔUpv) der Modulspannung (Upv) am positiven Stranganschluss (4) als Regelgröße mit einem fest programmierten Sollwert (US) der Modulrestspannung (UR) einer Sollwert-Spannungsquelle (55) als Führungsgröße gebildet und zu einer Regelabweichung (ΔUpv) auf einer Steuerleitung (19) verstärkt wird, die über einen Steuereingang (99) des aktiven Schaltelementes (8) die Leitfähigkeit des aktiven Schaltelementes (8) derart beeinflusst, dass die Modulspannung (Upv) auf dem positiven Stranganschluss (4) sich bei positiver Regelabweichung (ΔUpv) verringert ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen, die über zumindest eine Generatorstrangleitung, einen Generatoranschlusskasten und ein Gleichstromnetz in der Reihenfolge an einen Wechselrichter angeschlossen und über jeweils eine Modulelektronik mit der Generatorstrangleitung des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Ein Problem herkömmlicher Schutzschaltungen für Photovoltaikmodule besteht darin, dass im Gefährdungsfall kein selbständiges Umschalten des Photovoltaikmoduls in den spannungsreduzierten Kurzschlussstrombetrieb erfolgt und es nicht möglich ist, durch eine später nachfolgende aktive Zuschaltung mittels einer Freischalteinrichtung das Photovoltaikmodul wieder aus dem Kurzschlussstrombetrieb in den normalen Generatorbetrieb freizuschalten.
Es ist eine Solarenergieerzeugnisanlage mit einer Schutzschaltung in der Druckschrift DE 10 2006 060 815 A1 beschrieben, in der jedem Photovoltaikmodul ausgangsseitig ein steuerbares Schaltelement zugeordnet ist, welches von einem Freigabesignal derart schaltbar ist, dass bei fehlendem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul spannungslos und bei vorhandenem Freigabesignal aktiviert ist. Dabei ist das steuerbare Schaltelement zwischen den Gleichspannungsklemmen jedes Photovoltaikmoduls angeordnet, wobei das steuerbare Schaltelement bei fehlendem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul kurzschließt und bei vorhandenem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul in den Leerlauf schaltet. Zur Erzeugung des Freigabesignals ist von den Photovoltaikmodulen galvanisch getrennt ein Freigabebaustein im Bereich des Wechselrichters angekoppelt, der ein Trägersignal auf die Gleichspannung der Netzleitungen aufmoduliert, wobei ein Steuereingang jedes schaltbaren Schaltelementes mit einem Demodulator verbunden ist, der auf die Trägerfrequenz des Trägersignals abgeglichen ist und das empfangene Trägersignal in das Freigabesignal für das steuerbare Schaltelement demoduliert.
Ein Problem besteht darin, dass eine elektrische Prüfung des ungefährlichen Spannungszustandes mittels eines Volt- oder Amperemeters während des ständigen Kurzschlusszustandes ohne Freigabesignal nicht möglich ist, so dass ein eingesetztes Prüfgerät zumindest zusätzlich eine Schaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals enthalten muss, um das steuerbare Schaltelement in den Leerlauf zu schalten, wobei die zusätzlich ins Prüfgerät eingebrachte Schaltung einen höheren Bauelement- und Kostenaufwand verursacht.
Des Weiteren ist eine Schutzschaltung für ein Photovoltaikmodul in der Druckschrift DE 10 2005 036 153 B4 beschrieben, wobei bei dem Photovoltaikmodul eine Mehrzahl von im Normalbetrieb und im Abschattungsfall arbeitenden Solarzellen in Reihe geschaltet ist. Mindestens ein steuerbares elektrisches, als Bypasselement dienendes Schaltelement ist dabei mit seiner Schaltstrecke parallel zu der Mehrzahl von Photovoltaikzellen geschaltet. Eine Versorgungsschaltung stellt eine Steuerspannung zur Ansteuerung der Steuerelektrode des Bypasselements bereit, wobei eine Trennschaltung zum Sperren der über die Schaltstrecke des Bypasselementes im Normalbetrieb liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung und zum Durchschalten der über die Schaltstrecke im Abschattungsfall mindestens einer Photovoltaikzelle liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung vorgesehen ist.
Diese Schutzschaltung bezieht sich auf die Reduktion der am Bypasselement entstehenden Verlustleistung im Abschattungsfall. Zudem wird diese Schutzschaltung zum aktiven spannungsreduzierten Kurzschlussstrombetrieb vorgeschlagen, was jedoch die Forderung nach einem selbsttätigen Umschalten in den Kurzschlussstrombetrieb nicht erfüllt.
Ein Problem besteht darin, dass eine selbsttätige, nur die Energie des Photovoltaikmoduls nutzende Umschaltung des Photovoltaikmoduls in einen ungefährlichen Spannungszustand nahe des Kurzschlussstrombetriebes bisher nicht möglich, die durch ein aktives Freischaltsignal aufgehoben werden kann. Dabei soll das Klemmenverhalten bei fehlendem Freischaltsignal in positiver Spannungsrichtung (Generatorpolung) dem eines nahe dem Kurzschlussbetrieb befindlichen Photovoltaikmoduls mit geringer Restspannung entsprechen und in negative Spannungsrichtung (Bypasspolung) dem einer passiven Dioden oder eines passiven hochohmigen Widerstandes entsprechen.
Es ist eine Schutzschaltung für eine Photovoltaikanlage in der Druckschrift DE 10 2007 032 605 A1 beschrieben, wobei der Stromfluss und die Spannung von Photovoltaikelementen steuerbar sind. Dazu werden insbesondere fernsteuerbare Schalter eingesetzt, die eine elektrische Trennung der Photovoltaikelemente untereinander bewirken oder auch einen Kurzschluss der Photovoltaikelement erzeugen können.
Ein Problem dieser Schutzschaltung besteht darin, dass keine autonome Energieversorgung der steuerbaren Schalter angegeben ist, die dauerhaft die steuerbaren Schalter versorgt und nach Wegfall der Gefährdung eine Freischaltung des Generators (also Aufhebung der Trennung und des Kurzschlusses) ermöglicht.
Es ist eine Schutzschaltung für Photovoltaikmodule in der Druckschrift DE 10 2009 024 516 A1 beschrieben, die ein Photovoltaikmodul elektrisch kurzschließt. Dies erfolgt durch die Aktivierung eines elektromechanischen Schaltkontaktes oder eines Thyristors.
Ein Problem besteht darin, dass die Aktivierung nicht durch eine externe nur signaltechnisch mit der Kurzschlusseinrichtung in Verbindung stehenden Freischalteinrichtung aufgehoben werden kann. Zudem benötigt die Thyristorschaltung eine autarke Stromversorgung zur Aufrechterhaltung des Kurzschlusses durch den Thyristor. Nachteilig ist auch, dass das Steuersignal die Sicherheitseinrichtung aktiviert. Denn im Gefährdungsfall kann es sehr wahrscheinlich sein, dass außerhalb der Photovoltaikmodule zum Beispiel durch Unterbrechung der Stromversorgungssysteme keine Aktivierungsenergie mehr zur Verfügung steht. In diesem Fall ist eine Aktivierung der Sicherheitseinrichtung unbedingt auf eine Notstromversorgung der steuersignalgebenden Einrichtung angewiesen.
Es ist eine elektromechanische Schutzschaltung für Photovoltaikmodule in der Druckschrift DE 10 2009 022 508 A1 beschrieben, die einen Kurzschluss des PV-Generators nach erfolgter Trennung der DC-Stromleitung zum Wechselrichter gewährleistet. Die Auslösung der Sicherheitsstellung kann ferngesteuert erfolgen.
Die vorausgehende Trennung des PV-Generators mit dem Wechselrichter ist günstig für die Vermeidung von Entladeströmen im Wechselrichter.
Ein Problem besteht darin, dass allerdings der Schalter eine sehr hohe Spannungsfestigkeit aufweisen muss, da durch das Auftrennen der DC-Stromversorgungsleitung die volle Systemspannung von bis zu 1000 V abfallen kann. Die Schutzschaltung weist keine Merkmale der ferngesteuerten Rücknahme des ausgelösten Sicherheitsmechanismus auf.
Der Begriff Photovoltaikmodul wird hier als Bezeichnung für alle photovoltaischen Wandlerelemente, die Lichtenergie in Strom wandeln, benutzt.
Ein Problem aller Photovoltaikgeneratoren besteht darin, dass eine selbsttätige Abschaltung der Photovoltaikmodule im allgemeinen Gefährdungsfall, wobei die Abschaltung die Photovoltaikmodule in einen geregelten ungefährlichen Kurzschlussstrombetrieb bringt, und nach Beseitigung der Gefährdung eine aktive Strangzuschaltung der abgeschalteten Photovoltaikmodule nicht möglich ist.
Die Druckschrift WO 2010/078303 A2 betrifft ein elektrisches Abschaltsicherungssystem und eine Anordnung zur Abschaltung von elektrischer Ausgangsenergie aus einzelnen Photovoltaikmodulen in einem Photovoltaikgenerator, enthaltend mindestens einen Abschalt-Schaltkreis, wobei jeder Abschalt-Schaltkreis die elektrische Energie von den verbundenen Modulen abschalten kann und zumindest einen Freischalt-Signalgenerator enthalten, der ein Signal zum Abschalt-Schaltkreis zur Freischaltung von Ausgangsenergie überträgt, wobei das Energieausgangsmodul bei Abwesenheit eines Freischaltsignals abgeschaltet wird.
Mit einem in einer Verbindungsleitung zwischen Photovoltaikmodul und Generatorstrangleitung eingebrachten Schaltelement kann damit eine Trennung des Photovoltaikmoduls von der Generatorstrangleitung herbeigeführt werden.
Dann ist auch keine Elektronik vorhanden, die den Kurzschlussstrom durch das Schaltelement im Falle der Abschaltung dauerhaft begrenzt.
In der Druckschrift Spannungsregler, Wikipedia vom 7. Oktober 2010 um 10.38 Uhr ist ein Querregler in Form eines Parallelreglers beschrieben, der parallel zum Verbraucher geschaltet ist. Der Querregler wird aus einer strombegrenzten Quelle gespeist. Die Strombegrenzung besteht in der Regel aus einem vorgeschalteten Widerstand. Die Ausgangsspannung von Querreglern ist kurzschlussfest, wenn das strombegrenzende Glied die erhöhte Verlustleistung verträgt.
Das strombegrenzende Glied besteht aus einem vorgeschalteten Widerstand, der keine dauerhafte Begrenzung des Kurzschlussstroms garantiert.
Der Erfindung liegt die Ausgabe zugrunde, einen Photovoltaikgenerator mit Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen anzugeben, bei dem eine bessere Sicherung des jeweiligen Photovoltaikmoduls vor Stromüberlastung im Falle der Abschaltung geschieht, die Module in einen geregelten ungefährlichen Kurzschlussstrombetrieb gebracht und der Kurzschlussstrom dauerhaft begrenzt werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Photovoltaikgenerator enthält eine Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen, wobei die Schaltungsanlage über zumindest eine Generatorstrangleitung, einen Generatoranschlusskasten und ein Gleichstromnetz in der Reihenfolge an einen Wechselrichter angeschlossen und die Photovoltaikmodule über jeweils eine Modulelektronik mit der Generatorstrangleitung des Photovoltaikgenerators verbunden sind,
wobei die Schaltungsanlage je Photovoltaikmodul eine dem Photovoltaikmodul zugehörige Modulelektronik und eine allen Photovoltaikmodulen zugeordnete Leitstelle aufweist, die signaltechnisch mit den einzelnen Modulelektroniken in Verbindung steht, wobei zumindest folgende Baugruppen für die Modulelektronik vorgesehen sind:

