DE102011055220A1

DE102011055220A1 - Zuschalten eines Wechselrichters in einem Solarkraftwerk mit verschobenem Potentialmittelpunkt

Info

Publication number: DE102011055220A1
Application number: DE201110055220
Authority: DE
Inventors: Stephanie Coors; Tobias Müller; Oliver Prior
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: US20140321166A1; DE102011055220B4; US8804390B2; US20130121029A1; US9401661B2

Abstract

Zum Zuschalten eines AC-Ausgangs (8) eines transformatorlosen Wechselrichters (2) eines Solarkraftwerks (1) zu einem auf einer Seite einer galvanischen Trennung (5) vorliegenden internen Wechselstromnetz, wobei mindestens ein Photovoltaikgenerator (3) an einen DC-Eingang (15) des Wechselrichters (2) angeschlossen ist, wobei an der anderen Seite der galvanischen Trennung ein externes Wechselstromnetz (4) anliegt und wobei eine Offsetspannung (Uoffset) zum Verschieben eines Potentialmittelpunkts des Photovoltaikgenerators (3) gegenüber Potentialerde (PE) vorgesehen ist, werden die folgenden Schritte ausgeführt: – Synchronisieren des Wechselrichters (2) mit dem internen Wechselstromnetz, während alle stromführenden Leitungen (9–11) des AC-Ausgangs (8) des Wechselrichters (2) noch von dem internen Wechselstromnetz getrennt sind; – Angleichen eines Potentialmittelpunkts der stromführenden Leitungen (9–11) des weiterhin getrennten AC-Ausgangs (8) des Wechselrichters (2) und eines Potentialmittelpunkts des internen Wechselstromnetzes, von denen nur einer von der anliegenden Offsetspannung (Uoffset) verschoben wird, und – galvanisch Verbinden aller bis dahin getrennten stromführenden Leitungen (9–11) des AC-Ausgangs (8) des synchronisierten Wechselrichters (2) mit dem internen Wechselstromnetz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuschalten eines transformatorlosen Wechselrichters in einem Solarkraftwerk mit verschobenem Potentialmittelpunkt, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Es ist ein bekanntes Phänomen, dass die Module bestimmter Photovoltaikgeneratoren, insbesondere sogenannte Dünnschichtmodule, ihre maximale Lebensdauer nur dann erreichen, wenn sie sich insgesamt auf negativem oder positivem elektrischen Potential gegenüber Potentialerde befinden.
Um ein solches elektrisches Potential für die Module mindestens eines an einen Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgenerators sicherzustellen, wird in erfindungsgemäß betriebenen Solarkraftwerken eine Offsetspannung angelegt, um die der Potentialmittelpunkt des Photovoltaikgenerators gegenüber einem Bezugspotential, insbesondere Potentialerde, verschoben wird.
Die Offsetspannung kann an eine Leitung angelegt werden, über die der Photovoltaikgenerator mit einem DC-Eingang des Wechselrichters verbunden ist. Bei einem transformatorlosen Wechselrichter erfasst die Verschiebung des Potentialmittelpunkts auch den AC-Ausgang, und sie kann sich von dort bis zu dem DC-Eingang parallel geschalteter transformatorloser Wechselrichter ausbreiten. Entsprechen kann die Offsetspannung bei einem transformatorlosen Wechselrichter auch an eine Leitung angelegt werden, die mit dessen AC-Ausgang verbunden ist.
Ein Solarkraftwerk mit einer Gleichspannungsquelle in einem Offsetpfad zur Verschiebung des Potentialmittelpunkts angeschlossener Photovoltaikgeneratoren, dessen Betrieb die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus der EP 2 136 449 B1 bekannt. Hier führt der Offsetpfad von einer Leitung auf der Primärseite eines Transformators zur Potentialerde. Der Transformator stellt eine galvanische Trennung zwischen mehreren parallel geschalteten transformatorlosen Wechselrichtern und einem Netzanschluss für ein externes Wechselstromnetz bereit. Wenn der Transformator eine Mittelpunktschaltung auf seiner Primärseite aufweist, ist der Offsetpfad an die Mittelpunktleitung angeschlossen. Wenn der Transformator eine Dreieckschaltung auf seiner Primärseite aufweist, ist der Offsetpfad zwischen einer der Phasenleitungen und Potentialerde vorgesehen.
