DE102013103753A1

DE102013103753A1 - Photovolatische energieerzeugungsanlage und verfahren zum betreiben einer pv-anlage

Info

Publication number: DE102013103753A1
Application number: DE102013103753A
Authority: DE
Inventors: Andreas Falk; Gerold Schulze; Volker Bergs
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US20130271888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage mit mindestens einem Wechselrichter (41), der über ein AC-Trennorgan (51) und mindestens einen Transformator (60) zum Einspeisen von elektrischer Leistung mit einem Energieversorgungsnetz (70) gekoppelt ist. Die PV-Anlage umfasst weiterhin mindestens einen mit dem Wechselrichter (41) verbundenen PV-Teilgenerator (10) und zeichnet sich dadurch aus, dass eine Schutzeinrichtung eine eingangsseitige Schutzeinrichtung (12) mit einem dem PV-Teilgenerator (10) zugeordneten DC-Kurzschlussschalter (13) zum Kurzschließen des PV-Teilgenerators (10) und einen in Energieflussrichtung beim Einspeisen nachgeschalteten Rückstromschutz (14), sowie eine ausgangsseitige Schutzeinrichtung mit einem in Energieflussrichtung vor dem AC-Trennorgan (51) angeordneten AC-Kurzschlussschalter (52) aufweist. Die Anlage ist im Fehlerfall dazu eingerichtet, sich durch ein Kurzschließen des PV-Teilgenerators (10) mittels der eingangsseitigen Schutzeinrichtung (12) und ein Betätigen des AC-Kurzschlussschalters (52) mit anschließender Öffnung des AC-Trennorgans (51) von dem Energieversorgungsnetz (70) zu trennen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren für eine PV-Anlage im Fehlerfall, insbesondere bei Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der PV-Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Energieerzeugungsanlage (PV-Anlage) mit mindestens einem Wechselrichter und mindestens einem nachgeschalteten Transformator, der zum Einspeisen von elektrischer Leistung über ein Wechselspannungs (AC, Alternating Current)-Trennorgan mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Die PV-Anlage umfasst mindestens einen PV-Teilgenerator, der jeweils mindestens einen PV-String aufweist und der über DC-Leitungen mit einem DC-Anschlussbereich des mindestens einen Wechselrichters verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage im Fehlerfall, insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der PV-Anlage.
Bei größeren PV-Anlagen, insbesondere Freilandanlagen, ist üblicherweise ein Einspeisen der erzeugten elektrischen Leistung unmittelbar in ein Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz, im Folgenden Mittelspannungsnetz genannt, vorgesehen. Das Mittelspannungsnetz kann beispielsweise ein 20 Kilovolt (kV)-Netz sein. Solche Freilandanlagen weisen in der Regel eine Vielzahl von PV-Modulen auf, von denen jeweils mehrere zu sogenannten PV-Strings serienverschaltet sind. Häufig werden mehrere der PV-Strings parallel geschaltet, wobei die Gruppe der in dieser Parallelschaltung von PV-Strings enthaltenen PV-Module eine abgeschlossene Generatoreinheit bildet, die im Folgenden auch als PV-Teilgenerator bezeichnet wird.
Bei größeren Freilandanlagen sind üblicherweise zentral oder auch verteilt an mehreren Stellen innerhalb der PV-Anlage positionierte Wechselrichter vorgesehen. Insbesondere Wechselrichter für höhere Leistungen lassen sich in drei Bereiche untergliedern, einen Gleichstrom (DC; Direct Current)-Anschlussbereich, einen Leistungsteil, der einen oder mehrere DC/AC-Wandler umfasst, und einen AC-Anschlussbereich. Wechselstromseitig sind die Wechselrichter über ein AC-Trennorgan, das z.B. von einem Schalt- und/oder Schutzorgan gebildet werden kann, mit einem Transformator verbunden. Dabei kann für jeden Wechselrichter ein Transformator vorgesehen sein, oder es können mehrere Wechselrichter mit einem Transformator, gegebenenfalls über separate Primärwicklungen, verbunden sein.
Ein solcher Systemaufbau einer PV-Anlage ist beispielsweise aus dem Artikel „Electrical Fault Protection for Large Photovoltaic Power Plant Inverter", D.E. Collier und T.S. Key, Photovoltaic Specialists Conference, IEEE Conference Record, 1988, bekannt. Beim Vorliegen verschiedener Fehlerfälle, die zu einer Zerstörung von Teilen der PV-Anlage führen könnten, wird zum einen das AC-Trennorgan geöffnet, um die PV-Anlage vom Mittelspannungsnetz abzutrennen. Zum anderen ist im DC-Anschlussbereich mindestens ein DC-Trennorgan vorgesehen, das im Fehlerfall ebenfalls geöffnet wird und so den PV-Generator vom Leistungsteil des Wechselrichters abtrennt.