– ein aktives Schaltelement, das in einer Kurzschlussleitung zwischen einem ersten positiven Stranganschluss und einem zweiten negativen Stranganschluss der Generatorstrangleitung geschaltet ist und
– eine Modulelektroniksteuereinheit, die zwischen Modulanschlüssen zum Photovoltaikmodul geschaltet ist und die – eine Versorgungseinheit, die sich aus dem Photovoltaikmodul am ersten positiven Modulanschluss speist und zumindest eine Ansteuerelektronik dauerhaft mit Strom versorgt, wobei in einem Abschaltzustand die Versorgungsspannung für die Abschaltelektronik durch die Erzeugung einer höheren Versorgungsspannung aus der niedrigen Modulrestspannung U_R mittels der Versorgungseinheit bewirkt wird, – eine Ansteuerelektronik, die zumindest eine Ansteuerlogik und eine Abschaltregelung aufweist, sowie – eine stationäre Abschaltregeleinrichtung aus der Abschaltregelung und dem Schaltelement für die Modulspannung U_pv am positiven Stranganschluss derart umfasst, dass im Abschaltzustand durch einen Differenzverstärker eine Differenz ΔU_pv der Modulspannung U_pv am positiven Stranganschluss als Regelgröße mit einem fest programmierten Sollwert U_S der Modulrestspannung U_R einer Sollwert-Spannungsquelle als Führungsgröße gebildet und zu einer Regelabweichung ΔU_pv auf einer Steuerleitung verstärkt wird, die über einen Steuereingang des aktiven Schaltelementes die Leitfähigkeit des aktiven Schaltelementes derart beeinflusst, dass die Modulspannung U_pv auf dem positiven Stranganschluss sich bei positiver Regelabweichung ΔU_pv verringert und sich bei negativer Regelabweichung ΔU_pv erhöht und dies unabhängig vom Modulkurzschlussstrom I_K, – mindestens eine Messelektronik, die an die Ansteuerelektronik leitungsverbunden signaltechnisch und an die Versorgungseinheit energieversorgungstechnisch angeschlossen ist, und – eine Kommunikationselektronik, die mit der Ansteuerelektronik und mit der außerhalb der Modulelektronik befindlichen Leitstelle signaltechnisch über eine Kommunikationsstrecke verbunden ist und an die Versorgungseinheit leitungsverbunden energieversorgungstechnisch angeschlossen ist, umfasst,

a) entweder einen Freischaltzustand, bewirkt durch Öffnen des aktiven Schaltelements, mit Zuschaltung des Photovoltaikmoduls und Stromtransfer in die Generatorstrangleitung
b) oder einen Abschaltzustand, bewirkt durch Schließen des aktiven Schaltelements, mit Kurzschluss zwischen den Stranganschlüssen bei geregelter Modulkurzschlussspannung,

