DE4032569C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine netzgekoppelte Photovoltaik­ anlage, mit einem Solargenerator, welcher eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Moduln umfaßt, wobei jeweils einer Modulgruppe ein MPP-Tracker zugeordnet ist, mit wenigstens einem Wechselrichter zum Umwandeln der erzeugten Gleich­ spannung in Wechselspannung, mit einer ersten Einrichtung zum Anbinden an das Netz, welche mindestens einen Lei­ stungsschalter umfaßt, und mit einer zweiten Einrichtung zur Steuerung und Überwachung der Anlage mittels eines Mikrocomputers.

Eine Photovoltaikanlage ist in dem Aufsatz "Photovoltaik­ anlage in Fellbach", Sonnenenergie 2/90, Seiten 16 ff. (1990), beschrieben. Der Solargenerator besteht dabei aus einer Vielzahl verschalteter Module, die zu sogenannten Strings seriell verschaltet sind, wobei durch die Anzahl der Module die Ausgangsspannung der Strings festgelegt ist. Je nach gewünschter Ausgangsleistung wird eine ent­ sprechende Anzahl von Strings parallelgeschaltet. Die Umwandlung der durch den Solargenerator erzeugten Gleich­ stromgrößen in netzkonforme elektrische Größen, also Wechselströme und Wechselspannungen, erfolgt mittels eines gemeinsamen Wechselrichters.

Dazu müssen die Strings auf einer Gleichstromsammelschiene zusammengefaßt werden. Um die Ohm′schen Leitungsverluste möglichst gering zu halten, ist ein vergleichsweise großer Querschnitt der Schiene notwendig. Eine derartige bekann­ te Anlage hat auch den Nachteil, daß das leistungsschwäch­ ste Modul innerhalb eines Strings den Stringstrom be­ grenzt. Dies führt wiederum zu einer Leistungsschwächung der Gesamtanlage. Eine solche Leistungsschwächung kann beispielsweise bei Teilabschattung des Solargenerators auftreten, wenn also nicht die gesamte Generatorfläche ausgeleuchtet ist. Weiterhin gestaltet es sich schwierig, die Funktionsfähigkeit der einzelnen Module individuell zu überwachen. Dazu wird auf die DE 88 15 963 U1 verwie­ sen, aus der bekannt ist, eine Shuntdiode, die zur Über­ brückung eines defekten Moduls dient, auch dazu zu verwen­ den, eine lichtemittierende Diode oder ein Drehspulgerät anzusteuern, um so die Möglichkeit zu haben, die Position eines defekten Moduls im Solargenerator optisch festzu­ stellen. Hier wird der große Schaltungsaufwand deutlich, der zur Lösung dieses Einzelproblems notwendig ist.

Es ist weiterhin aus der DE 36 11 545 A1 bekannt, bei einem Modul, das von einem Rahmen aus Hohlprofilen umgeben ist, in einem solchen Hohlraum ein elektrisches Regelgerät anzuordnen, das Steuer-, Regel- und/oder Wandelfunktion hat. Ein solches Regelgerät muß in seinen Abmessungen optimal an den Hohlraum des Profiles angepaßt werden, damit das so ausgestattete Modul an ein anderes angelegt werden kann. Damit ist ein solches Modul wenig variabel und somit zur Serienfertigung ungeeignet.

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der Zeitschrift "elektrische energie-technik", 29. Jahrgang (1984), Nr. 1, S. 59 ff., beschrieben. Dabei ist ein Solargenerator aus einer Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Module aufgebaut, wobei jeder Modulgruppe ein MPP-Traktor zugeordnet ist, deren Ausgänge mit einer Gleichspannungssammelschiene verbunden sind. Es ist wei­ terhin ein Wechselrichter zum Umwandeln der erzeugten Gleichspannung in Wechselspannung vorgesehen, wobei über eine Einrichtung mit Leistungsteil die Anbindung an das Netz erfolgt. Die Anlagensteuerung übernimmt ein Mikrocom­ puter, der neben reinen Schutzaufgaben, nämlich der Über­ wachung von Akkumulatoren, die einen Energieausgleich bei stark schwankendem Angebot des Solargeneratores ermöglicht, auch Steuerfunktionen hinsichtlich der Energieflußoptimie­ rung erfüllt.

