WO2013167407A1 - Photovoltaikanlage und verfahren zum betreiben einer photovoltaikanlage zur einspeisung von elektrischer leistung in ein mittelspannungsnetz - Google Patents

Photovoltaikanlage und verfahren zum betreiben einer photovoltaikanlage zur einspeisung von elektrischer leistung in ein mittelspannungsnetz Download PDF

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inverter
photovoltaic
photovoltaic system
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Andreas Falk
Bernhard Beck
Aaron Philipp GERDEMANN
Frank Niebling
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Sma Solar Technology Ag
Adensis Gmbh
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a photovoltaic system with a photovoltaic generator having a plurality of photovoltaic modules, at least one inverter and at least one
  • the invention further relates to a set up for carrying out the method photovoltaic system.
  • Ground-mounted systems usually have a large number of photovoltaic modules, of which several are connected in series to so-called strings. Often, a plurality of strings are interconnected to provide the power they produce in the form of direct current, one of possibly several existing ones
  • the existing inverters are connected to a primary circuit of a medium-voltage transformer.
  • a medium-voltage transformer can be provided for each inverter, or several inverters can be connected to a medium-voltage transformer, possibly with separate primary windings.
  • the generated power if necessary via a coupling contactor, is fed into the medium-voltage network via the secondary-side outputs of the transformer.
  • Inverters are network-commutated, ie they draw the switching voltage, and also commutation voltage for the thyristors from the power supply network. Due to their relatively low efficiency, inverters with thyristor-equipped inverter bridges are now rarely used. It is more common to use switching transistors in the inverter bridges in order to be able to operate the inverter in a pulse width modulated manner.
  • the transistors used are mostly IGBTs (Insulating Gate Bipolar Transistors) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). To protect against high
  • the AC low voltage contactors are used to power the
  • AC low voltage contactors are used to power the respective ones
  • Inverter in the event of overcurrent or short-circuit, in case of violation of the required network parameters (voltage, frequency, reactive power fed in etc.) or, in the event of an inverter failure, selectively from the medium-voltage transformer
  • Arranging medium-voltage transformer and the power grid which serves as an AC-side protection device.
  • the article describes "Electrical Fault Protection for a Large Photovoltaic Power Plant Inverter," DE Collier and TS Key, Photovoltaics Specialists Conference, IEEE Conference Record, 1988, such a photovoltaic system, wherein in the presence of various
  • the AC isolator is actuated after a DC switching device has separated the inverter from photovoltaic modules.
  • Inverter for example, at too low irradiation intensity, there is an opening of both the DC switching element and the AC separating member.
  • the photovoltaic system has a photovoltaic generator with a plurality of photovoltaic modules, at least one inverter and at least one medium-voltage transformer. It is the
  • the inverter by design allows back currents from the AC low-voltage output to the DC input.
  • the method is characterized by the fact that when not generating sufficient generation of electrical power through the photovoltaic modules of the photovoltaic system, the inverter remains connected on the AC side via the medium-voltage transformer to the medium-voltage network and the inverter remains DC side connected to the photovoltaic generator.
  • the direct connection of the medium-voltage transformer to the inverter eliminates the costly primary-side AC low-voltage contactor between the inverter and the inverter
  • the inverter remains connected to the DC side of the photovoltaic generator, can be dispensed with a DC voltage switching device between the photovoltaic generator and the inverter or switching device can be used, which does not have to be designed for a large number of switching cycles.
  • the method according to the invention is based on the finding that an alternating and DC-side separation can be prevented, contrary to the usual practice, since a forward voltage of the usually series-connected plurality of photovoltaic modules in today's
  • Photovoltaic systems is greater than a voltage at the DC input due to the return currents.
  • the photovoltaic system is arranged on the secondary side of the medium-voltage transformer by means of a between the medium-voltage transformer and the medium-voltage network
  • Coupling contactor is required for all inverters.
  • a photovoltaic system has a photovoltaic generator with a plurality of photovoltaic modules, at least one inverter and at least one medium-voltage transformer. It is the
  • the photovoltaic system is characterized in that within the photovoltaic generator such a large number of
  • Photovoltaic modules series-connected is that a forward voltage of the series-connected photovoltaic modules is greater than an am
  • FIG. 1 shows a photovoltaic system for connection to a medium-voltage network.
  • Fig. 2 is a flowchart of an embodiment of a method for
  • FIG. 3 shows a flowchart of a further embodiment of a method for operating a photovoltaic system.
  • the photovoltaic system illustrated in FIG. 1 is diagrammatically divided into four areas: a photovoltaic generator 10, an inverter arrangement 20, medium-voltage components 30 and an area for network connection 40.
  • the area for network connection 40 is simply included in the photovoltaic system.
  • the remaining areas 10, 20, 30 each have a plurality of, for example, three independent branches in FIG. 1, each of which has the same structure.
  • references numerals of components appended a, b or c from each other refers to either all corresponding components in common or to an unspecified component, wherein the
  • the photovoltaic generator 10 has a plurality of photovoltaic modules 1 1, each of which may be connected together to form a partial generator. For this purpose, several photovoltaic modules 1 1 are connected in series, for example, to strings. One or more strings, possibly connected in parallel, can form the subgenerator. In each subgenerator, in each case such a large number of photovoltaic modules 11 is connected in series, that a forward voltage of the series-connected photovoltaic modules 11 is greater than one due to possible return currents from the network connection 40 via the
  • each subgenerator is associated with a DC (Direct Current) fuse element 12, for example a so-called string fuse.
  • a fuse element 12 for example, an inert fuse can be used, which separates both overcurrent and in the event of a short circuit.
  • the mentioned interconnection of the individual photovoltaic modules 11 to strings and their parallel connection to partial generators is merely an example. Other combinations of series and / or parallel circuits of the photovoltaic modules 1 1, through which the power generated by the photovoltaic modules 1 1 at one output 13 per branch
  • a switching element such as contactor is assigned to each sub-generator or a group of interconnected sub-generators.
  • the switching device can, for example, in case of danger or for maintenance purposes or in case of failure for the separation of individual or all
  • Subgenerators are used by the corresponding output 13. It is noted, however, that such a switching device is not for the regular separation of the photovoltaic generator from the inverter, for example due to not sufficient irradiation is used. It therefore does not need to be designed for a high number of switching cycles.
  • each branch a, b, c has a
  • Inverter 21 with a DC input 22, which is connected to the respective output 13 a, b, c of the photovoltaic generator 10.
  • Input circuit of an inverter is also called
  • DC input 22 applied voltage also called DC link voltage Uz.
  • the intermediate circuit voltage Uz is optimal
  • DC link capacity provides.
  • the DC link capacitor 23 is shown separately, but often it is integrated into the inverter.
  • auxiliary transformer 25 auxiliary components 26, a buffer battery 27 and a pre-charging device 28 are still present within the inverter assembly 20 in each of the branches.
