WO2013034336A2 - Schutzschalteinrichtung, photovoltaikanlage und verfahren zum betrieb einer solchen - Google Patents

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WO2013034336A2 PCT/EP2012/063452 EP2012063452W WO2013034336A2 WO 2013034336 A2 WO2013034336 A2 WO 2013034336A2 EP 2012063452 W EP2012063452 W EP 2012063452W WO 2013034336 A2 WO2013034336 A2 WO 2013034336A2
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Tobias Mildenstein
Wolfgang Bronner
Hendrik Boedeker
Karsten Funk
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02021—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a protective switching device of a photovoltaic system, which comprises a plurality of strings connected to and connected via a connecting line with an inverter solar modules. Furthermore, it relates to a photovoltaic system with such a protective switching device and a method for operating such.
  • Photovoltaic power generation plants have been installed on many residential and commercial buildings in recent years. Usually in these a larger number of solar modules is raised on the plant roof, while usually a larger number of components in one or more strands is summarized. Within the single string, the modules are connected in series, so that while the current through the string is constant, the total voltage increases in proportion to the number of solar modules used. Typical total voltages reach such orders of magnitude up to 1 kV DC at currents around 15 A. The generated energy can not be fed directly into the public grid, but it must first a
  • Inverter Conversion of DC into AC voltage take place. For this purpose, a so-called. Inverter is needed, which is preferably installed in residential buildings in the basement of the building.
  • a photovoltaic system which is composed of a plurality of solar modules 3, each with a junction box 5, run on the roof and an inverter 7 in the basement R. 337306
  • Power cable 9 the sufficient requirements z. B. have to comply with high voltage safety.
  • the system outlined above may pose potential hazards to humans, animals and property.
  • the media has been discussing a threat of high voltages in the event of fire.
  • the basis of the problem is that the solar modules usually produce a voltage as long as light is incident on them. If, in the event of a fire, a building is disconnected from the power supply by the fire brigade, the AC output of the inverter is de-energized, but the area between the modules and the inverter still carries the DC high voltage. If the cable z. B. damaged by fire or mechanical impact, the high voltage is at the cable ends freely and can lead to electric shock when the fire department enters the building during a firefighting. A similar situation can occur if maintenance work on parts of the system must be carried out.
  • a protective switching device of a photovoltaic system with the features of claim 1 is provided.
  • Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
  • An idea of the invention consists in the provision of a bypass line parallel to the connection line of the solar modules, which can be selectively connected to the inverter instead of the connection line.
  • a first switching element in the connecting line and a second switching element in the bypass line are provided according to the invention.
  • a switching control unit for actuating the first or second switching element connected via a sensor signal input to the sensor element and on the output side via a control signal connection to the first and second switching element is provided. The actuation takes place in R. 337306
  • the switching control unit has receiving means for an externally supplied reset signal, and is for actuating the first or second switching element in response to the reset signal
  • a separate reset unit is provided, which is connected via a control signal connection to the first and second switching element and which has a receiving device for an externally provided reset signal and is designed to actuate the first or second switching element in response to the receipt of the reset signal ,
  • the sensor element is embodied as a current sensor inserted into the connecting line
  • the switching control unit has a threshold discriminator for threshold value discrimination of the measured current value and for opening the first switching element and closing the second switching element in response to a falling below a predetermined current threshold value.
  • a further embodiment of the protective switching device is characterized in that a first and second switching transistor arranged as a first and second switching element for bridging the solar module or the solar modules between the connecting line and the bypass line is provided.
  • the first and second switching transistor is associated with a respective voltage sensor for detecting the respective sheet resistance.
  • the switching control unit comprises a threshold discriminator for threshold discrimination of the measured current value and for opening the first switching element and closing the second switching element in response to a falling below a predetermined current threshold value.
  • Switching control unit has an OR gate for simultaneously opening the first and closing of the second switching element or vice versa.
  • a galvanic isolation between the sensor element and the first and second switching element is provided.
  • Such a separation can be realized, for example, by means of an optoelectronic sensor switching element control signal transmission, but also in a manner known per se.
  • An expedient embodiment of the proposed photovoltaic system comprises a device for generating a reset signal for resetting the connecting line in the operating state and a transmitting device for transmitting the reset signal to the protective switching device.
  • the generation of the reset signal and its transmission to the protective switching device can be located in the inverter, but it is also an in-roof implementation possible.