Die parallel geschalteten Wechselrichter speisen elektrische Leistung von jeweils einem Photovoltaikgenerator in eine von drei Phasenleitungen zu dem Transformator ein. Die Offsetspannung der Gleichspannungsquelle bewirkt zum einen, dass sich die an die Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren vollständig auf positivem elektrischen Potential befinden. Darüber hinaus kann eine Stromüberwachungseinrichtung der Gleichspannungsquelle zur Erkennung von Erdschlüssen verwendet werden. Bei einem Isolationsfehler oder einem Erdschluss tritt in dem Offsetpfad ein erhöhter Strom über die Potentialerde auf. Bei einem Isolationsfehler oder einem Erdschluss wird ein Schütz ausgelöst, das die Stromverbindung zwischen den Wechselrichtern und dem Transformator oder zwischen dem Netzanschluss und dem Transformator trennt. Das Auftrennen eines Mittelpunktleiters zwischen dem Offsetzweig und den Wechselrichtern ist dabei nicht vorgesehen.
Zum Zuschalten der einzelnen Wechselrichter zu dem auf der Primärseite des Transformators ausgebildeten internen Wechselstromnetz mit verschobenem Potentialmittelpunkt äußert sich die EP 2 136 449 B1 nicht. Das Schütz, das die Stromverbindung zwischen den Wechselrichtern und dem Transformator oder zwischen dem Netzanschluss und dem Transformator trennt, ist hierfür nicht geeignet. Hier wird daher davon ausgegangen, dass das Zuschalten des Wechselrichters in dem aus der EP 2 136 449 B1 bekannten Solarkraftwerk in üblicher Form erfolgt, indem der Wechselrichter zunächst mit dem internen Wechselstromnetz synchronisiert wird und indem dann alle bis dahin getrennten stromführenden Leitungen des AC-Ausgangs des synchronisierten Wechselrichters mit dem internen Wechselstromnetz galvanisch verbunden werden. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der EP 2 242 160 A1 als üblich unterstellt.
Ein weiteres Solarkraftwerk mit einer Gleichspannungsquelle in einem Offsetpfad zur Verschiebung des Potentialmittelpunkts angeschlossener Photovoltaikgeneratoren ist aus der WO 2010/051812 A1 bekannt. Hier sind ein oder mehrere transformatorlose dreiphasige Wechselrichter parallel geschaltet und speisen jeweils elektrische Leistung von einem Photovoltaikgenerator über einen gemeinsamen, eine galvanische Trennung bewirkenden Transformator in ein externes Wechselstromnetz ein. Der Offsetpfad ist an den Mittelpunkt der Primärseite des Transformators angeschlossen, egal ob dieser Mittelpunkt mit den einzelnen Wechselrichtern verbunden ist oder nicht. Die Größe der Offsetspannung, die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, wird bei dieser bekannten Schaltungsanordnung an die aktuelle Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren angepasst. Diese Ausgangsspannung beträgt typischerweise einige hundert Volt. Um die Photovoltaikgeneratoren insgesamt auf positive oder negative Spannung gegenüber Potentialerde zu bringen, muss die Offsetspannung die Hälfte der Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren betragen. Zu diesem Zweck ist die Offsetspannung in einem Bereich von 400 V bis 500 V variabel. Zum Zuschalten der einzelnen Wechselrichter zu dem auf der Primärseite des Transformators ausgebildeten internen Wechselstromnetz mit verschobenem Potentialmittel punkt äußert sich auch die WO 2010/051812 A1 nicht.
Aus der DE 10 2006 022 686 A1 ist eine Messanordnung zum Messen des Isolationswiderstands einer unter Spannung stehenden elektrischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Photovoltaikgenerators, bekannt, wobei zwei Schalter oder ein entsprechender Umschalter vorhanden sind, die jeweils einen Strompfad zwischen einem der beiden Pole der Spannung und Potentialerde herstellen. Der in diesem Erdschlusspfad durch einen Messwiderstand in Abhängigkeit von der Spannung fließende Strom ist ein Maß für den Isolationswiderstand des jeweils anderen Pols.
Aus der EP 2 228 893 A2 ist ein Verfahren zum Zuschalten eines Photovoltaikgenerators zu einem eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis eines Wechselrichters eines Solarkraftwerks bekannt, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis vor dem eigentlichen Zuschalten auf die Ausgangsspannung des Photovoltaikgenerators aufgeladen wird, um beim Zuschalten Stromspitzen aufgrund von Umlade- oder Kurzschlussströmen zu vermeiden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zuschalten eines transformatorlosen Wechselrichters in einem Solarkraftwerk mit verschobenem Mittelpunkt, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, aufzuzeigen, das eine lange Lebensdauer des zum galvanischen Verbinden der stromführenden Leitungen des Ausgangs des Wechselrichters mit dem internen Wechselstromnetz verwendeten Relais sicherstellt.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zuschalten eines AC-Ausgangs eines transformatorlosen Wechselrichters eines Solarkraftwerks zu einem auf einer Seite einer galvanischen Trennung vorliegenden internen Wechselstromnetz, wobei mindestens ein Photovoltaikgenerator an einen DC-Eingang des Wechselrichters angeschlossen ist, wobei an der anderen Seite der galvanischen Trennung ein externes Wechselstromnetz anliegt und wobei eine Offsetspannung zum Verschieben eines Potentialmittelpunkts des Photovoltaikgenerators gegenüber Potentialerde vorgesehen ist, wird zusätzlich zu den Schritten (i) Synchronisieren des Wechselrichters mit dem internen Wechselstromnetz und (ii) galvanisch Verbinden aller bis dahin getrennten stromführenden Leitungen des AC-Ausgangs des synchronisierten Wechselrichters mit dem internen Wechselstromnetz vor dem Schritt (ii) der Schritt (iii) Angleichen eines Potentialmittelpunkts der stromführenden Leitungen des AC-Ausgangs des Wechselrichters und eines Potentialmittelpunkts des internen Wechselstromnetzes ausgeführt, wobei von diesen beiden Potentialmittelpunkten vor dem Schritt des galvanisch Verbindens nur einer von der anliegenden Offsetspannung verschoben wird.