Mit steigender Leistung des oder der Wechselrichter und damit einhergehender größerer Kurzschlussleistung des Energieversorgungsnetzes in Verbindung mit kleineren Induktivitäten leistungsfähiger Transformatoren steigen mögliche Kurzschlussströme innerhalb des Wechselrichters oder anderer Anlagenteile an, falls ein Fehler innerhalb der PV-Anlage vorliegt. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise in einem Kurzschluss zwischen den DC-Leitungen, die die PV-Teilgeneratoren mit dem DC-Anschlussbereich des Wechselrichters verbinden, liegen. Weiterhin können Kurzschlüsse innerhalb des DC-Anschlussbereichs auftreten oder auch durch einen defekten Halbleiter innerhalb eines der DC/AC-Wandler im Leistungsteil des Wechselrichters hervorgerufen werden. In all diesen Fällen können Ströme von nicht betroffenen PV-Teilgeneratoren oder auch Ströme, die vom Energieversorgungsnetz über die Wechselspannungsseite über im Wechselrichter vorhandene Freilaufdioden in die PV-Anlage fließen, eine Zerstörung der PV-Teilgeneratoren und/oder Komponenten des Wechselrichters zur Folge haben. Aufgrund der zunehmend hohen gleichstromseitigen und wechselstromseitigen Ströme, die im Fehlerfall bei immer weiter wachsenden Anlagengröße fließen können, reicht die Zeit, die bis zum Öffnen der relativ trägen AC-Trennorgane vergeht, unter Umständen nicht aus, um die Komponenten des Wechselrichters und der PV-Teilgeneratoren vor Zerstörung zu schützen. In der Regel werden die Fehlerfolgen von Fehlern auf der DC-Seite durch Sicherungen im DC Anschlussbereich begrenzt. Solche Sicherungen befinden sich in den Abgängen jedes PV-Teilgenerators. Solche Sicherungen sind jedoch teuer und verursachen Leistungsverluste.
Die Druckschrift DE 10 2009 038 209 A1 beschreibt eine Wechselstrom-Niederspannungsanlage, insbesondere eine Windkraftanlage, bei der Energie eines Generators über Spannungswandler und einen Mittelspannungstransformator in ein Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Dabei ist zwischen dem Spannungswandler und dem Mittelspannungstransformator ein Kurzschlussschalter angeordnet, um bei einem generatorseitig aufgetretenen Fehlerfall, z.B. einem Lichtbogen oder einem Kurzschluss, durch das Energieversorgungsnetz gespeiste Überströme auf der generatorseitigen Niederspannungsseite zu verhindern. Dadurch kann auf der Niederspannungsseite auf Schutzorgane verzichtet werden. Eine solche Anordnung würde bei PV-Anlage jedoch nicht vor solchen Überströmen schützen, die von nicht vom Fehlerfall betroffenen PV-Teilgeneratoren herrühren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PV-Anlage der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren für eine derartige PV-Anlage anzugeben, bei denen Komponenten der PV-Anlage im Fehlerfall zuverlässig geschützt sind.
Diese Aufgabe wird durch eine PV-Anlage bzw. ein Betriebsverfahren mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Eine erfindungsgemäße PV-Anlage der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass als Schutzeinrichtung eingangsseitig dem mindestens einen PV-Teilgenerator ein DC-Kurzschlussschalter zum Kurzschließen des PV-Teilgenerators und ein in Energieflussrichtung beim Einspeisen nachgeschalteter Rückstromschutz vorgesehen sind und dass ausgangsseitig in der Energieflussrichtung vor dem AC-Trennorgan ein AC-Kurzschlussschalter angeordnet ist. Die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Teile der Schutzreinrichtung arbeiten im Fehlerfall der PV-Anlage derart zusammen, dass durch ein Kurzschließen des PV-Teilgenerators mittels der eingangsseitigen Schutzeinrichtung und ein Betätigen des AC-Kurzschlussschalters mit anschließender Öffnung des AC-Trennorgans die PV-Anlage von einem Energieerzeugungsnetz getrennt wird.
