WO2014154233A1 - Sammelbox zum elektrischen verbinden einer mehrzahl von photovoltaikgeneratoren und photovoltaische energieerzeugungsanlage - Google Patents

Sammelbox zum elektrischen verbinden einer mehrzahl von photovoltaikgeneratoren und photovoltaische energieerzeugungsanlage Download PDF

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photovoltaic
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inverter
output
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Ferdinand Wikullil
Thomas HATTERT
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SMA Solar Technology AG
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Definitions

  • Collection box for electrically connecting a plurality of photovoltaic generators and photovoltaic power generation plant
  • the present invention relates to a collection box for a plurality of photovoltaic generators, as well as a photovoltaic power generation plant.
  • solar modules are regularly connected in series to form so-called strings.
  • a large number of strings are still connected in parallel to provide a high output power plant.
  • the parallel-connected strings are electrically connected to a DC input of an inverter, which is electrically connected via its AC output to a power grid and so feeds the electrical power generated by the solar modules in the power grid. Since the solar modules connected in the strings are distributed over a large area, the direct electrical connection of each individual string with the inverter would entail an undesirably high cabling expenditure. Therefore, it is common in photovoltaic power generation systems from a certain power class, the DC output lines of the individual strings first in a collection box to switch in parallel with each other, then electrically connect them via a common bus to the inverter.
  • Previously known collection boxes here have an input fuse for each input terminal to which a string can be connected, hereinafter also called string fuse, which protects the reverse current case, ie the case in which the current direction for the affected string is opposite to the current direction of the normal feed-in operation reverses and takes unauthorized high values for the string.
  • string fuse should trigger and protect the string and / or the leads from being damaged.
  • a design ratio of 100% is used, whereby the design ratio indicates the ratio between maximum generator power and maximum inverter power.
  • the highest possible short-circuit current is only slightly, for example, by 20%, above the rated current at maximum generator power. Therefore, the sizing of the current carrying capacity of the bus can be based on the rated current (plus a safety impact), whereby the maximum short-circuit current does not overload the bus.
  • the design ratio of a photovoltaic power generation plant is chosen well above 100%, for example between 150% and 200% or even higher.
  • the choice of a design ratio of more than 100% is increasingly considered in practice, because low module prices make such an energy production system that is so oversized in terms of peak output at maximum solar irradiation economical.
  • the current-carrying capacity of the prior art bus must be selected taking into account the maximum short-circuit current of all strings connected via this bus, this maximum short-circuit current flowing only in the event of a fault.
  • a one-sided, exchange hchter workede hedge as in the prior art is not sufficient for dimensioning the manifold based on the rated current, as in the case of a short circuit along the course of the manifold, the inverter-side fuse indeed triggers, but the short-circuit current of the strings connected via the bus continues to flow and the collecting line is overloaded.
  • the string fuses assigned to the strings do not trigger in such a case.
  • a collection box for a plurality of photovoltaic generators in particular as part of a power generation plant, comprises a plurality of input terminals for electrically connecting the photovoltaic generators, each input terminal being electrically connected to a common collection point via an associated input fuse.
  • the collection point is electrically connected to an output terminal for electrically connecting a bus to transmit the electrical power of the photovoltaic generators to an inverter.
  • an output fuse is arranged. This ensures that in the case of a short circuit that occurs on the side facing away from the collection point of the output fuse, can not lead to current values through the output terminal, which exceeds the maximum current carrying capacity of a connected there manifold.
  • Such exceeding may occur, in particular, in the case where the sum of the short-circuit currents of all the photovoltaic generators connected to the input terminals of the collection boxes is the nominal current, ie the current value occurs in normal operation of the power plant at full sunshine at this point, significantly exceeds, for example, by 50% or even by 100% or more. This is the case in particular in power generation plants whose design ratio exceeds a value of 100%.
  • the output fuse comprises a fuse, whereby other forms of fuse are not excluded.
  • a disconnect switch can be provided at the input terminals in order to be able to selectively disconnect the photovoltaic generators connected here from the collecting box and thus from the inverter.
  • the disconnectors can be controlled directly from the inverter, for example.
  • the tripping current of the output fuse is selected so that the output fuse triggers before a bus connected to the output terminal overloaded by a high current and can be damaged. This is ensured if the tripping current of the output fuse is chosen to be less than a maximum current carrying capacity of the busbar.
  • the output fuse can be monitored by means of a signal generation unit that is configured such that it generates an error signal in the event of triggering the output fuse, which can be passed on to a higher-level monitoring unit.
  • a signal generation unit that is configured such that it generates an error signal in the event of triggering the output fuse, which can be passed on to a higher-level monitoring unit.
  • the monitoring unit which may in particular also be part of an inverter, can immediately initiate suitable safety measures for this case, for example open the aforementioned disconnectors.