  • the auxiliary transformer 25 serves the
  • a corresponding rectifier and control circuit is not shown for reasons of simplicity.
  • a fan is shown as an auxiliary component 26 in the figure.
  • Auxiliary components are monitoring devices and devices for
  • Each of the inverters 21 has an AC output 24 connected to
  • Medium voltage transformer 31 is connected for feeding into a medium voltage network 41.
  • a medium voltage network 41 Immediately means in particular that between the Inverter 21 and the medium-voltage transformer 31 no switching element is provided, which can be controlled or automatically close.
  • a connection with the interposition of a fuse, a disconnector or other protective device that can automatically disconnect, but can not turn on again, should be included in the context of the application, however, directly from the term. In an according to the application photovoltaic system is thus on the
  • Reconnecting the medium-voltage transformer is suitable with the inverter.
  • a separation, protection or safety device that opens by mistake or manually, e.g. for maintenance purposes, can be opened and closed manually, however, may be present.
  • inverters 21 inverter bridges with transistors, for. B. with IGBTs or MOSFETs, which are protected with antiparallel freewheeling diodes from excessive reverse voltages. These freewheeling diodes form a full-wave rectifier for AC voltage applied to the AC outputs 24.
  • the inverters 21 are also provided.
  • the commutation is done by switching off and on the transistors used as switches.
  • Medium voltage transformer 31 a, b, c provided.
  • two or more inverters to a medium-voltage transformer, which is optionally equipped with several primary windings.
  • the power of the medium voltage transformer 31 is in the range of 1 to 1.5 megavolt ampere (MVA). This corresponds to currents in the
  • Load switch 33 associated with which are connected in series with the respective secondary winding of the medium voltage transformers 31.
  • a fuse element 32 for example, an inert fuse can be used, which separates both overcurrent and in the event of a short circuit. If each medium-voltage transformer is assigned exactly one inverter - as in the example shown - the securing member 32 protects both the
  • a load-break switch 33 As a load-break switch 33, a spring-loaded separator with manual winding and electromagnetic triggering is preferably used.
  • the trigger mechanism is connected to an error monitoring device of the respective inverter 21, so that the load disconnector 33 in the event of a fault automatically the
  • the secondary circuits For feeding the generated electrical power into the medium-voltage network 41, the secondary circuits, which are individually protected by the safety devices 32 and the switch-disconnectors 33, are connected together to the medium-voltage network 41 via a coupling contactor 42.
  • the coupling contactor 42 is of a
  • Monitoring device 43 controlled, which checks whether for the
  • the photovoltaic modules 1 1 generate sufficient electrical energy for feeding into the medium-voltage network 41 in the region of the photovoltaic generator 10 by sufficient solar radiation.
  • the inverters 21 are clocked to convert electrical power from DC to AC.
  • the DC link is operated at an optimum operating point voltage. Usually in each case
  • Inverter 21 means for setting and tracking the optimum operating point provided (MPP Tracking - Maximum Power Point Tracking). According to the voltage Uz in the DC link, the DC link capacitor 23 is charged. Furthermore, both the load-break switch 33 of the individual branches a, b, c of the photovoltaic system are closed and the common coupling contactor 42, so that all inverters 21 via the corresponding
  • Auxiliary transformer 25 Power taken to supply the
  • Auxiliary components 26 is used.
  • the voltage provided by the auxiliary transformer 25 is also used for charging or for maintaining the charge of the buffer battery 27.
  • the pre-charging device 28 is not active in normal operation.
  • step S2 Medium voltage network 41 is sufficient (step S2), remain in a following step S3, the photovoltaic modules 1 1 of the various branches a, b, c connected to the respective inverters 21.
  • the switch-disconnector 33 and the coupling contactor 42 remain closed, so that all inverters 21 with their respective
  • AC output 24 are indirectly coupled via the medium-voltage transformers 31 to the medium-voltage network 41.
  • the inverters 21 are not clocked.
  • the auxiliary components 26 are supplied with energy from the medium-voltage network 41 via the auxiliary transformer 25. Due to the
  • the intermediate circuit voltage Uz decreases with a time constant in the range of minutes to this peak value of the AC voltage.
  • the number of series-connected photovoltaic modules 1 1 within each subgenerator is selected such that the forward voltage of the series-connected photovoltaic modules 1 1 is greater than this peak value of the AC voltage.
  • step S4 If after reinserting the irradiation (step S4) of the
  • Photovoltaic modules 1 1 again power is provided, the start
  • FIG. 3 A development of the method for operating a photovoltaic system is shown in FIG. 3. During normal operation, in a step S1, 1 of the
  • Monitoring device 43 monitors whether relevant network parameters at the point of feeding the generated electricity into the medium-voltage network 41 to the specifications of the network operator, for example, with respect to the voltage, the frequency or the injected reactive power correspond.
  • the monitoring device 43 opens in a step S13 the coupling contactor 42.
  • the coupling contactor 42 is open, the
  • Grid feed parameters are again within the tolerance range (step S14), it is first checked in a step S15 whether the DC link voltages Uz are each above a predetermined minimum voltage Umin.
  • the minimum voltage Umin can be, for example, in the range of 30% to 70% of the intermediate circuit voltage during operation. If the interruption time in which the coupling contactor 42 was open was short, for example shorter than one minute, the DC link voltages have not yet dropped below the minimum voltage Umin due to the capacitance of the DC link capacitors 23.
  • step S15 If it has been determined in step S15 that the respective
  • a step S18 the intermediate circuit capacitors 23 are first pre-charged via the respective pre-charging devices 28 from the respective buffer battery 27 to a predetermined desired value that is greater than or equal to the minimum voltage Umin. Only then is the process continued with steps S16 and S17, in which, as previously described, the
  • Coupling contactor 42 is closed and the inverter 21 clock again.
  • the pre-charging device can be realized, for example, with a boost converter.
  • galvanic isolation between the DC voltage intermediate circuit and the backup battery 27 may be provided in the precharging device.
  • DC link also made from a central backup battery.
  • the Supply of the auxiliary components 26 then takes place accordingly from the central backup battery.
  • this may have a relatively high voltage of, for example, 1 10V.
  • lower voltages are preferred for the local buffer batteries 27, for example 24 V.
  • a central precharging device can also be provided which can be used as required
  • Disconnector 33 disconnected. As previously described, can at a
  • Electromagnetically triggered switch-disconnector 33 this decoupling also done by an error monitoring device of the respective inverter 21. Since the events that lead to the operation of the switch-disconnector 33 should be rare in nature, can be used as a switch disconnector 33, a spring accumulator separator with manual elevator.
  • the coupling contactor 42 is thus preferably designed for frequent and particularly preferred for error-free execution of many, more preferably of more than 20,000 switching cycles.