Durch ein Schließen der DC-Kurzschlussschalter bei dem PV-Teilgenerator können gleichstromseitig z.B. durch weitere PV-Teilgeneratoren eingebrachte Ströme im Fehlerfall unterbunden werden. Die PV-Strings und die in diesen angeordneten PV-Module werden durch den herbeigeführten Kurzschluss durch die DC-Kurzschlussschalter nicht überlastet, da sie für diesen Kurzschlussstrom ausgelegt sind und der Kurzschlussfall einen zulässigen Arbeitspunkt auf ihrer Strom-/Spannungskennlinie darstellt. Durch den Rückstromschutz wird verhindert, dass hohen Rückströme aus noch nicht kurzgeschlossenen weiteren PV-Teilgeneratoren oder von dem Wechselrichter her in den DC-Kurzschlussschalter fließen könnten. Durch ein Schließen des AC-Kurzschlussschalters kann verhindert werden, dass in dem Zeitraum, in dem das AC-Trennorgan noch nicht geöffnet hat, Strom in nennenswerter, insbesondere in einer die Komponenten der Anlage schädigenden, Größenordnung aus dem Energieversorgungsnetz über den Transformator in den Wechselrichter fließen kann. Dabei wird ausgenutzt, dass sich mit AC-Kurzschlussschaltern eine kürzere Schaltzeit erreichen lässt als mit AC-Trennorganen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist der DC-Kurzschlussschalter ein Halbleiterschalter und der Rückstromschutz eine Rückstromdiode. Bevorzugt sind der Halbleiterschalter und der Rückstromschutz Komponenten eines dem PV-Teilgenerator zugeordneten Hochsetzstellers. Eine derartig ausgebildete Schutzeinrichtung kann im Betrieb der PV-Anlage als Hochsetzsteller fungieren. Dadurch lassen sich höhere Spannungen auf den DC-Leitungen realisieren und entsprechend ohmsche Verluste in diesen DC-Leitungen verringern. Bei Auslegung der PV-Anlage kann dieses insofern berücksichtigt werden, als dass DC-Leitungen mit geringerem Querschnitt und damit einer einhergehenden Material- und damit Kostenersparnis eingesetzt werden können.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer PV-Anlage werden im Fehlerfall, insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der PV-Anlage, die folgenden Schritte ausgeführt: Es werden PV-Teilgeneratoren durch entsprechend zugeordnete DC-Kurzschlusseinrichtungen kurzgeschlossen. Weiter wird ein Wechselstromausgangs von mindestens einem DC/AC-Wandler eines Wechselrichters durch einen AC-Kurzschlussschalter kurzgeschlossen und anschließend der Wechselstromausgang von einem Energieversorgungsnetz entkoppelt. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der erfindungsgemäßen PV-Anlage. In einer Ausführungsvariante der Erfindung erfolgt der Kurzschluss der PV-Teilgeneratoren vor dem Kurzschließen des Wechselstromausganges, wodurch der Energiezufluss zum Wechselrichter möglichst frühzeitig unterbrochen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der PV-Anlage und des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage in einem Blockschaltbild;
2 ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer PV-Anlage und
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer PV-Anlage in einem Blockschaltbild.
1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein erstes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage. Die PV-Anlage weist mehrere PV-Teilgeneratoren 10 auf, von denen in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einer dargestellt ist.
Der PV-Teilgenerator 10 ist über Gleichstromleitungen (DC-Leitungen) 20 mit einem Wechselrichter verbunden, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein sogenannter Zentralwechselrichter ausgebildet ist. Die Bezeichnung Zentralwechselrichter ist nicht in der Weise einschränkend zu verstehen, dass es sich nur um einen einzigen, geometrisch zentral innerhalb der PV-Anlage angeordneten Wechselrichter handeln darf. Es können durchaus mehrere dieser Zentralwechselrichter innerhalb der PV-Anlage vorgesehen sein, die auch im Bereich des Rands der Anlage positioniert sein können. Der Zentralwechselrichter ist jedoch in dem Sinne zentral, dass nicht für jeden PV-Teilgenerator ein eigener Wechselrichter vorgesehen ist, wie dieses bei kleineren Anlagenkonzepten häufig der Fall ist. Der im Folgenden näher erläuterte anmeldungsgemäße Aufbau einer PV-Anlage kann auch mit Wechselrichtern umgesetzt werden, denen jeweils nur ein PV-Teilgenerator zugeordnet ist.