  • a photovoltaic power generation plant comprises a prescribed collection box, to the input terminals of which a plurality of photovoltaic generators are electrically connected, and an inverter for converting and feeding the electric power generated by the photovoltaic generators into an energy network, wherein the inverter electrically connects to an output terminal of the collection box via a bus connected is.
  • the collecting line is provided on the inverter side with an inverter fuse and collecting box side with an output fuse, in particular with a fuse.
  • the output fuse can be integrated into the collection box, but in principle also be arranged outside the collection box.
  • a release threshold of the output fuse is selected such that the output fuse triggers in the event of a short circuit in the course of the manifold.
  • the tripping threshold of the output fuse is chosen smaller than a maximum current carrying capacity of the bus, so that an overload of the bus is excluded.
  • a tripping current of the output fuse is preferably selected to be greater than a tripping current of the inverter fuse. This ensures that a short circuit between the inverter fuse and the inverter will trigger the inverter fuse and not trigger the output fuse.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a photovoltaic power generation plant according to the invention with a collecting box according to the invention
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a photovoltaic power generation plant according to the invention with a hierarchical arrangement of collecting boxes according to the invention
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a collecting box according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a photovoltaic power generation plant 1 according to the prior art.
  • a A plurality of photovoltaic generators 100 are connected to input terminals 110 of a collection box 150. Within the collection box 150, the individual input terminals 1 10 are each protected with an associated input fuse 120 and are electrically connected to one another and to an output terminal 130 on the side of the input fuses 120 facing away from the input terminal 1 10. Thus, the individual currents generated by the photovoltaic generators 100 are combined and provided as a summation current via the output terminal 130.
  • the triggering thresholds of the input fuses 120 are selected such that a maximum short-circuit current of the photovoltaic generator 100 connected via the individual input fuse 120 does not yet trigger them.
  • a so-called reverse current event occurs, for example in the event that a single photovoltaic generator 100 has a short circuit between its connecting lines or one of the connection lines and a reference potential, in particular ground potential, then a current opposite to the normal current direction flows through the input fuse 120, which maximum short-circuit current of the individual photovoltaic generator 100 exceeds.
  • the triggering threshold is chosen so that it is exceeded in this case, so that the input fuse 120 triggers and protects the affected photovoltaic generator 100 and its supply line from overloading.
  • a bus 140 is further connected, which connects the collection box 150 via an inverter fuse 170 with a DC input 160 of the inverter 180.
  • further collection boxes 150 are connected via further bus lines 140 and further associated inverter fuses 170, whereby the inverter 180 is connected to all photovoltaic generators 100 of the photovoltaic power generation system 1.
  • the DC power provided by the photovoltaic generators 100 is converted by the inverter 180 into power in the form of AC voltage and fed to a power grid 190.
  • FIG. 2 schematic structure of a photovoltaic power generation plant 2 according to the invention differs from the structure of the photovoltaic power generation plant 1 according to the prior art of Figure 1 by the inventive collection box 250.
  • This has input terminals 210 for connection of photovoltaic generators 100, which together via input fuses 220 are connected at a collection point 222.
  • the collection point 222 is connected to the output terminal 230 via an additional output fuse 225.
  • a bus 140 is connected to the output terminal 230, which connects the collection box 250 via an inverter fuse 170 with a DC input 160 of the inverter 180.
  • Further collection boxes 250 are also connected to the inverter 180 via further bus lines 140 and further associated inverter fuses 170.
  • the output fuse 225 has a tripping threshold that is selected smaller than a maximum current carrying capacity of the bus 140.
  • the triggering threshold can be chosen so that it corresponds to a maximum expected rated current of all connected to the collection box 250 photovoltaic generators 100 plus a safety surcharge.
  • the safety surcharge can be, for example, 20% of the rated current.
  • the trigger threshold of the output fuse 225 and the current carrying capacity of the manifold 140 can be selected significantly lower than a possible short-circuit total current of all connected to the collection box 250 photovoltaic generators 100.
  • FIG. 3 expands the electrical connection concept of a power generation plant 2 according to FIG. 2 by a hierarchical arrangement of collecting boxes.
  • photovoltaic generators 100 are combined in groups by means of collection boxes 250. Their summation current is forwarded via collection lines 140 to a second hierarchical level of collection boxes 350, in which the summation streams of a plurality of collection boxes 250 of the first hierarchical level are combined into a summation stream of the second level, which in turn via a further connection line 340 and an inverter 170 backup to a DC input 160 of the inverter 180 are transmitted.
  • Both the collection boxes 250 of the first hierarchical level and the collection boxes 350 of the second hierarchical level are provided with output fuses 225 at the output terminals 230.
  • the triggering thresholds of the output fuses 225 of the individual hierarchical levels are individually selected on the basis of the respective maximum expected rated current, as well as the maximum current carrying capacity of the busbars 140 between the first and second hierarchical levels or the maximum current carrying capacity of the busbar 340 to the DC input 160 of the inverter 180.