_K

Das Schaltelement kann als elektronisch steuerbarer Halbeiterschalter mit paralleler Verpolschutzdiode, gerichtet vom negativen Stranganschluss zum positiven Stranganschluss, ausgebildet sein.
Die Ansteuerelektronik kann die Ansteuerlogik, die Abschaltverzögerungselektronik und die Abschaltregelung, die über eine Versorgungsspannungsleitung mit der Versorgungseinheit elektrisch verbunden ist, enthalten, wobei zur Ansteuerlogik ein Empfänger, ein Empfangsregister, ein Speicher für darin gespeicherte Schlüsselwörter A, B, ein Vergleicher, ein Fensterdekoder sowie ein Mehrfach-ODER-Glied gehören, wobei die Abschaltverzögerungselektronik ein programmierbares Zeitverzögerungsglied darstellt, das mit einen Ausgang des Mehrfach-ODER-Gliedes in Verbindung steht.
Die signaltechnische kommunikative Verbindung in Form der Kommunikationsstrecke kann zwischen der Leitstelle und den jeweiligen Kommunikationselektroniken der Modulelektroniken über eine drahtlose Funkverbindung oder über ein separates Signalbuskabel oder über die Generatorstrangleitung ausgebildet sein.
Von der Ansteuerelektronik ausgehend kann zum Schaltelement die Steuerleitung geführt sein, wobei über die Steuerleitung die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der Kurzschlussleitung an das Schaltelement gesendet werden.
Zumindest ein Teil der Baugruppen können sich in einer abgeschlossenen Dose befinden.
Die elektrische Versorgungseinheit kann aus der Photovoltaikmodulspannung über eine Versorgungsstreckenleitung durch einen Spannungsregler eine geregelte Versorgungsspannung für die gesamte Modulelektronik bereitstellen.
Die elektrische Versorgungseinheit kann einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung zum Photovoltaikmodul sowie andererseits mit einer Masseleitung verbunden sein.
Über einen Versorgungsabgriff an der Versorgungsstreckenleitung kann die elektrische Versorgung der Versorgungseinheit und somit der gesamten Modulelektronik auch im Abschaltzustand gewährleistet sein.
In der Kommunikationselektronik kann in einem Sendepfad ein erster Optokoppler mit einem Diodensender und einem Phototransistor des ersten Optokopplers als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle dienen, wobei der Phototransistor des ersten Optokopplers von Seiten der Kommunikationselektronik mit einer Versorgungsleitung von der Versorgungseinheit aus mit einer einen Schmitttrigger aufweisenden Abzweigung verbunden ist.
Die Kommunikationselektronik kann über die Versorgungsleitung mit der elektrischen Versorgungseinheit der Ansteuerelektronik verbunden sein, wobei der mit einer konstanten Referenzstromquelle I_ref in Verbindung stehende Schmitttrigger der Kommunikationselektronik mit einem Empfänger innerhalb der Ansteuerelektronik verbunden ist, dem ein Empfängerregister nachgeordnet ist, das parallel mit einem Speicher für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher geschaltet ist, wobei dem Vergleicher wiederum ein Fensterdetektor nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied in Verbindung steht, dessen Ausgang über eine Signalleitung mit dem Speicher für die Schlüsselwörter „A” und „B” und mit der Abschaltregelung verbunden ist.
Zwischen der Leitstelle und der Kommunikationselektronik können als Kommunikationsstrecke ein Sendepfad und ein Empfangspfad vorhanden sein.
Eine Rück-Übertragung von Signalen zu den Betriebszuständen kann seitens der Kommunikationselektronik in Richtung zur Leitstelle vorgesehen sein, wobei sich durch die Einbringung des Empfangspfades in die Kommunikationselektronik auch ein Teil der Ansteuerelektronik ändert.
Im Sendepfad kann der Ausgangspunkt des Sendetelegramms ein Sender der Leitstelle sein, der mit einem ersten Sendetransistor und einer Spannungsquelle in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor der mit ihm verbundene erste Optokoppler bedient wird, wobei der erste Schmitttrigger der Kommunikationselektronik die vom Phototransistor des ersten Optokopplers übernommenen Signale des Sendetelegramms an den Empfänger der Ansteuerelektronik weiterleitet.
In der Ansteuerelektronik kann ein dem Empfänger nachgeschalteter Befehlsdekocder die Funktionen des Empfangsregisters, des Vergleichers, des Fensterdekoders sowie die Funktionen des Speichers für die Schlüsselwörter A, B übernehmen, wobei vom Befehlsdekoder eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied besteht, wobei der Befehlsdekoder zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle aus definierten Empfangspfads mit einem Statusregister/Datenregister verbunden ist, dem ein Sender der Ansteuerelektronik nachgeordnet ist, wobei der Sender der Ansteuerelektronik mit einem Sendetransistor der Kommunikationselektronik verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler in Verbindung steht.
Die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers in der Kommunikationselektronik ausgelösten Signale können mit Unterstützung einer Stromquelle einem zweiten Schmitttrigger der Leitstelle zugeführt sein, wobei der Schmitttrigger an den mit ihm verbundenen Empfänger das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm übergibt.
Bei einer Kombination zwischen der Ansteuerelektronik und der Messelektronik innerhalb der Modulelektronik kann zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen U die Messelektronik einen Spannungsteiler mit einem daran angeschlossenen A/D-Wandler enthalten, wobei der Spannungsteiler einen Anschluss zur Versorgungsleitung und einen Anschluss zur Masseleitung hat.
Der A/D-Wandler kann nachfolgend ein Datenregister mit einem Vergleicher aufweisen,
wobei parallel zum Datenregister zwei Schwellwertregister mit einem Schwellwertvergleicher von Schwellwerten U1, U2 aus den beiden Schwellwertregistern an den Eingang des Vergleichers angeordnet sind,
wobei dem Vergleicher ein Entprellfilter nachgeordnet ist, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung mit dem Schwellwertvergleicher und über eine Signalleitung mit dem Mehrfach-ODER-Glied in Verbindung steht,
wobei eine dem Mehrfach-ODER-Glied nachgeordnete Abschaltregelung über die Steuerleitung mit dem Schaltelement verbunden ist.
Entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen bezüglich der Schwellwertregister und des Vergleichers können auch für erhöhte Temperaturen T und für Überströme I vorgesehen sein.
Bei Kombination der Messelektronik mit der Ansteuerelektronik bei Auftreten von Überstrom I in der Masseleitung kann ein Schutzwiderstand eingeschaltet sein, der mit einem spannungsabgreifenden AD-Wandler zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Schutzwiderstand verbunden ist, wobei der AD-Wandler mit dem Datenregister der Ansteuerelektronik verbunden ist.
Bei der Kombination der Messelektronik mit der Ansteuerelektronik bei Auftreten einer erhöhten Temperatur T kann die Messelektronik einen Thermofühler mit einem angeschlossenen A/D-Wandler, der mit dem Datenregister der Ansteuerelektronik in Verbindung steht, aufweisen.
Die Messelektroniken mit den Baugruppen-Schaltungen zur Feststellung der Parameter von Unterspannung U und/oder von Überstrom I und/oder von überhöhten Temperaturen T können in einer Kompakt-Messelektronik enthalten sein, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik wie in den parameterbezogenen Messelektroniken ausgebildet sind.
Die Ansteuerelektronik besitzt für diesen Fall einen Spannungsregler, der aus der geringen Modulrestspannung U_R eine genügend hohe Spannung für das aktive Schalten des Schaltelements bereitstellt. Der Spannungsregler kann durch eine Kombination von Linearregler (bei Modulrestspannungen über/oberhalb der aktiven Steuerspannung) und aus kapazitiven Hochsetzstellern und induktiven Hochsetzstellern (bei Modulrestspannungen unter/unterhalb der aktiven Steuerspannung) rückwirkungsfrei das Versorgungsnetz der Abschaltregelung versorgen.
Als kapazitiver Hochsetzsteller kann eine Ladungspumpe eingesetzt sein. Als induktiver Hochsetzsteller kann ein mit einem Transformator versehener Resonanzwandler eingesetzt sein.
Die Photovoltaikmodule können durch die Generatorstrangleitung an den Anschlusskasten des Wechselrichters angeschlossen sein, wobei die Photovoltaikmodule mit der Generatorstrangleitung über jeweils eine Modulelektronik auf einem ersten Potenzialniveau einer Versorgungsstreckenleitung und auf einem zweiten Potenzialniveau einer Potenzialleitung in Verbindung stehen, wobei die Potenzialniveaus über Stranganschlüsse der Modulelektronik mit der Generatorstrangleitung des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Der Anschlusskasten des Wechselrichters kann sich innerhalb oder auch außerhalb des Wechselrichters befinden.
Das steuerbare Schaltelement befindet sich mit seinem ersten positiven Anschluss im Leitungsabschnitt der Versorgungsstreckenleitung und genau dort zwischen dem Versorgungsabgriff der Ansteuerelektronik zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik und dem positiven Stranganschluss der Kurzschlussleitung. Der zweite Anschluss des steuerbaren Schaltelements befindet sich auf der messebezogenen Potenzialleitung am negativen Stranganschluss.
Der Linearregler steht einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung und andererseits mit dem Versorgungsnetz der Abschaltregelung für das steuerbare Schaltelement in Verbindung. Eine ebensolche Verbindung besteht für den kapazitiven Hochsetzsteller und induktiven Hochsetzsteller.
Die Verbindungen des Linearreglers sowie des kapazitiven Hochsetzstellers und des induktiven Hochsetzstellers mit der Versorgungsspannungsleitung enthalten jeweils eine Diode.
Schließlich kann zum induktiven Hochsetzsteller eine Transformatorschaltung gehören, die sekundär über der Versorgungsspannungsleitung mit der Abschaltregelung in Verbindung steht. Primärseitig ist die Transformatorschaltung energieversorgungstechnisch mit der Versorgungseinheit über eine steuerbare Verbindungsleitung verbunden.
Die Versorgungseinheit des induktiven Hochsetzstellers kann mit einem Spannungsbegrenzer mit einem vergleichenden Operationsverstärker und einem dem Operationsverstärker zugeordneten steuerbaren Versorgungsschaltelement ausgebildet sein, das über den Versorgungsabgriff mit der Versorgungsstreckenleitung verbunden ist. Der Operationsverstärker ist eingangsseitig mit einer Referenzspannungsquelle verbunden.
Das Schaltelement ist im Wesentlichen ein elektronisch geschalteter Öffner zwischen den Stranganschlüssen des Photovoltaikmoduls zur Generatorstrangleitung, wobei das Schaltelement derart gesteuert schaltbar ist, dass die Modulelektronik zumindest in zwei zulässige stationäre Betriebszustände durch die die Kommunikationselektronik auslösende Ansteuerelektronik schaltbar ist.
Im normalen Betriebszustand, dem Freischaltzustand des Photovoltaikmoduls, ist das steuerbare Schaltelement aktiv geöffnet (nicht leitende Kurzschlussleitung), wobei das Photovoltaikmodul mit dem positiven Stranganschluss der Generatorstrangleitung niederohmig verbunden ist, wobei im Freischaltzustand das Photovoltaikmodul eine Leistung über die Generatorstrangleitung an den Generatoranschlusskasten und an das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators abgibt.
Im Abschaltzustand des Photovoltaikmoduls wird das steuerbare Schaltelement geschlossen (leitende Kurzschlussleitung), wobei das Photovoltaikmodul in einen spannungsreduzierten Zustand mit einer Modulrestspannung U_R nahe dem Kurzschlussstrombetrieb I_K gezwungen wird.
Zur Ansteuerelektronik und zur Kommunikationselektronik gehört eine Ansteuerlogik zum Zuschalten der Steuerspannung an das steuerbare Schaltelement, wobei die Ansteuerlogik mit der Leitstelle verbunden ist sowie mit einem in der Steuerleitung befindlichen ersten Schalter und mit einem parallel zum Steueranschluss des Schaltelements und zweiten negativen Stranganschluss befindlichen zweiten Schalter in Verbindung steht.
Durch die Einbringung eines Empfangspfades in die Kommunikationsstrecke ändert sich auch ein Teil Bauelemente in der Ansteuerelektronik zu einer alternativen Ansteuerelektronik.
Die Leitstelle kann ganz oder teilweise in andere interne oder externe Geräte integriert sein, z. B. intern in den Anschlusskasten und/oder in den Wechselrichter.
Die Abschaltregelung kann derart ausgebildet sein, dass von ihr aus zwei Schaltsteuerleitungen zum ersten Schalter und zum zweiten Schalter zum Ansteuern des Schaltelements geführt sind.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Photovoltaikgenerators mit einer Schaltungsanlage zum Schutz von Photovoltaikmodulen,
2 ein allgemeines Schaltschema der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage für ein Photovoltaikmodul mit Modulelektronik und Leitstelle sowie mit einer Verbindung zu einem steuerbaren modulabschaltenden und modulzuschaltenden Schaltelement,
3 ein Schaltschema eines ersten Teils der Ansteuerelektronik mit mehreren Spannungsreglern und einer Abschaltregelung sowie einer Kommunikationselektronik einschließlich einer ersten Leitstelle,
4 eine Photovoltaikstrom(I_pv)-Photovoltaikspannungs(U_pv)-Charakteristik mit einer Position des Freischaltzustands und mit einer Position des Abschaltzustands,
5 ein Schaltschema der Kombination einer Kommunikationselektronik mit einem anderen Teil der Ansteuerelektronik,
6 ein Schaltschema einer Abschaltregelung mit Abschaltverzögerungselektronik (RC-Glied),
7 eine zeitliche Darstellung von Zuständen des modulabschaltenden und modulzuschaltenden Schaltelements in Verbindung mit den Signalen der Leitstelle, wobei
7a Abfolge von aktiven und gesperrten Schaltelementzuständen,
7b Abfolge von Schlüsselwort/Fenster-Signalen in der Kommunikationselektronik und
7c Abfolge von modulabschaltenden und modulzuschaltenden Schlüsselwort-Signalen aus der Leitstelle
zeigen,
8 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einem variierten ersten Teil der Ansteuerelektronik und einer Kommunikationselektronik einschließlich Sendepfad und Empfangspfad und einer dem Sendepfad und dem Empfangspfad zugehörigen zweiten Leitstelle,
9 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einem variierten ersten Teil der Ansteuerelektronik und einer ersten Messelektronik,
10 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einem variierten ersten Teil der Ansteuerelektronik und einer zweiten Messelektronik und
11 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einem variierten ersten Teil der Ansteuerelektronik und einer dritten Messelektronik.
Im Folgenden werden die 1, 2 und 3 gemeinsam betrachtet.
Der Photovoltaikgenerator 40 enthält eine Schaltungsanlage 1 zum Schutz von Photovoltaikmodulen 2, wobei die Schaltungsanlage 1 über zumindest eine Generatorstrangleitung 6, einen Generatoranschlusskasten 42 und ein Gleichstromnetz 22 in der Reihenfolge an einen Wechselrichter 41 angeschlossen ist. Die Photovoltaikmodule 2 sind über jeweils eine Modulelektronik 3 mit der Generatorstrangleitung 6 des Photovoltaikgenerators 40 verbunden. Dabei enthält die Schaltungsanlage 1 je Photovoltaikmodul 2 eine dem Photovoltaikmodul 2 zugehörige Modulelektronik 3 und eine allen Photovoltaikmodulen 2 zugeordnete Leitstelle 14. Die Leitstelle 14 ist signaltechnisch mit den einzelnen Modulelektroniken 3 verbunden.
Die in 1 und in 2 dargestellte Modulelektronik 3 ist eine elektronische Baugruppe zur Realisierung des Freischaltzustandes 38 und des Abschaltzustandes 39, wobei die beiden Zustände 38, 39 in 4 gezeigt sind, und enthält:

– ein aktives Schaltelement 8, das in einer Kurzschlussleitung 17 zwischen einem positiven Stranganschluss 4 und einem negativen Stranganschluss 5 zur Generatorstrangleitung 6 geschaltet ist, und
– eine Modulelektroniksteuereinheit 90, die zwischen den Modulanschlüssen 12, 13 zum Photovoltaikmodul 2 geschaltet ist und die – eine Versorgungseinheit 29, die sich aus dem Photovoltaikmodul 2 am positiven Modulanschluss 12 oder am Versorgungsabgriff 21 speist und zumindest die Ansteuerelektronik 9 dauerhaft mit Strom versorgt, wobei im Abschaltzustand 39 die Versorgungsspannung für die Ansteuerelektronik 9 durch die Erzeugung einer höheren Versorgungsspannung aus der niedrigen Modulrestspannung U_R mittels eines in 3 dargestellten Hochsetzstellers 68 der Versorgungseinheit 29 bewirkt wird, – eine Ansteuerelektronik 9, die zumindest gemäß 2 eine Ansteuerlogik 92 und eine Abschaltregelung 94 aufweist. – mindestens eine Messelektronik 10, die an die Ansteuerelektronik 9 leitungsverbunden signaltechnisch und an die Versorgungseinheit 29 energieversorgungstechnisch angeschlossen ist, und – eine Kommunikationselektronik 11, die mit der Ansteuerelektronik 9 und mit der außerhalb der Modulelektronik 3 befindlichen Leitstelle 14 signaltechnisch über eine Kommunikationsstrecke 23 verbunden ist und an die Versorgungseinheit 29 leitungsverbunden energie/spannungsversorgungstechnisch angeschlossen ist, umfasst.