Der Zentralwechselrichter weist drei Bereiche auf, einen DC-Anschlussbereich 30, einen Leistungsteil 40 und einen AC-Anschlussbereich 50. Über den DC-Anschlussbereich 30 ist der Zentralwechselrichter mit dem dargestellten PV-Teilgenerator 10 sowie den weiteren, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht wiedergegebenen PV-Teilgeneratoren verbunden. Über den AC-Anschlussbereich 50 ist der Zentralwechselrichter über einen Transformator 60 an ein Energieversorgungsnetz 70, beispielsweise ein Mittelspannungsnetz, angekoppelt. Das Energieversorgungsnetz 70 ist ebenso wie der Transformator 60, der Leistungsteil 40 und der AC-Anschlussbereich 50 dreiphasig ausgelegt. Der Transformator 60 kann auch einphasig ausgeführt sein. Bei einem Transformator mit Sternschaltung auf der Unterspannungsseite kann zusätzlich ein Neutralleiter im Anschlussbereich des Wechselrichters verbunden sein. Dieser Neutralleiter kann im Fehlerfall geschaltet werden oder nicht geschaltet werden. Der Neutralleiter kann mit einem Erdungsanschluss verbunden sein. Für ein Energieversorgungsnetz, das eine andere Anzahl an Phasen aufweist, ist es selbstverständlich möglich, die anmeldungsgemäße PV-Anlage entsprechend anzupassen.
Der PV-Teilgenerator 10 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von parallel geschalteter PV-Strings 11, die jeweils in bekannter Weise von einer Mehrzahl von serienverschalteten PV-Modulen gebildet werden. Die Darstellung der PV-Strings 11 in der 1 durch das Zeichen einer einzelnen PV-Zelle ist in diesem Sinne symbolisch zu verstehen. Dabei kann jedem der PV-Strings eine sogenannte Strangsicherung in Serie geschaltet sein.
Dem PV-Teilgenerator 10 ist zwischen den Ausgängen der PV-Strings 11 ein DC-Kurzschlussschalter 13 als Teil einer Schutzeinrichtung 12 zugeordnet. Die Schutzeinrichtung 12 ist dabei bevorzugt räumlich benachbart zu den PV-Strings 11 angeordnet. Der DC-Kurzschlussschalter 13 weist eine hohe Stromanstiegsrate und entsprechend hohe Schaltgeschwindigkeit im Bereich von wenigen Millisekunden (ms) auf.
In Energieflussrichtung (bei der Einspeisung) gesehen hinter diesem DC-Kurzschlussschalter 13 ist ein Rückstromschutz, hier realisiert durch eine Rückstromdiode 14, und optional ein ein- oder zweipoliger DC-Trennschalter 15 angeordnet. Die Rückstromdiode 14 kann wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 exklusiv als Rückstromdiode dienen, oder auch in erweiterter Funktion als Bestandteil eines DC/DC-Wandlers ausgeführt sein, wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 2 näher erläutert wird. Auch der DC-Trennschalter 15 kann bei geeigneter Betätigung als Rückstromschutz eingesetzt werden. Von den Anschlüssen des DC-Trennschalters 15 ist der PV-Teilgenerator 10 dann über die DC-Leitungen 20 mit dem entfernten Zentralwechselrichter verbunden.
Die DC-Leitungen 20 kontaktieren den Zentralwechselrichter im DC-Anschlussbereich 30. Dieser stellt ggf. kaskadierte DC-Sammelschienen 31 bereit, über die alle in der PV-Anlage vorgesehenen PV-Teilgeneratoren 10 letztlich parallel geschaltet sind. Die DC-Sammelschienen 31 verbinden dabei jeweils mehrere der PV-Teilgeneratoren 10. Zur Überwachung der Einstrahlungsverhältnisse und ggf. Steuerung der PV-Anlage sind zudem optional Messstellen 34, beispielsweise zur Strommessung, vorgesehen.
Weiterhin sind in der 1 Einbauplätze 32 für Schutzorgane und Einbauplätze 33 für DC-Schaltorgane eingezeichnet. Wie im Folgenden näher erläutert wird, sind diese Einbauplätze 32, 33 für einen Systemaufbau einer PV-Anlage nach dem Stand der Technik relevant. Bei einer anmeldungsgemäßen PV-Anlage können die vorgesehenen Sicherungsorgane bzw. DC-Trennorgane entfallen und sind z.B. durch Leitungsbrücken ersetzt.
Im Leistungsteil 40 des Zentralwechselrichters sind ein oder mehrere DC/AC-Wandler 41 angeordnet, von denen hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei dargestellt sind. Gleichstromseitig kontaktieren die DC/AC-Wandler 41 die DC-Sammelschienen 31 aus dem DC-Anschlussbereich 30. Wechselstromseitig ist den DC/AC-Wandlern 41 eine Filteranordnung 42 zur Formung einer möglichst sinusförmigen Ausgangsspannung nachgeschaltet. Die Filteranordnung 42 umfasst im dargestellten Beispiel exemplarisch miteinander gekoppelte Induktivitäten sowie Kapazitäten in einer Dreiecksanordnung. Die Filteranordnung 42 wird wegen ihrer Funktion häufig auch als Sinusfilter bezeichnet.