  • the proposed method for operating a photovoltaic system of the type in question here is characterized in that in response to the sensing of the operating state of at least one solar module characterizing size, the solar modules are either connected to the inverter or bridged. In the event of a lock-up, the connected state is restored in response to a reset signal generated outside the solar modules.
  • the invention is based on simple electronics at the module or string level, which checks without active communication with inverters and other components, whether in the current system state, a connection between modules and inverter is allowed. It requires no energy storage and releases the DC high voltage of the solar generator when a non-desired state is present. The modules are switched on again via a simple wake-up signal sent by the inverter or another component. R. 337306
  • the circuit is very resistant to interference, easy to implement and can also be integrated into existing systems without much effort.
  • Fig. 2 typical current-voltage characteristic of a solar module
  • Fig. 3 is a schematic representation of a first embodiment of
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of another embodiment of
  • Fig. 6 is a schematic representation of another embodiment of
  • FIGS. 7 and 8 are schematic detail views of essential components of FIG.
  • a starting point of the invention is the typical course of a current-voltage characteristic of a solar module (FIG. 2).
  • a crystalline module is characterized by typical voltages of 30 - 40 V and currents of 7 - 10 A.
  • the short-circuit current see arrow A
  • the module can be operated with open terminals. In this state (see arrow B), no current flows, so that the power generated is also zero.
  • the power-free states can be considered a safe module state.
  • the solution proposed here has, according to the considerations of the inventor, thus the following properties: It is either close to the module or close to a module string and should detect the current operating state (current and voltage). From the condition, a simple inference should be drawn as to whether the module or string is allowed to be in working order. If this is not the case, the module is either short-circuited or alternatively bridged, otherwise the state will be switched to operation and remain there until a non-permissible state is assumed. If a shutdown has occurred, it should be possible to perform a reset / wake-up from a distance.
  • several technical embodiments are described, which serve to realize the described requirements.
  • Fig. 3 shows in the manner of a block diagram as the first embodiment of the invention, the functionally essential parts of an on-roof or in-roof part 2 of a photovoltaic system, with a plurality of module strings 4, which each have a bypass diode 6 is assigned and via the Connecting line 9 to the inverter 7 (Fig. 1) are connected. Parallel to the connecting line 9, a second line is installed as a bridging line 11, which can bridge the corresponding components electrically. R. 337306
  • Switching between "module operation” and “bridging” takes place by means of a first and second switching element 13a, 13b to be actuated synchronously in the connection line 9 or the bridging line 11, realized by an electromechanical switch, a power semiconductor switch or the like.
  • a current sensor 15 such as a small resistor across which a voltage proportional to the module or strand current drops.
  • the voltage difference across the resistor is amplified in a switching control unit 17 (by an operational amplifier or equivalent) and the signal is used as a control signal for the switch 13a / 13b.
  • the switching element 13a is closed, ie if the inverter is connected, and if the inverter is also connected, a larger current flows through the resistor, so that a greater voltage drop also takes place To exceed the switching threshold and to maintain the status "module operation". This happens until either the module can no longer supply enough high current or the connection to the inverter (eg via a switch) is interrupted. In this case, no current flows, the switching threshold is exceeded, and the switching control unit 17 opens the switching element 13a and at the same time closes the switching element 13b and thus bridges the lying in the region of the bypass line 11 solar module strings 4th
  • the module resumes the circuit so that the control signal is no longer needed.
  • FIG. 4 shows, as a further exemplary embodiment, an arrangement 2 ', wherein identical or functionally identical parts are designated by the same reference numerals as in FIG. 3 and will not be explained again here.
  • the bridging line 11 is connected to the connecting line 9 via two switching transistors 13a', 13b 'as switching elements, and serve as sensor elements here two voltage sensors 15a', 15b ', the voltages Vi or V 2 on the first or Detect second switching transistor.
  • the signals of the voltage sensors reach a switching control unit 17 ', which comprises an OR gate 17a' for the simultaneous alternating activation of the switching transistors.
  • the second can be optimized to a low switch-on.
  • FIG. 5 shows, as a further exemplary embodiment, an arrangement 2 "in which a coil 14, which directly actuates first and second switching elements 13a, 13b, is provided as the sensor element and switching control element at the same time.
  • FIG. Another variant is shown in FIG.
