WO2014095593A1 - Schaltungsanordnung zur datenübertragung auf gleichstromleitungen und wechselrichter mit einer derartigen schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur datenübertragung auf gleichstromleitungen und wechselrichter mit einer derartigen schaltungsanordnung Download PDF

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WO2014095593A1
WO2014095593A1 PCT/EP2013/076446 EP2013076446W WO2014095593A1 WO 2014095593 A1 WO2014095593 A1 WO 2014095593A1 EP 2013076446 W EP2013076446 W EP 2013076446W WO 2014095593 A1 WO2014095593 A1 WO 2014095593A1
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WO
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signal
current
coupling
lines
circuit arrangement
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PCT/EP2013/076446
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Markus Hopf
Holger Behrends
Christopher Merz
Sebastian Bieniek
Tobias Maurer
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Sma Solar Technology Ag
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B3/00Line transmission systems
    • H04B3/54Systems for transmission via power distribution lines
    • H04B3/548Systems for transmission via power distribution lines the power on the line being DC
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B2203/00Indexing scheme relating to line transmission systems
    • H04B2203/54Aspects of powerline communications not already covered by H04B3/54 and its subgroups
    • H04B2203/5462Systems for power line communications
    • H04B2203/547Systems for power line communications via DC power distribution

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for coupling a high-frequency (HF) signal for data transmission on DC cables to
  • Energy transfer comprising a signal generator for generating a high-frequency signal with variable voltage amplitude, coupling means for coupling the high-frequency signal to the DC lines, a
  • the invention further relates to a method for coupling a high-frequency signal for data transmission on DC transmission lines for energy transmission and a photovoltaic (PV) system and an inverter with such a circuit arrangement.
  • PV photovoltaic
  • the electricity generating PV generators are often connected to one or more remotely mounted inverters via often very long DC power lines.
  • generator-near devices such as protective devices or measuring devices are often provided, which communicate with the inverter or other inverters installed close control devices.
  • a communication via the DC cables, with which the PV generator is connected to the inverter take place.
  • Such a communication for data transmission via lines for energy transmission is also known as Powerline Communication (PLC).
  • PLC Powerline Communication
  • the communication signal is coupled in as an HF signal onto the lines for energy transmission and coupled out on the receiving side by means of corresponding decoupling means and analyzed.
  • the document EP 0 365 696 A1 describes, for example, a circuit arrangement for data transmission on DC lines via a modulated AC voltage.
  • the DC cables are used to supply power to connected transmitting and receiving stations, between which data can be transmitted via the modulated AC voltage.
  • galvanically isolating transformers are used for coupling and decoupling of the modulated AC voltage.
  • the document DE 691 15 362 T2 describes a system which is suitable for data transmission via direct or alternating current lines.
  • a coupling or decoupling takes place via a transformer with a core.
  • a plurality of coaxial windings in the transformer two of which are wound in opposite directions from flowing through the power transmission lines current to prevent magnetic saturation of the core.
  • a PLC modem which can be optionally connected to a DC network or an AC mains, via which it is supplied with power. In both cases, the PLC modem can send or receive a signal for data transmission in the DC or AC mains.
  • Publication DE 199 40 544 A1 discloses a circuit arrangement for coupling such an HF signal to an AC low-voltage network, as is typical of a typical domestic electrical installation.
  • An output amplifier for the transmission signal is connected downstream of a network for impedance matching to a transformer, wherein the transformer transmits the signal to the AC lines of the house installation.
  • the circuit arrangement has a control device which, by means of a current measurement within the transmission network, varies the voltage amplitude of the RF signal at the input of the transmission network via the output amplifier such that the RF signal on the AC lines of the domestic installation has a constant voltage amplitude of predetermined height.
  • receivers for the RF signal are arranged substantially parallel to consumers. The constant voltage amplitude ensures that an equally strong signal is received at each of possibly several parallel receiving units.
  • the PV generator is often formed by a series connection of a plurality of PV modules, a so-called string.
  • Receivers for data sent via an RF signal on the DC lines from an inverter or a central controller may be at the level of individual PV modules. Due to the series connection of the PV modules within the string, the signal strength that can be coupled out to a single PV module is known
  • Circuitry for coupling the RF signal often very low. For a given amplitude of the injected RF signal, the signal strength within the DC circuit is dependent on the impedance in this DC circuit.
  • the DC circuit is formed by the PV generator, the DC lines and the input stage of the inverter.
  • An inventive circuit arrangement for coupling an RF signal for data transmission on DC power transmission lines is characterized in that the control device is adapted to control a current flow of the RF signal on the DC power lines to a predetermined value.
  • the control device is adapted to control a current flow of the RF signal on the DC power lines to a predetermined value.
  • the current measuring means is arranged in one of the DC lines in order to determine the current flow on the DC lines.
  • the actual value of the current underlying the control is measured directly in the DC circuit. Provided that the regulation works correctly, it is ensured that the actual current value corresponds to the desired current setpoint.
  • the coupling-in means is a coupling-in transformer which has a primary winding connected to the signal generator and a secondary winding looped into one of the direct current lines.
  • the current measuring means is connected in series with the primary winding of the Einkoppelübertragers to one
  • the primary-side current and the secondary-side current are in a fixed relationship to each other, so that even when feedback and control of the size of the current of the coupled current has a constant and predetermined setpoint.
  • a PV system according to the invention has such a circuit arrangement as a component remote from the generator.
  • An inverter according to the invention in particular for a PV system, has such a circuit arrangement in order to load DC inputs of the inverter with an RF signal for data transmission. This results in each case the advantages mentioned in connection with the circuit arrangement.
  • a method according to the invention for coupling in an HF signal for data transmission on DC lines for energy transmission is characterized in that a current flow of the HF signal on the DC lines is regulated to a predetermined value.
  • a current measured directly on one of the DC lines is used as the actual value for regulation.
  • the RF signal is coupled in via a coupling transformer which has a primary winding connected to a signal generator and a secondary winding coupled to one of the DC lines, a current flowing through the primary winding being used as the actual value for regulation ,
  • the current flowing through the primary winding can be determined as a vectorial variable including a phase difference to a voltage applied to the primary winding.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a PV system with a
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a PV system with a
  • FIG. 3 shows two exemplary control structures of circuit arrangements for coupling in an HF signal
  • Fig. 4 shows a third embodiment of a PV system with a
  • Fig. 5 shows a part of a PV system with a circuit arrangement for
  • Fig. 6 shows a part of a PV system with a circuit arrangement for
  • Fig. 7 shows various circuit arrangements for coupling a
  • Fig. 1 shows a PV system in a first embodiment in a schematic block diagram.
  • a PV generator 1 is connected via DC lines 3, 4 with devices 5 remote from the generator.
  • a receiving module 2 for a powerline communication (PLC) is arranged close to the generator via the DC lines 3, 4.
  • PLC powerline communication
  • the PV generator 1 is symbolized by the switching symbol of a single PV cell. It is understood that the PV generator 1 may be constructed from a plurality of PV modules, which in turn may each consist of a plurality of PV cells. The PV modules can be connected in series to a so-called string. The receiving module 2 is connected in such a case to the output of the PV generator 1 forming string. In Fig. 1, only one string is shown. However, it is within the scope of the invention for the PV generator 1 to have a plurality of strings connected in parallel to one another instead of the one shown.
  • the receiving module 2 is connected to the output of a single PV module and further PV modules, possibly connected in series with other receiving modules associated with them, so that in turn a string is formed, which is the PV generator 1 represents.
  • the one or more receiving modules 2 are located in close proximity to the PV generator 1.
  • the generator-remote devices 5 include a signal generator 50 for generating an RF signal, which is used for the transmission of data to the receiving module 2. Data can be modulated onto the RF signal in a manner known per se, for example in an amplitude, frequency or phase modulation method.
  • the output of the signal generator 50 is connected to a primary winding 51 p of Einkoppelschreibtragers 51, wherein in the primary winding 51 p of Einkoppelschreibtragers 51, a high frequency current with the current amplitude I ° H F flows ,
  • a secondary winding 51 s of Einkoppelschreibtragers 51 is looped into one of the DC lines 3, 4, here for example in the DC line 4.
