DE102006023563A1 - Photovoltaik-Anlage - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine Photovoltaik-Anlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an eine gemeinsame Wechselrichterbrücke angeschlossen sind, wobei über Schaltelemente beeinflußt zumindest ein DC/DC-Wandler eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings sowie zumindest eines weiteren Strings beaufschlagbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an eine gemeinsame Wechselrichterbrücke angeschlossen sind.
  • Photovoltaik-Anlagen dienen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die beispielsweise zur autonomen Versorgung eines Hauses oder zur Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz vorgesehen sein kann. Als Ausgangsspannung einer Photovoltaik-Anlage ist daher zumeist eine Wechselspannung in Höhe der üblichen Netzspannung und mit der üblichen Netzfrequenz erwünscht.
  • Die Solarzellenmodule zum Betrieb einer Photovoltaik-Anlage sind üblicherweise miteinander in Reihe zu mehreren sogenannten Strings verschaltet. Diese Strings liefern jeweils eine Gleichspannung, die durch Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler, im folgenden kurz als DC/DC-Wandler bezeichnet, in ihrer Spannungshöhe angepaßt und durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgesetzt wird.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 19 766 A1 ist eine Photovoltaik-Anlage beschrieben, bei der Photovoltaikelemente zu Strings verschaltet sind und jedem String ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist. Die DC/DC-Wandler sind zueinander parallel geschaltet und mit einer gemeinsamen Wechselrichterbrücke verbunden.
  • Vorteilhaft daran ist, daß jeder String einzeln geregelt werden kann. Dagegen ist nachteilig, daß die Spannungen an den einzelnen Eingängen der DC/DC-Wandler je nach Beschaltung oft zu gering sind und teilweise stark hochgesetzt werden müssen. Ein solcher Betrieb ist für den Wirkungsgrad ungünstig.
  • Problematisch ist zudem, daß die von den Strings erzeugte Spannung von der Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur abhängen und daher zeitlich nicht konstant ist. Darüber hinaus können sich zu einem gegebenen Zeitpunkt die elektrischen Ausgangsgrößen von Strings auch aufgrund unterschiedlicher Anordnung, beispielsweise an verschiedenen Seiten eines Hauses, voneinander unterscheiden.
  • Wünschenswert wäre daher eine Photovoltaikanlage, die die variierenden Spannungs- und Leistungsabgaben der Strings automatisch berücksichtigt. Zu vielen Zeitpunkten könnte man die einzelnen Strings in Reihe schalten, da die angeschalteten Strings häufig etwa gleichgroße Ströme liefern. Bei stark unterschiedlichen Strömen sollte auf eine Reihenschaltung verzichtet werden. Ein weiterer Grund, auf die Reihenschaltung zu verzichten, sind sehr hohe Spannungen im Leerlauf, die einen Wechselrichter zerstören können.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Schaltung zu entwickeln, die sich flexibel und automatisch an die anliegenden Stringspannungen anpaßt und einen besonders günstigen Betrieb einer Photovoltaik-Anlage ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß über Schaltelemente beeinflußt, zumindest ein DC/DC-Wandler eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings sowie zumindest eines weiteren Strings beaufschlagbar ist.
  • Im Detail besteht die Lösung darin, daß einerseits zwischen den verschiedenen DC/DC-Wandlern Schaltelemente zur Kopplung angeordnet sind, andererseits in die DC/DC-Wandler Schaltelemente eingebaut sind, die es ermöglichen, den einzelne DC/DC-Wandler mit der Masse vom Zwischenkreis des Wechselrichters zu trennen.
  • Eine solche Schaltung kann den Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage unter vielen Betriebsbedingungen deutlich erhöhen und die Verlustleistung verringern. Vorteilhafterweise ist es damit auch möglich, die Kühlkörper der Wechselrichter und damit die zur Photovoltaik-Anlage gehörende Wandleranlage erheblich kleiner zu dimensionieren und so erhebliche Kosten einzusparen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger schematischer Schaltbilder dargestellt und näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage,
  • 2 einige vorteilhafte Ausführungsvarianten der in der 1 dargestellten Schaltelemente.