  • the coupling contactor 42 can of course be used in addition to other than the purposes described above, for example, for complete separation of the photovoltaic system from the network for maintenance purposes.
  • the coupling coupling according to the application 42 differs from known

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz (41), wobei die Photovoltaikanlage einen Photovoltaikgenerator (10) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (11), mindestens einen Wechselrichter (21) und mindestens einen Mittelspannungstransformator (31) aufweist, und wobei der Mittelspannungstransformator (31) primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom-Niederspannungsausgang (24) des Wechselrichters (21) verbunden ist, der Wechselrichter (21) über einen Gleichstromeingang (22) mit dem Photovoltaikgenerator (10) verbunden ist und der Wechselrichter (21) bauartbedingt Rückströme von dem Wechselstrom-Niederspannungsausgang (24) zu dem Gleichstromeingang (22) zulässt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei nicht zur Einspeisung ausreichender Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Photovoltaikmodule (11) der Wechselrichter (21) wechselstromseitig über den Mittelspannungstransformator (31) mit dem Mittelspannungsnetz (41) verbunden bleibt und gleichstromseitig mit dem Photovoltaikgenerator (10) verbunden bleibt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikgenerator (10), innerhalb dessen eine derart große Anzahl von Photovoltaikmodulen (11) reihenverschaltet ist, dass eine Durchlassspannung der reihenverschalteten Photovoltaikmodule (11) größer ist als eine sich am Gleichstromeingang (22) aufgrund der Rückströme einstellende Spannung.

Description

Photovoltaikanlage und Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung von elektrischer Leistung in ein Mittelspannungsnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikgenerator mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen, mindestens einem Wechselrichter und mindestens einem
Mittelspannungstransformator zur Einspeisung von elektrischer Leistung in ein Mittelspannungsnetz. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Photovoltaikanlage.
Bei größeren Photovoltaikanlagen, insbesondere Freilandanlagen, ist üblicherweise eine Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung direkt in ein
Mittelspannungsnetz, z. B. ein 20 Kilovolt (kV)-Netz, vorgesehen. Solche
Freilandanlagen weisen in der Regel eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen auf, von denen jeweils mehrere zu sogenannten Strings serienverschaltet sind. Häufig wird eine Mehrzahl der Strings zusammengeschaltet, um die von ihnen erzeugte Leistung in Form von Gleichstrom einem von gegebenenfalls mehreren vorhandenen
Wechselrichtern zuzuführen. Ausgansseitig sind die vorhandenen Wechselrichter mit einem Primärkreis eines Mittelspannungstransformators verbunden. Dabei kann für jeden Wechselrichter ein Mittelspannungstransformator vorgesehen sein oder es können mehrere Wechselrichter mit einem Mittelspannungstransformator, ggf. mit separaten Primärwicklungen, verbunden sein. Über den oder die sekundärseitigen Ausgänge des Transformators wird die erzeugte Leistung, gegebenenfalls über ein Koppelschütz, in das Mittelspannungsnetz eingespeist.
Aus dem Artikel„Enel's 3-MW Power Station Preliminary Design", 10th European Photovoltaik Solar Energy Conference von C. Corvi et al. ist eine Photovoltaikanlage dieser Art bekannt, bei der die Wechselrichter unmittelbar mit den
Mittelspannungstransformatoren verbunden sind. Dabei werden Wechselrichter mit Wechselrichterbrücken eingesetzt, die mit Thyristoren bestückt sind. Die
Wechselrichter sind netzkommutiert, beziehen also die Schaltspannung, auch Kommutierungsspannung für die Thyristoren aus dem Stromversorgungsnetz. Aufgrund ihres relativ niedrigen Wirkungsgrades werden heutzutage Wechselrichter mit Thyristor-bestückten Wechselrichterbrücken nur noch selten eingesetzt. Üblicher ist die Verwendung von Schalttransistoren in den Wechselrichterbrücken, um den Wechselrichter pulsweitenmoduliert betreiben zu können. Als Transistoren kommen dabei meist IGBTs (Insulating Gate Bipolar Transistors) oder MOSFETS (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistors) zum Einsatz. Zum Schutz vor hohen
Spannungen in Sperrrichtung sind diese Transistoren üblicherweise mit einer in Sperrrichtung des Transistors leitenden, antiparallelen Diode geschützt, die häufig bereits im Transistor integriert ist. Diese auch als Freilaufdioden bezeichneten Dioden bilden einen Vollwellengleichrichter von dem Netzanschluss zum
Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters. Wenn am Wechselrichter netzseitig Wechselspannung anliegt, aber keine ausreichende Spannung von den Photovoltaikmodulen bereitgestellt wird, setzt über die Freilaufdioden ein
Stromrückfluss durch die Photovoltaikmodule unter Leistungsentnahme aus dem Wechselspannungsnetz ein.
Um solche durch die Bauart des Wechselrichters bedingte Rückströme zu verhindern ist es bekannt, die Wechselrichter jeweils über ein Wechselstrom- Niederspannungsschütz mit den Mittelspannungstransformatoren zu verbinden.
Die Wechselstrom-Niederspannungsschütze werden eingesetzt, um den
Wechselrichters bei fehlender oder ungenügender Sonneneinstrahlung vom Netz zu trennen und so einen Stromrückfluss durch die Photovoltaikmodule unter
Leistungsentnahme aus dem Netz zu verhindern. Darüber hinaus können die
Wechselstrom-Niederspannungsschütze benutzt werden, um den jeweiligen
Wechselrichter im Überstrom- oder Kurzschlussfall, bei Verletzung der geforderten Netzparameter (Spannung, Frequenz, eingespeiste Blindleistung usw.) oder beim Ausfall eines Wechselrichters selektiv vom Mittelspannungstransformator
abzukoppeln. Die Ausstattung eines jeden Wechselrichters mit einem zugeordneten Wechselstrom-Niederspannungsschütz und einer Überwachungseinrichtung für die Einhaltung der Netzeinspeiseparameter ist jedoch aufwändig und kostenintensiv.
Weiterhin ist es bekannt, ein Wechselstrom-Trennorgan zwischen einem
Mittelspannungstransformator und dem Energieversorgungsnetz anzuordnen, das als wechselstromseitiges Schutzorgan dient. Beispielsweise beschreibt der Artikel „Electrical Fault Protection for a Large Photovoltaic Power Plant Inverter", D.E. Collier und T.S. Key, Photovoltaics Specialists Conference, IEEE Conference Record, 1988, eine derartige Photovoltaikanlage, wobei bei einem Vorliegen verschiedener
Fehlerfälle das Wechselstrom-Trennorgan betätigt wird, nachdem ein Gleichstrom- Schaltorgan den Wechselrichter von Photovoltaikmodulen getrennt hat.