  • a current measuring means 52 looped into the DC line 4.
  • This current measuring means 52 is connected to a control device 53, which in turn acts on the signal generator 50 and which influences the voltage amplitude U ° HF of the signal generator 50.
  • a control device 54 which converts its supplied and transmitted (binary) data D depending on the selected modulation method in corresponding control signals for the signal generator 50.
  • the respective current amplitude I ° HF for the control loop of the control device 53 is specified.
  • two different fixed setpoints are required accordingly.
  • a capacitive coupling of the RF signal can also take place.
  • the DC lines 3, 4 are connected in the generator remote device via said secondary winding 51 s and the current measuring means 52 with DC inputs of an inverter 55.
  • the inverter 55 further includes an AC output via which the inverter 55 is coupled to a power grid 6.
  • the AC output and the power supply network 6 are designed to be three-phase. In the context of the application, however, both the inverter 55 and the power supply network 6 can have a different number of phases, for example single-phase. It is noted that in FIG. 1 only the elements of the PV system which are essential in the context of the application are shown.
  • switching elements for example, separating elements, contactors
  • filters for example, a sine filter
  • Netzschreibungsein- devices and / or transformers may be provided.
  • an input resistor 55R which the inverter 55 has between its DC inputs
  • an input capacitance 55C are drawn as an equivalent circuit of the DC side of the inverter 55.
  • the DC input stage of the inverter 55 is formed, coupled.
  • the RF signal has a current amplitude I H F.
  • the circuit arrangement for coupling the RF signal for data transmission is formed separately from the inverter 55. It is alternatively possible to integrate the circuit arrangement in the inverter.
  • the data D to be transmitted, which are supplied to the control device 54, can be provided, for example, by a central control unit of the inverter 55 or else by a central control device, not shown here.
  • a series connection of a primary winding 21 p of a Auskoppelübertragers 21 and a capacitor 22 is formed between the DC lines 3 and 4.
  • the decoupling transformer 21 is connected to a secondary winding 21 s to a receiver 20.
  • This receiver 20 includes, for example, an amplifier circuit and a demodulator to extract the transmitted data again from the RF signal.
  • the current flow of the RF signal I H F splits into a component I 'HF flowing through the series connection of primary winding 21p and capacitor 22 and a component I "HF flowing through the PV generator 1.
  • the Inductance of the primary winding 21 p and the capacitance of the capacitor 22 is selected and matched so that the series circuit of primary winding 21 p and capacitor 22 has a resonance minimum in the range of the frequency of the RF signal of the signal generator 50.
  • the series connection of primary winding 21 p and capacitor 22 flowing portion I 'HF dominating whereas the flowing through the PV generator portion I " H F is negligibly small.
  • the substantially entire current I H F flows through the primary winding 21 p of the outcoupling transformer 21.
  • a single inductance for example a coil, can also be connected in series with the capacitor 22 for decoupling, wherein the voltage applied to the inductance is picked up and supplied to the receiver 20.
  • the impedance of the PV generator 1 can be taken into account in selecting the frequency of the RF signal of the signal generator 50 so that it is not within the range of a resonance frequency of the PV generator 1, so that the assumption that I "H F" I 'HF is satisfied. Further, it is noted that has for the selected frequency of the RF signal of the signal generator 50, the input stage of the inverter 55 by way a low impedance. If necessary, this can be obtained by an additional parallel to the DC input of the inverter 55 connected capacitor can be achieved.
  • the voltage amplitude U HF of the RF signal generated by the signal generator 50 is varied with the aid of the control device 53 in such a way that the current I H F flowing in the DC circuit has a predetermined desired value. takes. Since the current flowing through the primary coil 21 p of Auskoppelübertragers 21 current I 'HF as stated above is substantially as large as the injected current I H F as a signal reception in sufficient strength at the receiving module 2 is given. A signal amplification carried out in the receiver 20 does not need to have a particularly large amplification factor, nor can it be designed to be highly variable.
  • a current I 'HF flows through each of the receiver modules 2, which is of the same size as the injected current l H F- independent of their number is thus given a signal reception in sufficient and predeterminable strength in each of the receiving modules 2.
  • a bidirectional data transmission between devices close to the generator and the devices remote from the generator can be provided.
  • both receiving and transmitting modules should be provided on both sides.
  • the modules can be designed analogously to the reception or transmission modules described above; in particular, all the transmission modules used can have the current control according to the application.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a PV system with a circuit arrangement according to the invention for coupling in an HF signal.
  • Identical reference signs in this figure denote the same or equivalent elements as in the embodiment of FIG. 1.
  • the primary coil 21p of the coupling-out transformer 21 is not connected in parallel to the PV generator 1, but in series connection in FIG the DC circuit is integrated.
  • the capacitor 22 is arranged parallel to the PV generator 1. By the parallel connection of the capacitor 22 is a at the frequency of the RF Signal possibly compensated for too large an impedance of the PV generator 1 and the circuit at this point for the high-frequency signal to a certain extent closed.
  • the series connection of the primary winding 21 p of the coupling-out transformer to the secondary winding 51 s of the coupling-in transformer ensures that the current I H F flowing through the primary winding 21 p of the coupling-out transformer 21 is the same as the injected current I HF.
  • the generator remote devices 5 is in the exemplary embodiment of FIG. 2, a difference in the measurement of the current intensity of the RF signal. 2
  • the injected current I H F is not measured as in FIG. 1, but the current I ° H F flowing through the primary winding 51 p of the coupling-in transformer 51
  • Due to the solid exceeding the Einkoppelübertragers 51 tragungsInstituts are the primary-side current I ° HF and the secondary-side current I H F but at a fixed ratio to one another, so that even with feedback and control of the magnitude of the current I ° HF of the injected current I H F has a constant and predetermined value.
  • a reactive current component through the primary winding 51 p is to be taken into account, which does not lead to any secondary current flow. This can be done by measuring and taking into account a phase shift of the current with respect to the voltage applied to the primary winding 51 p. With suitable dimensioning of the Einkoppelschreibers 51, the reactive current component is negligible.
  • FIG. 3 a shows the structure of the control circuit of the PV system according to FIG. 1
  • FIG. 3 b shows the structure of the control circuit of the PV system according to FIG. 2 again.
  • the current I H F in the DC circuit is measured by the current sensor 52 and supplied to a first section 53 a of the control device 53.
  • this first section the difference between the measured current I H F in DC and a setpoint I SO "HF certainly.
  • This difference is transferred to a second section 53b of the control device 53.
  • a set value is determined in digital or analog manner, which is passed to the signal generator 50.
  • the signal generator 50 changes the voltage amplitude U ° HF of the RF signal.
  • Fig. 4 shows a third embodiment of a PV system with an according to the application circuit arrangement for coupling an RF signal Identical reference signs in this figure as well as in the following figures again denote the same or equivalent elements as in the exemplary embodiment of FIG.
  • FIGS. 1 and 2 For ease of illustration of the components for controlling the current of the injected RF signal here only the signal generator 50 are shown. With regard to further components in the control loop, reference is made to FIGS. 1 and 2 and the associated description. In contrast to the first two embodiments takes place here a coupling via a series connection of the secondary winding 51 s with a capacitor 57 and a blocking member 56.
  • the locking member 56 is composed here of an inductor 58 and a parallel connected capacitor 59 together.
  • the locking member 56 consists solely of an inductance 58. Only the blocking member 56 is looped into the DC circuit, here in the DC power line 4.
  • the blocking member 56 is tuned to have a high impedance for the injected RF signal, whereas for DC, it has a very low resistance. A flow of direct current through the secondary winding 51 s, however, is prevented by the capacitor 57.
  • the secondary winding 51 s can be designed with significantly thinner wire and the Einkoppelübertrager 51 be correspondingly more compact.
  • About the DC lines 3, 4 are in the fourth embodiment shown here 2 in series PV generators 1 a, 1 b, each with associated receiving modules 2a, 2b available. The components of the receiving modules 2a, 2b are marked accordingly by additions a and b to the reference numerals.
  • FIG. 4 shows by way of example a series connection of two PV generators 1 a, 1 b.
  • the RF signal can be received in each of the receiving modules 2a, 2b with the desired signal strength.