  • the safety margin for the tripping thresholds of the output fuses 225 of the individual hierarchical levels is advantageously selected to be lower than the safety premium for the maximum current-carrying capacity of the corresponding bus line, in order reliably to preclude an overload of the collecting line.
  • the output fuse 225 with a signal generation unit 460 which monitors the output fuse 225 and in the case of FIG Trigger generates an associated error signal 440.
  • the error signal 440 can be transmitted, for example, by cable or wirelessly to a higher-level monitoring unit (not shown). It is also conceivable that the error signal 460 includes an optical signal that allows the identification of the triggered fuse in a simple manner.
  • FIG. 4 further shows that the signal generation unit 460 can be integrated in the collection box 250 and monitors the assigned output fuse 225 with the aid of a monitoring of a voltage drop across the fuse.
  • the actuation of the disconnect switches 470 may be remotely controlled by a higher level monitoring unit, e.g. the inverter, or automatically based on signals, for example, controlled by sensor signals such as current or voltage signals across or between the bus lines or by control signals such as the error signal 440.
  • the collecting lines 140, 340 are respectively secured at both ends by associated fuses against the case that a short circuit occurs along the path of the collecting lines 140, 340.
  • the fuses are formed by the output fuses 225 of the collection boxes 250 and the input fuses 220 of the collection boxes 350, respectively.
  • the bus lines 340 between the second hierarchical level collection boxes 350 and the DC input 160 of the inverter 180 are formed by the output fuses 225 of the collection boxes 350 and the inverter fuses 170.
  • the short-circuit case is ensured as in the prior art.
  • the invention is not limited to the described embodiments, but can be modified in many ways and expertly supplemented.
  • it is possible to carry out the features mentioned in other than the above combinations, and to supplement other prior art procedures or components, with the aim of cost-effective and reliable protection of the entire electrical connection system of a power plant between the photovoltaic generators and the inverter against damage short circuit at low cost.

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Abstract

Eine Sammelbox (250, 350) für eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren (100) umfasst eine Vielzahl von Eingangsanschlüssen (210) zum elektrischen Anschluss der Photovoltaikgeneratoren (100), wobei jeder Eingangsanschluss (210) über eine zugeordnete Eingangssicherung (220) mit einem Sammelpunkt (222) elektrisch verbundenen ist und der Sammelpunkt (222) elektrisch verbunden ist mit einem Ausgangsanschluss (230) zum elektrischen Anschluss einer Sammelleitung (140, 340) zur Übertragung der elektrischen Leistung der Photovoltaikgeneratoren (100) an einen Wechselrichter (180). In der Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss (230) und dem Sammelpunkt (222) ist eine Ausgangssicherung (225) angeordnet. Die Sammelbox (250, 350) kann Teil einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage sein.

Description

Sammelbox zum elektrischen Verbinden einer Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren und photovoltaische Energieerzeugungsanlage
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sammelbox für eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren, sowie eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage.
In einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage werden zur Energiegewinnung regelmäßig Solarmodule in Reihe zu sogenannten Strings verbunden. Eine Vielzahl von Strings werden weiterhin parallel geschaltet, um so eine Anlage mit hoher Ausgangsleistung bereitzustellen. Die parallel geschalteten Strings werden mit einem Gleichspannungseingang eines Wechselrichters elektrisch verbunden, der über seinen Wechselspannungsausgang mit einem Energienetz elektrisch verbunden ist und so die von den Solarmodulen erzeugte elektrische Leistung in das Energienetz einspeist. Da die in den Strings verschalteten Solarmodule über eine große Fläche verteilt sind, würde die direkte elektrische Verbindung jedes einzelnen Strings mit dem Wechselrichter einen unerwünscht hohen Verkabelungsaufwand nach sich ziehen. Daher ist es bei photovoltaischen Energieerzeugungsanlagen ab einer gewissen Leistungsklasse üblich, die Gleichspannungs-Ausgangsleitungen der einzelnen Strings zunächst in einer Sammelbox miteinander parallel zu schalten, um diese dann über eine gemeinsame Sammelleitung mit dem Wechselrichter elektrisch zu verbinden.
Vorbekannte Sammelboxen weisen hierbei für jeden Eingangsanschluss, an dem ein String anschließbar ist, eine Eingangssicherung auf, im Folgenden auch Stringsicherung genannt, die den Rückstromfall absichert, das heißt den Fall, in dem sich für den betroffenen String die Stromrichtung gegenüber der Stromrichtung des normalen Einspeisebetriebs umkehrt und für den String unerlaubt hohe Werte annimmt. Ein solcher Fall kann beispielsweise auftreten, wenn innerhalb des betroffenen Strings ein Kurzschluss auftritt. In diesem Fall soll die Stringsicherung auslösen und den String und/oder die Zuleitungen vor einer Beschädigung schützen. Zusätzlich befindet sich häufig am Wechsel chterseitigen Ende der Sammelleitung eine weitere Sicherung, so dass sichergestellt ist, dass über die Sammelleitung maximal der Kurzschlussstrom der hierüber verbundenen Strings fließen kann, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses am Gleichspannungseingang des Wechselrichters.