Der Artikel„Advanced, High-Reliability, System- Integrated 500-kW PV Inverter Development", R. West, Final Subcontract Report NREL/SR-520-43839, 2008, beschreibt ebenfalls eine Photovoltaikanlage, bei der ein Gleichstrom-Schaltorgan zwischen Photovoltaikmodulen und einem Wechselrichter angeordnet ist und ein Wechselstrom-Trennorgan zwischen einem Mittelspannungstransformator und dem Energieversorgungsnetz vorgesehen ist. Bei einem Abschaltvorgang des
Wechselrichters, beispielsweise bei zu geringer EinStrahlungsintensität, erfolgt ein Öffnen sowohl des Gleichstrom-Schaltorgans als auch des Wechselstrom- Trennorgans.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage der eingangs genannten Art zur Einspeisung von
elektrischer Leistung in ein Mittelspannungsnetz und eine entsprechende
Photovoltaikanlage zu schaffen, bei denen eine Trennung der Photovoltaikmodule vom Netz und ein Rückstromschutz auf eine weniger aufwändige Weise erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Photovoltaikanlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Photovoltaikanlage sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz weist die Photovoltaikanlage einen Photovoltaikgenerator mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen, mindestens einen Wechselrichter und mindestens einen Mittelspannungstransformator auf. Dabei ist der
Mittelspannungstransformator primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom- Niederspannungsausgang des Wechselrichters verbunden, und der Wechselrichter ist über einen Gleichstromeingang mit dem Photovoltaikgenerator verbunden, wobei der Wechselrichter bauartbedingt Rückströme von dem Wechselstrom- Niederspannungsausgang zu dem Gleichstromeingang zulässt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei nicht zur Einspeisung ausreichender Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Photovoltaikmodule der Photovoltaikanlage der Wechselrichter wechselstromseitig über den Mittelspannungstransformator mit dem Mittelspannungsnetz verbunden bleibt und der Wechselrichter gleichstromseitig mit dem Photovoltaikgenerator verbunden bleibt.
Durch die unmittelbare Anbindung des Mittelspannungstransformators an den Wechselrichter entfällt das kostenintensive primärseitige Wechselstrom- Niederspannungsschütz zwischen dem Wechselrichter und dem
Mittelspannungstransformator. Dadurch, dass der Wechselrichter gleichstromseitig mit dem Photovoltaikgenerator verbunden bleibt, kann auf ein Gleichspannungs- Schaltorgan zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Wechselrichter verzichtet werden oder Schaltorgan verwendet werden, das nicht für eine hohe Anzahl von Schaltzyklen ausgelegt sein muss. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass eine Wechsel- und Gleichstromseitige Trennung entgegen der üblichen Praxis unterbleiben kann, da eine Durchlassspannung der üblicherweise reihenverschalteten Mehrzahl an Photovoltaikmodulen bei heutigen
Photovoltaikanlagen größer ist, als eine sich am Gleichstromeingang aufgrund der Rückströme einstellende Spannung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Photovoltaikanlage auf der Sekundärseite des Mittelspannungstransformators mit Hilfe eines zwischen dem Mittelspannungstransformator und dem Mittelspannungsnetz angeordneten
Koppelschützes von dem Mittelspannungsnetz getrennt, wenn vorgegebene
Netzparameter nicht erfüllt werden.
Insbesondere bei größeren Anlagen mit mehreren Wechselrichtern ergibt sich dadurch ein Vorteil, da bei jedem Wechselrichter ein Wechselstrom- Niederspannungsschütz eingespart werden kann, aber nur ein gemeinsames
Koppelschütz für alle Wechselrichter benötigt wird.
Eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist eine Photovoltaikgenerator mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen, mindestens einem Wechselrichter und mindestens einem Mittelspannungstransformator auf. Dabei ist der
Mittelspannungstransformator primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom- Niederspannungsausgang des Wechselrichters verbunden und Wechselrichter über einen Gleichstromeingang mit dem Photovoltaikgenerator. Der Wechselrichter lässt bauartbedingt Rückströme von dem Wechselstrom-Niederspannungsausgang zu dem Gleichstromeingang zu. Die Photovoltaikanlage zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Photovoltaikgenerators eine derart große Anzahl von
Photovoltaikmodule reihenverschaltet ist, dass eine Durchlassspannung der reihenverschalteten Photovoltaikmodule größer ist, als eine sich am
Gleichstromeingang aufgrund der Rückströme einstellende Spannung und dass die Photovoltaikanlage zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens eingerichtet ist. Die sich ergebenden Vorteile entsprechen denen des Verfahrens.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Photovoltaikanlage zum Anschluss an ein Mittelspannungsnetz;
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum
Betreiben einer Photovoltaikanlage und
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Photovoltaikanlage.
Die in der Figur 1 dargestellte Photovoltaikanlage ist schematisch in vier Bereiche gegliedert: einen Photovoltaikgenerator 10, eine Wechselrichteranordnung 20, Mittelspannungskomponenten 30 und einen Bereich zur Netzanbindung 40.
Der Bereich zur Netzanbindung 40 ist einfach in der Photovoltaikanlage enthalten. Die übrigen Bereiche 10, 20, 30 weisen jeweils mehrere, in Figur 1 beispielhaft drei, unabhängige Zweige auf, die jeweils gleich aufgebaut sind. In der Figur 1 sind die Komponenten der einzelnen Zweige a, b, c durch einen an das jeweilige
Bezugszeichen der Komponenten angehängten Zusatz a, b oder c voneinander unterschieden. Wenn im Folgenden ein Bezugszeichen ohne einen solchen Zusatz verwendet wird, bezieht es sich entweder auf alle entsprechenden Komponenten gemeinsam oder auf eine nicht näher spezifizierte Komponente, wobei die
Zuordnung zu einem der Zweige unerheblich ist. Die Anzahl von drei Zweigen der Photovoltaikanlage ist dabei rein beispielhaft und nicht einschränkend. Die Erfindung ist für Photovoltaikanlagen mit einer beliebigen Anzahl von Zweigen einsetzbar. Der Photovoltaikgenerator 10 weist eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen 1 1 auf, von denen jeweils mehrere zu einem Teilgenerator zusammen geschaltet sein können. Dazu sind mehrere Photovoltaikmodule 1 1 beispielsweise zu Strings reihenverschaltet. Einer oder mehrere Strings können, ggf. parallel geschaltet, den Teilgenerator bilden. In jedem Teilgenerator ist jeweils eine derart große Anzahl von Photovoltaikmodule 1 1 reihenverschaltet, dass eine Durchlassspannung der reihenverschalteten Photovoltaikmodule 1 1 größer ist als eine sich aufgrund eventueller Rückströme von der Netzanbindung 40 über die
Mittelspannungskomponenten 30 und die Wechselrichteranordnung 20 einstellende Spannung.