  • the switching takes place via an optoelectronic element.
  • a light-emitting diode 16 (or an analog component), which generates a light signal at current flow, which is coupled to a specific first and second switching element 13a "and 13b".
  • the light signal thus acts as a control signal for the switching elements 13a ", 13b".
  • the advantage here is a simple structure and a galvanic separation of signal detection and switching element.
  • the switching control unit 17 comprises a threshold value discriminator 17c for threshold discrimination of a sensor signal received via the sensor signal input 17a in comparison with a threshold value of the corresponding measured variable stored in a threshold value memory 17d.
  • the switching control unit generates, by means of the threshold value discriminator 17c in response to the respective sensor signal, a switching control signal for activating the connection line with the solar cell strings or the bypass line.
  • the switching control unit comprises a reset signal receiving means 17e for receiving an external reset signal R and for generating a corresponding switching control signal for switching back the line configuration from the bridged to the active state of the connecting line containing the solar cell strings.
  • FIG. 8 shows, based on FIG. 1, a modified configuration of the entire photovoltaic system 1, in which the proposed protective switching device is shown as a functional block 10.
  • a separate reset unit 19 is provided in the roof area, via a suitable receiving unit 19a in wireless signal connection with a reset signal generating unit 21 at R. 337306
  • Inverter 7 is in the basement area of the building, which in turn includes a corresponding transmission unit 21a.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschalteinrichtung (10) einer Photovoltaikanlage (1), die eine Mehrzahl von zu Strings (4) verschalteten und über eine Anschlussleitung (9) mit einem Wechselrichter (7) verbundenen Solarmodulen (3) umfasst, mit einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung (11),einem ersten Schaltelement (13; 13a'; 13a'') und einem zweiten Schaltelement (13b; 13b'; 13b'') zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung oder der Überbrückungsleitung, einem mindestens einem Solarmodul oder String zugeordneten Sensorelement (15; 15a'; 15b') zum Abfühlen einer den Betriebszustand des Solarmoduls oder der Solarmodule kennzeichnenden physikalischen Größe undeiner über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und ausgangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbundenen Schaltsteuereinheit (16; 17; 17) zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe. Des Weiteren betrifft sie eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Schutzschalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.

Description

Beschreibung Titel
Schutzschalteinrichtunq, Photovoltaikanlage und Verfahren zum Betrieb einer solchen
Die Erfindung betrifft eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage, die eine Mehrzahl von zu Strings verschalteten und über eine Anschlussleitung mit einem Wechselrichter verbundenen Solarmodulen umfasst. Des Weiteren betrifft sie eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Schutzschalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.
Stand der Technik Anlagen zur photovoltaischen Energieerzeugung wurden in den letzten Jahren auf vielen Wohn- und Geschäftsgebäuden installiert. Üblicherweise wird in diesen eine größere Zahl von Solarmodulen auf dem Anlagendach aufgeständert, dabei wird meist eine größere Zahl von Bauteilen in einem oder mehreren Strängen zusammengefasst. Innerhalb des einzelnen Strangs sind die Module in Serie ver- schaltet, so dass der Strom durch den Strang zwar konstant ist, die Gesamtspannung jedoch proportional zur Zahl der verwendeten Solarmodule ansteigt. Typische Gesamtspannungen erreichen so Größenordnungen bis zu 1 kV Gleichspannung bei Strömen um 15 A. Die erzeugte Energie kann jedoch nicht direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, sondern es muss zunächst eine
Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung stattfinden. Dazu wird ein sog. Wechselrichter benötigt, der insbesondere bei Wohnhäusern bevorzugt im Keller des Gebäudes installiert wird.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, verlaufen zwischen einer Photovoltaikanla- ge 1, die aus einer Mehrzahl von Solarmodulen 3 mit jeweils einer Anschlussdose 5 zusammengesetzt ist, auf dem Dach und einem Wechselrichter 7 im Keller R. 337306
Stromkabel 9, die ausreichende Anforderungen z. B. bezüglich Hochspannungssicherheit erfüllen müssen.