  • Das Schaltungsprinzip einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage zeigt die 1. Die Photovoltaik-Anlage besteht aus mehreren, hier beispielhaft drei DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3), deren zusammengeschaltete Ausgangsspannungen als sogenannte Zwischenkreisspannung (UZK) am Eingang einer Wechselrichterbrücke (WR) anliegt. Die Wechselrichterbrücke (WR) erzeugt ausgangsseitig vorzugsweise eine mehrphasige Wechselspannung, die in Spannungshöhe und Frequenz mit der üblichen Netzwechselspannung übereinstimmt und daher zur Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz geeignet ist.
  • Die DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) sind eingangsseitig jeweils mit einem, aus mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaikelementen bestehenden String (ST1, ST2, ST3) verbunden. Die einzelnen DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) sind hier als einfache Aufwärts-Schaltwandler ausgeführt, die nach einen bekannten Funktionsprinzip arbeiten. Durch eine getaktete Ansteuerung eines Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) liegt die Eingangsspannung des Schaltwandlers periodisch an einer Speicherdrossel (L1, L2, L3) an. Die in den Einschaltphasen des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) in der Speicherdrossel (L1, L2, L3) gespeicherte elektrische Energie wird in den Sperrphasen des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) über eine Diode (D1, D2, D3) auf einen Ausgangskondensator (C) übertragen. Die Ausgangsspannung des Schaltwandlers steigt dabei in Abhängigkeit vom Tastverhältnis bei der Ansteuerung des Leistungsschalters (LS1, LS2, LS2) auf einen Wert an, der höher als der Wert der Eingangsspannung ist.
  • Die Ansteuerung der Leistungsschalter (LS1, LS2, LS2) erfolgt durch eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von elektrischen Größen, und zwar insbesondere den an den DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) anliegenden Eingangsspannungen, die Leistungsschalter steuert. Die Steuereinrichtung dient darüber hinaus zur Erfassung der Eingangsströme der DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3), sowie zur Ansteuerung der nachfolgend beschriebenen Schaltelemente. Besonders einfach und vorteilhaft kann eine solche Steuereinrichtung durch eine einen Microcontroller beinhaltende Schaltungsanordnung ausgeführt sein.
  • Die erwähnten Schaltelemente (S11, S12, S21, S22), die durch die Steuereinrichtung betätigt werden können, sind in der 1 ersichtlich und haben die Funktion, die Strings (ST1, ST2, ST3) der drei DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) in Abhängigkeit von den von den Strings (ST1, ST2, ST3) erzeugten Eingangsspannungen entweder einzeln oder in einer Reihenschaltung zu betreiben.
  • Es sei zunächst angenommen, die Schaltelemente S11 und S21 seien geschlossen und die Schaltelemente S12 und S22 seien geöffnet. In diesem Fall arbeiten die drei DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) unabhängig voneinander, wobei deren Ausgangsspannungen parallel an den Zwischenkreisleitungen (ZK+, ZK–) anliegen. Diese Betriebsart ist besonders vorteilhaft, wenn alle drei Strings (ST1, ST2, ST3) Spannungswerte liefern, die sich mit einem guten Wirkungsgrad durch die DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) bis auf den Wert der Zwischenkreisspannung (UZK) erhöhen lassen.
  • Ist dies nicht der Fall, so ist es vorteilhafter, einen Betrieb mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Strings (ST1, ST2, ST3) vorzusehen. Angenommen der erste und der zweite String (ST1, ST2) liefert jeweils eine Spannung, die sich nicht mit einem guten Wirkungsgrad in die Zwischenkreisspannung (UZK) wandeln läßt, während die Summe der beiden Spannungen einen diesbezüglich ausreichenden Wert ergäbe. In diesem Fall ist es günstig, die beiden String (ST1, ST2) zueinander in Reihe zu schalten und mit deren Ausgangsspannung eingangsseitig einen der DC/DC-Wandler (DCW1) zu beaufschlagen.
  • Dies wird dadurch erreicht, daß die Steuereinrichtung das Schaltelement S11 öffnet und das Schaltelement S12 schließt. Dadurch sind die an den DC/DC-Wandlern DCW1 und DCW2 anliegenden Strings ST1 und ST2 in Reihe geschaltet, wobei deren positives Potential über die Plusleitung des DC/DC-Wandlers DCW1, also die Speicherdrossel L1 und die Diode D1 an die Plusleitung (ZK+) des Zwischenkreises geführt ist, während der DC/DC-Wandler DCW2 über den geschlossenen Schalter S21 das gemeinsame Massepotential an die Masseleitung (ZK–) des Zwischenkreises führt.