  • the exemplary two PV generators 1 a, 1 b are arranged in series connection here.
  • the RF power would be split between the PV generators.
  • Figs. 5 and 6 show examples of such arrangements.
  • FIG. 5 shows an inverter 55 of a PV system which has input terminals for two separate DC circuits.
  • DC lines 3a, 4a and 3b, 4b present, leading to not shown here receiving modules 2a, 2b, each with associated PV generators.
  • a separate current-controlled transmitting device for the RF signal is provided, here represented by sig- nalgeneratoren 50a, 50b, Einkoppelübertrager 51 a, 51 b, capacitors 57 a, 57 b and inductors 58 a, 58 b.
  • the devices driving the signal generators are again not shown here for reasons of clarity.
  • the coupling is similar to the embodiment of FIG.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a PV system in which parallel PV generators are provided.
  • Generator remote in the range of an inverter 55 (or alternatively integrated into this) arranged a coupling arrangement, which corresponds to that shown in Fig. 4.
  • the PV generators - here again two PV generators 1 a, 1 b, for example - are connected to a string collection box 7 (also called a string collection box) installed close to the generator.
  • a string collection box 7 also called a string collection box
  • a main disconnect switching device 70 is arranged, via which the PV generators 1 a, 1 b can be decoupled jointly from the inverter 55, for example, for maintenance purposes or in dangerous situations.
  • the string collecting box 7 comprises a receiving unit 2.
  • each separate transmitting devices proceed in these DC circuits.
  • These are analogous to the transmitting devices of the generator-nen components 5 and include signal generators 50a, 50b, Einkoppelübertrager 51 a, 51 b, capacitors 57 a, 57 b and locking members 56 a, 56 b of inductors 58 a, 58 b and capacitors 59 a, 59 b.
  • the data D extracted from the HF signals by the receivers 20 are fed to the transmitting devices.
  • the control devices for controlling the signal generators 50a, 50b are not shown in FIG. 6, and the data D are symbolically fed directly to the signal generators 50a, 50b.
  • the string collection box 7 thus distributes and amplifies the RF signals by first receiving and digitizing them and then, if necessary, feeding them again into several parallel DC circuits. It therefore represents a so-called repeater arrangement for the RF signals.
  • FIG. 7 shows four partial illustrations of various further coupling arrangements which can be used within the scope of the invention.
  • the inverter 55 is in each case connected upstream of a filter arrangement 60. It is within the scope of the invention that the filter arrangement 60 is also part of the inverter 55, for example, a DC input filter of the inverter 55th
  • FIG. 7a shows a direct inductive coupling via a coupling transformer 51 which has only one secondary winding arranged in one of the DC lines of the DC circuit.
  • the coupling of the RF signal takes place here - as with all couplings shown so far - as a push-pull signal (based on the two DC lines).
  • Fig. 7b also shows a direct inductive coupling, but here with a transformer having two magnetically coupled secondary windings, which are each arranged in one of the DC lines of the DC circuit.
  • the RF signal is applied as a common-mode signal to the two DC lines.
  • Fig. 7c shows a direct capacitive coupling via a coupling capacitor 57, wherein in the DC circuit an inductance 58 is present as a blocking member.
  • the coupling of the RF signal takes place here as a push-pull signal.
  • the inductance 58 acting as a blocking element prevents the PLC signal from being short-circuited directly via the generator-distant filter arrangement 60 and thus does not reach the receiving module or does not reach it in sufficient intensity.
  • FIG. 7d shows a direct capacitive coupling via two coupling capacitors 57 which are each connected to one of the DC lines.
  • a two single-inductance inductance 58 is disposed in each of the DC power lines, and the single inductances of the inductance 58 are magnetically coupled.
  • the coupling of the RF signal takes place here as a common-mode signal.
  • the inductance 58 acting as a blocking element also prevents a short circuit of the PLC signal directly via the filter arrangement 60 remote from the generator.
  • Fig. 8 shows various usable within the scope of the invention Auskoppelan instructen.
  • Fig. 8a and 8b each show a direct inductive coupling for a push-pull or common mode signal and Figs. 8c and 8d each one direct capacitive decoupling for a push-pull or common-mode signal.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines Hochfrequenz (HF)-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen (3, 4) zur Energieübertragung, aufweisend einen Signalgenerator (50, 50a, 50b) zur Erzeugung eines HF-Signals mit variabler Spannungsamplitude (I0 HF), Einkoppelmittel zur Einkopplung des HF-Signals auf die Gleichstromleitungen (3, 4), Strommessmittel (52) zur Bestimmung eines Stroms (I0 HF, IHF) des HF-Signals und eine auf den Signalgenerator (50, 50a, 50b) wirkende Regeleinrichtung (53). Erfindungsgemäß ist die Regeleinrichtung (53) dazu eingerichtet, einen Stromfluss (IHF) des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen (3, 4) auf einen vorgegebenen Wert zu regeln. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Photovoltaik (PV)-Anlage und einen Wechselrichter (55) mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Einkopplung eines HF-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen (3, 4) zur Energieübertragung.

Description

Schaltungsanordnung zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen und Wechselrichter mit einer derartigen Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines Hoch- frequenz (HF)-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen zur
Energieübertragung, aufweisend einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals mit variabler Spannungsamplitude, Einkoppelmittel zur Einkopplung des Hochfrequenzsignals auf die Gleichstromleitungen, ein
Strommessmittel zur Bestimmung eines Stromwerts des Hochfrequenzsignals und eine auf die Signalerzeugungseinheit wirkende Regeleinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einkopplung eines Hochfrequenzsignals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen zur Energieübertragung und eine Photovoltaik (PV)-Anlage und einen Wechselrichter mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
In PV-Anlagen sind die stromerzeugenden PV-Generatoren über häufig durchaus lange Gleichstromleitungen mit einem oder mehreren entfernt montierten Wechselrichtern verbunden. Dabei sind häufig generatornahe Einrichtungen wie Schutzeinrichtungen oder Messeinrichtungen vorgesehen, die mit dem Wechselrichter oder anderen wechselrichternah installierten Steuergeräten kommunizieren. Dabei kann neben konventionellen kabelgebundenen Kommunikationsmethoden über separate Signalleitungen oder serielle und/oder parallele Bus- oder Netzwerkverbindungen oder Funkverbindungen auch eine Kommunikation über die Gleichstromleitungen, mit denen der PV-Generator mit dem Wechselrichter verbunden ist, erfolgen. Eine derartige Kommunikation zur Datenübertragung über Leitungen zur Energieübertragung ist auch als Powerli- ne-Communication (PLC) bekannt. Dabei wird das Kommunikationssignal als ein HF-Signal auf die Leitungen zur Energieübertragung eingekoppelt und emp- fangsseitig durch entsprechende Auskoppelmittel wieder ausgekoppelt und analysiert.
Systeme und Schaltungsanordnungen zur Datenübertragung über Leitungen zur Energieübertragung sind vielfach bekannt. Die Druckschrift EP 0 365 696 A1 beschreibt beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen über eine aufmodulierte Wechselspannung. Die Gleichstromleitungen dienen einer Stromversorgung von angeschlossenen Sende- und Empfangsstationen, zwischen denen Daten über die aufmodulierte Wechselspannung übertragen werden können. Zur Ein- und Auskopplung der aufmodulierten Wechselspannung werden galvanisch trennende Übertrager verwendet.
Die Druckschrift DE 691 15 362 T2 beschreibt ein System, das zur Datenübertragung über Gleich- oder Wechselstromleitungen geeignet ist. Auch hierbei er- folgt eine Ein- bzw. Auskopplung jeweils über einen Übertrager mit Kern. Es sind mehrere koaxiale Wicklungen bei dem Übertrager vorgesehen, von denen zwei gegensinnig gewickelte von einem durch die Energieübertragungsleitungen fließenden Strom durchflössen werden, um eine magnetische Sättigung des Kerns zu verhindern.
Aus der Druckschrift DE 20 2006 020 152 U1 ist ein PLC-Modem bekannt, das wahlweise an ein Gleichstromnetz oder ein Wechselstromnetz angeschlossen werden kann, über das es mit Strom versorgt wird. Das PLC-Modem kann in beiden Fällen ein Signal zur Datenübertragung in das Gleich- bzw. Wechsel- Stromnetz senden oder aus diesem empfangen.