Die (vorliegenden) drei Wechselstromausgänge des Leistungsteils 40 werden im AC-Anschlussbereich 50 über ein dort vorgesehenes AC-Trennorgan 51 zum Transformator 60 geführt. Das AC-Trennorgan 51 kann beispielsweise ein Schütz, ein Leistungsschalter, ein Lasttrennschalter sein oder auch aus einer oder mehrerer Sicherungen oder einer Kombination dieser Elemente bestehen.
Weiterhin weist der AC-Anschlussbereich 50 einen AC-Kurzschlussschalter 52 auf, der dazu ausgelegt ist, bei Aktivierung die drei Ausgänge des Leistungsteils 40 in Einspeise-Energieflussrichtung gesehen vor dem AC-Trennorgan 51 miteinander kurzzuschließen. Der AC-Kurzschlussschalter 52 ist in der Figur symbolhaft als ein mechanischer Schalter wiedergegeben. In einer Umsetzung der PV-Anlage ist der AC-Kurzschlussschalter 52 bevorzugt ein Halbleiterschalter, um möglichst kurze Schaltzeiten zu gewährleisten. Der AC-Kurzschlussschalter 52 zeichnet sich dadurch aus, dass er innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums (z.B. innerhalb einer Milisekunde) geschlossen werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der AC-Kurzschlussschalter 52 zwischen der Filteranordnung 42 und dem AC-Trennorgan 51 angeordnet.
Gemäß einem anmeldungsgemäßen Betriebsverfahren ist beim Auftreten eines Fehlerfalls innerhalb der PV-Anlage vorgesehen, sowohl den wechselspannungsseitigen AC-Kurzschlussschalter 52 als auch die gleichstromseitigen DC-Kurzschlussschalter 13 der PV-Teilgeneratoren 10 zu schließen. Der Fehlerfall kann dabei selbsttätig von einer entsprechenden Überwachungseinrichtung erkannt werden und das Schließen des AC-Kurzschlussschalters 52 und der DC-Kurzschlussschalter 13 angesteuert von dieser Überwachungsvorrichtung erfolgen. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein manuelles Auslösen des AC-Kurzschlussschalters 52 und der DC-Kurzschlussschalter 13 vorgesehen sein.
Gleichzeitig oder zeitnah mit dem Schließen des AC-Kurzschlussschalters 52 und der DC-Kurzschlussschalter 13 öffnet das AC-Trennorgan 51. Wenn das AC-Trennorgan 51 Sicherungen im Strompfad aufweist, trennen diese prinzipiell selbsttätig durch den hohen fließenden Kurzschlussstrom. Da jedoch nicht unbedingt die Sicherungen aller Phasen auslösen, ist in dem Fall üblicherweise zusätzlich ein Schaltorgan als Teil des AC-Trennorgans 51 vorgesehen. Alternativ kann das AC-Trennorgan 51 durch einen Leistungsschalter gebildet sein, der selbstständig oder angesteuert im Kurzschlussfall allpolig trennt.
Ein Fehlerfall kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Kurzschluss zwischen zwei DC-Leitungen 20 auf dem Weg zwischen einem PV-Teilgenerator 10 und dem DC-Anschlussbereich 30 auftritt. Ein solcher Kurzschluss führt zu hohen Strömen in die Kurzschlussstelle. Dabei ist der Strom des unmittelbar betroffenen PV-Teilgenerators 10 unkritisch, da die DC-Leitungen 20 für diesen Strom ausgelegt sind. Kritischer ist jedoch, dass über den DC-Anschlussbereich 30 alle weiteren PV-Teilgeneratoren 10 ebenfalls zum Kurzschlussstrom beitragen. Zudem kann über den Leistungsteil 40 des Zentralwechselrichters ein zusätzlicher Kurzschlussstrombeitrag aus dem Energieversorgungsnetz 70 in die Kurzschlussstelle fließen. In Summe kann dieses zur Überlastung der DC-Leitungen 20 und damit zum Entstehen von Bränden führen oder auch zu einer Überlastung und/oder einer Zerstörung von Halbleiterschaltern oder von Freilaufdioden z.B. in den DC/AC-Wandlern 41 oder weiterer Elemente/Bauteile, die nicht dazu ausgelegt sind, einen solch hohen Strom zu tragen, führen. Dabei kann eine Zerstörung Folge von zu hoher Verlustwärme sein oder auch Folge von zu hohen mit dem Strom einhergehenden elektromagnetischen Kräften. In gleicher Weise kann ein Kurzschluss, der durch einen aus anderen Gründen defekten Halbleiterschalter in einem der DC/AC-Wandler 41 besteht, zur Zerstörung weiterer Halbleiterschalter durch Ströme der PV-Teilgeneratoren 10 und Ströme aus dem Energieversorgungsnetz 70 führen.