  • Da der Leistungsschalter LS1 des DC/DC-Wandlers DCW1 ebenfalls mit der Masseleitung (ZK–) des Zwischenkreises verbunden ist, taktet dieser nun die volle anliegende Summenspannung der Strings ST1 und ST2. Die Plusleitung des zweiten DC/DC-Wandlers (DCW2) ist hierbei durch die Diode D2 entkoppelt.
  • Diese Betriebsart ist vorteilhaft, wenn die an den DC/DC-Wandlern anliegende Stringspannungen gering sind und daher nur mit einen relativ schlechten Wirkungsgrad in die Zwischenkreisspannung (UZK) gewandelt werden können. Durch diese Schaltung müssen die Spannungen der einzelnen Strings weniger hoch gesetzt werden als ohne Reihenschaltung. Der Wechselrichter arbeitet mit deutlich besserem Wirkungsgrad, erzeugt weniger Wärme, regelt daher weniger häufig ab, und kann so wirtschaftlicher arbeiten.
  • Entsprechend können auch die Strings (ST2, ST3) der DC/DC-Wandler DCW2 und DCW3 zeitweise in Reihe geschaltet werden oder auch alle drei Strings (ST1, ST2, ST3) gemeinsam.
  • Der Vorgang zum Umschalten kann so ausgeführt werden, daß der Wechselrichter jeweils mit den einzelnen DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) getrennt anläuft. Nachdem die Leerlaufspannung verlassen wurde und eine niedrigere Spannung an jedem DC/DC-Wandlern (DCW1, DCW2, DCW3) erreicht wurde, kann umgeschaltet werden. Bei Umschalten während des Betriebs ist darauf zu achten, daß zunächst der „untere", d. h. näher an Masse liegende DC/DC-Wandler nicht mehr getaktet wird und anschließend schnell umgeschaltet wird.
  • Ein sinnvolles Kriterium für das Umschalten von Einzelbetrieb auf Reihenschaltung ist, daß etwa gleichgroße Ströme durch die zu schaltenden Strings (ST1, ST2, ST3) fließen und daß die Summe der einzelnen Spannungen kleiner ist als die maximal zulässige Spannung.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn für jeden String (ST1, ST2, ST3) die Betriebsdaten, wie Eingangsspannung, Ausgangsstrom bzw. Ausgangsleistung, einzeln abgetastet werden können, insbesondere auch bei Reihenschaltung der Strings. Dazu können die Stromwerte direkt, die Spannungswerte durch einfache Subtraktion der einzelnen Spannungswerte ermittelt werden. Außerdem ist es dadurch möglich, den optimalen Arbeitspunkt jedes String auch in einer Reihenschaltung einzeln zu überwachen. Somit kann bei Reihenschaltung auf einfache Weise präzise erkannt werden, ob Einzelbetrieb sinnvoller und wirtschaftlicher ist. Bei Bedarf kann also schnell reagiert werden. Solche Situationen treten in der Regel bei einer Teilverschattung der Photovoltaik-Strings auf.
  • Kriterium für das Aufheben der Reihenschaltung ist also, daß bei Einzelbetrieb je String mehr Energie erwirtschaftet werden kann. Dieses kann z. B. durch geeignete Algorithmen ermittelt werden. Die hier beschriebene Schaltung kann damit die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen deutlich erhöhen.
  • Die in der 1 schematisch als einfache Schalter dargestellten Schaltelemente sind in der Praxis als elektronische oder elektromechanische Bauelemente ausgeführt.
  • Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltelemente sind in der 2 schematisch dargestellt. Hierbei stellt das Schaltelement S1 jeweils ein Schaltelement in der Masseleitung eines DC/DC-Wandlers (DCW1, DCW2, DCW3) dar, entsprechend beispielsweise dem Schaltelement S11 in der 1, während das Schaltelement S2 für ein Schaltelement steht, welches zwei DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3), entsprechend beispielsweise dem Schalter S12 in der 1, miteinander verbinden kann.
  • Eine besonders einfache Möglichkeit zur Realisierung der Schaltelemente zeigt die 2a. Das erste Schaltelement (S1) ist hier als Diode ausgebildet während das zweite Schaltelement (S2) ein Relaiskontakt ist. Bei Betätigung des Relaiskontakts (S2) sperrt die Diode (S1) und hebt die Verbindung des Minuspotentials des zugehörigen Strings mit der Minusleitung (ZK–) des Zwischenkreises auf.