Aus der Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft", Jahrgang 85 (1986), Heft 5, S. 175 ff., ist ein photovoltaischer Generator bekannt, bei dem ein Wechselrichter mit MPT- Regelung direkt an den Solargenerator angeschlossen ist. Durch diese Technik wird es möglich, jeden der Molule einen Wechselrichter zuzuordnen, wodurch die Gleichspan­ nungssammelschiene entfallen und auch die Anlagenzuverläs­ sigkeit erhöht werden kann.

Entscheidend für eine effektiv betreibbare Photovoltaikan­ lage ist jedoch deren optimale Steuerung, die bei den bekannten Anlagen nur unter hohem Schaltungsaufwand erfol­ gen kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photo­ voltaikanlage zu schaffen, die in ihrem Aufbau vereinfacht ist und bei der eine effektive Steuerung durchgeführt werden kann, so daß auch insbesondere bei Ausfall einzel­ ner Module der Wirkungsgrad der gesamten Anlage kaum oder gar nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird von einer netzgekoppelten Photovoltaik­ anlage der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches gelöst.

Erfindungsgemäß weist jedes Modul einen integrierten Wechselrichter mit MPP-Tracking auf, weiterhin sind auch die erste Einrichtung als Leitungsteil und die zweite Einrichtung als Steuerteil modular aufgebaut, wobei ein gemeinsamer Datenbus die Daten einer Vielzahl von Modulen des Solargenerators der zweiten Einrichtung zuführt und wobei die Module auch über die zu deren Steuerung zu erfassenden Meßdaten über­ wachbar sind. Nunmehr übernimmt bei jedem Modul der Wech­ selrichter auch das Einstellen des maximalen Leistungs­ punktes, was aufgrund der nicht linearen U/I-Kennlinie von Photovoltaikanlagen notwendig ist. Bei der Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedes Modul in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Hier­ durch wirken sich Teilabschattungseffekte nur auf die betroffenen Module aus und beeinträchtigen den Wirkungs­ grad der gesamten Anlage nur wenig. Das Leistungs- und Steuerteil übernimmt dann die Steuerung und/oder Überwa­ chung unter Berücksichtigung von Parametern, die bei­ spielsweise durch Auflagen der Energieversorgungsunter­ nehmen in den Prozeß einfließen müssen, wie etwa Maßnahmen für den Netzschutz oder dergleichen, und durch Auswerten von Meßdaten von den Modulen. Um die Wechselrichtersteue­ rung für jedes Modul durchführen zu können, müssen Meßda­ ten auf der Gleichstromseite und auf der Wechselstromseite erfaßt werden. Es bedeutet daher kaum zusätzlichen Aufwand, diese Information zu verwenden, um einen Ausfall eines Moduls festzustellen. Es führt dazu ein gemeinsamer Datenbus die Da­ ten einer Vielzahl von Modulen dem Leistungs- und Steuerteil zu.

Aufgrund der modularen Ausbildung kann das Steuerteil auch räumlich vom Leistungsteil getrennt sein. Dies ist vorteil­ haft im Sinne einer möglichst weitgehenden Standardisierbar­ keit. Die einzelnen Komponenten der Zentraleinheit können dabei so konzipiert sein, daß der Einbau in Systemschränke möglich ist. Dadurch kann der Verkabelungsaufwand zur Netzanbindung beträchtlich gesenkt werden. Ohne zusätzlichen Gehäuseaufwand können dann die Teile mit in die bereits vorhandene Hausinstallation eingebunden werden.

Durch den voneinander unabhängigen modularen Aufbau von Leistungsteil und Steuerteil wird insbesondere eine indivi­ duelle Anpassung des Leistungsteils an die Generatorleistung ermöglicht, während der Steuerteil unabhängig davon aufgebaut werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird erreicht, daß der üblicherweise erforderliche Verdrahtungsaufwand erheblich verringert wird. Beispielsweise entfällt auch die aufwendige Gleichstromsammelschiene. Die Möglichkeit zur Modulüber­ wachung wird bei der erfindungsgemäßen Anlage sozusagen mit­ geliefert. Darüber hinaus würde auch der Ausfall eines oder mehrerer Module nicht die verheerenden Konsequenzen wie bei einer konventionellen Anlage haben und den Gesamtwirkungsgrad der Anlage nur unwesentlich beeinträchtigen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen netzgekoppelten Photovoltaikanlage,

Fig. 2 ein Funktionsschaltbild eines photovoltaik­ schen Moduls mit integriertem Wechselrichter,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Leistungs- und Steuerteils,

Fig. 4 eine Darstellung des mechanischen Aufbaus des Moduls mit integriertem Wechselrichter,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Verbindungselemente des Wechselrichters,

Fig. 6 eine schematische Ansicht im Längsschnitt des Wechselrichters,

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Leistungs­ teiles, und

Fig. 8 eine Außenansicht des Steuerteils.