Wird eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage so dimensioniert, dass die maximale Wechselrichterleistung der maximalen Generatorleistung der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren zumindest annähernd entspricht - man spricht in diesem Fall von einem Design-Ratio von 100%, wobei das Design-Ratio das Verhältnis zwischen maximaler Generatorleistung und maximaler Wechselrichterleistung angibt - so liegt der höchstmögliche Kurzschlussstrom nur geringfügig, beispielsweise um 20%, über dem Nennstrom bei maximaler Generatorleistung. Daher kann die Dimensionierung der Stromtragfähigkeit der Sammelleitung anhand des Nennstromes (zuzüglich eines Sicherheitsaufschlages) erfolgen, wodurch auch der maximale Kurzschlussstrom die Sammelleitung nicht überlastet.
Dies ist nicht mehr sichergestellt, wenn das Design-Ratio einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage deutlich über 100%, zum Beispiel zwischen 150% und 200% oder auch darüber, gewählt wird. Die Wahl eines Design-Ratio über 100 % wird in der Praxis immer häufiger erwogen, weil niedrige Modulpreise dazu führen, dass eine derart hinsichtlich ihrer Spitzenleistung bei maximaler Sonneneinstrahlung überdimensionierte Energieerzeugungsanlage wirtschaftlich wird. Die Tatsache, dass bei maximaler Sonneneinstrahlung die maximale Wechselrichterleistung des angeschlossenen Wechselrichters überschritten würde, so dass der Wechselrichter zur Begrenzung der zu wandelnden Leistung die Generatoren derart ansteuert, dass Sie den Punkt maximaler Leistung verlassen und hierdurch zeitweise eine vollständige Einspeisung der von den Photovoltaikgeneratoren erzeugbaren Energie verhindert wird, wird hierbei bewusst in Kauf genommen.
Bei gewähltem Design-Ratio über 100% muss die Stromtragfähigkeit der Sammelleitung nach dem Stand der Technik unter Berücksichtigung des maximalen Kurzschlussstromes aller über diese Sammelleitung angeschlossenen Strings gewählt werden, wobei dieser maximale Kurzschlussstrom nur im Fehlerfall fließt. Eine einseitige, Wechsel hchterseitige Absicherung wie im Stand der Technik reicht bei Dimensionierung der Sammelleitung anhand des Nennstromes nicht aus, da im Fall eines Kurzschlusses entlang des Verlaufes der Sammelleitung die wechselrichterseitige Sicherung zwar auslöst, aber der Kurzschlussstrom der über die Sammelleitung angeschlossenen Strings weiterhin fließt und die Sammelleitung überlastet. Die den Strings jeweils zugeordneten Stringsicherungen lösen in einem solchen Fall nicht aus.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sicherungskonzept innerhalb einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage aufzuzeigen, bei der auch für hohe Design-Ratios kostengünstige Sammelleitungen verwendet werden können, ohne im Kurzschlussfall eine Beschädigung derselben befürchten zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sammelbox mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , beziehungsweise mit einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Sammelbox für eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren, insbesondere als Teil einer Energieerzeugungsanlage, umfasst eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen zum elektrischen Anschluss der Photovoltaikgeneratoren, wobei jeder Eingangsanschluss über eine zugeordnete Eingangssicherung mit einem gemeinsamen Sammelpunkt elektrisch verbundenen ist. Der Sammelpunkt ist elektrisch verbunden ist mit einem Ausgangsanschluss zum elektrischen Anschluss einer Sammelleitung zur Übertragung der elektrischen Leistung der Photovoltaikgeneratoren an einen Wechselrichter. Zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Sammelpunkt ist eine Ausgangssicherung angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass im Falle eines Kurzschlusses, der auf der dem Sammelpunkt abgewandten Seite der Ausgangssicherung auftritt, nicht zu Stromwerten über den Ausgangsanschluss führen kann, der die maximale Stromtragfähigkeit einer dort angeschlossenen Sammelleitung überschreitet.
Ein solches Überschreiten kann insbesondere in dem Fall auftreten, dass die Summe der Kurzschlussströme aller an den Eingangsanschlüssen der Sammelboxen angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren den Nennstrom, d.h. den Stromwert, der im normalen Betrieb der Energieerzeugungsanlage bei voller Sonneneinstrahlung an dieser Stelle auftritt, deutlich überschreitet, beispielsweise um 50 % oder gar um 100 % oder mehr. Dies ist insbesondere in Energieerzeugungsanlagen der Fall, deren Design-Ratio einen Wert von 100 % entsprechend übersteigt.