Im skizzierten System können unter gewissen Umständen Gefährdungspotentiale für Menschen, Tiere und Sachwerte bestehen. In den letzten Jahren wird in den Medien insbesondere eine Gefährdung durch hohe Spannungen im Brandfall diskutiert. Grundlage des Problems ist, dass die Solarmodule üblicherweise so lange eine Spannung produzieren, wie Licht auf sie einfällt. Wird im Brandfall ein Gebäude von der Feuerwehr von außen vom Stromnetz getrennt, ist zwar der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters spannungsfrei, der Bereich zwischen Modulen und Wechselrichter führt allerdings immer noch die DC-Hoch- spannung. Wird das Kabel z. B. durch Brand oder mechanische Einwirkung beschädigt, liegt die Hochspannung an den Kabelenden frei an und kann zu elektrischen Schlägen führen, wenn die Feuerwehr das Gebäude während eines Löscheinsatzes betritt. Eine ähnliche Situation kann eintreten, wenn Wartungs- arbeiten an Teilen der Anlage ausgeführt werden müssen.
Um dem Problem zu begegnen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht mit dem Ziel, das Gebäudeinnere im Brandfall von gefährlicher Hochspannung freizuschalten. Zentrale Lösungen sind hierbei entweder, Einzelmodule oder Modul- stränge kurzzuschließen oder Strang bzw. Modul von jeglichem Bezugspotential zu trennen, so dass bei Kontaktschluss auf Erde ebenfalls kein Stromfluss zustande kommt. Ein wesentliches Problem ist allerdings, dass aus Sicherheitsgründen bei Unsicherheit über den Zustand des Systems immer der spannungsfreie, ungefährliche Zustand angenommen werden muss. Nur wenn das System definitiv im betriebsbereiten Zustand ist, darf die Hochspannungsleitung unter Spannung stehen. Bisherige Ansätze fokussieren sich darauf, auf dem Hausdach entweder direkt an den Modulen (z. B. in der Anschlussdose) oder am Modulstrang einen Schalter vorzusehen, der die Freischaltung nur dann aufhebt, wenn z. B. vom Wechselrichter ein entsprechendes Signal kommt. R. 337306
- 3 - Als in diesem Zusammenhang einschlägige Druckschriften wird verwiesen auf DE 102005018 173 B4, DE 102006060815 AI, DE 102008004675 B3,
DE 102008029491 B4, DE 102008003272 AI, WO 2005/027300 AI,
WO 20107078303 A2 und US 2009/207543 AI. Dieser Ansatz ist zwar vergleichsweise sicher, verlangt allerdings eine permanente Kommunikation zwischen Wechselrichter (oder einer anderen Steuereinrichtung) und Schalter. Diese permanente Kommunikation kann z. B. über ein eigenes Kabel, Wifi oder Powerline erfolgen, ist allerdings aufwendig zu realisieren und stellt wegen des dauerhaften Betriebs sehr hohe Ansprüche an die Robust- heit der verbauten Komponenten.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung eine Photovoltaikanlage sowie ein Verfahren zum
Betrieb einer solchen vorgeschlagen. Ein Gedanke der Erfindung besteht im Vorsehen einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung, die selektiv anstelle der Anschlussleitung an den Wechselrichter geschaltet werden kann. Hierzu sind erfindungsgemäß ein erstes Schaltelement in der Anschlussleitung und ein zweites Schaltelement in der Überbrückungsleitung vorgesehen. Weiterhin gehört zur Erfindung der Gedanke, ein Sensorelement zum Abfühlen einer den Betriebszustand des
Solarmoduls (oder mehrerer Solarmodule) kennzeichnenden physikalischen Größe vorzusehen und dessen Ausgangssignal zur Auslösung eines Schaltvorganges zu nutzen. Hierzu ist des Weiteren eine über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und ausgangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbundene Schaltsteuereinheit zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements vorgesehen. Die Betätigung erfolgt im R. 337306
Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe.