Fig. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht der erfin­ dungsgemäßen Photovoltaik-Anlage. Eine Vielzahl von Modu­ len 1, 1′, 1′′ sind zu Strings L1-S, L2-S und L3-S zusam­ mengefaßt. Jedes der Moduln 1, 1′, 1′′ ist mit einem eige­ nen Wechselrichter 2, 2′, 2′′ versehen und über diesen direkt mit dem Netz 4 verbunden. Jedes Modul 1, 1′, 1′′ stellt somit eine eigenständige netzgekoppelte Einheit dar. Die Strings können beispielsweise die drei Phasen eines Niederspannungs-Drehstromsystems bilden. Jeder String bildet somit eine eigenständige Einheit und wird mit einer Betriebsspannung von je 220 Volt betrieben. Über die Strings L1-S, L2-S, L3-S sind die Module mit einem Leistungs- und Steuerteil 3 verbunden. Dieses Lei­ stungs- und Steuerteil 3 stellt das Bindeglied zum Netz 4 dar. Es hat weiterhin Überwachungsfunktion für die dezentralisierten Wechselrichter 2, 2′, 2′′. Dazu ist dann ein Datenbus 5 vorgesehen, über den jedes der Module mit dem Leistungs- und Steuerteil kommunizieren kann. Über den Datenbus 5 erhält das Leistungs- und Steuerteil 3 Informationen, die es ihm ermöglichen, die Funktionsfä­ higkeit der Module 1, 1′, 1′′ zu überwachen. Dabei werden nicht nur Leistungskenndaten überprüft, sondern auch mögliche Moduldefekte können lokalisiert werden, so daß sich anfallende Wartungsarbeiten zielgerichtet und genau durchführen lassen. Die Strings L1-S, L2-S und L3-S werden hinter dem Leistungs- und Steuerteil 3 als Phasenleiter L1, L2, L3 weitergeführt, während ein gemeinsamer Nullei­ ter N vorgesehen ist, die dann jeweils an das Netz 4 angekoppelt werden.

Fig. 2 zeigt das Funktionsschaltbild eines Moduls 1 mit integriertem Wechselrichter 2. Auf schaltungstechnisch übliche Weise ist die Gleichstromseite DC des Wechsel­ richters 2 an den photovoltaischen Ausgang des Moduls 1 gelegt. Von dieser Gleichstromseite wird über die Meß­ leitung 12 Information abgenommen und einer Steuereinheit 11 zugeführt. Der Wechselrichter 2 konvertiert die Gleich­ stromgrößen dann in Wechselstromgrößen, die von der Wech­ selstromseite AC abgenommen werden. Eine Meßleitung 13 führt wiederum Information von der Wechselstromseite auf die Steuereinheit 11. Die Steuereinheit 11 wiederum berei­ tet die Information zum Ansteuern des Leistungsteiles 10 des Wechselrichters 2 auf. Der Wechselrichter 2 wird so betrieben, daß er an seinem MPP-Punkt (Maximum Power Point), also an dem optimalen Arbeitspunkt des Moduls betrieben wird. Weiterhin gibt die Steuereinheit 11 Signa­ le an den Datenbus 5, der diese Daten dem Leistungs- und Steuerteil zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des Moduls 1 zu­ führt. Ein solcher Wechselrichter unterscheidet sich grundsätzlich nicht von solchen, die in Anlagen nach dem Stand der Technik verwendet werden. Ein Vorteil ergibt sich aber aus der relativ geringen Übertragungsleistung, die je nach Modul zwischen 50 W und 150 W betragen kann. Aufgrund der geringen Übertragungsleistung ist ein platz­ sparender Leiterplattengesamtaufbau möglich.