In einer bevorzugten Ausführung der Sammelboxen umfasst die Ausgangssicherung eine Schmelzsicherung, wobei andere Sicherungsformen nicht ausgeschlossen werden. Optional kann an den Eingangsanschlüssen weiterhin jeweils ein Trennschalter vorgesehen werden, um die hier angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren selektiv von der Sammelbox und damit vom Wechselrichter trennen zu können. Die Trennschalter können beispielsweise direkt vom Wechselrichter angesteuert werden.
Vorzugsweise wird der Auslösestrom der Ausgangssicherung so gewählt, dass die Ausgangssicherung auslöst, bevor eine an dem Ausgangsanschluss angeschlossene Sammelleitung durch einen zu hohen Strom überlastet und beschädigt werden kann. Dies ist sichergestellt, wenn der Auslösestrom der Ausgangssicherung kleiner als eine maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitung gewählt ist.
In einer Variante der Erfindung kann die Ausgangssicherung mittels einer Signalerzeugungseinheit überwacht werden, die derart konfiguriert ist, dass sie im Falle des Auslösens der Ausgangssicherung ein Fehlersignal erzeugt, das an eine übergeordnete Überwachungseinheit weitergegeben werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten von Kurzschlüssen im Verlaufe der Sammelleitungen zu detektieren und zu lokalisieren. Die Überwachungseinheit, die insbesondere auch Teil eines Wechselrichters sein kann, kann unmittelbar geeignete Sicherungsmaßnahmen für diesen Fall einleiten, beispielsweise die vorher erwähnten Trennschalter öffnen.
Erfindungsgemäß umfasst eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage eine vorbeschriebene Sammelbox, mit deren Eingangsanschlüssen eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren elektrisch verbunden ist, sowie einen Wechselrichter zur Umwandlung und Einspeisung der von den Photovoltaikgeneratoren erzeugten elektrischen Leistung in ein Energienetz, wobei der Wechselrichter mit einem Ausgangsanschluss der Sammelbox über eine Sammelleitung elektrisch verbunden ist. Die Sammelleitung ist wechselrichterseitig mit einer Wechselrichtersicherung und sammelboxseitig mit einer Ausgangssicherung, insbesondere mit einer Schmelzsicherung, versehen. Die Ausgangssicherung kann in die Sammelbox integriert, grundsätzlich aber auch außerhalb der Sammelbox angeordnet sein.
Vorzugsweise wird eine Auslöseschwelle der Ausgangssicherung derart gewählt, dass die Ausgangssicherung im Falle eines Kurzschlusses im Verlaufe der Sammelleitung auslöst. Insbesondere wird die Auslöseschwelle der Ausgangssicherung kleiner gewählt als eine maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitung, so dass eine Überlastung der Sammelleitung ausgeschlossen wird. Zusätzlich wird bevorzugt ein Auslösestrom der Ausgangssicherung größer gewählt als ein Auslösestrom der Wechselrichtersicherung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein Kurzschluss zwischen der Wechselrichtersicherung und dem Wechselrichter zu einem Auslösen der Wechselrichtersicherung und nicht zu einem Auslösen der Ausgangssicherung führt.
Es ist denkbar, die Sammelboxen innerhalb des Systems von Sammelleitungen zwischen den Photovoltaikgeneratoren und dem Wechselrichter hierarchisch anzuordnen, wobei zwei oder mehr Hierarchieebenen vorgesehen werden können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer vorbekannten photovoltaischen Energieerzeugungsanlage,
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Energieerzeugungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Sammelbox,
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Energieerzeugungsanlage mit einer hierarchischen Anordnung von erfindungsgemäßen Sammelboxen und
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammelbox.
In Figur 1 ist ein schematischer Aufbau einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage 1 entsprechend dem Stand der Technik gezeigt. Eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren 100 ist mit Eingangsanschlüssen 1 10 einer Sammelbox 150 verbunden. Innerhalb der Sammelbox 150 sind die einzelnen Eingangsanschlüsse 1 10 jeweils mit einer zugeordneten Eingangssicherung 120 abgesichert und werden auf der dem Eingangsanschluss 1 10 abgewandten Seite der Eingangssicherungen 120 miteinander und mit einem Ausgangsanschluss 130 elektrisch verbunden. Somit werden die einzelnen von den Photovoltaikgeneratoren 100 erzeugten Ströme kombiniert und als Summenstrom über den Ausgangsanschluss 130 bereitgestellt. Die Auslöseschwellen der Eingangssicherungen 120 werden so gewählt, dass ein maximaler Kurzschlussstrom des über die einzelne Eingangssicherung 120 angeschlossenen Photovoltaikgenerators 100 diese noch nicht auslöst. Sollte aber ein sogenannter Rückstromfall auftreten, beispielsweise in dem Fall, dass ein einzelner Photovoltaikgenerator 100 einen Kurzschluss zwischen seinen Anschlussleitungen oder einer der Anschlussleitungen und einem Bezugspotential, insbesondere Massepotential, aufweist, so fließt ein der normalen Stromrichtung entgegengesetzter Strom über die Eingangssicherung 120, der den maximalen Kurzschlussstrom des einzelnen Photovoltaikgenerator 100 übersteigt. Die Auslöseschwelle wird so gewählt, dass sie in diesem Fall überschritten wird, so dass die Eingangssicherung 120 auslöst und den betroffenen Photovoltaikgenerator 100 sowie dessen Zuleitung vor Überlastung schützt.