Ohne den Schritt (iii) treten im Schritt (ii) auch bei optimaler Synchronisation des Wechselrichters mit dem internen Wechselstromnetz Spannungen über den Kontakten eines zum galvanischen Verbinden verwendeten Relais auf, die auf die anliegende Offsetspannung zurückzuführen sind und deren Höhe aufweisen. Diese hohen Spannungen können Schaltlichtbögen zwischen den Kontakten des Relais zur Folge haben, die zu einer Vergrößerung des Kontaktwiderstandes im geschlossenen Fall, schlimmstenfalls sogar zu einem Verschweißen der Kontakte und somit zu einem Funktionsausfall des Relais führen können. In jedem Fall belasten die Schaltlichtbögen das Relais und reduzieren seine Lebensdauer.
Die Erfindung beginnt demnach mit der Erkenntnis, dass die Offsetspannung, die bei einem Solarkraftwerk benötigt wird, um den Potentialmittelpunkt seiner Photovoltaikgeneratoren so weit zu verschieben, dass sich deren Module vollständig auf positivem oder negativem Potential gegenüber Potentialerde befinden, so groß ist, dass sie die Lebensdauer des zum Zuschalten des zugehörigen Wechselrichters des Solarkraftwerks verwendeten Relais massiv beeinträchtigt. Konkret muss diese Offsetspannung gegenüber Potentialerde mindestens die halbe Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren betragen. Dies sind leicht mehrere hundert Volt, die über den Schaltkontakten des Relais unmittelbar vor dem Zuschalten des Wechselrichters anliegen, wenn keine Gegenmaßnahme getroffen wird. Diese Gegenmaßnahme besteht erfindungsgemäß darin, dass der Potentialmittelpunkt der stromführenden Leitungen des AC-Ausgangs des Wechselrichters und der Potentialmittelpunkt des internen Wechselstromnetzes vor dem galvanischen Verbinden der Leitungen gemäß Schritt (ii) aneinander angeglichen werden. Die erfindungsgemäße Maßnahme des Angleichens der Potentialmittelpunkte ist unabhängig davon, wo die Offsetspannung angelegt wird. Umgesetzt werden kann die erfindungsgemäße Maßnahme durch mindestens eine der beiden folgenden Techniken.
Zum einen kann die Offsetspannung vor dem galvanischen Verbinden der stromführenden Leitungen gemäß Schritt (ii) auf einen reduzierten Wert eingestellt werden. Die Reduzierung ist dabei gegenüber einer Zwischenkreisspannung eines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises des Wechselrichters zu sehen. Die gegenüber der Ausgangsspannung des mindestens einen Photovoltaikgenerators möglicherweise hoch- oder tiefgesetzte Zwischenkreisspannung bestimmt die aufgrund der Offsetspannung beim galvanischen Verbinden über den Kontakten des Relais abfallenden Spannungen. Die Reduzierung der Offsetspannung sollte mindestens 50 % der Hälfte dieser Zwischenkreisspannung betragen. Vorzugsweise beträgt sie mindestens 75 % und am meisten bevorzugt mindestens 90 % der halben Zwischenkreisspannung. Entsprechend beträgt die Offsetspannung zum Zeitpunkt des galvanischen Verbindens der stromführenden Leitungen am meisten bevorzugt maximal 10 % der halben Zwischenkreisspannung des eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises des Wechselrichters, was immer noch mehrere zehn Volt sein können.
Zu dieser ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maßnahme des Angleichens der beiden Potentialmittelpunkte zählt es, die Offsetspannung erst nach dem Schritt des galvanischen Verbindens auf ihren Zielwert im Bereich der halben Ausgangsspannung des Photovoltaikgenerators hochzufahren.
Die andere grundlegende Technik zum Angleichen der Potentialmittelpunkte besteht darin, den Potentialmittelpunkt, der vor dem Schritt des galvanischen Verbindens von der anliegenden Offsetspannung nicht verschoben wird, seinerseits in Richtung der Offsetspannung zu verschieben.