In der Gesamtanlage müssen relativ viele Wechselrichter elektrisch nahe parallelgeschaltet werden. Dies erfordert ein neues Steuerungskonzept, das die Blind- und Wirkungs­ steuerung sowie das MPP-Tracking, also das Hinführen zum optimalen Arbeitspunkt, beinhaltet. Zur Steuerung kann beispielsweise eine Parametersteuerung eingesetzt werden, die auch schon in anderen Bereichen mit großem Erfolg eingesetzt worden ist. Mit heute verfügbaren leistungs­ starken Microcontrollern kann die Steuerung realisiert werden.

Fig. 3 zeigt das Funktionsschema des Leistungs- und Steu­ erteiles getrennt nach Leistungsteil 31 und Steuerteil 32. Der Leistungsteil umfaßt die Zuleitungen für die Strings L1-S, L2-S und L3-S, deren Nulleiter gemeinsam zu dem ausgehenden Nulleiter N zusammengefaßt werden. Über Leistungsschützer 51 können die Phasenleiter L1, L2, L3 aktiviert werden. Jeder der Phasenleiter L1, L2, L3 und der Nulleiter N liefern Information an einen Meßwandler 52, der diese Information dann an den Steuerteil weiter­ führt. Der Leistungsteil kann weiterhin Vorsicherungen umfassen und läßt sich auf konventionelle Weise aufbauen. Der Steuerteil 32 besteht aus fünf Funktionsblöcken, nämlich dem Funktionsblock 57 für die Meßwerterfassung, dem Buskoppler 54, dem Steuerblock 58 für den Netzschutz, dem Steuer- und Überwachungsblock 55 und der Anzeige 59. Der Funktionsblock 57 dient der Auskopplung der relevanten Meßgrößen. Dabei wird vom vorgeschalteten Meßwandler 52 einerseits die galvanische Trennung und andererseits die Pegelanpassung vorgenommen. Der Buskoppler 54 koordiniert die Datenübertragung vom und auf den Datenbus 5. Der Aufbau des Datenbus 5 richtet sich nach der Anzahl der verwendeten Module und nach deren strukturellem Aufbau bzw. deren Anordnung in Strings. Es können dabei bekannte Techniken angewendet werden, wobei aber sicherzustellen ist, daß eine Lokalisierung eines jeweils angesprochenen Moduls über den Datenbus 5 immer möglich ist. Der Steuer­ block 58 enthält vorgebbare, gespeicherte Parameter, die den entsprechenden Vorschriften des jeweiligen Energiever­ sorgungsunternehmens Rechnung tragen. Er übernimmt die netzseitige Überwachung der Anlage sowie gegebenenfalls das Abschalten. Im zentralen Steuer- und Überwachungsblock 55 sind die entsprechenden Funktionen für den Netzschutz und für die Modulüberwachungen programmiert und abgelegt. Relevante Anlagegrößen, beispielsweise Störmeldungen, können über die Anzeige 59, die vom Block 55 angesteuert wird, ausgegeben werden.

Fig. 4 zeigt ein Modul 1 mit integriertem Wechselrichter, dessen Gehäuse 20 auf der Rückseite des Moduls angebracht ist. In dem Gehäuse 20 integriert befinden sich die Ver­ bindungselemente für den Datenbus und für die Netzanbin­ dung, wobei eine Unterteilung nach Daten und Netz vorge­ nommen ist. Für jede der Funktionsgruppen "Daten- und "Netz" ist jeweils ein Eingang E und ein Ausgang A vorge­ sehen.

Fig. 5 zeigt den Aufbau der Verbinder 26. Die Verbinder 26 weisen Stecker 28 auf, die jeweils unterschiedlich ausgebildet sind, so daß ein Vertauschen nicht möglich ist. Jeder Verbinder 26 ist mit einem Gewinde 29 sowie einer Dichtung 30 versehen. Die Verschaltung der Moduln erfolgt über vorkonfektionierte Leitungen, deren Ende mit entsprechenden Kupplungen oder Steckern versehen sind.

Der Aufbau des Wechselrichters 2 mit zugehöriger Steuer­ elektronik 23 kann aufgrund der geringen Übertragungslei­ stung zusammen auf einer Leiterplatte erfolgen. Die Längs­ schnittansicht aus Fig. 6 zeigt ein Gehäuse 20, in dem auf Abstandhaltern 21 eine Leiterplatte 22 ruht. Diese Leiterplatte 22 trägt die erforderlichen Elektronikkompo­ nenten 23. Zur Leiterplatte sind Anschlüsse 27 geführt, die mit dem Stecker 28 verbunden sind. Der Stecker 28 mündet in dem Verbinder 26 an einer Außenwand des Gehäuses 20. Das Gehäuse 20 ist mit einer Abdeckkappe 24 ver­ schließbar, wobei eine umlaufende Dichtung 25 vorgesehen ist, die das Eindringen von Schmutz und dergleichen ver­ hindert.