An den Ausgangsanschluss 130 ist weiterhin eine Sammelleitung 140 angeschlossen, die die Sammelbox 150 über eine Wechselrichtersicherung 170 mit einem Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180 verbindet. An dem Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180 sind hierbei weitere Sammelboxen 150 über weitere Sammelleitungen 140 und weitere zugeordnete Wechselrichtersicherungen 170 verbunden, wodurch der Wechselrichter 180 mit allen Photovoltaikgeneratoren 100 der photovoltaischen Energieerzeugungsanlage 1 verbunden wird. Die als Gleichstrom bereitgestellte elektrische Leistung der Photovoltaikgeneratoren 100 wird vom Wechselrichter 180 in Leistung in Form von Wechselspannung umgewandelt und in ein Energienetz 190 eingespeist.
In allen Figuren sind die elektrischen Verbindungen zur Vereinfachung der Darstellung durch eine einzelne Verbindungslinie symbolisiert. Selbstverständlich wird hierdurch der Fall mit umfasst, dass die elektrische Verbindung durch mehrere getrennte Kabel, insbesondere durch ein positives und ein negatives Kabel gebildet werden, die jeweils mit den positiven bzw. negativen Generatoranschlüssen verbunden sind. Die gezeigten Sicherungselemente können hierbei wahlweise in einem der Kabel vorgesehen sein, aber auch in beiden. Ein Kurzschluss kann dann sowohl durch einen Kurzschluss zwischen den Kabeln als auch durch einen Kurzschluss zwischen einem der Kabel und einen ausreichend niederohmigen Bezugspotential, insbesondere dem Erdpotential, gebildet werden.
Der in Figur 2 wiedergegebene schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Energieerzeugungsanlage 2 unterscheidet sich von dem Aufbau der photovoltaischen Energieerzeugungsanlage 1 nach dem Stand der Technik gemäß Figur 1 durch die erfindungsmäße Sammelbox 250. Diese weist Eingangsanschlüsse 210 zum Anschluss von Photovoltaikgeneratoren 100 auf, die miteinander über Eingangssicherungen 220 an einem Sammelpunkt 222 verbunden sind. Der Sammelpunkt 222 ist über eine zusätzliche Ausgangssicherung 225 mit dem Ausgangsanschluss 230 verbunden. Auch hier ist an den Ausgangsanschluss 230 eine Sammelleitung 140 angeschlossen, die die Sammelbox 250 über eine Wechselrichtersicherung 170 mit einem Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180 verbindet. Weitere Sammelboxen 250 sind über weitere Sammelleitungen 140 und weitere zugeordnete Wechselrichtersicherungen 170 ebenfalls mit dem Wechselrichter 180 verbunden.
Die Ausgangssicherung 225 weist eine Auslöseschwelle auf, die kleiner als eine maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitung 140 gewählt ist. Beispielsweise kann die Auslöseschwelle so gewählt werden, dass sie einem maximal zu erwartenden Nennstrom aller an der Sammelbox 250 angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren 100 zuzüglich eines Sicherheitsaufschlages entspricht. Der Sicherheitsaufschlag kann beispielsweise 20% des Nennstromes betragen. Somit kann die Auslöseschwelle der Ausgangssicherung 225 und auch die Stromtragfähigkeit der Sammelleitung 140 deutlich geringer gewählt werden als ein möglicher Kurzschlusssummenstrom aller an der Sammelbox 250 angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren 100. Bei einem Design-Ratio von mehr als 150%, insbesondere größer gleich 200%, kann eine erhebliche Einsparung durch eine kostengünstigere Verbindungstechnik, insbesondere durch geringere erforderliche Leitungsquerschnitte innerhalb der Sammelleitung 140, erreicht werden, ohne dass die Gefahr einer Überlastung und damit Beschädigung der Sammelleitung 140 im Kurzschlussfall besteht.
Figur 3 erweitert das elektrische Verbindungskonzept einer Energieerzeugungsanlage 2 gemäß Figur 2 um eine hierarchische Anordnung von Sammelboxen. In einer ersten Hierarchieebene werden Photovoltaikgeneratoren 100 gruppenweise mittels Sammelboxen 250 zusammengefasst. Deren Summenstrom wird über Sammelleitungen 140 an eine zweite Hierarchieebene von Sammelboxen 350 weitergeleitet, in denen die Summenströme einer Mehrzahl von Sammelboxen 250 der ersten Hierarchieebene zu einem Summenstrom der zweiten Ebene zusammengefasst werden, der wiederum über eine weitere Verbindungleitung 340 und über eine Wechselrichtersicherung 170 an einen Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180 übertragen werden. Im Prinzip ist es denkbar, auf gleiche Weise weitere Hierarchieebenen in der Energieerzeugungsanlage 2 vorzusehen.