Wenn die Offsetspannung so angelegt wird, dass sie vor dem galvanischen Verbinden nur zu einer Verschiebung des Potentialmittelpunkts des internen Wechselstromnetzes führt, kann der Potentialmittelpunkt des AC-Ausgangs des Wechselrichters beispielsweise dadurch in dieselbe Richtung verschoben werden, dass eine stromführende Leitung des DC-Eingangs des Wechselrichters entweder direkt geerdet oder aber über einen vordefinierten Widerstand mit Potentialerde verbunden wird. In einer bevorzugten Variante ist der Wert des vordefinierten Widerstandes klein gegenüber den üblichen Isolationswiderständen zwischen Photovoltaikgenerator und Potentialerde, so dass eine Verschiebung des Potentialmittelpunktes um nahezu die halbe Generatorspannung resultiert.
Die Anwendung dieser Ausführungsform der zweiten Grundtechnik bedarf günstiger Weise keiner zusätzlichen Einrichtungen in dem Solarkraftwerk, wenn dieses über eine bekannte Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstands der stromführenden Leitungen des DC-Eingangs des Wechselrichters verfügt, die ein wahlweises Verbinden dieser Leitungen über einen Messwiderstand mit Potentialerde ermöglicht. Neben dem Messen des Isolationswiderstands der jeweils anderen Leitung wird diese Verbindung mit Potentialerde bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr auch zum Zuschalten des Wechselrichters herbeigeführt.
In einer besonders bevorzugten Variante erfolgt die Zuschaltung des Wechselrichters unmittelbar nach dem Trennen der zunächst herbeigeführten Erdung einer stromführenden Leitung des DC-Eingangs des Wechselrichters. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass notwendige Umladevorgänge aufgrund der normalerweise hohen Isolationswiderstände zwischen Photovoltaikgenerator und Potentialerde nur relativ langsam erfolgen und durchaus wenige Minuten dauern können. Bei einem Zuschaltvorgang des Wechselrichters unmittelbar nach dem Trennen der zunächst herbeigeführten Erdung einer stromführenden Leitung des DC-Einganges ist die ursprünglich erzeugte Verschiebung des Potentialmittelpunktes noch nahezu präsent.
Im Übrigen bedarf auch die erste grundlegende Technik zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Maßnahme des Angleichens der Potentialmittelpunkte keiner zusätzlichen Einrichtungen in dem Solarkraftwerk, wenn die Offsetspannung sowieso variabel ist, was schon deshalb sinnvoll ist, um sie an die halbe aktuelle Ausgangsspannung des Photovoltaikgenerators anzupassen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Solarkraftwerks zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines anderen Solarkraftwerks zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
Das in 1 dargestellte Solarkraftwerk 1 weist mindestens einen Wechselrichter 2 auf, über den elektrische Energie von mindestens einem Photovoltaikgenerator 3 in ein Wechselstromnetz 4 eingespeist wird. Der Wechselrichter 2 ist über einen Transformator 5 als galvanische Trennung und zum Umspannen seiner Ausgangswechselspannung an das Wechselstromnetz 4 angeschlossen. Der Wechselrichter 2 selbst ist transformatorlos ausgebildet. Parallel zu dem Wechselrichter 2 können einer oder mehrere weitere Wechselrichter 2 mit einem oder mehreren weiteren Photovoltaikgeneratoren 3 an die Primärwicklung 6 des Transformators 5 angeschlossen sein.
Im dargestellten Fall ist der Wechselrichter 2 dreiphasig ausgebildet, und er ist neben den drei Phasen L1, L2 und L3 auch an einen Mittelpunkt M der Primärwicklung 6 des Transformators 5 angeschlossen. Allerdings ist die Leitung 7 des Ausgangs 8 des Wechselrichters anders als Leitungen 9 bis 11 des Ausgangs 8 zu den Phasen L1, L2 und L3 – zum Beispiel aufgrund einer speziellen Schaltungstopologie des Wechselrichters 2 – nicht stromführend. Zwischen den stromführenden Leitungen 9 bis 11 und den Phasen L1, L2 und L3 des internen Wechselstromnetzes ist ein Relais 12 vorgesehen, das den Wechselrichter, nachdem dieser mit dem internen Wechselstromnetz synchronisiert wurde, der Primärwicklung 6 des Transformators 5 zuschaltet.