Symbolisch ist in der Figur nur ein Photovoltaikmodul 1 1 je Teilgenerator dargestellt. Jedem Teilgenerator ist ein Gleichstrom (DC - Direct Current) -Sicherungsorgan 12 zugeordnet, zum Beispiel eine sogenannte Strangsicherung. Als Sicherungsorgan 12 kann beispielsweise eine träge Schmelzsicherung eingesetzt werden, die sowohl bei Überstrom als auch im Kurzschlussfall trennt.
Alle Teilgeneratoren eines Zweiges a, b oder c sind parallel an einem Ausgang 13a, b, c des Zweiges zusammengeschaltet. In Figur 1 sind beispielhaft drei
Teilgeneratoren je Zweig dargestellt. Auch diese Anzahl ist nicht einschränkend. Wie das Auslassungszeichen in der Figur andeutet, ist üblicherweise eine weit größere Anzahl an Teilgeneratoren pro Zweig vorgesehen. Auch die genannte Verschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 1 1 zu Strings sowie deren Parallelschaltung zu Teilgeneratoren ist lediglich beispielhaft. Andere Kombinationen aus Serien- und/oder Parallelschaltungen der Photovoltaikmodule 1 1 , durch die die erzeugte Leistung der Photovoltaikmodule 1 1 an je einem Ausgang 13 pro Zweig
zusammengeführt wird, sind ebenfalls denkbar.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass jedem Teilgenerator oder auch einer Gruppe von zusammengeschalteten Teilgeneratoren ein Schaltorgan, beispielsweise Schütz zugeordnet ist. Das Schaltorgan kann beispielsweise in Gefahrenfällen oder zu Wartungszwecken oder in Fehlerfällen zur Trennung einzelner oder aller
Teilgeneratoren von dem entsprechenden Ausgang 13 eingesetzt werden. Es wird angemerkt, dass ein solches Schaltorgan jedoch nicht zur regelmäßigen Trennung des Photovoltaikgenerator vom Wechselrichter, beispielsweise aufgrund von nicht ausreichender Einstrahlung, eingesetzt wird. Es braucht daher auch nicht für eine hohe Anzahl von Schaltzyklen ausgelegt sein.
Innerhalb der Wechselrichteranordnung 20 weist jeder Zweig a, b, c einen
Wechselrichter 21 mit einem Gleichstromeingang 22 auf, der mit dem jeweiligen Ausgang 13 a, b, c des Photovoltaikgenerators 10 verbunden ist. Der
Eingangsstromkreis eines Wechselrichters wird auch als
Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet. Dementsprechend wird die am
Gleichstromeingang 22 anliegende Spannung auch Zwischenkreisspannung Uz genannt. Typischerweise liegt die Zwischenkreisspannung Uz am optimalen
Arbeitspunkt, bei dem der jeweilige Teil des Photovoltaikgenerators 10 unter
(aktuellen) Betriebsbedingungen eine maximale elektrische Leistung abgibt, bei etwa 500-1000V. Der Gleichspannungszwischenkreis wird vom Wechselrichter 21 gepulst belastet. Zur Glättung der Zwischenkreisspannung Uz und Einhaltung des optimalen Arbeitspunktes ist ein Zwischenkreiskondensator 23 vorhanden, der eine
Zwischenkreiskapazität bereitstellt. In Figur 1 ist der Zwischenkreiskondensator 23 separat dargestellt, häufig ist er jedoch in den Wechselrichter integriert.
Weiterhin sind innerhalb der Wechselrichteranordnung 20 noch in jedem der Zweige ein Hilfstransformator 25, Hilfskomponenten 26, eine Pufferbatterie 27 sowie eine Vorladeeinrichtung 28 vorhanden. Der Hilfstransformator 25 dient der
Stromversorgung der Hilfskomponenten 26. Typischerweise werden die
Hilfskomponenten mit Gleichstrom versorgt. Eine entsprechende Gleichrichter- und Regelschaltung ist aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Beispielhaft ist in der Figur ein Lüfter als Hilfskomponente 26 eingezeichnet. Weitere
Hilfskomponenten sind Überwachungseinrichtungen und Einrichtungen zur
Steuerung des jeweiligen Wechselrichters 21 sowie zur Datenerfassung und
Datenfernübertragung. Weiterhin wird die vom Hilfstransformator 25
heruntertransformierte Spannung zum Aufladen oder zur Ladungserhaltung der Pufferbatterie 27 eingesetzt. Diese Funktion der Pufferbatterie 27 und der
Vorladeeinrichtung 28 werden weiter unten näher erläutert.
Jeder der Wechselrichter 21 hat einen Wechselstromausgang 24, der mit
üblicherweise drei Phasen unmittelbar mit einer Primärseite eines
Mittelspannungstransformators 31 zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz 41 verbunden ist. Unmittelbar bedeutet dabei insbesondere, dass zwischen dem Wechselrichter 21 und dem Mittelspannungstransformator 31 kein Schaltorgan vorgesehen ist, das angesteuert werden oder automatisch schließen kann. Eine Verbindung unter Zwischenschaltung einer Sicherung, eines Trenners oder eines anderen Schutzorgans, das automatisch trennen, aber nicht wieder einschalten kann, soll im Rahmen der Anmeldung dagegen von dem Begriff unmittelbar umfasst sein. Bei einer anmeldungsgemäßen Photovoltaikanlage steht also auf der
Primärseite (d.h. der Niederspannungsseite) zwischen Wechselrichter und
Mittelspannungstransformator kein Schaltorgan bereit, das zum regelmäßigen und nicht manuellen Trennen des Mittelspannungstransformators von und
Wiederverbinden des Mittelspannungstransformators mit dem Wechselrichter geeignet ist. Ein Trenn-, Schutz- oder Sicherungsorgan, das fehlerbedingt öffnet oder manuell, z.B. zu Wartungszwecken, geöffnet werden kann und manuell wieder geschlossen werden kann, kann dagegen vorhanden sein.
Es wird davon ausgegangen, dass die Wechselrichter 21 Wechselrichterbrücken mit Transistoren, z. B. mit IGBTs oder MOSFETs, aufweisen, die mit antiparallelen Freilaufdioden vor zu hohen Sperrspannungen geschützt sind. Diese Freilaufdioden bilden einen Vollwellengleichrichter für an den Wechselstromausgängen 24 anliegende Wechselspannung. Die Wechselrichter 21 sind zudem
selbstkommutierend, die Kommutierung erfolgt durch Aus- und Einschalten der als Schalter eingesetzten Transistoren.
Für jeden Wechselrichter 21 a, b, c ist im gezeigten Beispiel genau ein
Mittelspannungstransformator 31 a, b, c vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, zwei oder mehr Wechselrichter auf einen Mittelspannungstransformator zu führen, der ggf. mit mehreren Primärwicklungen ausgestattet ist.