In einer Ausführung der Erfindung weist die Schaltsteuereinheit eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal auf, und sie ist zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den
Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet. In einer abweichenden Ausführung ist eine separate Rücksetzeinheit vorgesehen, die über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbunden ist und die eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal aufweist und zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführung ist das Sensorelement als in die Anschlussleitung eingefügter Stromfühler ausgebildet, und die Schaltsteuereinheit weist einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes auf. Eine weitere Ausführung der Schutzschalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass als erstes und zweites Schaltelement ein zur Überbrückung des Solarmoduls oder der Solarmodule zwischen der Anschlussleitung und der Überbrückungsleitung angeordneter erster und zweiter Schalttransistor vorgesehen ist. Hierbei ist dem ersten und zweiten Schalttransistor je ein Spannungsfühler zur Erfassung des jeweiligen Bahnwiderstandes zugeordnet. Die Schaltsteuereinheit umfasst einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes. R. 337306
- 5 - Eine weitere Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Schaltsteuereinheit ein ODER-Glied zum gleichzeitigen Öffnen des ersten und Schließen des zweiten Schaltelements oder umgekehrt aufweist.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine galvanische Trennung zwischen dem Sensorelement und dem ersten und zweiten Schaltelement vorgesehen. Eine solche Trennung kann etwa mittels einer optoelektronischen Sensor- Schaltelement-Steuersignalübertragung realisiert werden, aber auch auf (an sich bekannte) andere Weise. Eine zweckmäßige Ausführung der vorgeschlagenen Photovoltaikanlage umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rücksetzsignals zum Zurücksetzen der Anschlussleitung in den Betriebszustand und eine Sendeeinrichtung zur Übermittlung des Rücksetzsignals an die Schutzschalteinrichtung. Die Erzeugung des Rücksetzsignals und dessen Aussendung an die Schutzschalteinrichtung kann beim Wechselrichter lokalisiert sein, es ist aber auch eine In-Dach-Realisierung möglich.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikanlage der hier in Rede stehenden Art zeichnet sich dadurch aus, dass im Ansprechen auf das Abfühlen einer den Betriebszustand mindestens eines Solarmoduls kennzeichnenden Größe die Solarmodule entweder mit dem Wechselrichter verbunden oder überbrückt werden. Im Falle einer Überbrückung wird der verbundene Zustand im Ansprechen auf ein außerhalb der Solarmodule generiertes Rücksetzsignal wieder hergestellt.
Die Erfindung basiert auf einer einfachen Elektronik auf Modul- oder Stringebene, die ohne aktive Kommunikation mit Wechselrichter und anderen Komponenten prüft, ob im aktuellen Systemzustand eine Verbindung zwischen Modulen und Wechselrichter erlaubt ist. Sie benötigt keinen Energiespeicher und schaltet die DC-Hochspannung des Solargenerators frei, wenn ein nicht gewünschter Zustand vorliegt. Das Wiedereinschalten der Module erfolgt über ein einfaches Wake-Up- Signal, das vom Wechselrichter oder einer anderen Komponente geschickt wird. R. 337306
- 6 - Insgesamt ist die Schaltung sehr störunempfindlich, einfach zu realisieren und kann auch ohne großen Aufwand in bereits bestehende Systeme integriert werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 skizzenartige Darstellung des Grundaufbaus einer Auf-
Dach- Photovoltaikan läge, Fig. 2 typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der
Erfindung in Art eines Blockschaltbildes, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der
Erfindung in Art eines Blockschaltbildes,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der
Erfindung in Art eines Blockschaltbildes,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der
Erfindung in Art eines Blockschaltbildes und
Fig. 7 und Fig. 8 schematische Detailansichten wesentlicher Komponenten von
Ausführungen der Erfindung. R. 337306
- 7 - Ausführungsformen der Erfindung
Ein Ausgangspunkt der Erfindung ist der typische Verlauf einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls (Fig. 2). Im Punkt maximaler Leistung (MPP) zeichnet sich ein kristallines Modul durch typische Spannungen um 30 - 40 V und Stromstärken um 7 - 10 A aus. Schließt man das Modul hingegen kurz, geht der Strom auf einen Maximalwert (den Kurzschlussstrom; vgl. Pfeil A), während die Spannung auf Null absinkt, so dass keine Leistung erzeugt wird. Alternativ kann das Modul mit offenen Klemmen betrieben werden. In diesem Zustand (vgl. Pfeil B) fließt kein Strom, so dass die erzeugte Leistung ebenfalls Null ist. Die leistungsfreien Zustände können als sicherer Modulzustand angesehen werden.