Alternativ zum dargestellten Fall handelt es sich bei den Wechselrichtern 2 um dreiphasige Wechselrichter, deren Leitung 7 zwischen Ausgang 8 des Wechselrichters und Mittelpunkt M der Primärwicklung 6 des Transformators 5 – zum Beispiel aufgrund einer anderen Schaltungstopologie des Wechselrichters 2 – im Allgemeinen stromführend ist. In diesem Fall ist das Relais 12 zweckmäßigerweise mit vier Schaltern ausgerüstet, drei Schalter zum Trennen bzw. Verbinden von Ausgang 8 des Wechselrichters 2 mit den Phasenleitern L1, L2, L3 der Primärwicklung 6 des Transformators 5 und einem Schalter zum Trennen bzw. Verbinden von Ausgang 8 des Wechselrichters 2 mit dem Mittelpunkt M der Primärwicklung 6 des Transformators 5.
In einem weiteren (nicht dargestellten) Fall sind die Wechselrichter 2 auch einphasig ausgebildet. Hierbei sind die Wechselrichter 2 ausgangsseitig jeweils nur an eine Phase L1, L2 oder L3 sowie an den Mittelpunkt M der Primärwicklung 6 des Transformators 5 angeschlossen. Die Aufteilung auf die einzelnen Phasen erfolgt hier derart, dass sich die gesamte Leistung der Wechselrichter 2 möglichst gleichmäßig auf die drei Phasen L1, L2, L3 verteilt. Im Gegensatz zum dargestellten Beispiel ist auch in dieser Ausführungsform die Leitung 7 vom Ausgang 8 der Wechselrichter 2 zum primärseitigen Mittelpunkt M des Transformators 5 im Allgemeinen stromführend. Das Relais 12 beinhaltet daher zweckmäßigerweise jeweils zwei Schalter, einen zum Trennen bzw. Verbinden des einen Phasenleiters L1, L2, oder L3 der Primärwicklung 6 des Transformators 5 mit dem Ausgang 8 des Wechselrichters 2 und einen zum Trennen bzw. Verbinden des primärseitigen Mittelpunktes M des Transformators 5 mit dem Ausgang 8 des Wechselrichters 2.
Der Photovoltaikgenerator 3 ist an stromführende Leitungen 13 und 14 eines DC-Eingangs 15 des Wechselrichters 2 angeschlossen. Dabei ist zwischen dem Photovoltaikgenerator 3 und dem Eingang 15 ein Hochsetzsteller 16 vorgesehen. Der Hochsetzsteller 16 weist eine Speicherdrossel 17, eine Gleichrichterdiode 18 und einen Schalter 19 in üblicher Anordnung auf und dient dazu, eine Ausgangsspannung U_PV des Photovoltaikgenerators 3 an eine gewünschte Zwischenkreisspannung U_DCL eines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises 20 des Wechselrichters 2 mit einem Pufferkondensator 21 anzupassen. Eine Bypassdiode 30 ist dem Hochsetzsteller 16 parallel geschaltet und lässt elektrische Energie von dem Photovoltaikgenerator 3 in den Gleichspannungszwischenkreis 20 durch, sobald die Ausgangsspannung U_PV des Photovoltaikgenerators 3 die gewünschte Zwischenkreisspannung U_DCL erreicht.
Der Photovoltaikgenerator 3 ist im Betrieb nicht geerdet. Dennoch weist er einen natürlichen Potentialmittelpunkt von Potentialerde PE auf. Es ist jedoch gewünscht, dass alle hier nicht im Einzelnen dargestellten Module des Photovoltaikgenerators 3 auf einem positiven Potential gegenüber Potentialerde PE liegen, um die Lebensdauer des Photovoltaikgenerators 3 zu maximieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Module spezielle Dünnschichtmodule sind. Um sämtliche Module auf positivem Potential gegenüber Potentialerde PE anzuordnen. ist eine Gleichspannungsquelle 22 vorgesehen, die eine Offsetspannung U_offset zwischen Potentialerde PE und dem Mittelpunkt M der Primärwicklung 6 des Transformators 5 aufbringt. Diese Offsetspannung wirkt sich bei geschlossenem Relais 12 über den AC-Ausgang 8 und den transformatorlos ausgebildeten Wechselrichter 2 bis zu dessen DC-Eingang 15 und von dort bis zu dem Photovoltaikgenerator 3 aus.
Vor dem Zuschalten des Wechselrichters 2 zu dem internen Wechselstromnetz auf der Primärseite des Transformators 5 verschiebt die Offsetspannung U_offset allerdings nur den Potentialmittelpunkt des internen Wechselstromnetzes auf der Primärseite des Transformators 5, da die Leitung 7 – entweder aufgrund einer speziellen Schaltungstopologie des Wechselrichters 2, oder aber aufgrund einer galvanischen Auftrennung der Leitung 7 über einen separaten Schalter des Relais 12 – nicht stromführend ist. Ein Ausgleichsstrom von der Gleichspannungsquelle 22 zum Wechselrichter 2, der zur Verschiebung des Potentialmittelpunktes des Photovoltaikgenerators 3 erforderlich ist, kann somit nicht fließen. Entsprechend liegt über allen Schaltkontakten des Relais 12 die Offsetspannung U_offset an, auch wenn der Wechselrichter 2 mit dem internen Wechselstromnetz optimal synchronisiert ist.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Offsetspannung U_offset die Hälfte der Zwischenkreisspannung U_DCL des eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises 20 des Wechselrichters 2 betragen muss, um sämtliche Module des Photovoltaikgenerators 3 auf positives Potential gegenüber Potentialerde PE anzuheben. Entsprechend liegt U_offset in einer typischen Größenordnung von mehreren hundert Volt. Eine derart große Spannung über den Schaltkontakten des Relais 12 führt leicht zu Schaltlichtbögen und anderen die Lebensdauer des Relais 12 beeinträchtigenden Effekten.