Bevorzugt liegt die Leistung des Mittelspannungstransformators 31 im Bereich von 1 bis 1 ,5 Megavoltampere (MVA). Dieses korrespondiert mit Strömen im
Zwischenstromkreis, die sich bei der oben genannten Zwischenstromkreisspannung von 500-1000V noch mit tragbaren Leitungsquerschnitten ohne zu große ohmsche Verluste übertragen lassen. Gleichzeitig ermöglicht der genannte Leistungsbereich den Aufbau einer Freiluftanlage ohne dass die Anzahl von parallelen Zweigen mit jeweils eigenem Wechselrichter 21 und Mittelspannungstransformator 31 zu groß und damit der Aufbau unökonomisch wird. Jedem Mittelspannungstransformator 31 sind ein Sicherungsorgan 32 und ein
Lasttrennschalter 33 zugeordnet, die in Reihe mit der jeweiligen Sekundärwicklung der Mittelspannungstransformatoren 31 geschaltet sind.
Als Sicherungsorgan 32 kann beispielsweise eine träge Schmelzsicherung eingesetzt werden, die sowohl bei Überstrom als auch im Kurzschlussfall trennt. Wenn jedem Mittelspannungstransformator genau ein Wechselrichter zugeordnet ist - wie im dargestellten Beispiel - schützt das Sicherungsorgan 32 sowohl den
Mittelspannungstransformator als auch den Wechselrichter vor Überstrom.
Als Lasttrennschalter 33 wird bevorzugt ein Federspeichertrenner mit manuellem Aufzug und elektromagnetischer Auslösung eingesetzt. Der Auslösemechanismus ist dabei mit einer Fehlerüberwachungseinrichtung des jeweiligen Wechselrichters 21 verbunden, so dass der Lasttrenner 33 im Fehlerfall automatisch den
entsprechenden Zweig selektiv vom Mittelspannungsnetz 41 trennt. Bei Bedarf kann z. B. für Wartungsarbeiten natürlich auch manuell getrennt werden. Ein
Federspeichertrenner mit manuellem Aufzug ist hier ausreichend und aus
Kostengründen gegenüber einem motorischen Aufzug bevorzugt, insbesondere da der Lasttrennschalter 33 im normalen Betrieb der Photovoltaikanlage nicht betätigt wird, wie weiter unten genauer ausgeführt ist.
Zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung in das Mittelspannungsnetz 41 sind die durch die Sicherungsorgane 32 und die Lasttrennschalter 33 einzeln abgesicherten Sekundärstromkreise gemeinsam über ein Koppelschütz 42 mit dem Mittelspannungsnetz 41 verbunden. Das Koppelschütz 42 wird von einer
Überwachungseinrichtung 43 angesteuert, die überprüft, ob für das
Mittelspannungsnetz 41 vorgeschriebene Toleranzgrenzen für Parameter wie
Spannungsamplitude, Phasenlage, Blindleistung, Frequenz usw. eingehalten werden. Wenn einer dieser Parameter den vorgeschriebenen Toleranzbereich verlässt, wird die Photovoltaikanlage durch das Koppelschütz 42 vom
Mittelspannungsnetz 41 getrennt.
Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage anhand von Flussdiagrammen in den Figuren 2 und 3 beschrieben. Die Verfahren können zum Beispiel im Zusammenhang mit einer Photovoltaikanlage gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden. Benutze Bezugszeichen beziehen sich auf Figur 1 .
Zunächst wird die Photovoltaikanlage in einem Schritt S1 (Fig. 2) in einem
Normalbetrieb betrieben. Dabei erzeugen die Photovoltaikmodule 1 1 im Bereich des Photovoltaikgenerators 10 durch ausreichende Sonneneinstrahlung genügend elektrische Energie zur Einspeisung in das Mittelspannungsnetz 41 .
Im Normalbetrieb werden die Wechselrichter 21 getaktet, um elektrische Leistung von Gleich- in Wechselstrom umzusetzen. Der Zwischenkreis wird bei einer optimalen Arbeitspunktspannung betrieben. Üblicherweise sind im jeweiligen
Wechselrichter 21 Mittel zum Einstellen und Nachführen des optimalen Arbeitspunkts vorgesehen (MPP Tracking - Maximum Power Point Tracking). Entsprechend der Spannung Uz im Zwischenkreis ist der Zwischenkreiskondensator 23 aufgeladen. Weiterhin sind sowohl die Lasttrennschalter 33 der einzelnen Zweige a, b, c der Photovoltaikanlage geschlossen als auch das gemeinsame Koppelschütz 42, so dass alle Wechselrichter 21 über die entsprechenden
Mittelspannungstransformatoren 31 in das Mittelspannungsnetz 41 einspeisen.
Am Wechselstromausgang 24 eines jeden Wechselrichters 21 wird vom
Hilfstransformator 25 Leistung entnommen, die zur Versorgung der
Hilfskomponenten 26 benutzt wird. Die vom Hilfstransformator 25 bereitgestellte Spannung wird zudem zum Aufladen oder zur Ladungserhaltung der Pufferbatterie 27 eingesetzt. Die Vorladeeinrichtung 28 ist im Normalbetrieb nicht aktiv.
Wenn die von den Photovoltaikmodulen 1 1 erzeugte elektrische Leistung z.B. nachts oder bei vollständiger Verschattung nicht mehr für eine Einspeisung in das
Mittelspannungsnetz 41 ausreicht (Schritt S2), bleiben in einem folgenden Schritt S3 die Photovoltaikmodule 1 1 der verschiedenen Zweige a, b, c mit den jeweiligen Wechselrichtern 21 verbunden. Die Lasttrennschalter 33 und das Koppelschütz 42 bleiben geschlossen, so dass alle Wechselrichter 21 mit ihrem jeweiligen
Wechselstromausgang 24 indirekt über die Mittelspannungstransformatoren 31 an das Mittelspannungsnetz 41 angekoppelt sind. Die Wechselrichter 21 werden dabei nicht getaktet. Über den Hilfstransformator 25 werden in dem Fall die Hilfskomponenten 26 vom Mittelspannungsnetz 41 mit Energie versorgt. Bedingt durch die
Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators 23 wird die
Zwischenkreispannung Uz zunächst aufrechtgehalten. Da die Arbeitsspannung im Zwischenkreis regelmäßig größer als die Scheitelspannung der am
Wechselstromausgang 24 des Wechselrichters 21 anliegenden Wechselspannung ist, sinkt die Zwischenkreispannung Uz mit einer Zeitkonstante im Bereich von Minuten auf diesen Scheitelwert der Wechselspannung. Wie zuvor im
Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt ist, ist die Anzahl von reihenverschalteten Photovoltaikmodulen 1 1 innerhalb eines jeden Teilgenerators so gewählt, dass die Durchlassspannung der reihenverschalteten Photovoltaikmodule 1 1 größer ist als dieser Scheitelwert der Wechselspannung. Obwohl weder Wechsel- noch
gleichstromseitig eine Trennung erfolgt, werden die Photovoltaikmodule 1 1 nicht beschädigt.