Die hier vorgeschlagene Lösung hat, gemäß den Überlegungen der Erfinder, somit folgende Eigenschaften: Sie befindet sich entweder nahe am Modul oder nahe an einem Modulstrang und soll den aktuellen Betriebszustand (Strom und Spannung) detektieren. Aus dem Zustand sollte ein einfacher Rückschluss darauf gezogen werden, ob das Modul oder der Strang im betriebsbereiten Zustand sein darf. Ist dies nicht der Fall, wird das Modul entweder kurzgeschlossen oder alternativ überbrückt, ansonsten wird der Zustand auf Betrieb umgeschaltet werden und dort verbleiben, bis ein nicht-zulässiger Zustand angenommen wird. Ist eine Abschaltung erfolgt, sollte es möglich sein, aus der Entfernung ein Reset/Wake-Up durchzuführen. Im Folgenden werden mehrere technische Ausführungen beschrieben, die dazu dienen, die beschriebenen Anforderungen zu realisieren.
Fig. 3 zeigt in Art eines Blockschaltbildes als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die funktionswesentlichen Teile eines Auf-Dach- bzw. In-Dach-Teils 2 einer Photovoltaikanlage, mit mehreren Modulstrings 4, denen jeweils eine Bypass-Diode 6 zugeordnet ist und die über die Anschlussleitung 9 mit dem Wechselrichter 7 (Fig. 1) verbunden sind. Parallel zur Anschlussleitung 9 ist als Überbrückungsleitung 11 eine zweite Leitung installiert, die die entsprechenden Komponenten elektrisch überbrücken kann. R. 337306
- 8 - Ein Umschalten zwischen„Modulbetrieb" und„Überbrückung" erfolgt durch ein synchron zu betätigendes erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b in der Anschlussleitung 9 bzw. der Überbrückungsleitung 11, realisiert durch einen elektromechanischen Schalter, einen Leistungs-Halbleiterschalter o. ä. Vor der Verzweigung befindet sich in der Hochspannungsleitung als Sensorelement ein Stromfühler 15, etwa ein kleiner Widerstand, über den eine dem Modul- bzw. Strangstrom proportionale Spannung abfällt. Die Spannungsdifferenz über den Widerstand wird in einer Schaltsteuereinheit 17 verstärkt (durch einen Operationsverstärker oder ein äquivalent wirkendes Bauteil) und das Signal als Steuersignal für den Umschalter 13a/13b verwendet.
Erzeugen die Modulstrings 4 einen hinreichend großen Strom, ist das Schaltelement 13a geschlossen, also auf „Modulbetrieb", und ist zudem der Wechselrichter angeschlossen, fließt ein größerer Strom über den Widerstand, so dass auch ein größerer Spannungsabfall stattfindet. Das verstärkte Signal genügt, die Schalt- schwelle zu überschreiten und den Zustand„Modulbetrieb" aufrecht zu erhalten. Dies geschieht so lange, bis entweder das Modul keinen genügend hohen Strom mehr liefern kann oder die Verbindung zum Wechselrichter (z. B. über einen Schalter) unterbrochen wird. In diesem Fall fließt kein Strom mehr, die Schaltschwelle wird unterschritten, und die Schaltsteuereinheit 17 öffnet das Schalt- element 13a und schließt zugleich das Schaltelement 13b und überbrückt somit die im Bereich der Überbrückungsleitung 11 liegenden Solarmodul-Strings 4.
Aus dem kurzgeschlossenen Zustand kommen diese Solarmodul-Strings allein nicht mehr heraus, da zum erneuten Umschalten ein Stromfluss benötigt wird, der aber aufgrund des Kurzschlusses nicht zustande kommt. Sollen die Module wieder eingeschaltet werden, kann über den Wechselrichter oder eine andere Systemkomponente wie eine separate Steuerbox ein kurzer äußerer Strompuls auf das System gegeben werden, so dass die Schaltschwelle kurz überschritten wird. In diesem Fall wird die Überbrückung aufgehoben (wobei wichtig ist, sicherzustellen, dass der Strom während des Schaltvorgangs weiter fließt und das System nicht vorzeitig wieder ausschaltet). Nach dem Umschalten versorgt R. 337306
wieder das Modul die Schaltung, so dass das Steuersignal nicht mehr benötigt wird.
Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2', wobei gleiche bzw. funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3 bezeich- net sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Bei der Anordnung 2' ist die Überbrückungsleitung 11 mit der Anschlussleitung 9 über zwei Schalttransistoren 13a', 13b' als Schaltelemente verbunden, und als Sensorelemente dienen hier zwei Spannungsfühler 15a', 15b', die die Spannungen Vi bzw. V2 über dem ersten bzw. zweiten Schalttransistor erfassen. Die Signale der Spannungsfühler gelan- gen zu einer Schaltsteuereinheit 17', die ein ODER-Glied 17a' zur gleichzeitigen alternierenden Ansteuerung der Schalttransistoren umfasst.