Um eine derart hohe Spannung über dem Relais 12 beim Zuschalten des Wechselrichters 2 zu vermeiden, wird vor dem Schließen des Relais 12 ein Relais 23 geschlossen, das die Leitung 14 des DC-Eingangs 15 über einen Widerstand 24 mit Potentialerde PE verbindet. Das Relais 23 und der Widerstand 24 sind Teil einer Einrichtung 25 zum Messen des Isolationswiderstands Riso+ bzw. Riso– der stromführenden Leitungen 13 und 14 des DC-Eingangs 15 bzw. der entsprechenden Pole des Photovoltaikgenerators 3. Die Einrichtung 25 schließt dazu normalerweise vor dem Aktivieren des Wechselrichters 2 wahlweise das Relais 23 oder ein Relais 26, das über einen Widerstand 27 die andere Leitung 13 mit Potentialerde PE verbindet, und misst dabei die zwischen den Leitungen 13 und 14 und Potentialerde PE abfallenden Spannungen mit Voltmetern 28 und 29. Die Differenz dieser Spannungen ist die Ausgangsspannung U_PV des Photovoltaikgenerators 3. Direkt mit den Voltmetern 28 und 29 wird der Spannungsabfall über der Parallelschaltung des Isolationswiderstands Riso+ und – soweit zugeschaltet – des Widerstands 27 bzw. des Isolationswiderstands Riso– und des Widerstands 24 gemessen. Bei im Vergleich zu dem Isolationswiderstand kleinem Widerstand 24 bzw. 27 entspricht dieser Spannungsabfall dem Strom durch den Widerstand 24 bzw. 27, woraus sich dann der Isolationswiderstand Riso+ bzw. Riso– der jeweils anderen Leitung 13 bzw. 14 ergibt.
Beim erfindungsgemäßen Zuschalten des Wechselrichters 2 wird jedoch das Relais 23 geschlossen, um die Leitung 14 über den Widerstand 24 zu erden und damit auf ein Potential nahe Potentialerde PE zu bringen. Damit erfährt der Potentialmittelpunkt des DC-Eingangs 15 und auch des AC-Ausgangs 8 des Wechselrichters 2 eine Verschiebung gegenüber Potentialerde von aufgrund des Spannungsabfalls über dem Widerstand 24 etwas weniger als der halben Zwischenkreisspannung U_DCL und nähert sich damit sehr gut der auf die halbe Ausgangsspannung U_PV des Photovoltaikgenerators 3 angepassten Offsetspannung U_offset an. Wenn jetzt das Relais 12 zum Zuschalten des synchronisierten Wechselrichters 2 zu dem Transformator 5 geschlossen wird, treten keine hohen Spannungen über den Schaltkontakten des Relais 12 auf, und alle resultierenden Effekte, die die Lebensdauer des Relais 12 vermindern, werden vermieden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Zuschaltung des Wechselrichters 2 zum internen Wechselstromnetz auf der Primärseite des Transformators 5 unmittelbar nach dem erneuten Öffnen des Relais 23 und damit unmittelbar nach dem Trennen der Verbindung zwischen der Leitung 14 und Potentialerde PE. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass eine Änderung des verschobenen Potentialmittelpunktes nach dem Öffnen des Relais 23 aufgrund der hohen Isolationswiderstände Riso+, Riso– und der damit verbundenen niedrigen Ausgleichsströme nur relativ langsam erfolgen kann. Erfolgt das Zuschalten des Wechselrichters 2 zum internen Wechselstromnetz durch ein Schließen des Relais 12 kurz, insbesondere unmittelbar nach dem Öffnen des Relais 23, so ist die ursprünglich erzeugte Verschiebung des Potentialmittelpunktes zum Zeitpunkt des Zuschaltens immer noch in ausreichend hohem Maße präsent.