Fig. 7 zeigt den Aufbau des Leistungsteils 31. Er besteht aus Meßwandlern, dem Leistungsschütz und Sicherungen 35. Die Sicherungen 35 sind auf einer Klemmschiene 34 angeord­ net. Ein Gehäuse nimmt das Schütz und die Meßwandler auf. An geeigneter Stelle erfolgt die Zuführung der Phasen­ leiter bzw. der Strings. Die äußeren Abmessungen des Leistungsteils 31 sind so gewählt, daß ein Einbau in Systemschränke, wie sie üblicherweise in Hausinstallatio­ nen eingesetzt werden, möglich ist. Die Verbindung zum Steuerteil 32 wird über externe Meß- und Steuerleitungen 33 vorgenommen.

Fig. 8 zeigt eine Außenansicht des mechanischen Aufbaus des Steuerteiles. Die Netzschutzparameter sind gesondert eingebbar bzw. einstellbar, wobei der zugehörige Funk­ tionsblock mit einer Abdeckung 60 versehen werden kann. Eine Plombe 61 schützt vor unberechtigtem Zugang. Mit dem Tastenfeld 62 kann der Anlagenzustand abgefragt werden, die Anzeige 59 visualisiert auftretende Störungen oder aktuelle Anlagendaten.

Durch den modularen Aufbau von Leistungsteil und Steuerteil können mehrere Leistungsteile mit einem Steuerteil kombiniert werden. Damit lassen sich Anlagen auf einfache Weise erweitern, auch Anlagen größerer Leistung können mit einem bereits vorhandenen Steuerteil betrieben werden.

Bezugszeichenliste

 1 Modul
 2 Wechselrichter
 3 Leistungs- und Steuerteil
 4 Netz
 5 Datenbus
10 Leistungsteil des Wechselrichters
11 Steuereinheit
12 Meßleitung Gleichstromseite
13 Meßleitung Wechselstromseite
20 Gehäuse
21 Abstandhalter
22 Leiterplatte
23 Elektronikkomponenten
24 Abdeckkappe
25 Dichtung
26 Verbinder
27 Anschlußleitungen
28 Stecker
29 Gewinde
30 Dichtung
31 Leistungsteil
32 Steuerteil
33 Meß- und Steuerleitung
34 Klemmschiene
35 Sicherung
51 Leistungsschutz
52 Meßwandler
54 Buskoppler
55 Steuer- und Überwachungsblock
57 Funktionsblock für die Meßwerterfassung
58 Steuerblock für den Netzschutz
59 Anzeige
60 Abdeckung
61 Plombe
62 Tastenfeld
L1-S Phasenstring
L2-S Phasenstring
L3-S Phasenstring
L1 Phasenleiter
L2 Phasenleiter
L3 Phasenleiter
N Nulleiter

Claims (1)

1. Netzgekoppelte Photovoltaikanlage, mit einem Solargenerator, welcher eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Module umfaßt, wobei jeweils einer Modulgruppe ein MPP-Tracker zugeordnet ist, mit wenigstens einem Wechselrichter zum Umwandeln der erzeugten Gleichspannung in Wechselspannung, mit einer ersten Einrichtung zum Anbinden an das Netz, welche mindestens einen Leistungsschalter umfaßt, und mit einer zweiten Einrichtung zur Steuerung und Überwachung der Anlage mittels eines Mikro­ computers, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Modul (1, 1′, 1′′) einen Wechselrichter (2, 2′, 2′′) mit MPP-Tracking aufweist, daß auch die erste Einrichtung als Leistungsteil (31) und die zweite Einrichtung als Steuerteil (32) modular aufgebaut sind, und daß ein gemeinsamer Datenbus (5) die Daten einer Vielzahl von Modulen (1, 1′, 1′′) der zweiten Einrichtung (32) zuführt, wobei die Module (1, 1′, ′′) über die zu deren Steuerung zu erfassenden Meßdaten auch überwachbar sind.