Wenn nach Wiedereinsetzen der Einstrahlung (Schritt S4) von den
Photovoltaikmodulen 1 1 wieder Leistung bereitgestellt wird, beginnen die
Wechselrichter 21 in einem Schritt S5 zu takten und stellen in den jeweiligen
Gleichspannungszwischenkreisen einen gewünschten Gleichspannungs-Sollwert ein. Damit befindet sich die Photovoltaikanlage wieder im Normalbetrieb.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben einer Photovoltaikanlage ist in Fig. 3 dargestellt. Während des Normalbetriebs wird in einem Schritt S1 1 von der
Überwachungseinrichtung 43 überwacht, ob relevante Netzparameter am Punkt der Einspeisung des erzeugten Stroms in das Mittelspannungsnetz 41 den Vorgaben der Netzbetreiber, beispielsweise bezüglich der Spannung, der Frequenz oder der eingespeisten Blindleistung, entsprechen.
Verlässt einer oder mehrere dieser Parameter in einem Schritt S12 den
vorgeschriebenen Toleranzbereich, öffnet die Überwachungseinrichtung 43 in einem Schritt S13 das Koppelschütz 42. Bei geöffnetem Koppelschütz 42 steigt die
Zwischenkreisspannung in Richtung der Leerlaufspannung der Photovoltaikmodule 1 1 an. Es ist dann sicherzustellen, dass Wechselrichter zumindest zeitweise mit einer derartig hohen Spannung wie der Leerlaufspannung der Photovoltaikmodule 1 1 beaufschlagt werden kann. Wenn von der Überwachungseinrichtung 43 feststellt wird, dass die
Netzeinspeiseparameter wieder im Toleranzbereich liegen (Schritt S14), wird in einem Schritt S15 zunächst überprüft, ob die Zwischenkreisspannungen Uz jeweils über einer vorgegebenen Mindestspannung Umin liegen. Die Mindestspannung Umin kann beispielsweise im Bereich von 30% bis 70% der Zwischenkreisspannung im Betrieb liegen. Wenn die Unterbrechungszeit, in der das Koppelschütz 42 geöffnet war, kurz war, beispielsweise kürzer als eine Minute, haben sich bedingt durch die Kapazität der Zwischenkreiskondensatoren 23 die Zwischenkreisspannungen noch nicht unter die Mindestspannung Umin abgesenkt.
Falls in dem Schritt S15 festgestellt wurde, dass die jeweilige
Zwischenkreisspannung Uz über der Mindestspannung Umin liegt und die
Unterbrechungszeit folglich nicht zu lang war, wird das Koppelschütz 42 in einem Schritt S16 wieder eingeschaltet, ohne dass eine Gefahr von hohen Rückströmen über die Mittelspannungstransformatoren 31 und die Wechselrichter 21 in die
Zwischenkreiskondensatoren 23 besteht. Nach Wiedereinschalten des
Koppelschützes 42 werden in einem folgenden Schritt S17 die Wechselrichter 21 wieder getaktet, um die Zwischenkreisspannung auf den gewünschten Sollwert zu bringen.
Falls die Öffnungszeit des Koppelschützes 42 jedoch zu lange angedauert hat und die Spannung Uz in den Gleichspannungszwischenkreisen unter die
Mindestspannung Umin abgesunken ist, könnten Überströme bei einem
unmittelbaren Wiedereinschalten des Koppelschützes 42 nicht ausgeschlossen werden. In diesem Fall werden in einem Schritt S18 die Zwischenkreiskondensatoren 23 zunächst über die entsprechenden Vorladeeinrichtungen 28 aus der jeweiligen Pufferbatterie 27 auf einen vorgegebenen Sollwert, der größer oder gleich der Mindestspannung Umin ist, vorgeladen. Erst danach wird das Verfahren mit den Schritten S16 und S17 fortgesetzt, in denen, wie zuvor beschrieben, das
Koppelschütz 42 geschlossen wird und die Wechselrichter 21 wieder takten. Die Vorladeeinrichtung kann zum Beispiel mit einem Hochsetzsteller realisiert werden. Zudem kann in der Vorladeeinrichtung eine galvanische Trennung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und der Pufferbatterie 27 vorgesehen sein.
Alternativ zu dem in Figur 1 gezeigten Aufbau kann eine Vorladung der
Zwischenkreise auch aus einer zentralen Pufferbatterie erfolgen. Auch die Versorgung der Hilfskomponenten 26 erfolgt dann entsprechend aus der zentralen Pufferbatterie. Zur Minimierung von ohmschen Verlusten in der Stromverteilung bei einer solchen zentralen Pufferbatterie kann diese eine relativ hohe Spannung von beispielsweise 1 10 V haben. Für die lokalen Pufferbatterien 27 sind dagegen niedrigere Spannungen bevorzugt, beispielsweise 24 V. Gegebenenfalls kann auch eine zentrale Vorladeeinrichtung vorgesehen sein, die nach Bedarf auf die
entsprechenden Zwischenkreise aufgeschaltet werden kann.
Für Wartungsarbeiten oder bei einem notwendigen Austausch eines der
Wechselrichter 21 oder eines der Mittelspannungstransformatoren 31 wird der entsprechende Zweig der Photovoltaikanlage über den zugeordneten
Lasttrennschalter 33 abgekoppelt. Wie zuvor beschrieben, kann bei einem
elektromagnetisch ausgelösten Lasttrennschalter 33 diese Abkoppelung auch durch eine Fehlerüberwachungseinrichtung des jeweiligen Wechselrichters 21 erfolgen. Da die Ereignisse, die zur Betätigung der Lasttrennschalter 33 führen, ihrer Natur nach selten sein sollten, kann als Lasttrennschalter 33 ein Federspeichertrenner mit manuellem Aufzug eingesetzt werden.
Das Wiederanfahren eines derart über den Lasttrennschalter 33 abgekoppelten Zweigs der Photovoltaikanlage erfolgt analog zu der Wiederanbindung der
Photovoltaikanlage über das Koppelschütz 42 wie zuvor beschrieben.
Dementsprechend wird also vor dem Wiedereinschalten eines getrennten
Lasttrennschalters 33 der Zwischenkreiskondensator 23 über die Vorladeeinrichtung 28 aufgeladen.