Durch geschlossen Halten des Relais 23 kann im Übrigen die Leitung 14 und damit der negative Pol des Photovoltaikgenerators auch grundsätzlich geerdet werden, bevor der Wechselrichter 2 in Betrieb genommen wird und/oder durch Schließen des Relais 12 dem Wechselstromnetz 4 zugeschaltet wird, um alle Module des Photovoltaikgenerators 3 im Leerlaufbetrieb, in dem die Offsetspannung U_offset nicht zur Verfügung steht, so weit möglich auf ein positives Potential gegenüber Potentialerde PE anzuheben.
Von dem Bestandteil des Solarkraftwerks 1 gemäß 1 sind üblicherweise der Hochsetzsteller 16, der Gleichspannungszwischenkreis 20, der Wechselrichter 2, die Einrichtung 25 und das Relais 12 in einem Wechselrichtergehäuse angeordnet. Die Gleichspannungsquelle 22 und der Transformator 5 sind dann in einem Transformatorgehäuse angeordnet, an das im Allgemeinen mehrere Wechselrichtergehäuse angeschlossen sind.
In 2 ist ein Solarkraftwerk 1 mit weniger Details als in 1 illustriert, wobei im Folgenden nur auf die relevanten Unterschiede zu dem Aufbau gemäß 1 eingegangen wird. Die Primärwicklung 6 des Transformators 5, über den der Wechselrichter 2 an das externe Wechselstromnetz 4 angeschlossen ist, ist in Dreipunktschaltung ohne Mittelpunkt vorgesehen. Die Offsetspannung U_offset wird hier gegenüber dem Mittelpunkt 31 eines Spannungsteilers 32 im DC-Eingang 15 des Wechselrichters 2 aufgebracht. Der Spannungsteiler 32 ist aus zwei in Reihe geschalteten gleich großen Pufferkondensatoren 21 aufgebaut. Es ist bekannt, dass entsprechende Pufferkondensatoren 21, obwohl gleich hergestellt, trotzdem voneinander abweichende Leckströme aufweisen können. Dies ist zum Beispiel insbesondere bei Elektrolytkondensatoren der Fall. Unterschiedlich starke Leckströme führen zu einer ungewünschten Verzerrung des Spannungsteilers. Daher empfiehlt es sich in der Realität, die Reihenschaltung der ansonst gleichartigen Pufferkondensatoren 21 über eine parallele Reihenschaltung von gleich großen Widerständen 33 zu symmetrisieren. Hierbei sind die Mittelpunkte der Reihenschaltung der Widerstände 33 und der Reihenschaltung der Pufferkondensatoren 21 über den Mittelpunkt 31 miteinander verbunden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Spannungsteiler 32 den wesentlichen Teil der Eingangskapazität des Wechselrichters 2 ausbildet. In diesem Fall entspricht der Mittelpunkt 31 dem Potentialmittelpunkt des Photovoltaikgenerators 3. Gleichfalls liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Spannungsteiler 32 den wesentlichen Teil des Gleichspannungszwischenkreises 20 des Wechselrichters 2 darstellt und der Mittelpunkt 31 daher dem Potentialmittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises 20 des Wechselrichters 2 entspricht.
Zum Angleichen des Potentialmittelpunkts des AC-Ausgangs 8 des Wechselrichters 2 vor dem Schließen des Relais 12 zum Zuschalten des Wechselrichters 2 zu dem internen Wechselstromnetz mit den Phasen L1, L2 und L3 wird die Offsetspannung U_offset reduziert bzw. erst nach dem Schließen des Relais 12 auf einen Wert in der Größenordnung der halben Zwischenkreisspannung U_DCL des Gleichspannungszwischenkreises 20 des Wechselrichters 2 angehoben.
Obwohl in 2 nur ein Wechselrichter 2 aufgezeigt ist, ist auch eine Parallelschaltung von mehreren Wechselrichtern 2 innerhalb des Solarkraftwerkes 1 möglich. Zur Verschiebung der Potentialmittelpunkte der Photovoltaikgeneratoren 3 aller parallelgeschalteten Wechselrichter 2 ist jedoch eine einzige Gleichspannungsquelle 22 ausreichend, die – wie dargestellt – zwischen dem Mittelpunkt 31 eines einzelnen Wechselrichters 2 und Potentialerde geschaltet ist. Die generatornahe Verschiebung des Potentialmittelpunktes an dem einzelnen Wechselrichter 2 bewirkt auch eine gleichgerichtete Verschiebung des Potentialmittelpunktes an seinem AC-Ausgang 8.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Parallelschaltung von mehreren Wechselrichter 2 direkt am AC-Ausgang 8 der Wechselrichter 2, also zwischen AC-Ausgang 8 und dem Relais 12. In diesem Fall wirkt die Potentialverschiebung am AC-Ausgang 8 des einzelnen Wechselrichters 2 auf alle anderen Wechselrichter 2 und die ihnen zugeordneten Photovoltaikgeneratoren 3 zurück. In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, ein zentrales Relais 12 zum gemeinsamen Zuschalten aller parallelgeschalteten Wechselrichter 2 zu dem internen Wechselstromnetz mit den Phasen L1, L2 und L3 zu nutzen. Dieses zentrale Relais 12 muss nicht notwendigerweise Bestandteil eines Wechselrichtergehäuses sein, sondern kann durchaus in Form eines separaten Bauteiles in einem gesonderten Gehäuse vorliegen.