Aus der Druckschrift DE 199 40 544 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ein- kopplung eines derartigen HF-Signals auf ein Wechselstrom- Niederspannungsnetz wie es eine typische Elektro-Hausinstallation darstellt, of- fenbart. Einem Ausgangsverstärker für das Sendesignal ist dabei ein Netzwerk zur Impedanzanpassung an einen Übertrager nachgeschaltet, wobei der Übertrager das Signal auf die Wechselstromleitungen der Hausinstallation überträgt. Die Schaltungsanordnung weist eine Regeleinrichtung auf, die anhand einer Strommessung innerhalb des Übertragungsnetzwerks die Spannungsamplitude des HF-Signals am Eingang des Übertragungsnetzwerks derart über den Ausgangsverstärker variiert, dass das HF-Signal auf den Wechselstromleitungen der Hausinstallation eine konstante Spannungsamplitude vorgegebener Höhe aufweist. Innerhalb der Hausinstallation sind Empfänger für das HF-Signal im Wesentlichen parallel zu Verbrauchern angeordnet. Die konstante Spannungs- amplitude stellt sicher, dass ein gleichermaßen starkes Signal an jeder von ggf. mehreren parallel geschalteten Empfangseinheiten empfangen wird.
In PV-Anlagen wird der PV-Generator häufig durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von PV-Modulen, einem sogenannten String, gebildet. Empfänger für Daten, die über ein HF-Signal auf den Gleichstromleitungen, ausgehend von einem Wechselrichter oder einer zentralen Steuereinrichtung, gesendet werden, sind unter Umständen auf der Ebene einzelner PV-Module vorhanden. Bedingt durch die Reihenschaltung der PV-Module innerhalb des Strings ist die an einem einzelnen PV-Modul auskoppelbare Signalstärke bei bekannten
Schaltungsanordnungen zur Einkopplung des HF-Signals häufig sehr gering. Bei vorgegebener Amplitude des eingekoppelten HF-Signals ist die Signalstärke innerhalb des Gleichstromkreises abhängig von der Impedanz in diesem Gleichstromkreis. Der Gleichstromkreis wird von dem PV-Generator, den Gleichstromleitungen und der Eingangsstufe des Wechselrichters gebildet.
Maßgeblich für die Systemimpedanz sind dabei die Leitungslängen und die Leitungsverlegung sowie die Eingangsimpedanz des Wechselrichters. Im Unterschied zu dem Wechselstrom-Niederspannungsnetz der Hausinstallation, in dem die Systemimpedanz in der Regel gering ist, können im Gleichstromkreis der PV-Anlage deutlich höhere und stark variierende Systemimpedanzen auftreten. Auch die Art der verwendeten PV-Module, insbesondere ob es sich um Module auf der Basis von poly- oder monokristallinem Halbleitermaterial oder um sogenannte Dünnschichtmodule auf der Basis von amorphem oder mikrokristallinem Halbleitermaterial handelt, hat einen großen Einfluss auf die Sys- temimpedanz.
Um dennoch eine zufriedenstellend zuverlässige Powerline-Communication bei PV-Anlagen zu erzielen, wurde bisher einerseits eine möglichst hohe Signalstärke auf die Gleichstromleitungen eingekoppelt und andererseits nach Aus- kopplung eines empfangenen Signals dieses aufwändig verstärkt. Ein zu hoher Sendepegel ist jedoch unter Umständen nicht mehr mit EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) -Richtlinien vereinbar. Eine bei jedem der Empfänger vorgenommene Verstärkung ist material- und damit kostenaufwändig und zudem bei hohen Verstärkungsfaktoren auch störanfällig gegenüber eingestrahlten Störsignalen, die ebenfalls verstärkt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanord- nung und ein Verfahren zur Einkopplung eines Hochfrequenzsignals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen zur Energieübertragung zu schaffen, bei denen möglichst unabhängig von der Systemimpedanz im Gleichstromkreis ein gut empfangbares aber nicht unnötiger Weise starkes HF-Signal auf die Gleichstromleitungen zur Energieübertragung eingekoppelt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren, eine PV- Anlage und einen Wechselrichter mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF- Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen zur Energieübertragung zeichnet sich dadurch aus, dass die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen auf einen vorgegebenen Wert zu regeln. Durch die anmeldungsgemäße Regelung des Stroms des HF-Signals im Gleichstromkreis ist sichergestellt, dass das HF- Signal in einem Empfangsmodul mit der gewünschten Signalstärke empfangen werden kann. Dieses gilt insbesondere auch, wenn mehrere reihenverschaltete Empfangsmodule angeordnet sind. Eine solche Anordnung liegt beispielsweise in einem PV-Strang vor, in dem mehrere PV-Module, denen je eine Empfangsvorrichtung zugeordnet ist, reihenverschaltet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist das Strommessmittel in einer der Gleichstromleitungen angeordnet, um den Stromfluss auf den Gleichstromleitungen zu bestimmen. In dieser Anordnung wird der der Regelung zugrundeliegende Ist-Wert des Stroms unmittelbar in dem Gleichstromkreis gemessen. Eine korrekt arbeitende Regelung vorausgesetzt, ist so sichergestellt, dass der tatsächliche Strom-Istwert dem gewünschten Strom- Sollwert entspricht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist das Einkoppelmittel ein Einkoppelübertrager, der eine mit dem Signalgenerator verbundene Primärwicklung und eine in eine der Gleichstromleitungen eingeschleifte Sekundärwicklung aufweist. Bevorzugt ist das Strommessmittel mit der Primärwicklung des Einkoppelübertragers reihenverschaltet, um einen
Stromfluss durch die Primärwicklung zu bestimmen. Aufgrund des festen Übertragungsverhältnisses des Einkoppelübertragers stehen der primärseitige Strom und der sekundärseitige Strom in einem festen Verhältnis zueinander, so dass auch bei Rückkopplung und Regelung der Größe des Stroms der einge- koppelte Strom einen konstanten und vorgegebenen Sollwert aufweist.
Eine erfindungsgemäße PV-Anlage weist eine derartige Schaltungsanordnung als eine generatorferne Komponente auf. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter, insbesondere für eine PV-Anlage, weist eine derartige Schaltungsanord- nung auf, um Gleichstromeingänge des Wechselrichters mit einem HF-Signal zur Datenübertragung zu beaufschlagen. Es ergeben sich jeweils die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung genannten Vorteile.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einkopplung eines HF-Signals zur Da- tenübertragung auf Gleichstromleitungen zur Energieübertragung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Stromfluss des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Auch hierbei ergeben sich die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung genannten Vorteile. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein unmittelbar auf einer der Gleichstromleitungen gemessener Strom als Ist-Wert zur Regelung verwendet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Einkopplung des HF-Signals über einen Einkoppelübertrager, der eine mit einem Signalgenerator verbundene Primärwicklung und eine mit einer der Gleichstromlei- tungen gekoppelte Sekundärwicklung aufweist, wobei ein durch die Primärwicklung fließender Strom als Ist-Wert zur Regelung verwendet wird. Dabei kann ggf. der durch die Primärwicklung fließende Strom als vektorielle Größe einschließlich einer Phasendifferenz zu einer an der Primärwicklung anliegenden Spannung bestimmt werden. Durch Berücksichtigung der Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung in der Primärwicklung des Einkoppelübertragers kann zur Regelung der Anteil des Stroms in der Primärwicklung ermittelt werden, der auch zu einem wirksamen Stromfluss des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen führt. Der Strom des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen kann so in jedem Fall korrekt bestimmt werden, ohne dass der Strom unmittelbar auf den Gleichstromleitungen gemessen wird, was wegen des hohen Gleichstromanteils ggf. aufwändig ist. Alternativ kann der Einkoppelübertrager so ausgebildet sein, dass die Phasendifferenz vernachlässigbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage mit einer
Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage mit einer
Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals;
Fig. 3 zwei beispielhafte Regelstrukturen von Schaltungsanordnungen zur Einkopplung eines HF-Signals;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage mit einer
Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals;
Fig. 5 ein Teil einer PV-Anlage mit einer Schaltungsanordnung zur
Einkopplung eines HF-Signals in einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 ein Teil einer PV-Anlage mit einer Schaltungsanordnung zur
Einkopplung eines HF-Signals in einem fünften Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 verschiedene Schaltungsanordnungen zur Einkopplung eines
HF-Signals und Fig. 8 verschiedene Schaltungsanordnungen zur Auskopplung eines
HF-Signals.