Die Modulelektronik 3 enthält zur Realisierung der Abschaltung mittels Kurzschlussstrombetrieb I_k des Photovoltaikmoduls 2 und der darauf folgenden möglichen Freischaltung mit dem Freischaltstrom I_pp die Modulelektroniksteuereinheit 90 des aktiven steuerbaren Schaltelements 8, so dass zwei Betriebszustände für jede einzelne Modulelektronik 3, in Abhängigkeit von Signalen der Messelektronik 10 und der Kommunikationselektronik 11, separat einstellbar sind:

a) entweder einen Freischaltzustand 38, bewirkt durch Öffnen eines ersten Schalters 87 und Schließen eines zweiten Schalters 88 und damit Öffnen des aktiven Schaltelements 8, mit Zuschaltung des Photovoltaikmoduls 2 und Stromtransfer in die Generatorstrangleitung 6
b) oder einen Abschaltzustand 39, bewirkt durch Schließen des ersten Schalters 87 und Öffnen des zweiten Schalters 88 und damit Schließen des aktiven Schaltelements 8, mit einem Kurzschluss zwischen den Stranganschlüssen 4 und 5 bei geregelter Modulkurzschlussspannung U_R gemäß 4,

9

8

92

3

38

39

8

Durch die dauerhaft versorgende Versorgungseinheit 29 mittels der aktiven Ansteuerlogik 92 durch Auswertung der Signale der Messelektronik 10 und/oder der Kommunikationselektronik 11 über die Leitstelle 14, 141 wird die Aufhebung des Abschaltzustands 39 in den aktiven Freischaltzustand 38 für jede einzelne Modulelektronik 3 ermöglicht.
Der Abschaltzustand wird dauerhaft durch eine stationäre Abschaltregeleinrichtung aus der Abschaltregelung 94 und dem Schaltelement 8 für die Modulspannung am positiven Strangabgriff 4 derart umfasst, dass im Abschaltzustand 39 durch den Differenzverstärker 53 die Differenz ΔU_pv der Modulspannung U_pv als Regelgröße am positiven Stranganschluss 4 mit einem fest programmierten Sollwert U_S der Modulrestspannung U_R der Sollwert-Spannungsquelle 55 als Führungsgröße gebildet und zu einer Regelabweichung ΔU_pv auf der Steuerleitung 19 verstärkt wird, die über den Steuereingang 99 des aktiven Schaltelementes 8 die Leitfähigkeit des aktiven Schaltelements 8 derart beeinflusst, dass die Modulspannung U_pv am positiven Stranganschluss 4 sich bei positiver Regelabweichung ΔU_pv verringert und sich bei negativer Regelabweichung ΔU_pv erhöht und dies unabhängig vom Modulkurzschlussstrom I_K erfolgt, wie in 4 gezeigt ist.
In 4 ist der zugehörige Photovoltaikstrom(I_pv)-Photovoltaikspannungs(U_pv)-Verlauf mit Freischaltzustand 38 und Abschaltzustand 39 dargestellt, wobei I_K der Modulkurzschlussstrom, U_R die Modulrestspannung, I_pp der Freischaltstrom und U_pp die Freischaltspannung sind, wobei der Modulkurzschlussstrom I_K und die Modulrestspannung/Modulkurzschlussspannung U_R den Abschaltzustand 39 angeben und durch den Freischaltstrom I_pp und die Freischaltspannung U_pp der Freischaltzustand 38 festgelegt sind.
Die Abschaltregelung 94 enthält einen regelnden Differenzverstärker 53, der die Modulrestspannung U_R durch Steuerung des aktiven Schaltelements 8 auf einem Sollwert U_S ausregelt, unabhängig vom Modulkurzschlussstrom I_K, wobei die Versorgungsspannung des Differenzverstärkers 53 durch mindestens einen Spannungsregler 68, 7, 18 der Versorgungseinheit 29 erfolgt, der aus der geringen Modulrestspannung U_R eine genügend hohe Spannung für das aktive Steuern des Schaltelements 8 bereitstellt, wobei der Spannungsregler zumindest einen Linearregler 7, der bei Modulrestspannungen U_R über/oberhalb der aktiven Steuerspannung schaltet, und einen kapazitiven Hochsetzsteller 18 und/oder einen induktiven Hochsetzsteller 68, die bei Modulrestspannungen U_R unter/unterhalb der aktiven Steuerspannung schalten, darstellt, wobei die Modulrestspannung U_R rückwirkungsfrei zum Versorgungsnetz 54 des Differenzverstärkers 53 am positiven Stranganschluss 4 anliegt und wobei das Schaltelement 8 zusammen mit dem Differenzverstärker 53 eine Abschaltregelung 94 in einem Regelkreis 56 mit der Verbindung 53-55-87-19-8-17-54-53 aus den Bauelementen 53, 55, 87, 8 und den Leitungen 19, 17, 54 bildet, wobei sich in dem Regelkreis 56 die Modulrestspannung U_R stationär einstellt.
Der Differenzverstärker 53 in 3 ist eingangsseitig über die Spannungsleitung/Versorgungsnetz 54 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden. Des Weiteren steht der Differenzverstärker 53 eingangsseitig mit der Sollwertspannungsquelle U_S 55 in Verbindung. Die Spannungsversorgung des Differenzverstärkers 53 erfolgt über die Versorgungsspannungsleitung 27. Ausgangsseitig ist der Differenzverstärker 53 über einen ersten Schalter 87 und der Steuerleitung 19 mit dem Steuereingang 99 des Schaltelements 8 verbunden.
Als kapazitiver Hochsetzsteller 18 kann eine Ladungspumpe eingesetzt sein. Als induktiver Hochsetzsteller 68 kann ein mit einem Transformator 86 versehener Resonanzwandler eingesetzt sein.
Das Schaltelement 8 kann, wie in 3 gezeigt ist, durch ein Schwellwertbauelement 69 parallel überbrückt sein. Das Schwellwertbauelement 69 kann eine Verpolschutzdiode sein, mit der eine durchgängige leitende Ausbildung in Bypasspolung durchgeführt werden kann.
Die in 3 dargestellte Ansteuerelektronik 9 enthält eine Ansteuerlogik 92, eine Abschaltverzögerungselektronik 93 und eine Abschaltregelung 94, die über eine Versorgungsspannungsleitung 27 mit der Versorgungseinheit 29 elektrisch verbunden ist, wobei zur Ansteuerlogik 92, wie in 5 gezeigt ist, ein Empfänger 30, ein Empfangsregister 31, ein Speicher 32 für darin gespeicherte Schlüsselwörter A, B, ein Vergleicher 33, ein Fensterdekoder 34 sowie ein Mehrfach-ODER-Glied 35 gehören, wobei die Abschaltverzögerungselektronik 93 ein programmierbares Zeitverzögerungsglied darstellt, das mit einen Ausgang 36 des Mehrfach-ODER-Gliedes 35 in Verbindung steht.
Die in 3 gezeigte signaltechnische kommunikative Verbindung in Form einer Kommunikationsstrecke 23 zwischen der Leitstelle 14 und den jeweiligen Kommunikationselektroniken 11 der Modulelektroniken 3 kann über eine drahtlose Funkverbindung oder über ein separates Signalbuskabel oder über die Generatorstrangleitung 6 ausgebildet sein.
Von der Ansteuerelektronik 9 ausgehend zum Schaltelement 8 ist die Steuerleitung 19 geführt, wobei die Abschaltregelung 94 über das Versorgungsnetz 54 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 in Verbindung steht, wobei über die Steuerleitung 19 die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der Kurzschlussleitung 17 an das Schaltelement 8 gesendet werden.
Zumindest ein Teil der Baugruppen oder alle Baugruppen können sich in einer abgeschlossenen, in 2 schematisch gestrichelt dargestellten Dose 85 befindet. Die Baugruppen können sich innerhalb der Dose 85 auf einer Leiterplatte befinden, die wahlweise in der Dose 85 gehaltert eingebracht ist.
Der Linearregler 7 steht in 3 einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung 16 und andererseits mit dem Versorgungsnetz 54 der Abschaltregelung 94 für das steuerbare Schaltelement 8 in Verbindung. Eine ebensolche Verbindung besteht für den kapazitiven Hochsetzsteller 18.
Die Verbindungen des Linearreglers 7 und des kapazitiven Hochsetzsteller 18 mit der Steuerleitung 19 enthalten jeweils eine Diode 95, 91.
Schließlich kann zum induktiven Hochsetzsteller 68 eine Transformatorschaltung 86 gehören, die sekundär die Versorgungsspannungsleitung 27 aufweist und über Diode 52 mit dem Differenzverstärker 53 in Verbindung steht. Primärseitig ist die Transformatorschaltung 86 energieversorgungstechnisch mittels eines Spannungsbegrenzers 61 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden. Der Spannungsbegrenzer 61 des Hochsetzstellers 68 gemäß 3 kann mit einem vergleichenden Operationsverstärker 100 und einem dem Operationsverstärker 100 zugeordneten steuerbaren Versorgungsschaltelement 89 ausgebildet sein, das über den Versorgungsabgriff 21 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden ist. Dem Operationsverstärker 100 ist auch eine Referenzspannungsquelle 104 zugeordnet.
Die Versorgungseinheit 29 kann aus der Photovoltaikmodulspannung U_pp über der Versorgungsstreckenleitung 16 durch die Spannungsregler 68, 7, 18 eine geregelte Versorgungsspannung für die gesamte Modulelektronik 3 bereitstellen.
Die elektrische Versorgungseinheit 29 ist einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung 16 zum Photovoltaikmodul 2 und andererseits zur Masseleitung 20 verbunden.
Durch den Versorgungsabgriff 21 an der Versorgungsstreckenleitung 16 ist die elektrische Versorgung der Versorgungseinheit 29 und somit der gesamten Modulelektronik 3 auch im Abschaltzustand 39 gewährleistet.
In der Kommunikationselektronik 11 dient in einem Sendepfad 77 ein erster Optokoppler 24 mit einem Diodensender 25 und einem Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle 14, wobei der Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 von Seiten der Kommunikationselektronik 11 mit einer Versorgungsleitung 27 von der Versorgungseinheit 29 aus mit einer einen Schmitttrigger 28 aufweisenden Abzweigung verbunden ist.