Bei dieser Anordnung sind also die Detektion des ordnungsgemäßen Betriebszustands und die Einschaltung auf zwei separate Bauteile (im konkreten Fall Schalt- transistoren) aufgetrennt. Der normale Betriebszustand läuft über den ersten (linken) Schalttransistor 13a', der im Durchlass betrieben wird, wenn der zweite Schalttransistor 13b' aus ist. Umgekehrt lässt der zweite Transistor durch (Überbrückung), wenn der erste sperrt. Eine ODER-Verknüpfung bedingt ein zeitgleiches Umschalten. Vorteil der gezeigten Realisierung ist, dass die Transistoren prinzipiell unterschiedlich gewählt werden können, so dass z. B. der erste
Transistor auf Dauerbelastung, der zweite auf eine geringe Einschaltschwelle optimiert werden kann.
Fig. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2", bei der als Sensorelement und zugleich Schaltsteuerelement eine Spule 14 vorgesehen ist, die direkt ein erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b betätigt.
Fließt in der Anschlussleitung 9 ein hoher Strom, kann dieser mittels der Induktivität der Spule 14 ein magnetisches Feld aufbauen. Dieses kann unmittelbar dazu genutzt werden, die elektromechanischen Schalter 13a, 13b wie z. B. in einem Relais zu betätigen. Vorteil dieser Variante ist eine Unempfindlichkeit R. 337306
- 10 - gegen hohe Ströme und die Möglichkeit der Verwendung kommerziell einfach verfügbarer Bauteile.
Eine weitere Variante ist in Fig. 6 gezeigt. Hier erfolgt die Schaltung über ein optoelektronisches Element. In der Leitung zum Wechselrichter 7 befindet sich eine Leuchtdiode 16 (oder ein analoges Bauteil), das bei Stromfluss ein Leuchtsignal generiert, welches auf ein spezielles erstes und zweites Schaltelement 13a" bzw. 13b" gekoppelt wird. Das Lichtsignal fungiert somit als Steuersignal für die Schaltelemente 13a", 13b". Vorteil ist hier ein einfacher Aufbau und eine galvanische Trennung von Signaldetektion und Schaltelement.
Fig. 7 zeigt als Ausführungsbeispiel wesentliche Funktionseinheiten einer Schaltsteuereinheit 17, die eingangsseitig über einen Sensorsignaleingang 17a mit einem Sensorelement 15 und ausgangsseitig über einen Steuersignalausgang 17b mit Schaltelementen 13a, 13b in Verbindung steht. Die Schaltsteuereinheit 17 umfasst einen Schwellwertdiskriminator 17c zur Schwellwertdiskriminierung eines über den Sensorsignaleingang 17a empfangenen Sensorsignals im Vergleich mit einem in einem Schwellenwertspeicher 17d gespeicherten Schwellwert der entsprechenden Messgröße. Wie weiter oben erläutert, erzeugt die Schaltsteuereinheit mittels des Schwellwertdiskriminators 17c im Ansprechen auf das jeweiliger Sensorsignal ein Schaltsteuersignal zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung mit den Solarzellen-Strings oder aber der Überbrückungsleitung. Des Weiteren umfasst die Schaltsteuereinheit eine Rücksetzsignal-Empfangseinrichtung 17e zum Empfang eines externen Rücksetzsignals R und zur Erzeugung eines entsprechenden Schaltsteuersignals zum Zurückschalten der Leitungskonfiguration aus dem überbrückten in den aktiven Zustand der die Solarzellen-Strings enthaltenden Anschlussleitung.
Fig.8 zeigt, in Anlehnung an Fig. 1, eine modifizierte Konfiguration der gesamten Photovoltaikanlage 1, in der die vorgeschlagene Schutzschalteinrichtung als Funktionsblock 10 dargestellt ist. Hier ist eine separate Rücksetzeinheit 19 im Dachbereich vorgesehen, die über eine geeignete Empfangseinheit 19a in drahtloser Signalverbindung mit einer Rücksetzsignal-Erzeugungseinheit 21 beim R. 337306
- 11 -
Wechselrichter 7 im Kellerbereich des Gebäudes steht, welche ihrerseits eine entsprechende Sendeeinheit 21a umfasst.