Fig. 1 zeigt eine PV-Anlage in einem ersten Ausführungsbeispiel in einem schematischen Blockschaltbild. Ein PV-Generator 1 ist über Gleichstromleitungen 3, 4 mit generatorfernen Einrichtungen 5 verbunden. Parallel zu den Ausgängen des PV-Generators ist generatornah ein Empfangsmodul 2 für eine Powerline-Communication (PLC) über die Gleichstromleitungen 3, 4 angeordnet.
Der PV-Generator 1 ist vorliegend durch das Schaltzeichen einer einzelnen PV- Zelle symbolisiert. Es versteht sich, dass der PV-Generator 1 aus einer Vielzahl von PV-Modulen aufgebaut sein kann, die wiederum jeweils aus einer Mehrzahl von PV-Zellen bestehen können. Die PV-Module können zu einem sogenann- ten String serienverschaltet sein. Das Empfangsmodul 2 ist in einem solchen Fall an dem Ausgang des den PV-Generator 1 bildenden Strings angeschlossen. In Fig. 1 ist lediglich ein String dargestellt. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, dass der PV-Generator 1 anstelle des einen dargestellten Strings mehrere parallel zueinander verschaltete Strings aufweist. Des Weiteren ist auch denkbar, dass das Empfangsmodul 2 am Ausgang eines einzelnen PV- Moduls angeschlossen ist und weitere PV-Module, ggf. mit weiteren ihnen zugeordneten Empfangsmodulen in Reihe geschaltet sind, so dass wiederum ein String gebildet wird, der den PV-Generator 1 darstellt. In jedem Fall ist vorgesehen, dass die eine oder die mehreren Empfangsmodule 2 sich in örtlicher Nähe zum PV-Generator 1 befinden.
In das Schaltzeichen des PV-Generators 1 ist eine Serienverschaltung eines Reihenwiderstands 1 R, einer Reiheninduktivität 1 L und eines Reihenkondensators 1 C eingezeichnet. Die Serienverschaltung dieser drei Elemente symboli- siert das Ersatzschaltbild des PV-Generators 1 . Weiterhin sind in den Gleichstromleitungen 3, 4 Induktivitäten 3L und 4L eingezeichnet, die die Leitungsinduktivität der Gleichstromleitungen 3, 4 symbolisieren. Zu den generatorfernen Einrichtungen 5 zählt ein Signalgenerator 50 zur Erzeugung eines HF-Signals, das zur Übertragung von Daten an das Empfangsmodul 2 dient. Auf das HF-Signal können in an sich bekannter Weise Daten aufmoduliert werden, beispielsweise in einem Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulationsverfahren. Das vom Signalgenerator 50 ausgegebene HF- Signal hat eine Spannungsamplitude U°HF- Der Ausgang des Signalgenerators 50 ist mit einer Primärwicklung 51 p eines Einkoppelübertragers 51 verbunden, wobei in der Primärwicklung 51 p des Einkoppelübertragers 51 ein Hochfrequenzstrom mit der Stromamplitude I°HF fließt. Eine Sekundärwicklung 51 s des Einkoppelübertragers 51 ist in eine der Gleichstromleitungen 3, 4 eingeschleift, hier beispielhaft in die Gleichstromleitung 4. Reihenverschaltet mit der Sekundärwicklung 51 s ist zudem ein Strommessmittel 52 in die Gleichstromleitung 4 eingeschleift. Dieses Strommessmittel 52 ist mit einer Regeleinrichtung 53 verbunden, die wiederum auf den Signalgenerator 50 einwirkt und die die Span- nungsamplitude U°HF des Signalgenerators 50 beeinflusst. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung 54 vorgesehen, die ihr zugeführte und zu übertragende (binäre) Daten D je nach gewähltem Modulationsverfahren in entsprechende Steuersignale für den Signalgenerator 50 umwandelt. Zudem wird die jeweiligen Stromamplitude I°HF für den Regelkreis der Regeleinrichtung 53 vorgege- ben. Bei einem Frequenz- und Phasenmodulationsverfahren ist es ausreichend, hier einen festen Sollwert vorzugeben. Bei einem (binären) Amplitudenmodulationsverfahren mit zwei möglichen Amplitudenwerten werden entsprechend zwei verschiedene feste Sollwerte benötigt. In alternativen Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung zur Einkopplung des HF-Signals kann anstelle der hier gezeigten induktiven Einkopplung über den Einkoppelübertrager 51 auch eine kapazitive Einkopplung des HF-Signals erfolgen. Darstellungen verschiedener einsetzbarer Einkoppelanordnungen sind in der Fig. 7 zu finden.
Die Gleichstromleitungen 3, 4 sind in der generatorfernen Einrichtung über die genannte Sekundärwicklung 51 s und das Strommessmittel 52 mit Gleichstromeingängen eines Wechselrichters 55 verbunden. Der Wechselrichter 55 weist weiter einen Wechselstromausgang auf, über den der Wechselrichter 55 an ein Energieversorgungsnetz 6 angekoppelt ist. Beispielhaft sind der Wechselstromausgang und das Energieversorgungsnetz 6 dreiphasig ausgelegt. Im Rahmen der Anmeldung kann jedoch sowohl der Wechselrichter 55 als auch das Energieversorgungsnetz 6 eine andere Anzahl von Phasen aufweisen, bei- spielsweise einphasig sein. Es wird angemerkt, dass in der Fig. 1 lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Elemente der PV-Anlage gezeigt sind. So können auf der Gleich- und/oder Wechselstromseite des Wechselrichters 55 beispielsweise nicht dargestellte Schaltorgane (zum Beispiel Trennelemente, Schütze), Filter (zum Beispiel ein Sinusfilter), Netzüberwachungsein- richtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein.
Symbolisch ist bei dem Wechselrichter 55 ein Eingangswiderstand 55R, den der Wechselrichter 55 zwischen seinen Gleichstromeingängen aufweist, und eine Eingangskapazität 55C als Ersatzschaltbild der Gleichstromseite des Wechselrichters 55 eingezeichnet.
Zur Datenübertragung von den generatorfernen Einrichtungen 5 zu dem oder den generatornahen Empfangsmodulen 2 wird das vom Signalgenerator 50 erzeugte HF-Signal über den Einkoppelübertrager 51 in den Gleichstromkreis, der aus PV-Generator 1 , Empfangsmodul 2, Gleichstromleitungen 3, 4 und
Gleichstromeingangsstufe des Wechselrichters 55 gebildet ist, eingekoppelt. In dem Gleichstromkreis weist das HF-Signal eine Stromamplitude I HF auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung zur Einkopp- lung des HF-Signals zur Datenübertragung separat von dem Wechselrichter 55 ausgebildet. Es ist alternativ möglich, die Schaltungsanordnung in den Wechselrichter zu integrieren. Die zu übertragenden Daten D, die der Steuereinrichtung 54 zugeführt werden, können beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit des Wechselrichters 55 bereitgestellt werden oder auch von einer hier nicht dargestellten sonstigen zentralen Steuereinrichtung.