Auch bei der Ausführungsform des Solarkraftwerks 1 gemäß 1 kann vor dem Schließen des Relais 12 die Offsetspannung U_offset der Gleichspannungsquelle 22 zu dem Zweck reduziert werden, die Spannungen über den Schaltkontakten beim Schließen des Relais 12 zu reduzieren.
Bezugszeichenliste

1: Solarkraftwerk
2: Wechselrichter
3: Photovoltaikgenerator
4: Wechselstromnetz
5: Transformator
6: Primärwicklung
7: Leitung
8: AC-Ausgang
9: Leitung
10: Leitung
11: Leitung
12: Relais
13: Leitung
14: Leitung
15: DC-Eingang
16: Hochsetzsteller
17: Speicherdrossel
18: Gleichrichterdiode
19: Schalter
20: Gleichspannungszwischenkreis
21: Pufferkondensator
22: Gleichspannungsquelle
23: Relais
24: Widerstand
25: Einrichtung
26: Relais
27: Widerstand
28: Voltmeter
29: Voltmeter
30: Bypassdiode
31: Mittelpunkt
32: Spannungsteiler
33: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2136449 B1 [0005, 0007, 0007]
EP 2242160 A1 [0007]
WO 2010/051812 A1 [0008, 0008]
DE 102006022686 A1 [0009]
EP 2228893 A2 [0010]

Claims

Verfahren zum Zuschalten eines AC-Ausgangs (8) eines transformatorlosen Wechselrichters (2) eines Solarkraftwerks (1) zu einem auf einer Seite einer galvanischen Trennung vorliegenden internen Wechselstromnetz, wobei mindestens ein Photovoltaikgenerator (3) an einen DC-Eingang (15) des Wechselrichters (2) angeschlossen ist, wobei an der anderen Seite der galvanischen Trennung ein externes Wechselstromnetz (4) anliegt und wobei eine Offsetspannung (U_offset) zum Verschieben eines Potentialmittelpunkts des Photovoltaikgenerators (3) gegenüber Potentialerde (PE) vorgesehen ist, mit den Schritten: – Synchronisieren des Wechselrichters (2) mit dem internen Wechselstromnetz und – galvanisch Verbinden aller bis dahin getrennten stromführenden Leitungen (9–11) des AC-Ausgangs (8) des synchronisierten Wechselrichters (2) mit dem internen Wechselstromnetz, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt des galvanisch Verbindens ausgeführten Schritt: – Angleichen eines Potentialmittelpunkts der stromführenden Leitungen (9–11) des AC-Ausgangs (8) des Wechselrichters (2) und eines Potentialmittelpunkts des internen Wechselstromnetzes, von denen vor dem Schritt des galvanisch Verbindens nur einer von der anliegenden Offsetspannung (U_offset) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Angleichens die Offsetspannung (U_offset) auf einen gegenüber einer halben Zwischenkreisspannung (U_DCL) eines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises (20) des Wechselrichters (2) um mindestens 50 %, vorzugsweise um mindestens 75 % und am meisten bevorzugt um mindestens 90 % reduzierten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetspannung (U_offset) erst nach dem Schritt des galvanisch Verbindens hochgefahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Angleichens der Potentialmittelpunkt der stromführenden Leitungen (9–11) des AC-Ausgangs (8) des Wechselrichters (2) oder des internen Wechselstromnetzes, der vor dem Schritt des galvanisch Verbindens nicht von der anliegenden Offsetspannung (U_offset) verschoben wird, vor dem Schritt des galvanisch Verbindens in Richtung der Offsetspannung (U_offset) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Angleichens der Potentialmittelpunkt des AC-Ausgangs (8) des Wechselrichters (2), der vor dem Schritt des galvanisch Verbindens nicht von der anliegenden Offsetspannung (U_offset) verschoben wird, vor dem Schritt des galvanisch Verbindens durch Erden einer stromführenden Leitung (13, 14) des DC-Eingangs (15) des Wechselrichters (2) in Richtung der Offsetspannung (U_offset) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erden durch Schließen eines in einer Erdschlussleitung mit einem Widerstand (24, 27) in Reihe geschalteten Relais (23, 26) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des galvanisch Verbindens das Relais (23, 26) wieder geöffnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (23, 26) und der Widerstand (24, 27) Teil einer Einrichtung (25) zum Messen des Isolationswiderstands der stromführenden Leitungen (13, 14) des DC-Eingangs (15) des Wechselrichters (2) sind.