Die Kommunikationselektronik 11 ist über die Versorgungsspannungsleitung 27 mit der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 9 verbunden, wobei der mit einer konstanten Referenzstromquelle I_ref 48 in Verbindung stehende Schmitttrigger 28 der Kommunikationselektronik 11 mit dem in 5 dargestellten Empfänger 30 innerhalb der Ansteuerelektronik 9 verbunden ist, dem das Empfängerregister 31 nachgeordnet ist, das parallel mit dem Speicher 32 für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an den Vergleicher 33 geschaltet ist, wobei dem Vergleicher 33 wiederum der Fensterdetektor 34 nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht, dessen Ausgang 36 über eine Signalleitung 62 mit dem Speicher 32 für die Schlüsselwörter A und B und mit der Abschaltregelung 94 verbunden ist.
Die Abschaltregelung 94 ist derart ausgebildet, dass von ihr aus ausgangsseitig die Steuerleitung 19 zum Schaltelement 8 geführt ist.
Die Funktionsweise der Schaltungsanlage mit den beiden Betriebszuständen erfolgt folgendermaßen:
Im normalen Betriebszustand, dem Freischaltzustand 38 des Photovoltaikmoduls 2, ist das steuerbare Schaltelement 8 aktiv geöffnet, d. h. es liegt eine nicht leitende Kurzschlussleitung 17 vor, wobei das Photovoltaikmodul 2 mit dem positiven Stranganschluss 4 der Generatorstrangleitung 6 niederohmig verbunden ist, wobei im Freischaltungszustand 38 das Photovoltaikmodul 2 eine Leistung über die Generatorstrangleitung 6 an das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 abgibt.
In 6 ist ein Schaltschema einer Abschaltregelung 94 mit einer Abschaltstrombegrenzungselektronik 58 angegeben, wobei zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 53 und dem Steuereingang 99 des Schaltelements 8 dem ersten Schalter 87 nachgeordnet ein RC-Glied eingebracht ist, dessen Widerstand 106 an den Steuereingang 99 des Schaltelements 8 führt sowie dessen Kondensator 105 parallel zum Steuereingang 99 und der Kurzschlussleitung 17 geschaltet ist.
Über die Abschaltverzögerungselektronik 93 ist der Zeitpunkt des Zustandswechsels für jede einzelne Modulelektronik 3 separat derart einstellbar, dass die einzelnen Modulelektroniken 3 nicht zeitgleich in den Abschaltzustand 39 wechseln, und über die Abschaltstrombegrenzungselektronik 58 der Kurzschlussstrom I_K in der Kurzschlussleitung 17 sowohl zeitweise während der Abschaltung als auch dauerhaft bei aktiviertem Kurzschluss einstellbar begrenzt werden kann.
Wie detailliert in 3, 4 sowie in den 7a, 7b und 7c gezeigt ist, kann sich die Ansteuerelektronik 9 im Freischaltzustand 38 und auch im Abschaltzustand 39 mittels der in ihr enthaltenen Versorgungseinheit 29 energietechnisch versorgen. Dabei ist durch den Versorgungsspannungsabgriff 21 an der Versorgungsstreckenleitung 16 im Allgemeinen die elektrische Versorgung der Ansteuerelektronik 9 und somit der gesamten Modulelektronik 3 bei Strangabschaltung mittels des offenen Schaltelements 8 im Abschaltzustand 39 gewährleistet.
Zur Ansteuerelektronik 9 und zur Kommunikationselektronik 11 gehört eine in 3 angegebene Ansteuerlogik 92 zum Zuschalten der Steuerspannung an das steuerbare Schaltelement 8, wobei die Ansteuerlogik 92 mit der Leitstelle 14 verbunden ist sowie mit dem in der Steuerleitung 19 befindlichen ersten Schalter 87 und mit dem in der Leitung 43 befindlichen, parallel zum Steueranschluss 99 des Schaltelements 8 und positiven Stranganschluss 5 befindlichen zweiten Schalter 88 in Verbindung steht.
Die signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle 14 und den jeweiligen Kommunikationselektroniken 11 der Modulelektroniken 3 kann über Kabel und/oder kabelfrei, z. B. über Funk, ausgebildet sein. Zwischen der Leitstelle 14 und den Kommunikationselektroniken 11 kann somit eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung bestehen.
In 5 ist ein Teil-Schaltschema der Schaltungsanlage 1 mit einem Teil der Modulelektronik 3 aus der Ansteuerelektronik 9 und der Kommunikationselektronik 11 sowie mit der Leitstelle 14 detaillierter dargestellt, um das Auftreten möglicher Gefährdungsfälle und die Reaktionsmaßnahmen der Schaltungsanlage 1 auf die Gefährdungsfälle näher zu erklären.
In 3 ist die Kommunikation zwischen der Kommunikationselektronik 11 und der Leitstelle 14 bauelementebezogen der Einfachheit halber nur in eine Übertragungsrichtung (Sendepfad 77) angegeben.
Die Leitstelle 14 steht über eine leitungsausgebildete Kommunikationsstrecke 23 (Kabel) des Sendepfades 77 mit der Kommunikationselektronik 11 zumindest in signaltechnischer Verbindung. Als Übertrager der Signale von der Leitstelle 14 aus (Sendepfad 77) kann ein erster Optokoppler 24 mit einem Diodensender 25 und einem Phototransistor 26 dienen. Der Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 ist von Seiten der Kommunikationselektronik 11 mit einer Versorgungsleitung 27 von der Versorgungseinheit 29 und einer Abzweigung mit einem ersten Schmitttrigger 28 verbunden, wie in 5 gezeigt ist.
Die Ansteuerelektronik 9 detektiert selbständig die beschriebenen Gefährdungszustände und schaltet das Schaltelement 8 in den Abschaltzustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Stranganschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass eine selbständige Abschaltung von der Generatorstrangleitung 6 vorliegt. Der Abschaltzustand 39 kann nur durch ein Freigabetelegramm 44 von der Leitstelle 14 der Modulelektronik 3, wobei das Leitstellentelegramm 44 von der Kommunikationselektronik 11 empfangen wird, verlassen werden und in den Freischaltzustand 38 übergehen, bei dem das Schaltelement 8 geöffnet ist, was eine Aufhebung des Kurzschlusses über der Generatorstrangleitung 6 darstellt und somit eine aktive Freischaltung darstellt.
Die Funktionsweise der Modulelektronik 3 der Schaltungsanlage 1 besteht prinzipiell in Folgendem:
Im normalen Betriebszustand, dem Freischaltzustand 38, ist das Schaltelement 8 geöffnet, wobei das Photovoltaikmodul 2 mit dem positiven Stranganschluss 4 der Generatorstrangleitung 6 niederohmig verbunden ist. In dem Freischaltzustand 38 kann das Photovoltaikmodul 2 seine Leistung über die Generatorstrangleitung 6 an das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 abgeben.
Im Abschaltzustand 39 ist das Schaltelement 8 geschlossen, wobei das Photovoltaikmodul 2 von der Generatorstrangleitung 6 abgeschaltet wird.
Im Abschaltzustand 39 ist somit das Photovoltaikmodul 2 leistungsfrei geschaltet und die Stranganschlüsse 4, 5 sind kurzgeschlossen.
Während die Kommunikationselektronik 11 in 5 über die Versorgungsspannungsleitung 27 mit der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 9 verbunden ist, ist der mit der konstanten Referenzstromquelle I_ref 48 in Verbindung stehende Schmitttrigger 28 mit einem Empfänger 30 innerhalb der Ansteuerelektronik 9 verbunden. Dem Empfänger 30 ist das Empfängerregister 31 nachgeordnet, das parallel zu dem Speicher 32 für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” und an dem Vergleicher 33 angeschaltet ist. Dem Vergleicher 33 wiederum ist ein Fensterdetektor 34 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht, dessen Ausgang 36 mit dem Speicher 32 für die Schlüsselwörter „A” und „B” über die Rück-Signalleitung 62 und mit der Abschaltregelung 94 verbunden ist.
Im Folgenden wird anhand der 7a, 7b und 7c erläutert, wie die Kommunikationselektronik 11 und die Leitstelle 14 nach dem Eintreten von Gefährdungsfällen und nach Beendigung und Behebung der Gefährdungsfälle miteinander umgehen.
Die 7a zeigt die schaltbaren Schaltelement-Zustände des Schaltelements 8, wobei der Freischaltzustand 38 und der Abschaltzustand 39 angegeben sind. Das von der Leitstelle 14 gesendete Schlüsselwort „A” bedeutet: Es liegt kein Gefährdungsfall vor und der Stromtransfer geht vom Photovoltaikmodul 2 zum Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40.
7b zeigt die zeitlichen Erwartungszustands-Abläufe für das Schlüsselwort A und 7c zeigt die Schlüsselwort-Signalfolgen-Zuschaltungen für Schlüsselwort „A” und für Schlüsselwort „B”.
Die Funktionsweise der Kommunikationselektronik 11 zur Kommunikation mit der Leitstelle 14 und zum Empfang von deren Leitstellentelegrammen 44 soll beispielhaft anhand der 5 gemeinsam mit den 7a, 7b, 7c erläutert werden.
Ist das Photovoltaikmodul 2 an die Generatorstrangleitung 6, wie in 7a gezeigt, zugeschaltet, was den Freischaltzustand 38 darstellt, bei dem das Schaltelement 8 offen ist, erwartet die Ansteuerelektronik 9 ein von der Leitstelle 14 gesendetes, periodisch wiederkehrendes Leitstellentelegramm 44, das ein Freigabetelegramm sein kann, wobei das Leitstellentelegramm 44 über die Kommunikationselektronik 11 empfangen wird.