In dem Empfangsmodul 2 ist zwischen den Gleichstromleitungen 3 und 4 eine Serienschaltung aus einer Primärwicklung 21 p eines Auskoppelübertragers 21 und einem Kondensator 22 gebildet. Sekundärseitig ist der Auskoppelübertrager 21 mit einer Sekundärwicklung 21 s an einen Empfänger 20 angeschlossen. Dieser Empfänger 20 weist beispielsweise eine Verstärkerschaltung sowie einen Demodulator auf, um die übertragenen Daten wieder aus dem HF-Signal zu extrahieren. Innerhalb des Empfangsmoduls 2 teilt sich der Stromfluss des HF-Signals I HF in einen durch die Reihenschaltung aus Primärwicklung 21 p und Kondensator 22 fließenden Anteil I 'HF und einen durch den PV-Generator 1 fließenden Anteil I "HF auf. Bevorzugt ist die Induktivität der Primärwicklung 21 p und die Kapazität des Kondensators 22 so gewählt und aufeinander abgestimmt, dass die Rei- henschaltung aus Primärwicklung 21 p und Kondensator 22 ein Resonanzminimum im Bereich der Frequenz des HF-Signals des Signalgenerators 50 aufweist. In dem Fall ist der durch die Reihenschaltung aus Primärwicklung 21 p und Kondensator 22 fließende Anteil I 'HF dominierend, wohingegen der durch den PV-Generator fließende Anteil I "HF vernachlässigbar klein ist. Somit fließt in dem dargestellten Fall der im Wesentlichen gesamte Strom I HF durch die Primärwicklung 21 p des Auskoppelübertragers 21 . Alternativ zu dem Auskoppelübertrager 21 kann zur Auskopplung auch eine einzelne Induktivität, z.B. eine Spule, in Reihe mit dem Kondensator 22 geschaltet sein, wobei die an der Induktivität anliegende Spannung abgegriffen und dem Empfänger 20 zugeführt wird.
Es wird angemerkt, dass die Impedanz des PV-Generators 1 bei der Wahl der Frequenz des HF-Signals des Signalgenerators 50 dahingehend berücksichtigt werden kann, dass sie nicht im Bereich einer Resonanzfrequenz des PV- Generators 1 liegt, so dass die Annahme, dass I "HF « I 'HF erfüllt ist. Weiter wird angemerkt, dass für die gewählte Frequenz des HF-Signals des Signalgenerators 50 die Eingangsstufe des Wechselrichters 55 nach Möglichkeit eine geringe Impedanz aufweist. Gegebenenfalls kann dies durch einen zusätzlichen parallel zu den Gleichstromeingängen des Wechselrichters 55 ange- schlossenen Kondensator erreicht werden.
Anmeldungsgemäß wird die Spannungsamplitude U°HF des vom Signalgenerator 50 erzeugten HF-Signals mithilfe der Regeleinrichtung 53 so variiert, dass der im Gleichstromkreis fließende Strom I HF einen vorgegebenen Sollwert an- nimmt. Da der durch die Primärspule 21 p des Auskoppelübertragers 21 fließende Strom I 'HF wie zuvor ausgeführt im Wesentlichen ebenso groß ist wie der eingekoppelte Strom I HF ist so ein Signalempfang in ausreichender Stärke am Empfangsmodul 2 gegeben. Eine im Empfänger 20 vorgenommene Signalver- Stärkung braucht weder einen besonders großen Verstärkungsfaktor aufweisen, noch aufwändig variabel gestaltet werden.
Falls mehrere in Serie geschaltete generatornahe Empfangsmodule 2 bei der PV-Anlage vorhanden sind, beispielsweise falls innerhalb eines Strings Emp- fangsmodule 2 einzelnen PV-Modulen zugeordnet sind, fließt durch jedes der Empfangsmodule 2 ein Strom I 'HF, der von gleicher Größe ist wie der eingekoppelte Strom lHF- Unabhängig von ihrer Anzahl ist somit bei jedem der Empfangsmodule 2 ein Signalempfang in ausreichender und vorgebbarer Stärke gegeben.
In einer Erweiterung der dargestellten PV-Anlage kann eine bidirektionale Datenübertragung zwischen generatornahen Einrichtungen und den generatorfernen Einrichtungen vorgesehen sein. In einem solchen Fall sind auf beiden Seiten sowohl Empfangs- als auch Sendemodule vorzusehen. Die Module können analog der zuvor dargestellten Empfangs- bzw. Sendemodule ausgeführt sein, insbesondere können alle verwendeten Sendemodule die anmeldungsgemäße Stromregelung aufweisen.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage mit einer anmel- dungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 .
Vom Grundaufbau her entspricht die PV-Anlage der Fig. 2 der in Fig. 1 gezeig- ten. Beim Empfangsmodul 2 besteht ein Unterschied darin, dass die Primärspule 21 p des Auskoppelübertragers 21 nicht parallel zum PV-Generator 1 , sondern in einer Serienverschaltung in den Gleichstromkreis eingebunden ist. Der Kondensator 22 ist parallel zum PV-Generator 1 angeordnet. Durch die Parallelschaltung des Kondensators 22 wird eine bei der Frequenz des HF- Signals unter Umständen zu große Impedanz des PV-Generators 1 ausgeglichen und der Stromkreis an dieser Stelle für das Hochfrequenzsignal gewissermaßen geschlossen. Durch die Reihenschaltung der Primärwicklung 21 p des Auskoppelübertragers mit der Sekundärwicklung 51 s des Einkoppelüber- tragers ist sichergestellt, dass der durch die Primärwicklung 21 p des Auskoppelübertragers 21 fließende Strom I HF ebenso groß ist wie der eingekoppelte Strom I HF-
Bei den generatorfernen Einrichtungen 5 besteht beim Ausführungsbespiel der Fig. 2 ein Unterschied in der Messung der Stromstärke des HF-Signals. Beim Beispiel der Fig. 2 wird nicht wie bei Fig. 1 der eingekoppelte Strom I HF gemessen, sondern der durch die Primärwicklung 51 p des Einkoppelübertragers 51 fließende Strom I°HF- Entsprechend ist das Strommessmittel 52 in diesem Primärkreis des Einkoppelübertragers 51 angeordnet. Aufgrund des festen Über- tragungsverhältnisses des Einkoppelübertragers 51 stehen der primärseitige Strom I°HF und der sekundärseitige Strom I HF jedoch in einem festen Verhältnis zueinander, so dass auch bei Rückkopplung und Regelung der Größe des Stroms I°HF der eingekoppelte Strom I HF einen konstanten und vorgegeben Wert aufweist. Gegebenenfalls ist dabei ein Blindstromanteil durch die Pri- märwicklung 51 p zu berücksichtigen, der zu keinem sekundärseitigen Strom- fluss führt. Dieses kann erfolgen, in dem eine Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der an der Primärwicklung 51 p anliegenden Spannung mitgemessen und berücksichtigt wird. Bei geeigneter Dimensionierung des Einkoppelübertragers 51 ist der Blindstromanteil jedoch vernachlässigbar.
Die unterschiedliche Struktur der Regelkreise bei den PV-Anlagen der Figuren 1 und 2 ist in Fig. 3 nochmals dargestellt. Fig. 3a gibt dabei die Struktur des Regelkreises der PV-Anlage nach Fig. 1 und Fig. 3b die Struktur des Regelkreises der PV-Anlage nach Fig. 2 wieder.
Bei dem in Fig. 3a dargestellten Regelkreis wird der Strom I HF im Gleichstromkreis vom Stromsensor 52 gemessen und einem ersten Abschnitt 53a der Regeleinrichtung 53 zugeführt. In diesem ersten Abschnitt wird die Differenz zwischen dem gemessenen Strom I HF im Gleichstrom und einem Sollwert ISO"HF bestimmt. Diese Differenz wird einem zweiten Abschnitt 53b der Regeleinrichtung 53 übergeben. Im Abschnitt 53b wird abhängig von dem im Abschnitt 53a bestimmten Unterschied nach einem vorgegebenen Regelalgorithmus, der proportionale, integrale und differenziale Anteile berücksichtigen kann, eine Stell- große auf digitale oder analoge Art bestimmt, die an den Signalgenerator 50 übergeben wird. Abhängig von der Stellgröße verändert der Signalgenerator 50 die Spannungsamplitude U°HF des HF-Signals. Im Primärkreis stellt sich dann abhängig von der Spannungsamplitude U°HF ein Strom der Amplitude I°HF ein, der zu einem Strom I HF im Gleichstromkreis führt. Dieser Strom I HF wird durch die Regeleinrichtung auf den vorgegebenen Sollwert I SO"HF gebracht und über die Gleichstromleitungen 4 in das Empfangsmodul 2 übertragen.