Durch das anmeldungsgemäße Schließen der DC-Kurzschlussschalter 13 in allen PV-Teilgeneratoren 10 werden gleichstromseitig eingebrachte Ströme im Kurzschlussfall unterbunden. Die PV-Strings 11 und die in diesen angeordneten PV-Module werden durch den herbeigeführten Kurzschluss durch die DC-Kurzschlussschalter 13 nicht überlastet, da sie für diesen Kurzschlussstrom ausgelegt sind und der Kurzschlussfall einen zulässigen Arbeitspunkt auf ihrer Strom-/Spannungskennlinie darstellt. Die Rückstromdiode 14 schützt dabei den DC-Kurzschlussschalter 13 und die PV-Module in den PV-Strings 11 vor hohen Rückströmen, die andernfalls durch weitere PV-Teilgeneratoren 10 oder aus dem Leistungsteil 40 in den DC-Anschlussbereich 30 fließen könnten.
Das Betätigen des AC-Kurzschlussschalters 52 verhindert, dass Strom in nennenswerter Größenordnung aus dem Energieversorgungsnetz 70 über den Transformator 60 und das (noch) geschlossene AC-Trennorgan 51 in den Leistungsteil 40 des Zentralwechselrichters fließen kann. Die wechselstromseitig hervorgerufene Kurzschlusssituation stellt keinen dauerhaft tolerierbaren Betriebszustand dar, da das Energieversorgungsnetz 70, der Transformator 60 und auch der Kurzschlussschalter 52 durch den Kurzschlussfall über ein dauerhaft tolerierbares Maß belastet werden. Der Kurzschlussfall ist jedoch auch nur temporär vorgesehen, da zeitgleich oder zeitnah mit dem Ansteuern des AC-Kurzschlussschalters 52 auch das Öffnen des AC-Trennorgans 51 eingeleitet wird. Dieses öffnet entsprechend seiner inhärenten Verzögerungszeit nach typischerweise einigen zehn bis einigen hundert Millisekunden. Zudem ist für den Zeitraum, in dem der AC-Kurzschlussschalter 52 bereits geschaltet hat, das AC-Trennorgan 51 aber noch nicht geöffnet hat, der Kurzschlussstrom durch die Übertragungseigenschaften des Transformators 60 limitiert.
Anmeldungsgemäß wird ausgenutzt, dass sich ein Kurzschluss über Halbleiterschalter schneller realisieren lässt, als ein auftrennen der Wechselstromleitung. Grund ist, dass verbindende und Energie weiterleitende Elemente wie das AC-Trennorgan 51 auf mechanischen Schaltern beruhen, um Leitungsverluste zu minimieren. Bei den Anforderungen im Hinblick auf die zu schaltenden Ströme und Spannungen weisen die mechanischen Schalter unumgänglich relativ hohe bewegte Massen auf, die zu der genannten inhärenten Schaltverzögerung führen.
Durch den Einsatz der DC-Kurzschlussschalter 13 und des AC-Kurzschlussschalters 52 können die im Stand der Technik eingesetzten Sicherungsorgane und Trennorgane im DC-Anschlussbereich 30 entfallen und eine in diesem Sinne unmittelbare Verbindung der PV-Teilgeneratoren 10 mit den DC-Eingängen der DC/AC-Wandler 41 vorgenommen werden. Die gemäß dem Stand der Technik an den in 1 wiedergegebenen Einbauplätzen 32 vorgesehenen Sicherungsorgane, beispielsweise Schmelzsicherung, sowie die an den Einbauplätzen 33 gemäß dem Stand der Technik vorgesehenen DC-Trennschalter können entfallen, wodurch eine Materialeinsparung möglich wird, die den zusätzlichen Materialaufwand durch die DC-Kurzschlussschalter 13 sowie den AC-Kurzschlussschalter 52 ausgleicht oder gar überkompensiert.
Zudem wird durch die DC-Kurzschlussschalter 13 ermöglicht, dass die DC-Trennschalter 15 der PV-Teilgeneratoren 10 nur stromlos betätigt werden. Es können daher als DC-Trennschalter 15 Schalterbauformen eingesetzt werden, die nicht für ein Schalten unter Last ausgelegt sein müssen und die beispielsweise keine zusätzlichen Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung aufzuweisen brauchen. In einer alternativen Ausgestaltung der PV-Teilgeneratoren 10 kann der DC-Trennschalter 15 auch entfallen.