Das freigebende Leitstellentelegramm 44 kann gegenüber den periodisch wiederkehrenden Leitstellentelegrammen für den ungestörten Dauerbetrieb mit einem besonders markanten Impulssignal versehen sein, kann aber auch bei entsprechender Ausbildung das Impulssignal bereits in dem periodisch wiederkehrenden Leitstellentelegramm enthalten.
Das periodisch wiederkehrende Leitstellentelegramm 44 signalisiert somit einen ungefährdeten Photovoltaikgeneratorbetrieb. Das Leitstellentelegramm 44 und sein Zeitregime sind realisierungsabhängig. Bleibt das periodisch wiederkehrende Leitstellentelegramm 44 aus, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen Gefährdungszustand/-fall des Photovoltaikgenerators 40 und schaltet, wie in 5a gezeigt ist, das Schaltelement 8 in den Abschaltzustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Stranganschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass somit eine selbständige Strangabschaltung zur Generatorstrangleitung 6 vorliegt.
Das Leitstellentelegramm 44 wird in der Leitzentrale 14 in Spannungsmodulation der Kommunikationsstrecke 23 in Form eines Zweidrahtbusses des Sendepfades 77 umgesetzt, der in Verbindung mit einem ersten Optokoppler 24 der Kommunikationselektronik 11 steht. Die Spannungsmodulation wird an der Kommunikationselektronik 11 in 5 durch die Lichtdiode 25 in Lichtimpulse umgesetzt, die fallen auf einen Phototransistor 26 fallen, der abhängig von der Lichtintensität seinen Strom ändert. Die Lichtdiode 25 und der Phototransistor 26 sind Teil des ersten Optokopplers 24. Mit Hilfe der konstanten Referenzstromquelle 48 wird der sich ändernde Strom in eine Spannungsmodulation in der Kommunikationselektronik 11 gewandelt. Die Spannungsänderung wird mit einem ersten Schmitttrigger 28 in ein zweiwertiges Logiksignal konvertiert. Es entsteht ein Bitstrom. Der dem ersten Schmitttrigger 28 nachfolgende digitale Empfänger 30 setzt den Bitstrom in Abhängigkeit des Protokolls zu einem Telegramm zusammen, das im Empfangsregister 31 abgelegt wird. Befindet sich die Modulelektronik 3 im Freischaltzustand 38, so wird das aus einer Signalfolge bestehende Telegramm in dem Vergleicher 33 mit dem angebundenen Fensterdetektor 34 in zwei aufeinander folgenden Zeitfenstern 66, 67 mit dem Vorliegen eines Schlüsselwortes „A” verglichen. Im ersten Zeitfenster 66, dessen Länge t₆₆ festgelegt ist, dar, das Telegramm nicht dem Schlüsselwort „A” entsprechen. Geschieht dies, wird das Photovoltaikmodul 2 von der Generatorstrangleitung 6 abgeschaltet (Abschaltzustand 39). Im zweiten Zeitfenster 67, dessen maximale Länge t₆₇ festgelegt ist, muss ein Telegramm mit dem Schlüsselwort „A” empfangen werden. Geschieht dies nicht, wird das Photovoltaikmodul 2 von der Generatorstrangleitung 6 abgeschaltet (Abschaltzustand 39). Wird im zweiten Fenster 67 das Schlüsselwort „A” innerhalb der vorgeschriebenen Zeit t₆₇ empfangen, dann wird der Fensterdetektor 34 wieder auf das erste Fenster 66 zurückgesetzt.
Der Abschaltzustand 39 bleibt solange bestehen, bis ein aus einer anderen Signalfolge bestehendes Schlüsselwort „B” von der Leitstelle 14 gesendet wird.
Ist das Photovoltaikmodul 2 von der Generatorstrangleitung 6 abgeschaltet (Abschaltzustand 39), dann erwartet die Modulelektronik 3, auf oben beschriebene Art, das Schlüsselwort „B” in 5c und geht in den Freischaltzustand 38 über (Schaltelement 8 ist offen). Danach startet sofort der Fensterdetektor 34 mit dem ersten Fenster 66.
In einem in 8 dargestellten erweiterten Ausführungsbeispiel sind zwischen der Leitstelle 141 und der Kommunikationselektronik 111 als Kommunikationsstrecke 23 ein Sendepfad 77 und ein Empfangspfad 78 vorhanden.
Eine Rück-Übertragung von Signalen zu den Betriebszuständen seitens der Kommunikationselektronik 111 ist in Richtung zur Leitstelle 141 vorgesehen, wobei sich durch die Einbringung des Empfangspfades 78 in die Kommunikationselektronik 111 auch ein Teil der Ansteuerelektronik 9 ändert.
Im Sendepfad 77 ist der Ausgangspunkt des Sendetelegramms 44 ein Sender 76 der Leitstelle 141, der mit einem ersten Sendetransistor 75 und einer Spannungsquelle VT(t) 79 in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor 75 der mit ihm verbundene erste Optokoppler 24 bedient wird, wobei der erste Schmitttrigger 28 der Kommunikationselektronik 111 die vom Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 übernommenen Signale des Sendetelegramms 44 an den Empfänger 30 der Ansteuerelektronik 9 weiterleitet.
In der Ansteuerelektronik 9 übernimmt der dem Empfänger 30 nachgeschaltete Befehlsdekocder 70 die Funktionen des Empfangsregisters 31, des Vergleichers 33, des Fensterdekoders 34 sowie die Funktionen des Speichers 32 für die Schlüsselwörter „A”, „B”, wobei vom Befehlsdekoder 70 eine direkte Verbindungsleitung 84 zum Mehrfach-ODER-Glied 35 besteht, wobei der Befehlsdekoder 70 zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle 141 aus definierten Empfangspfads 78 mit einem Statusregister/Datenregister 71 verbunden ist, dem ein Sender 72 der Ansteuerelektronik 9 nachgeordnet ist, wobei der Sender 72 der Ansteuerelektronik 9 mit einem Sendetransistor 74 der Kommunikationselektronik 111 verbunden ist, der signaltechnisch mit der Photodiode 96 des zweiten Optokopplers 73 in Verbindung steht.
Die vom Phototransistor 37 des zweiten Optokopplers 73 in der Kommunikationselektronik 111 ausgelösten Signale werden mit Unterstützung einer Stromquelle 83 einem zweiten Schmitttrigger 81 der Leitstelle 141 zugeführt, wobei der zweite Schmitttrigger 81 an den mit ihm verbundenen Empfänger 82 das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm 80 übergibt.
Bei einer in 9 dargestellten Kombination zwischen der Ansteuerelektronik 9 und der Messelektronik 101 innerhalb der Modulelektronik 3 zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen U die Messelektronik 101 einen Spannungsteiler 49 mit einem daran angeschlossenen A/D-Wandler 50 enthält, wobei der Spannungsteiler 49 einen Anschluss zur Versorgungsspannungsleitung 27 der Versorgungseinheit 29 und einen Anschluss 57 zur Masseleitung 20 hat.
Der A/D-Wandler 50 weist nachfolgend ein Datenregister 51 verbunden mit dem Vergleicher 45 auf,
wobei parallel zum Datenregister 51 zwei Schwellwertregister 46 und 47 mit einem Logikschwellwertvergleicher 59 von Schwellwerten U1, U2 aus den beiden Schwellwertregistern 46, 47 an den Eingang des Vergleichers 45 geführt sind,
wobei dem Vergleicher 45 ein Entprellfilter 98 nachgeordnet ist, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung 97 mit dem Logikschwellwertvergleicher 59 und über eine Signalleitung 60 mit dem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht,
wobei die dem Mehrfach-ODER-Glied 35 nachgeordnete Abschaltregelung 94 über die Steuerleitung 19 mit dem Schaltelement 8 verbunden ist.
Der aktuelle Betriebszustand der Modulelektronik 3 und der erkannte Gefährdungszustand kann in der alternativen Schaltung zur ersten Kommunikationselektronik 11 einschließlich eines Sendepfades 77 der Kommunikationsstrecke 23 mittels einer in 8 dargestellten zweiten Kommunikationselektronik 111 einschließlich des Sendepfades 77 und eines Empfangspfades 78 durch ein Rück-Telegramm 80 von der Kommunikationselektronik 111 aus an die erweiterte zweite Leitstelle 141 übermittelt werden. Dabei kann entweder die Leitstelle 141 die Kommunikationselektronik 111 über die Kommunikationsstrecke 23 abfragen oder die Kommunikationselektronik 111 übermittelt bei Übergang in den jeweiligen Betriebszustand, insbesondere in den Abschaltzustand 39 den Zustandsübergang in Form eines Empfangstelegramms 80 an die Leitstelle 141 selbständig.
Entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen bezüglich der Schwellwertregister 46, 47 und des Vergleichers 45 können auch für erhöhte Temperaturen T und für Überströme I vorgesehen sein.
Bei einer Kombination der Messelektronik 102 mit der Ansteuerelektronik 9 kann bei Auftreten von Überstrom I, wie in 10 gezeigt ist, in der Masseleitung 20 ein Schutzwiderstand 65 eingeschaltet sein, der mit einem spannungsabgreifenden A/D-Wandler 63 zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Schutzwiderstand 65 verbunden ist, wobei der A/D-Wandler 63 mit dem Datenregister 51 der Ansteuerelektronik 9 verbunden ist.
Bei einer in 11 dargestellten Kombination der Messelektronik 103 mit der Ansteuerelektronik 9 bei Auftreten einer erhöhten Temperatur T kann die Messelektronik 103 einen Thermofühler 15 mit einem angeschlossenen A/D-Wandler 64, der mit dem Datenregister 51 der Ansteuerelektronik 9 in Verbindung steht, aufweisen.
Die Messelektroniken 101, 102, 103 mit den Baugruppen-Schaltungen zur Feststellung der Parameter von Unterspannung U und/oder von Überstrom I und/oder von überhöhten Temperaturen T können in einer Kompakt-Messelektronik 10 enthalten sein, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik 9 wie in den parameterbezogenen Messelektroniken 101, 102, 103 ausgebildet sind.
Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanlage 1 sind, dass