Bei dem in Fig. 3b dargestellten Regelkreis wird im Unterschied der Strom l°HF primärseitig vom Einkoppelübertrager 51 durch den Stromsensor 52 gemessen und im Abschnitt 53a der Regeleinrichtung 53 mit einem entsprechenden Sollwert I°'SO"HF verglichen. Eine Variation der Größe des Stroms I°HF und damit des Stroms I HF im Gleichstromkreis erfolgt ebenso wie zuvor durch Variation der Spannungsamplitude U°HF durch den Signalgenerator 50. Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage mit einer anmeldungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur wie auch den folgenden Figuren wiederum gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 .
Zur einfacheren Darstellung sind von den Komponenten zur Stromregelung des eingekoppelten HF-Signals hier nur der Signalgenerator 50 eingezeichnet. Bezüglich weiterer Komponenten im Regelkreis wird auf die Fig. 1 und 2 und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen erfolgt hier eine Einkopplung über eine Reihenverschaltung aus der Sekundärwicklung 51 s mit einem Kondensator 57 und einem Sperrglied 56. Das Sperrglied 56 setzt sich hier aus einer Induktivität 58 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 59 zusammen. Alternativ zu dem dargestellten Sperrglied 56 ist jedoch auch denkbar, dass das Sperrglied 56 ausschließlich aus einer Induktivität 58 besteht. Nur das Sperrglied 56 ist dabei in den Gleichstromkreis, hier in die Gleichstromleitung 4, eingeschleift. Das Sperrglied 56 ist so abgestimmt, dass es für das eingekoppelte HF-Signal eine hohe Impedanz aufweist, dagegen für Gleichstrom einen sehr niedrigen Widerstand. Ein Durchfluss von Gleichstrom durch die Sekundärwicklung 51 s wird dagegen durch den Kondensator 57 verhindert. Die Sekundärwicklung 51 s kann so mit deutlich dünnerem Draht ausgeführt sein und der Einkoppelübertrager 51 entsprechend kompakter sein. Über die Gleichstromleitungen 3, 4 sind bei dem hier dargestellten vierten Ausführungsbeispiel 2 in Reihe geschaltete PV-Generatoren 1 a, 1 b, jeweils mit zugeordneten Empfangsmodulen 2a, 2b vorhanden. Die Komponenten der Empfangsmodule 2a, 2b sind entsprechend durch Zusätze a und b zu den Bezugszeichen gekennzeichnet. Die durch die Reihenschaltung der beiden PV- Generatoren 1 a, 1 b zusätzlich eingebrachte Leitungsinduktivität ist durch eine weitere Leitungsinduktivität 34L in einer weiteren Gleichstromleitung 34 symbolisiert. In jeweils einer der Gleichstromleitungen zwischen dem jeweiligen Empfangsmodul 2a, 2b und dem zugehörigen PV-Generator 1 a, 1 b, hier in den Gleichstromleitungen 4 und 34, ist jeweils ein Sperrglied 23a bzw. 23b ange- ordnet. Dieses verhindert einen Eintritt des HF-Signals in den jeweiligen PV- Generator 1 a, 1 b und stellt somit sicher, dass der gesamte sekundärseitige Strom I HF des HF-Signals durch die Auskoppelübertrager 21 a, 21 b fließt. Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 angenommen wurde, die Impedanz der PV-Generatoren 1 a, 1 b für das HF-Signal groß ist, können die Sperrglieder 23a bzw. 23b entfallen.
In der Fig. 4 ist beispielhaft eine Reihenschaltung zweier PV-Generatoren 1 a, 1 b dargestellt. Durch die anmeldungsgemäße Regelung des Stroms I HF des HF-Signals im Gleichstromkreis kann das HF-Signal in jedem der Empfangs- module 2a, 2b mit der gewünschten Signalstärke empfangen werden. Dieses gilt auch, wenn mehr als die hier beispielhaft zwei PV-Generatoren 1 a, 1 b in der Reihenverschaltung angeordnet sind. Wenn eine Parallelschaltung von PV-Generatoren vorgesehen ist, würde sich der HF-Strom jedoch auf die PV-Generatoren aufteilen. Bei nicht gleicher Impedanz der PV-Generatoren zudem nicht gleichmäßig und damit auf kaum vorhersehbare Art. Es ist in einem solchen Fall sinnvoll, in jedem der parallel ge- schalteten Gleichstromkreise ein eigenes Einkoppelmittel mit einer eigenen Regelung für den HF-Strom des eingekoppelten HF-Signals vorzusehen. Die Fig. 5 und 6 zeigen Beispiele für solche Anordnungen.
In der Fig. 5 ist ein Wechselrichter 55 einer PV-Anlage dargestellt, der Ein- gangsanschlüsse für zwei separate Gleichstromkreise aufweist. Es sind separate Paare von Gleichstromleitungen 3a, 4a bzw. 3b, 4b vorhanden, die zu hier nicht dargestellten Empfangsmodulen 2a, 2b mit jeweils zugeordneten PV- Generatoren führen. In jedem Gleichstromkreis ist eine separate stromgeregelte Sendevorrichtung für das HF-Signal vorgesehen, hier dargestellt durch Sig- nalgeneratoren 50a, 50b, Einkoppelübertrager 51 a, 51 b, Kondensatoren 57a, 57 b und Induktivitäten 58a, 58b. Die die Signalgeneratoren ansteuernden Einrichtungen sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit wiederum nicht dargestellt. Die Einkopplung erfolgt vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ohne einen Gleichstromfluss durch die Sekundärwicklung 51 sa, 51 sb des Einkoppelübertragers 51 a, 51 b. Vorliegend ist das nur mit der Induktivität 58a bzw. 58b als Sperrglied 56a, 56b im Gleichstromkreis realisiert.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage, bei der parallele PV-Generatoren vorgesehen sind. Generatorfern ist im Bereich eines Wechsel- richters 55 (oder alternativ in diesen integriert) eine Einkoppelanordnung angeordnet, die der in Fig. 4 gezeigten entspricht. Die PV-Generatoren - hier beispielhaft wiederum zwei PV-Generatoren 1 a, 1 b - sind an einem generatornah installierten Stringsammelkasten 7 (auch Stringsammelbox genannt) angeschlossen. In dem Stringsammelkasten 7 ist ein Haupttrennschaltorgan 70 an- geordnet, über das die PV-Generatoren 1 a, 1 b gemeinsam von dem Wechselrichter 55 abgekoppelt werden können, beispielsweise zu Wartungszwecken oder in Gefahrensituationen. Weiter umfasst der Stringsammelkasten 7 eine Empfangseinheit 2. Generatorfern eingekoppelte HF-Signale werden über die Gleichstromleitungen 3, 4 in den Stringsammelkasten 7 übertragen. Die HF-Signale werden über einen Kondensator 22 und einen Auskoppelübertrager 21 einem Empfänger 20 zuge- führt. Die Reihenschaltung aus Kondensator 22 und der Primärwicklung des Auskoppelübertragers 21 ist dabei parallel zu einem im Gleichstromkreis liegenden Sperrglied 23 angeordnet, das aus Induktivität 24 und parallel geschaltetem Kondensator 25 besteht. Die Auskoppelanordnung ist hier also analog zur Einkoppelanordnung ausgebildet. Um den Gleichstromkreis für das HF- Signal auch dann zu schließen, wenn das Haupttrennschaltorgan 70 geöffnet ist, ist parallel zu diesem ein Kondensator 26 angeordnet.
Auf der dem Wechselrichter 55 abgewandten Seite des Haupttrennschaltor- gans 70 sind mehrere, hier wiederum beispielhaft zwei, parallele Gleichstrom- kreise für die einzelnen PV-Generatoren 1 a, 1 b vorgesehen. Um die von den generatorfernen Einrichtungen 5 gesendeten Informationen an weitere Empfangsmodule, die in diesen Gleichstromkreisen vorhanden sind, zu übertragen, sind in diesen Gleichstromkreisen wiederum jeweils separate Sendeeinrichtungen vorgehen. Diese sind analog zu den Sendeeinrichtungen der generatorfer- nen Komponenten 5 ausgebildet und umfassen Signalgeneratoren 50a, 50b, Einkoppelübertrager 51 a, 51 b, Kondensatoren 57a, 57 b und Sperrglieder 56a, 56b aus Induktivitäten 58a, 58b und Kondensatoren 59a, 59b. Dabei werden die von den Empfängern 20 aus den HF-Signalen extrahierten Daten D den Sendeeinrichtungen zugeführt. Zur Vereinfachung sind in der Fig. 6 dazu die Steuereinrichtungen zur Steuerung der Signalgeneratoren 50a, 50b nicht dargestellt und die Daten D werden symbolisch direkt den Signalgeneratoren 50a, 50b zugeführt.