In der 2 sind in Form eines Blockschaltbildes ein PV-Teilgenerator und eine zugeordnete Schutzeinrichtung dargestellt, die beispielsweise im Zusammenhang mit der in 1 dargestellten PV-Anlage eingesetzt werden können. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in der 2 gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 1.
Bezüglich des Aufbaus des PV-Teilgenerators 10 wird auf die Ausführung zu 1 verwiesen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 ist bei der 2 der DC-Kurzschlussschalter 13 der Schutzeinrichtung 12 durch einen Halbleiterschalter dargestellt, hier beispielhaft einen Thyristor. Vorteilhaft wird ein GTO-(Gate Turn Off) Thyristor eingesetzt, damit nach einem Kurzschluss dieser wieder aufgehoben werden kann. Es kann jedoch ebenso ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Verwendung finden.
In dem Strompfad, in dem die Rückstromdiode 14 als Rückstromschutz angeordnet ist, ist zwischen dem Ausgang der PV-Strings 11 und dem DC-Kurzschlussschalter 13 eine Induktivität 16 angeordnet. Parallel zum Ausgang ist eine Kapazität 17 angeordnet, die mit der Kathode der Rückstromdiode 14 verbunden ist. Bei einer dauerhaften Aktivierung des DC-Kurzschlussschalters 13 schließt dieser ebenso wie im zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel die PV-Strings 11 kurz. Die zwischengeschaltete Induktivität 16 ist dabei für diese Funktion nicht von Bedeutung.
Daneben bilden die Induktivität 16, der DC-Kurzschlussschalter 13 sowie die Rückstromdiode 14 in Verbindung mit der Kapazität 17 bei getakteter (gepulster) Betriebsweise des DC-Kurzschlussschalters 13 einen Hochsetzsteller, also einen DC/DC-Wandler, der es ermöglicht, die von den PV-Strings 11 zugeführte Photovoltaikspannung in eine höhere Ausgangsspannung umzuwandeln, mit denen dann die DC-Leitung 20 über den DC-Trennschalter 15 beaufschlagt werden. Im Betrieb der PV-Anlage fungiert die Schutzeinrichtung 12 somit als Hochsetzsteller und kann eingesetzt werden, um durch eine höhere Spannung auf den DC-Leitungen 20 ohmsche Verluste in diesen DC-Leitungen 20 zu verringern. Auf diese Weise kann u.U. der Gesamtwirkungsgrad der PV-Anlage positiv beeinflusst werden. Bei Auslegung der PV-Anlage kann dieses insofern berücksichtigt werden, als dass DC-Leitungen 20 mit geringerem Querschnitt und damit einer einhergehenden Material- und damit Kostenersparnis eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil der im Bereich der PV-Teilgeneratoren 10 angeordneten Hochsetzsteller ist, dass durch eine Variation des Spannungsübersetzungsverhältnisses der Hochsetzsteller ein Arbeitspunkt der PV-Strings 11 individuell für jeden der PV-Teilgeneratoren 10 eingestellt werden kann. Auf diese Weise können auch beim Vorliegen einer Teilverschattung der PV-Anlage die PV-Teilgeneratoren 10 in jeweils ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.
3 zeigt in gleicher Weise wie 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in der 1. Zum grundsätzlichen Aufbau, insbesondere der Gleichstromseite der PV-Anlage, wird auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der 1 verwiesen.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Beispiel ist der AC-Kurzschlussschalter 52 zwischen dem Wechselstromausgang der Wechselrichter 41 und der Filteranordnung 42 angeordnet. Vorteilhaft ist dabei, dass im Kurzschlussfall die Höhe des Kurzschlussstroms bis zum Öffnen des AC-Trennorgans 51 nicht nur durch die Übertragungseigenschaften (z.B. Streuimpedanzen) des Transformators 60, sondern auch durch Übertragungseigenschaften der Filteranordnung 42 beschränkt ist. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Anordnung des AC-Kurzschlussschalters 52 gemäß 1 oder 3 oder auch für einen Fall, in dem kein Transformator vorgeschaltet ist, die Höhe des Kurzschlussstroms durch interne Strombegrenzungselemente eingeschränkt werden. Bei einer zu großen Strombegrenzung besteht allerdings die Gefahr, dass Restströme in den Wechselrichter fließen können.