1. bei Auftreten von Gefährdungsfällen oder Gefährdungszuständen an Photovoltaikmodulen 2 eine selbsttätige Abschaltung von der Generatorstrangleitung 6 des Photovoltaikgenerators 40 erfolgt und
2. nach der Reparatur und/oder Beendigung des Gefährdungsfalles an den Photovoltaikmodulen 2 eine aktive Zuschaltung und somit Freischaltung der Photovoltaikmodule 2 in die Generatorstrangleitung 6 des Photovoltaikgenerators 40 durchgeführt wird,

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Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanlage
2: Photovoltaikmodul
3: Modulelektronik
4: erster Stranganschluss (Pluspol)
5: zweiter Stranganschluss (Minuspol)
6: Generatorstrangleitung
7: Linearregler
8: steuerbares Schaltelement
9: Ansteuerelektronik
10: Messelektronik (gesamt)
11: Kommunikationselektronik
12: erster Modulanschluss (Pluspol)
13: zweiter Modulanschluss (Minuspol)
14: Leitstelle
15: Versorgungsspannungsabgriff
16: Versorgungsstreckenleitung
17: Kurzschlussleitung
18: kapazitiver Hochsetzsteller
19: Steuerleitung
20: Masseleitung
21: Versorgungsabgriff
22: Gleichstromnetz
23: Kommunikationsstrecke
24: erster Optokoppler
25: Diodensender
26: Phototransistor
27: Versorgungsspannungsleitung
28: erster Schmitttrigger
29: Versorgungseinheit der Modulelektronik
30: Empfänger
31: Empfängerregister
32: Speicher für Schlüsselwörter
33: Vergleicher
34: Fensterdetektor
35: Mehrfach-ODER-Glied
36: Ausgang
37: Phototransistor
38: Freischaltzustand
39: Abschaltzustand
40: Photovoltaikgenerator
41: Wechselrichter
42: Anschlusskasten
43: Leitung
44: Telegramm
45: Vergleicher
46: erstes Schwellwertregister
47: zweites Schwellwertregister
48: Stromquelle
49: Spannungsteiler
50: A/D-Wandler
51: Datenregister
52: Diode
53: Differenzverstärker
54: Versorgungsnetz
55: Sollwert-Spannungsquelle
56: Regelkreis
57: Anschluss
58: Abschaltbegrenzungselektronik
61: Spannungsbegrenzer
62: Signalleitung
63: A/D-Wandler
64: A/D-Wandler
65: Schutzwiderstand
66: erstes Fenster
67: zweites Fenster
68: induktiver Hochsetzsteller
69: Überbrückungs-Diode
70: Befehlsdekoder
71: Statusregister/Datenregister
72: Sender
73: zweiter Optokoppler
74: Sendetransistor
75: Sendetransistor
76: Sender der Leitstelle
77: Sendepfad
78: Empfangspfad
79: Spannungsquelle
80: Empfangstelegramm
81: zweiter Schmitttrigger
82: Empfänger der Leitstelle
83: Stromquelle
84: Verbindungsleitung zum Mehrfach-ODER-Glied
85: Dose (schematisch)
86: Transformator
87: erster Schalter
88: zweiter Schalter
89: Versorgungsschaltelement
90: Modulelektroniksteuereinheit
91: Diode
92: Ansteuerlogik
93: Abschaltverzögerungselektronik
94: Abschaltregelung
95: Diode
96: Photodiode
97: Rückkopplungs-Signalleitung
98: Entprellfilter
99: Steuereingang
100: Differenzverstärker
101: erste Messelektronik
102: zweite Messelektronik
103: dritte Messelektronik
104: Referenzspannungsquelle
105: Kondensator
106: Widerstand
111: Kommunkationselektronik
141: zweite Leitstelle
t₆₆: erste Fensterzeitdauer
t₆₇: zweite Fensterzeitdauer
V_ref: konstante Referenzspannungsquelle
I_ref: konstante Referenzstromquelle
„A”: erstes Schlüsselwort
„B”: zweites Schlüsselwort
I: aktuelle Stromstärke
I1: erster Stromstärkeschwellwert
I2: zweiter Stromstärkeschwellwert
T: aktuelle Temperatur
T1: erster Temperaturschwellwert
T2: zweiter Temperaturschwellwert
I_K: Modulkurzschlussstrom
U_R: Modulrestspannung
I_pp: Freischaltstrom
U_pp: Freischaltspannung
I_pv: Photovoltaikmodulstrom
U_pv: Photovoltaikmodulspannung
ΔU_pv: Regelabweichung der Modulspannung