Sowohl die Sammelboxen 250 der ersten Hierarchieebene als auch die Sammelboxen 350 der zweiten Hierarchieebene sind mit Ausgangssicherungen 225 an den Ausgangsanschlüssen 230 versehen. Die Auslöseschwellen der Ausgangssicherungen 225 der einzelnen Hierarchieebenen werden jeweils individuell aufgrund des jeweiligen maximal zu erwartenden Nennstromes gewählt, ebenso wie die maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitungen 140 zwischen der ersten und der zweiten Hierarchieebene bzw. die maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitung 340 zum Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180. Der Sicherheitsaufschlag für die Auslöseschwellen der Ausgangssicherungen 225 der einzelnen Hierarchieebenen wird vorteilhafterweise geringer gewählt als der Sicherheitsaufschlag für die maximale Stromtragfähigkeit der entsprechenden Sammelleitung, um eine Überlastung der Sammelleitung zuverlässig auszuschließen.
Wie in Figur 3 für die Sammelbox 350 der zweiten Hierarchieebene beispielhaft gezeigt, sowie in Figur 4 in einer weiteren Ausführung illustriert, ist es in einem Ausführungsbeispiel denkbar, die Ausgangssicherung 225 mit einer Signalerzeugungseinheit 460 zu versehen, die die Ausgangssicherung 225 überwacht und im Falle der Auslösung ein zugeordnetes Fehlersignal 440 erzeugt. Das Fehlersignal 440 kann beispielsweise per Kabel oder kabellos an eine übergeordnete Überwachungseinheit (nicht gezeigt) übertragen werden. Ebenfalls ist denkbar, dass das Fehlersignal 460 ein optisches Signal umfasst, dass die Identifikation der ausgelösten Sicherung auf einfache Weise erlaubt.
In Figur 4 ist weiter gezeigt, dass die Signalerzeugungseinheit 460 in der Sammelbox 250 integriert sein kann und die zugeordnete Ausgangssicherung 225 mit Hilfe einer Überwachung eines Spannungsabfalles über die Sicherung überwacht. Zusätzlich sind in dieser Ausführungsform, aber grundsätzlich davon unabhängig, zwischen den Eingangsanschlüssen 210 und den Eingangssicherungen 220 Trennschalter 470 angeordnet, die die elektrische Verbindung von angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren mit einem angeschlossenen Wechselrichter auftrennen können. Die Betätigung der Trennschalter 470 kann ferngesteuert von einer übergeordneten Überwachungseinheit, z.B. dem Wechselrichter, oder automatisch aufgrund von Signalen erfolgen, beispielsweise gesteuert durch Sensorsignale wie Strom- oder Spannungssignalen über die oder zwischen den Sammelleitungen oder durch Steuersignale wie dem Fehlersignal 440.
Auch bei der hierarchischen Anordnung von Sammelboxen 250, 350 gemäß Fig. 3 sind die Sammelleitungen 140, 340 jeweils an beiden Enden durch zugeordnete Sicherungen gegen den Fall abgesichert, dass entlang des Verlaufes der Sammelleitungen 140, 340 ein Kurzschluss auftritt. Für die Sammelleitungen 140 zwischen den Sammelboxen 250 der ersten Hierarchieebene und den Sammelboxen 350 der zweiten Hierarchieebene (Region II) werden die Sicherungen jeweils durch die Ausgangssicherungen 225 der Sammelboxen 250 und die Eingangssicherungen 220 der Sammelboxen 350 gebildet. Für die Sammelleitungen 340 zwischen den Sammelboxen 350 der zweiten Hierarchieebene und der Gleichstromeingang 160 des Wechselrichters 180 (Region III) werden diese Sicherungen durch die Ausgangssicherungen 225 der Sammelboxen 350 und die Wechselrichtersicherungen 170 gebildet. Somit wird im Falle eines Kurzschlusses innerhalb der Region II oder der Region III auch bei Energieerzeugungsanlagen mit einem Design-Ratio größer 100 % ein die Sammelleitungen 140, 340 überlastender Strom durch Auslösen der entsprechenden Sicherungen auf beiden Seiten der Samnnelleitungen zuverlässig verhindert. Auch ein entsprechender Lichtbogen wird auf diese Weise zuverlässig gelöscht und stellt somit keine Brandgefahr dar.
In der Region I zwischen der Sammelbox 250 der ersten Hierarchieebene und den Photovoltaikgeneratoren 100 beziehungsweise in der Region IV zwischen der Wechselrichtersicherung 170 und dem Wechselrichter 180 wird der Kurzschlussfall wie im Stand der Technik abgesichert.