Da das Auftreten nicht zugelassener Netzeinspeiseparameter kein seltenes Ereignis ist, ist das Koppelschütz 42 somit bevorzugt für häufige und besonders bevorzugt zur fehlerfreien Ausführung von vielen, besonders bevorzugt von mehr als 20 000 Schaltzyklen ausgelegt. Das Koppelschütz 42 kann selbstverständlich zusätzlich zu anderen als den oben beschriebenen Zwecken eingesetzt werden, beispielsweise zur vollständigen Trennung der Photovoltaikanlage vom Netz zu Wartungszwecken. Das anmeldungsgemäße Koppelschütz 42 unterscheidet sich von bekannten
Anlagentrennern abgesehen von seinem Einsatzzweck im Rahmen der
erfindungsgemäßen Verfahren durch seine Fähigkeit, regelmäßig geschaltet zu werden. Bezugszeichenliste Photovoltaikgenerator
Photovoltaikmodul
Gleichstrom-Sicherungsorgan
Wechselrichteranordnung
Wechselrichter
Gleichstromeingang
Zwischenkreiskondensator
Wechselstromausgang
Hilfstransformator
Hilfskomponenten
Pufferbatterie
Vorladeeinrichtung
Mittelspannungskomponenten
Mittelspannungstransformator
Sicherungsorgan
Lasttrennschalter
Netzanbindungskomponenten
Mittelspannungsnetz
Koppelschütz
Überwachungseinrichtung

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz (41 ), wobei die Photovoltaikanlage einen
Photovoltaikgenerator (10) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (1 1 ), mindestens einen Wechselrichter (21 ) und mindestens einen
Mittelspannungstransformator (31 ) aufweist, und wobei
der Mittelspannungstransformator (31 ) primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom-Niederspannungsausgang (24) des Wechselrichters (21 ) verbunden ist,
der Wechselrichter (21 ) über einen Gleichstromeingang (22) mit dem
Photovoltaikgenerator (10) verbunden ist und
der Wechselrichter (21 ) bauartbedingt Rückströme von dem Wechselstrom- Niederspannungsausgang (24) zu dem Gleichstromeingang (22) zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass
bei nicht zur Einspeisung ausreichender Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Photovoltaikmodule (1 1 )
der Wechselrichter (21 ) wechselstromseitig über den
Mittelspannungstransformator (31 ) mit dem Mittelspannungsnetz (41 ) verbunden bleibt und
der Wechselrichter (21 ) gleichstromseitig mit dem Photovoltaikgenerator (10) verbunden bleibt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , bei dem die Photovoltaikanlage sekundarseitig des Mittelspannungstransformators (31 ) mit Hilfe eines zwischen dem
Mittelspannungstransformator (31 ) und dem Mittelspannungsnetz (41 ) angeordneten Koppelschützes (42),von dem Mittelspannungsnetz (41 ) getrennt wird, wenn vorgegeben Anforderungen an Netzeinspeiseparameter nicht erfüllt sind.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Netzeinspeiseparameter eine
Spannungsamplitude und/oder eine Frequenz des Mittelspannungsnetzes (41 ) und/oder eine eingespeiste Blindleistung betreffen.
4. Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikgenerator (10) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (1 1 ), mindestens einem Wechselrichter (21 ) und mindestens einem Mittelspannungstransformator (31 ), wobei
der Mittelspannungstransformator (31 ) primärseitig unmittelbar mit einem Wechselstrom-Niederspannungsausgang (24) des Wechselrichters (21 ) verbunden ist,
der Wechselrichter (21 ) über einen Gleichstromeingang (22) mit dem
Photovoltaikgenerator (10) verbunden ist und
der Wechselrichter (21 ) bauartbedingt Rückströme von dem Wechselstrom- Niederspannungsausgang (24) zu dem Gleichstromeingang (22) zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des Photovoltaikgenerators (10) eine derart große Anzahl von Photovoltaikmodule (1 1 ) reihenverschaltet ist, dass eine Durchlassspannung der reihenverschalteten Photovoltaikmodule (1 1 ) größer ist, als eine sich am Gleichstromeingang (22) aufgrund der Rückströme einstellende Spannung, und dass die Photovoltaikanlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 eingerichtet ist.
5. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 4, bei der kein Schaltorgan, insbesondere kein Schaltorgan, das angesteuert oder automatisch schließen kann, in der Verbindung zwischen dem Mittelspannungstransformator (31 ) und dem
Wechselstrom-Niederspannungsausgang (24) des Wechselrichters (21 ) vorhanden ist.
6. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der kein Schaltorgan,
insbesondere kein Schaltorgan, das angesteuert oder automatisch öffnen und schließen kann, in der Verbindung zwischen dem Photovoltaikgenerators (10) und dem Gleichstromeingang (22) des Wechselrichters (21 ) vorhanden ist.
7. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der
Wechselrichterbrücken der Wechselrichter (21 ) Schalttransistoren,
insbesondere IGBTs oder MOSFETs aufweisen.
8. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 7, bei der die Wechselrichterbrücken der Wechselrichter (21 ) Freilaufdioden aufweisen, die antiparallel zu den
Schalttransistoren der Wechselrichterbrücken angeordnet sind.
9. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 4 bis 8, bei der in der Verbindung zwischen dem Mittelspannungstransformator (31 ) und dem
Mittelspannungsnetz (41 ) ein Koppelschütz (42) angeordnet ist.
10. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 9, bei der mindestens zwei
Mittelspannungstransformatoren (31 ) vorgesehen sind, die sekundärseitig in Energieflussrichtung bei Einspeisung vor dem Koppelschütz (42) miteinander verbunden sind, so dass das Koppelschütz (42) bei einem Schaltvorgang die mindestens zwei Mittelspannungstransformatoren (31 ) gemeinsam vom
Mittelspannungsnetz (41 ) trennt bzw. mit diesem verbindet.
1 1 . Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der eine
Überwachungseinrichtung (43) zur Überprüfung von Netzeinspeiseparametern des von der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms vorgesehen ist, die mit dem Koppelschütz (42) verbunden ist und mit diesem zusammenwirkt.
12. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , bei der für jeden Mittelspannungstransformator (31 ) sekundärseitig ein Sicherungsorgan (32) vorgesehen ist.
13. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der für jeden Mittelspannungstransformator (31 ) sekundärseitig ein Lasttrennschalter (33) vorgesehen ist.
14. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 13, bei der der Lasttrennschalter (33) ein Federspeichertrenner ist, bevorzugt mit manuellem Aufzug.
15. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 14, bei das
Koppelschütz (42) für eine große Anzahl von Schaltvorgängen, bevorzugt mehr als 20000 Schaltvorgänge, ausgelegt ist.
16. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 15, bei der der
mindestens eine Wechselrichter (21 ) für Leistungen größer als 100 kW und bevorzugt größer als 300 kW ausgelegt ist.
17. Photovoltaikanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 16, bei der eine
Vorladeeinrichtung (28) zur Beaufschlagung eines Gleichspannungszwischenkreises an einem Gleichstromeingang (22) des Wechselrichters (31 ) mit einer vorgegebenen Spannung vorgesehen ist.
18. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 17, bei der eine Pufferbatterie (27) zur Versorgung der Vorladeeinrichtung (28) während einer Trennung der Photovoltaikanlage von dem Mittelspannungsnetz (41 ) vorgesehen ist.
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