In den oben gezeigten Varianten werden die Einzelmodule oder Modulstrang so überbrückt, dass sich die Module selbst im klemmoffenen Zustand befinden und somit keine Leistung erzeugen. Einfache Modifikationen der in Fig. 3 bis 6 gezeigten Schaltungen, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen, erlauben es, die Module alternativ kurzzuschließen.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims

R. 337306 - 12 - Ansprüche
1. Schutzschalteinrichtung (10) einer Photovoltaikanlage (1), die eine Mehrzahl von zu Strings (4) verschalteten und über eine Anschlussleitung (9) mit einem Wechselrichter (7) verbundenen Solarmodulen (3) umfasst, mit: - einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung (11),
- einem ersten Schaltelement (13; 13a'; 13a") und einem zweiten Schaltelement (13b;13b';13b") zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung oder der Überbrückungsleitung, einem mindestens einem Solarmodul oder String zugeordneten Sensorelement (15;15a';15b') zum Abfühlen einer den Betriebszustand des Solarmoduls oder der Solarmodule kennzeichnenden physikalischen Größe und
- einer über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und aus- gangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zwei- ten Schaltelement verbundenen Schaltsteuereinheit (16;17;17) zur
Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe.
2. Schutzschalteinrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Schaltsteuereinheit (17) eine Empfangseinrichtung (17e) für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal aufweist und zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet ist.
3. Schutzschalteinrichtung nach Anspruch 1, mit einer separaten Rücksetzeinheit (19), die über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbunden ist und die eine Empfangseinrichtung (19a) für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal aufweist und zur Betäti- gung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den
Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet ist. 337306
- 13 -
4. Schutzschalteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Sensorelement (15) als in die Anschlussleitung (9) eingefügter Stromfühler ausgebildet ist und die Schaltsteuereinheit (17) einen Schwell- wertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes (13a) und Schließen des zweiten Schaltelementes (13b) im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes aufweist.
5. Schutzschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei als erstes und zweites Schaltelement ein zur Überbrückung des Solarmoduls oder der Solarmodule zwischen der Anschlussleitung (9) und der Überbrückungsleitung (11) angeordneter erster und zweiter Schalttransistor (13a';13b') vorgesehen und dem ersten und zweiten Schalttransistor je ein Spannungsfühler (15a';15b') zur Erfassung des jeweiligen Bahnwiderstandes zugeordnet ist und die Schaltsteuereinheit einen Schwellwert- diskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes aufweist.
6. Schutzschalteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Schaltsteuereinheit (17) ein ODER-Glied zum gleichzeitigen Öffnen des ersten und Schließen des zweiten Schaltelements, oder umgekehrt aufweist.
7. Schutzschalteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit galvanischer Trennung, insbesondere ausgeführt mittels einer optoelektronischen Sensor-/Steuersignalübertragung zwischen Sensorelement (16) und erstem und zweitem Schaltelement (13a";13b"). R. 337306
- 14 -
8. Photovoltaikanlage (1), die eine Mehrzahl von zu Strings (4) verschalteten und über eine Anschlussleitung (9) mit einem Wechselrichter (7) verbundenen Solarmodulen (3) umfasst, mit einer Schutzschalteinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
9. Photovoltaikanlage nach Anspruch 8, mit einer Einrichtung (21) zur Erzeugung eines Rücksetzsignals zum Zurücksetzen der Anschlussleitung (9) in den Betriebszustand und einer Sendeeinrichtung zur Übermittlung des Rücksetzsignals an die Schutzschalteinrichtung (10) oder Rücksetzeinrichtung (19).
10. Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikanlage (1), die eine Mehrzahl von zu Strings (4) verschalteten und über eine Anschlussleitung (9) mit einem Wechselrichter (7) verbundenen Solarmodulen (3) umfasst,
wobei im Ansprechen auf das Abfühlen einer den Betriebszustand mindestens eines Solarmoduls kennzeichnenden Größe die Solarmodule entweder mit dem Wechselrichter verbunden oder überbrückt werden und im Falle einer Überbrückung der verbundene Zustand im Ansprechen auf ein außerhalb der Solarmodule generiertes Rücksetzsignal wieder hergestellt wird.
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