Auf diese Weise ist es mit geringem Aufwand möglich, eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage aufzubauen, die gegen eine Überlastung aufgrund eines Kurzschlusses an nahezu jedem beliebigen Punkt des Verbindungssystems zwischen den Photovoltaikgeneratoren und dem Wechselrichter ausreichend abgesichert ist, ohne dass Verluste verursachende zusätzliche Elemente wie Rückstromdioden verwendet werden müssen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen, und um weitere vorbekannte Verfahrensweisen oder Komponenten zu ergänzen, mit dem Ziel, kostengünstig und zuverlässig eine Absicherung des gesamten elektrischen Verbindungssystems einer Energieerzeugungsanlage zwischen den Photovoltaikgeneratoren und dem Wechselrichter gegen Beschädigung durch Kurzschluss bei geringen Kosten zu erzielen.
Bezugszeichenliste
1 Energieerzeugungsanlage
2 Energieerzeugungsanlage
100 Photovoltaikgenerator
1 10, 210 Eingangsanschluss
120, 220 Eingangssicherung
130, 230 Ausgangsanschluss
140, 340 Sammelleitung
150, 250, 350 Sammelbox
160 Gleichstromeingang
170 Wechsel richtersicherung
180 Wechselrichter
190 Energienetz
222 Sammelpunkt
225 Ausgangssicherung
440 Fehlersignal
460 Signalerzeugungseinheit
470 Trennschalter

Claims

Patentansprüche:
1 . Sannnnelbox (250) für eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren (100) umfassend eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen (210) zum elektrischen Anschluss der Photovoltaikgeneratoren (100), wobei jeder Eingangsanschluss (210) über eine zugeordnete Eingangssicherung (220) mit einem gemeinsamen Sammelpunkt (222) elektrisch verbundenen ist und der Sammelpunkt (222) elektrisch verbunden ist mit einem Ausgangsanschluss (230) zum elektrischen Anschluss einer Sammelleitung (140, 340) zur Übertragung der elektrischen Leistung der Photovoltaikgeneratoren (100) an einen Wechselrichter(180),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgangsanschluss (230) über eine Ausgangssicherung (225) mit dem
Sammelpunkt (222) elektrisch verbunden ist.
2. Sammelbox nach Anspruch 1 , wobei die Ausgangssicherung (225) eine
Schmelzsicherung umfasst.
3. Sammelbox nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen den Eingangsanschlüssen (210) und dem gemeinsamen Sammelpunkt (222) Trennschalter (470) angeordnet sind.
4. Sammelbox nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Auslösestrom der Ausgangssicherung (225) kleiner als eine maximale Stromtragfähigkeit der Sammelleitung (140, 340) gewählt ist.
5. Sammelbox nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Signalerzeugungseinheit (460) zur Erzeugung eines Fehlersignals (440), wenn die Ausgangssicherung (225) ausgelöst ist.
6. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage (2) umfassend:
- eine Sammelbox(250, 350)
- eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoren(100), die mit Eingangsanschlüssen (210) der Sammelbox (250, 350) elektrisch verbunden sind,
- einen Wechselrichter (180) zur Umwandlung und Einspeisung elektrischer Leistung der Photovoltaikgeneratoren (100) in ein Energienetz (190) und - eine Sannnnelleitung (140, 340), über die ein Ausgangsanschluss(230, 330) der Sammelbox(250, 350) mit einem Gleichstromeingang (160) des Wechselrichters (180) elektrisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammelleitung (140, 340) wechselrichterseitig über eine Wechselrichtersicherung (170) und sammelboxseitig über eine Ausgangssicherung (225) gegen Überstöme abgesichert ist.
7. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6, wobei die
Ausgangssicherung (225) eine Schmelzsicherung aufweist.
8. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Auslösestrom der Ausgangssicherung (225) kleiner als eine maximale
Stromtragfähigkeit der Sammelleitung (140, 340) gewählt ist.
9. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Auslösestrom der Ausgangssicherung (225) einen Auslösestrom der Wechselrichtersicherung (170) übersteigt.
10. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Auslösestrom der Ausgangssicherung (225) derart gewählt ist, dass die Ausgangssicherung (225) im Fall eines Kurzschlusses im Bereich der Sammelleitung (140, 340) auslöst.
1 1 . Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei eine Summe der Maximalleistungen aller Photovoltaikgeneratoren (100) der photovoltaische Energieerzeugungsanlage eine Maximalleistung des Wechselrichters (180) um mindestens 50%, insbesondere um mindestens 100%, übersteigt.
12. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , wobei die photovoltaische Energieerzeugungsanlage eine Mehrzahl von
Sammelboxen (250, 350) in hierarchischer Anordnung aufweist.
13. Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Ausgangssicherung (225) in die Sammelbox (250, 350) integriert ist.
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