Claims

Photovoltaikgenerator (40) mit Schaltungsanlage (1) zum Schutz von Photovoltaikmodulen (2), wobei die Schaltungsanlage (1) über zumindest eine Generatorstrangleitung (6), einen Generatoranschlusskasten (42) und ein Gleichstromnetz (22) in der Reihenfolge an einen Wechselrichter (41) angeschlossen und die Photovoltaikmodule (2) über jeweils eine Modulelektronik (3) mit der Generatorstrangleitung (6) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind, wobei die Schaltungsanlage (1) je Photovoltaikmodul (2) eine dem Photovoltaikmodul (2) zugehörige Modulelektronik (3) und eine allen Photovoltaikmodulen (2) zugeordnete Leitstelle (14, 141) aufweist, die signaltechnisch mit den einzelnen Modulelektroniken (3) in Verbindung steht, wobei zumindest folgende Baugruppen für die Modulelektronik (3) vorgesehen sind: – ein aktives Schaltelement (8), das in einer Kurzschlussleitung (17) zwischen einem ersten positiven Stranganschluss (4) und einem zweiten negativen Stranganschluss (5) der Generatorstrangleitung (6) geschaltet ist und – eine Modulelektroniksteuereinheit (90), die zwischen Modulanschlüssen (12, 13) zum Photovoltaikmodul (2) geschaltet ist und die – eine Versorgungseinheit (29), die sich aus dem Photovoltaikmodul (2) am ersten positiven Modulanschluss (12, 21) speist und zumindest eine Ansteuerelektronik (9) dauerhaft mit Strom versorgt, wobei in einem Abschaltzustand (39) die Versorgungsspannung für die Abschaltelektronik (9) durch die Erzeugung einer höheren Versorgungsspannung aus der niedrigen Modulrestspannung (U_R) mittels der Versorgungseinheit (29) bewirkt wird, – eine Ansteuerelektronik (9), die zumindest eine Ansteuerlogik (92) und eine Abschaltregelung (94) aufweist, sowie – eine stationäre Abschaltregeleinrichtung aus der Abschaltregelung (94) und dem Schaltelement (8) für die Modulspannung (U_pv) am positiven Stranganschluss (4) derart umfasst, dass im Abschaltzustand (39) durch einen Differenzverstärker (53) eine Differenz (ΔU_pv) der Modulspannung (U_pv) am positiven Stranganschluss (4) als Regelgröße mit einem fest programmierten Sollwert (U_S) der Modulrestspannung (U_R) einer Sollwert-Spannungsquelle (55) als Führungsgröße gebildet und zu einer Regelabweichung (ΔU_pv) auf einer Steuerleitung (19) verstärkt wird, die über einen Steuereingang (99) des aktiven Schaltelementes (8) die Leitfähigkeit des aktiven Schaltelementes (8) derart beeinflusst, dass die Modulspannung (U_pv) auf dem positiven Stranganschluss (4) sich bei positiver Regelabweichung (ΔU_pv) verringert und sich bei negativer Regelabweichung (ΔU_pv) erhöht und dies unabhängig vom Modulkurzschlussstrom (I_K), – mindestens eine Messelektronik (10), die an die Ansteuerelektronik (9) leitungsverbunden signaltechnisch und an die Versorgungseinheit (29) energieversorgungstechnisch angeschlossen ist, und – eine Kommunikationselektronik (11, 111), die mit der Ansteuerelektronik (9) und mit der außerhalb der Modulelektronik (3) befindlichen Leitstelle (14, 141) signaltechnisch über eine Kommunikationsstrecke (23) verbunden ist und an die Versorgungseinheit (29) leitungsverbunden energieversorgungstechnisch angeschlossen ist, umfasst, wobei für die Modulelektronik (3) mit dem steuerbaren Schaltelement (8) zumindest zwei Betriebszustände für jede einzelne Modulelektronik (3), in Abhängigkeit von Signalen der Messelektronik (10) und der Kommunikationselektronik (11, 111), separat einstellbar sind: a) entweder einen Freischaltzustand (38), bewirkt durch Öffnen des aktiven Schaltelements (8), mit Zuschaltung des Photovoltaikmoduls (2) und Stromtransfer in die Generatorstrangleitung (6) b) oder einen Abschaltzustand (39), bewirkt durch Schließen des aktiven Schaltelements (8), mit Kurzschluss zwischen den Stranganschlüssen (4, 5) bei geregelter Modulkurzschlussspannung, wobei die Ansteuerelektronik (9) mit dem aktiven Schaltelement (8) derart in steuernder Verbindung steht, dass über die Ansteuerlogik (92) für jede einzelne Modulelektronik (3) die Schaltzustände: Freischaltzustand (38) und Abschaltzustand (39) des Schaltelements (8) separat einstellbar sind, sowie wobei nach dem Ende des Abschaltzustandes (39) der aktive Freischaltzustand (38) einer jeden einzelnen Modulelektronik (3) durch die dauerhaft versorgende Versorgungseinheit (29) mittels der aktiven Ansteuerlogik (92) durch Auswertung der Signale der Messelektronik (10) und/oder der Kommunikationselektronik (11, 111) über die Leitstelle (14, 141) ermöglicht wird, wobei die Ansteuerelektronik (9) des Weiteren eine Abschaltverzögerungselektronik (93) enthält, wobei die Abschaltregelung (94) mit einer Abschaltstrombegrenzungselektronik (58) versehen ist, wobei zwischen dem Ausgang eines Differenzverstärkers (53) und dem Steuereingang (99) des Schaltelements (8) neben einem ersten Schalter (87) zumindest ein Strombegrenzungsglied in Form eines RC-Gliedes eingebracht ist, dessen Widerstand (106) an den Steuereingang (99) führt sowie parallel zum Steuereingang (99) und der Kurzschlussleitung (17) ein Kondensator (105) geschaltet ist, wobei über die Abschaltverzögerungselektronik (93) der Zeitpunkt des Zustandswechsels für jede einzelne Modulelektronik (3) separat derart einstellbar ist, dass die einzelnen Modulelektroniken (3) nicht zeitgleich in den Abschaltzustand (39) wechseln, und über die Abschaltstrombegrenzungselektronik (58) der Kurzschlussstrom (I_K) in der Kurzschlussleitung (17) sowohl zeitweise während der Abschaltung als auch dauerhaft bei aktiviertem Kurzschluss einstellbar begrenzt werden kann.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement (8) als elektronisch steuerbarer Halbeiterschalter mit paralleler Verpolschutzdiode (69), gerichtet vom negativen Stranganschluss (5) zum positiven Stranganschluss (4), ausgebildet ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerelektronik (9) die Ansteuerlogik (92), die Abschaltverzögerungselektronik (93) und die Abschaltregelung (94) enthält, die über eine Versorgungsspannungsleitung (27) mit der Versorgungseinheit (29) elektrisch verbunden ist, wobei zur Ansteuerlogik (92) ein Empfänger (30), ein Empfangsregister (31), ein Speicher (32) für darin gespeicherte Schlüsselwörter (A, B), ein Vergleicher (33), ein Fensterdekoder (34) sowie ein Mehrfach-ODER-Glied (35) gehören, wobei die Abschaltverzögerungselektronik (93) ein programmierbares Zeitverzögerungsglied darstellt, das mit einen Ausgang (36) des Mehrfach-ODER-Gliedes (35) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei die signaltechnische kommunikative Verbindung in Form der Kommunikationsstrecke (23) zwischen der Leitstelle (14, 141) und den jeweiligen Kommunikationselektroniken (11, 111) der Modulelektroniken (3) über eine drahtlose Funkverbindung oder über ein separates Signalbuskabel oder über die Generatorstrangleitung (6) ausgebildet ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei von der Ansteuerelektronik (9) ausgehend zum Schaltelement (8) die Steuerleitung (19) geführt ist, wobei über die Steuerleitung (19) die Schaltsignale zum Trennen und Schließen der Kurzschlussleitung (17) an das Schaltelement (8) gesendet werden.
Photovoltaikgenerator nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei sich zumindest ein Teil der Baugruppen in einer abgeschlossenen Dose (85) befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei die elektrische Versorgungseinheit (29) aus der Photovoltaikmodulspannung über eine Versorgungsstreckenleitung (16) durch einen Spannungsregler eine geregelte Versorgungsspannung für die gesamte Modulelektronik (3) bereitstellt.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 1 und 7, wobei die elektrische Versorgungseinheit (29) einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (16) zum Photovoltaikmodul (2) sowie andererseits mit einer Messeleitung (20) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei über einen Versorgungsabgriff (21) an der Versorgungsstreckenleitung (43) die elektrische Versorgung der Versorgungseinheit (29) und somit der gesamten Modulelektronik (3) auch im Abschaltzustand (39) gewährleistet ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei in der Kommunikationselektronik (11, 111) in einem Sendepfad (77) ein erster Optokoppler (24) mit einem Diodensender (25) und einem Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle (14, 141) dient, wobei der Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) von Seiten der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einer Versorgungsleitung (27) von der Versorgungseinheit (29) aus mit einer einen Schmitttrigger (28) aufweisenden Abzweigung verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 10, wobei die Kommunikationselektronik (11, 111) über die Versorgungsleitung (27) mit der elektrischen Versorgungseinheit (29) der Ansteuerelektronik (9) verbunden ist, wobei der mit einer konstanten Referenzstromquelle I_ref (48) in Verbindung stehende Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einem Empfänger (30) innerhalb der Ansteuerelektronik (9) verbunden ist, dem ein Empfängerregister (31) nachgeordnet ist, das parallel mit einem Speicher (32) für zwei Schlüsselwörter („A”) und („B”) an einen Vergleicher (33) geschaltet ist, wobei dem Vergleicher (33) wiederum ein Fensterdetektor (34) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied (35) in Verbindung steht, dessen Ausgang (36) über eine Signalleitung (62) mit dem Speicher (32) für die Schlüsselwörter („A”) und („B”) und mit der Abschaltregelung (94) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, wobei zwischen der Leitstelle (141) und der Kommunikationselektronik (111) als Kommunikationsstrecke (23) ein Sendepfad (77) und ein Empfangspfad (78) vorhanden sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 12, wobei eine Rück-Übertragung von Signalen zu den Betriebszuständen seitens der Kommunikationselektronik (111) in Richtung zur Leitstelle (141) vorgesehen ist, wobei sich durch die Einbringung des Empfangspfades (78) in die Kommunikationselektronik (111) auch ein Teil der Ansteuerelektronik (9) ändert.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 12 und 13, wobei im Sendepfad (77) der Ausgangspunkt des Sendetelegramms (44) ein Sender (76) der Leitstelle (141) ist, der mit einem ersten Sendetransistor (75) und einer Spannungsquelle (79) in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor (75) der mit ihm verbundene erste Optokoppler (24) bedient wird, wobei der erste Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (111) die vom Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) übernommenen Signale des Sendetelegramms (44) an den Empfänger (30) der Ansteuerelektronik (9) weiterleitet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 14, wobei in der Ansteuerelektronik (9) ein dem Empfänger (30) nachgeschalteter Befehlsdekocder (70) die Funktionen des Empfangsregisters (31), des Vergleichers (33), des Fensterdekoders (34) sowie die Funktionen des Speichers (32) für die Schlüsselwörter (A, B) übernimmt, wobei vom Befehlsdekoder (70) eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied (35) besteht, wobei der Befehlsdekoder (70) zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle (141) aus definierten Empfangspfads (78) mit einem Statusregister/Datenregister (71) verbunden ist, dem ein Sender (72) der Ansteuerelektronik (9) nachgeordnet ist, wobei der Sender (72) der Ansteuerelektronik (9) mit einem Sendetransistor (74) der Kommunikationselektronik (111) verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler (73) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 15, wobei die vom Phototransistor (37) des zweiten Optokopplers (73) in der Kommunikationselektronik (111) ausgelösten Signale mit Unterstützung einer Stromquelle (83) einem zweiten Schmitttrigger (81) der Leitstelle (141) zugeführt sind, wobei der Schmitttrigger (81) an den mit ihm verbundenen Empfänger (82) das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm (80) übergibt.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 3 und 8, wobei bei einer Kombination zwischen der Ansteuerelektronik (9) und der Messelektronik (101) innerhalb der Modulelektronik (3) zur Behebung eines Gefährdungsfalles beim Auftreten von Unterspannungen (U) die Messelektronik (101) einen Spannungsteiler (49) mit einem daran angeschlossenen A/D-Wandler (50) enthält, wobei der Spannungsteiler (49) einen Anschluss zur Versorgungsleitung (27) und einen Anschluss (57) zur Messeleitung (20) hat.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 17, wobei der A/D-Wandler (50) nachfolgend ein Datenregister (51) mit einem Vergleicher (45) aufweist, wobei parallel zum Datenregister (51) zwei Schwellwertregister (46) und (47) mit einem Schwellwertvergleicher (59) von Schwellwerten (U1, U2) aus den beiden Schwellwertregistern (46, 47) an den Eingang des Vergleichers (45) angeordnet sind, wobei dem Vergleicher (45) ein Entprellfilter (98) nachgeordnet ist, das ausgangsseitig über eine Rückkopplungs-Signalleitung (97) mit dem Schwellwertvergleicher (59) und über eine Signalleitung (60) mit dem Mehrfach-ODER-Glied (35) in Verbindung steht, wobei eine dem Mehrfach-ODER-Glied (35) nachgeordnete Abschaltregelung (94) über die Steuerleitung (19) mit dem Schaltelement (8) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 17 und 18, wobei entsprechende schaltungstechnische Ausbildungen bezüglich der Schwellwertregister (46, 47) und des Vergleichers (45) auch für erhöhte Temperaturen (T) und für Überströme (I) vorgesehen sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 19, wobei bei Kombination der Messelektronik (102) mit der Ansteuerelektronik (9) bei Auftreten von Überstrom (1) in der Masseleitung (20) ein Schutzwiderstand (65) eingeschaltet ist, der mit einem spannungsabgreifenden AD-Wandler (63) zur Übernahme eines Spannungsabfalls am Schutzwiderstand (65) verbunden ist, wobei der AD-Wandler (63) mit dem Datenregister (51) der Ansteuerelektronik (9) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 19, wobei bei der Kombination der Messelektronik (103) mit der Ansteuerelektronik (9) bei Auftreten einer erhöhten Temperatur (T) die Messelektronik (103) einen Thermofühler (15) mit einem angeschlossenen A/D-Wandler (64), der mit dem Datenregister (51) der Ansteuerelektronik (9) in Verbindung steht, aufweist.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 17 bis 21, wobei die Messelektroniken (101, 102, 103) mit den Baugruppen-Schaltungen zur Feststellung der Parameter von Unterspannung (U) und/oder von Überstrom (I) und/oder von überhöhten Temperaturen (T) in einer Kompakt-Messelektronik (10) enthalten sind, deren jeweilige Verbindungen zur Ansteuerelektronik (9) wie in den parameterbezogenen Messelektroniken (101, 102, 103) ausgebildet sind.