Grundsätzlich ist bezüglich der Anordnung des AC-Kurzschlussschalters 52 im Verhältnis zum AC-Trennorgan 51 zu beachten, dass das AC-Trennorgan 51 in Energieflussrichtung bei der Einspeisung gesehen dem AC-Kurzschlussschalter 52 nachgeschaltet ist. Die Anordnung in Bezug auf die Filteranordnung 42 und den Transformator 60 kann unter Berücksichtigung der Höhe des Kurzschlussstroms variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: PV-Teilgenerator
11: PV-String
12: Schutzeinrichtung
13: DC-Kurzschlussschalter
14: Rückstromdiode
15: DC-Trennschalter
16: Induktivität
17: Kapazität
20: DC-Leitung
30: DC-Anschlussbereich
31: DC-Sammelschiene
32: Einbauplatz für Sicherungsorgan
33: Einbauplatz für Trennorgan
34: Messstelle
40: Leistungsteil
41: DC/AC-Wandler
42: Filteranordnung
50: AC-Anschlussbereich
51: AC-Trennorgan
52: AC-Kurzschlussschalter
60: Transformator
70: Energieversorgungsnetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009038209 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Electrical Fault Protection for Large Photovoltaic Power Plant Inverter“, D.E. Collier und T.S. Key, Photovoltaic Specialists Conference, IEEE Conference Record, 1988 [0004]

Claims

Photovoltaische Energieerzeugungsanlage mit mindestens einem Wechselrichter (41), der über ein AC-Trennorgan (51) und einen Transformator (60) zum Einspeisen von elektrischer Leistung mit einem Energieversorgungsnetz (70) gekoppelt ist, sowie mindestens einem mit dem Wechselrichter (41) verbundenen PV-Teilgenerator (10), ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzeinrichtung – eine eingangsseitige Schutzeinrichtung (12) aufweist, die einen dem mindestens einen PV-Teilgenerator (10) zugeordneten DC-Kurzschlussschalter (13) zum Kurzschließen des PV-Teilgenerators (10) mit einem in Energieflussrichtung beim Einspeisen nachgeschalteten Rückstromschutz (14) umfasst, und – eine ausgangsseitige Schutzeinrichtung aufweist mit einem in der Energieflussrichtung vor dem AC-Trennorgan (51) angeordneten AC-Kurzschlussschalter (52), wobei die Anlage im Fehlerfall zur Trennung von dem Energieversorgungsnetz (70) durch ein Kurzschließen des PV-Teilgenerators (10) mittels der eingangsseitigen Schutzeinrichtung (12) und ein Betätigen des AC-Kurzschlussschalters (52) mit anschließender Öffnung des AC-Trennorgans (51) eingerichtet ist.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, bei der der DC-Kurzschlussschalter (13) ein Halbleiterschalter und der Rückstromschutz eine Rückstromdiode (14) ist.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 2, bei der der Halbleiterschalter und die Rückstromdiode (14) Komponenten eines dem mindestens einen PV-Teilgenerator (10) zugeordneten Hochsetzstellers sind.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3, bei der dem mindestens einen PV-Teilgenerator (10) zudem eine Induktivität (16) und/oder eine Kapazität (17) als Teil des Hochsetzstellers zugeordnet sind.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, bei der der Rückstromschutz des PV-Teilgenerators (10) ein DC-Trennschalter (15) ist.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die von dem mindestens einen PV-Teilgenerator (10) zu dem Wechselrichter führenden DC-Leitungen (20) im DC-Anschlussbereich (30) unmittelbar mit DC-Eingängen mindestens eines DC/AC-Wandlers (41) verbunden sind, wobei insbesondere keine zwischengeschalteten Sicherungs- oder Trennorgane vorgesehen sind.
Photovoltaische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der AC-Kurzschlussschalter (52) mindestens einen Halbleiterschalter aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaische Energieerzeugungsanlage, bei der im Fehlerfall, insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der Anlage, die folgenden Schritte ausgeführt werden: – Kurzschließen von PV-Teilgeneratoren (10) durch einen DC-Kurzschlussschalter (13), – Kurzschließen eines Wechselstromausgangs von mindestens einem DC/AC-Wandler (41) eines Wechselrichters durch einen AC-Kurzschlussschalter (52) und – anschließendes Entkoppeln des Wechselstromausgangs von einem Energieversorgungsnetz (70).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Entkopplung des Wechselstromausgangs von dem Energieversorgungsnetz (70) eine Verbindung zwischen dem Wechselstromausgang und dem Energieversorgungsnetz (70) zwischen dem AC-Kurzschlussschalter (52) und dem Energieversorgungsnetz (70) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Kurzschließen des PV-Teilgenerators (10) vor dem Kurzschließen des Wechselstromausgangs erfolgt.