  • Mit einem Schaltelement S2, welches einen zusätzlichen Umschaltkontakt aufweist (2b) können die Diodenverluste, die auftreten, wenn die Eingänge einzeln geregelt werden, durch eine Überbrückung der Diode (S1) minimiert werden.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht darin, die Schaltelemente (S1, S2) als Feldeffekttransistoren auszuführen (2c). Diese erlauben ein kontaktloses und besonders schnelles Schalten der Eingänge.
  • Eine ausschließliche Verwendung von Relaiskontakten als Schaltelemente (S1, S2) sei ebenfalls erwähnt (2d). Diese Möglichkeit ist die kostengünstigste, erfordert allerdings ein besonders gutes Timing beim der Ansteuerung.
  • Zur Ausbildung der Schaltelemente kann auch eine Kombination eines Feldeffekttransistors und eines Relais vorgesehen werden, wobei der Feldeffekttransistor lediglich eine hohe Spannungsfestigkeit besitzen muß und den Strom nur für eine sehr kurze Zeit, typischerweise einige Millisekunden, führt. Umgekehrt muß das Relais nicht für hohe Schaltspannungen ausgelegt werden, sondern lediglich für die entsprechenden Ströme, da der Schaltvorgang selbst durch den Feldeffekttransistor oder durch eine Diode bewirkt wird. Damit wird zusätzlich das kostenintensive Schalten von Gleichspannungen über Relais stark vereinfacht.
  • Zum Umschalten ist es besonders vorteilhaft, wenn der Leistungsschalter des unteren DC/DC-Wandlers zunächst so getaktet wird, daß die Spannung des Strings gegen Null läuft. In diesem Fall sind die Schalter während des Schaltvorganges nur geringen Spannungen ausgesetzt.
  • C
    Ausgangskondensator
    D1, D2, D3
    Dioden
    L1, L2, L3
    Speicherdrosseln
    ST1, ST2, ST3
    Strings
    DCW1, DCW2, DCW3
    DC/DC-Wandler
    LS1, LS2, LS3
    Leistungsschalter
    WR
    Wechselrichterbrücke
    S1, S11, S21
    (erste) Schaltelemente
    S2, S12, S22
    (zweite) Schaltelemente
    UZK
    Zwischenkreisspannung
    ZK–
    Zwischenkreisleitung (Masse)
    ZK+
    Zwischenkreisleitung (Plus)

Claims (11)

  1. Photovoltaik-Anlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an eine gemeinsame Wechselrichterbrücke angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß über Schaltelemente (S1, S2, S11, S12, S21, S22) beeinflußt, zumindest ein DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings (ST1, ST2, ST3) sowie zumindest eines weiteren Strings (ST1, ST2, ST3) beaufschlagbar ist.
  2. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) eine Strom- und Spannungsüberwachung vorgesehen ist.
  3. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß über Schaltelemente (S1, S2, S11, S12, S21, S22) beeinflußt, zumindest ein DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings (ST1, ST2, ST3) sowie zumindest eines weiteren Strings (ST1, ST2, ST3) beaufschlagt wird, wenn sich die erfaßten Ausgangsströme der jeweiligen DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) um nicht mehr als einen vorgegebenen Maximalbetrag unterscheiden und gleichzeitig die Summe der Ausgangsspannungen der jeweiligen DC/DC-Wandler (DCW1, DCW2, DCW3) unterhalb eines vorgegebenen Maximalbetrags liegt.
  4. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schaltelemente (S1) als Dioden ausgebildet sind.
  5. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schaltelemente (S1, S2, S11, S12, S21, S22) als Relais ausgebildet sind.
  6. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schaltelemente (S1, S2) als steuerbare Halbleiterschalter ausgebildet sind.
  7. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterschalter als Feldeffekttransistoren ausgeführt sind.
  8. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photovoltaik-Anlage wenigstens einen Microcontroller aufweist.
  9. Photovoltaik-Anlage nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- und/oder Spannungsauswertung direkt oder indirekt durch den Microcontroller erfolgt.
  10. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcontroller zumindest einen Teil der Schaltelemente (S1, S2, S11, S12, S21, S22) steuert.
  11. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photovoltaik-Anlage zur Einspeisung von elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz vorgesehen ist.
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