Der Stringsammelkasten 7 verteilt und verstärkt somit die HF-Signale, indem er sie zunächst empfängt und digitalisiert und dann erneut ggf. in mehrerer parallele Gleichstromkreise einspeist. Er stellt daher für die HF-Signale eine sogenannte Repeateranordnung dar. In der Fig. 7 sind vier Teilabbildungen verschiedener im Rahmen der Erfindung einsetzbarer weiterer Einkoppelanordnungen dargestellt. Dem Wechselrichter 55 ist dabei jeweils eine Filteranordnung 60 vorgeschaltet. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Filteranordnung 60 auch Bestandteil des Wechselrichters 55 ist, beispielsweise ein DC-Eingangsfilter des Wechselrichters 55.
Fig. 7a zeigt eine direkte induktive Einkopplung über einen Einkoppelübertrager 51 , der nur eine Sekundärwicklung, angeordnet in einer der Gleichstromleitun- gen des Gleichstromkreises aufweist. Die Einkopplung des HF-Signals erfolgt hier - wie auch bei allen bislang gezeigten Einkopplungen - als Gegentaktsig- nal (bezogen auf die beiden Gleichstromleitungen).
Fig. 7b zeigt ebenfalls eine direkte induktive Einkopplung, hier jedoch mit einem Übertrager, der zwei magnetisch gekoppelte Sekundärwicklungen aufweist, die jeweils in einer der Gleichstromleitungen des Gleichstromkreises angeordnet sind. Hier wird das HF-Signal als Gleichtaktsignal auf die beiden Gleichstromleitungen aufgebracht. Fig. 7c zeigt eine direkte kapazitive Einkopplung über einen Einkoppelkondensator 57, wobei im Gleichstromkreis eine Induktivität 58 als Sperrglied vorhanden ist. Die Einkopplung des HF-Signals erfolgt hier als Gegentaktsignal. Die als Sperrglied wirkende Induktivität 58 verhindert hierbei, dass das PLC Signal direkt über die generatorferne Filteranordnung 60 kurzgeschlossen wird und das Empfangsmodul somit nicht bzw. in nicht ausreichender Intensität erreicht.
Fig. 7d zeigt schließlich eine direkte kapazitive Einkopplung über zwei Einkoppelkondensatoren 57, die mit je einer der Gleichstromleitungen verbunden sind. Weiter ist in dieser Anordnung als Sperrglied eine zwei Einzelinduktivitäten aufweisende Induktivität 58 in jeder der Gleichstromleitungen angeordnet, wobei die Einzelinduktivitäten der Induktivität 58 magnetisch gekoppelt sind. Die Einkopplung des HF-Signals erfolgt hier als Gleichtaktsignal. Analog zu Fig. 7c verhindert auch hier die als Sperrglied wirkende Induktivität 58 einen Kurz- schluss des PLC-Signales direkt über die generatorferne Filteranordnung 60. Fig. 8 zeigt verschiedene im Rahmen der Erfindung einsetzbare Auskoppelanordnungen. Die in vier Teilbildern in Fig. 8 gezeigten Auskoppelanordnungen sind jeweils Analogien zu den entsprechenden Einkoppelanordnungen der Fig. 7. So zeigen Fig. 8a und 8b jeweils eine direkte induktive Auskopplung für ein Gegentakt- bzw. Gleichtaktsignal und die Fig. 8c und 8d jeweils eine direkte kapazitive Auskopplung für ein Gegentakt- bzw. Gleichtaktsignal.
Bezuqszeichenliste
1 PV-Generator
1 R Serienwiderstand des PV-Generators
1 L Serieninduktivität des PV-Generators
1 C Serienkapazität des PV-Generators
2 Empfangsmodul
3, 4 Gleichstromleitung
5 generatorferne Einrichtungen
6 Energieversorgungsnetz
7 Repeateranordnung
20 Empfänger
21 , 21 a, 21 b Auskoppelübertrager
21 p Primärwicklung
21 s Sekundärwicklung
22 Kondensator
23, 23a, 23b Sperrglied
24 Induktivität
25 Kondensator
26 Kondensator
50, 50a, 50b Signalgenerator
51 , 51 a, 51 b Einkoppelübertrager
51 p, 51 pa, 51 pb Primärwicklung
51 s, 51 sa, 51 sb Sekundärwicklung
52 Strommessmittel
53 Regeleinrichtung
55 Wechselrichter
55C Eingangskapazität des Wechselrichters
55R Eingangswiderstand des Wechselrichters
56, 56a, 56b Sperrglied
57, 57a, 57b Kondensator , 58a, 58b Induktivität, 59a, 59b Kondensator
Filteranordnung
Haupttrennorgan

Claims

Ansprüche
Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen (3, 4) zur Energieübertragung, aufweisend einen Signalgenerator (50, 50a, 50b) zur Erzeugung eines HF- Signals mit variabler Spannungsamplitude (U°HF), Einkoppelmittel zur Einkopplung des HF-Signals auf die Gleichstromleitungen (3, 4), Strommessmittel (52) zur Bestimmung eines Stroms (l°HF, I HF) des HF-Signals und eine auf den Signalgenerator (50, 50a, 50b) wirkende Regeleinrichtung (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (53) dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss (I HF) des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen (3, 4) auf einen vorgegebenen Wert zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , bei der das Strommessmittel (52) in einer der Gleichstromleitungen (3, 4) angeordnet ist, um den Stromfluss ( I HF) auf den Gleichstromleitungen (3, 4) zu bestimmen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Einkoppelmittel ein Einkoppelübertrager (51 , 51 a, 51 b) mit einer mit dem Signalgenerator (50, 50a, 50b) verbundenen Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) und einer in eine der Gleichstromleitungen (3, 4) eingeschleiften Sekundärwicklung (51 s, 51 sa, 51 sb) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der das Strommessmittel (52) mit der Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) des Einkoppelübertragers (51 , 51 a, 51 b) reihenverschaltet ist, um einen Stromfluss (l°HF) durch die Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) zu bestimmen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Regeleinrichtung (53) auf die Höhe der Spannungsamplitude (U°HF) des HF- Signals einwirkt.
Photovoltaik-Anlage, aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als eine generatorferne Komponente (5).
7. Photovoltaik- Anlage nach Anspruch 6, aufweisend zumindest ein Empfangsmodul (2) zum Empfang des eingekoppelten HF-Signals.
8. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Empfangsmodul (2) zusätzlich eine Schaltungsanordnung zur Einkopplung eines HF-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen (3, 4) zur Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
9. Wechselrichter (55), insbesondere für eine PV-Anlage, aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, um Gleichstromeingänge des Wechselrichters (55) mit einem HF-Signal zur Datenübertragung zu beaufschlagen.
1 0. Verfahren zur Einkopplung eines HF-Signals zur Datenübertragung auf Gleichstromleitungen (3, 4) zur Energieübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss (I HF) des HF-Signals auf den Gleichstromleitungen (3, 4) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 1 0, bei dem ein unmittelbar in einer der Gleichstromleitungen (3, 4) gemessener Strom als Ist-Wert zur Regelung verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 0, bei dem die Einkopplung des HF-Signals über einen Einkoppelübertrager (51 , 51 a, 51 b) erfolgt, der eine mit einem Signalgenerator (50, 50a, 50b) verbundene Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) und eine mit einer der Gleichstromleitungen (3, 4) gekoppelte Sekundärwicklung (51 s, 51 sa, 51 sb) aufweist, wobei ein durch die Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) fließender Strom als Ist-Wert zur Regelung verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 2, bei dem der durch die Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) fließende Strom als vektorielle Größe einschließlich einer Phasendifferenz zu einer an der Primärwicklung (51 p, 51 pa, 51 pb) anliegenden Spannung bestimmt wird.
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