WO2013045072A2 - Pv-anlage mit sicherung gegen einspeisung in ein öffentliches stromversorgungsnetz - Google Patents

Pv-anlage mit sicherung gegen einspeisung in ein öffentliches stromversorgungsnetz Download PDF

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic system comprising a photovoltaic generator, which is connectable to the DC voltage input of an inverter whose AC output is connectable to a supply network and at least one consumption point.
  • photovoltaic systems are well known, especially as PV rooftops on homes, barns, industrial halls, etc.
  • any feed of electrical power into the grid tends to increase voltage, and any removal of energy, ie any consumption, tends to reduce voltage.
  • the fed power is very irregular.
  • photovoltaic systems sometimes produce more or less or no power and, if necessary, deliver it to the grid.
  • the invention has for its object to facilitate the adjustment of the stability of the supply network. This object is achieved by a blocking device that prevents a power flow from the photovoltaic generator to the supply network. This measure has the consequence that the imponderables of the many voltage-increasing feeds are eliminated. There remains only one parameter, namely the power consumption,
  • CONFIRMATION COPY to be taken into account in the forthcoming stability measures.
  • An optionally required voltage reduction can be achieved via a reactive power reference by means known per se.
  • the reactive power reference and the determination of its height can be made in a simple manner, without having to take into account the disturbing influence of other power feeds consideration.
  • the blocking device can be switched on, so that it is only active on request from the network operator. But it can also be permanently effective if the photovoltaic generator is to be used only for self-supply.
  • a practical embodiment of the blocking device provides that it has a controllable switching element which interrupts an electrical connection between the inverter output and the supply network in the presence of a higher inverter output voltage than the prevailing mains voltage. Since the power flow always takes place from a higher potential to a lower potential, a power supply to the supply network is avoided. Conveniently, the switching element is located immediately behind a power counter.
  • the blocking device In order to achieve a maximum possible yield for self-consumption of photovoltaically generated power, it is advantageous if the blocking device generates a control signal at a threatening feed of photovoltaically generated power in the supply network, which is the maximum power point (MPP) by a targeted mismatch on the
  • MPP maximum power point
  • the DC side of the inverter shifts to a point of reduced power whose associated voltage level on the AC side of the inverter is below the prevailing mains voltage or equal to the prevailing mains voltage.
  • the impending power feed is detected for example by means of a comparison of the prevailing mains voltage with the current MPP voltage on the AC side of the inverter.
  • the blocking unit can be activated even when falling below a minimum current from the supply network to the point of consumption (V).
  • the current to be compared with the minimum current is advantageously measured at the power counter. If the measured current falls below the minimum value of e.g. 0.5 amps, it is assumed that an imminent backfeed into the grid and the blocking unit is activated.
  • the activation of the blocking unit can be a disconnection of the photovoltaic generator from the public grid at any point in the network behind (from the public network view) of the power meter, as long as it is ensured that no photovoltaic electricity flows into the public grid.
  • Such a separation point can be located both on the DC side, ie between the inverter and the photovoltaic generator, as well as on the AC side behind the inverter. It is advantageous, however, if the separation point is chosen so that the photovoltaic generator remains connected to the rest of the supply network for the consumption points.
  • a reduction of the inverter output current may occur via an intervention in the operation of the electronic components (IGBTs) of the inverter: the current generated by the inverter should be as high as possible on the premise that it is smaller than the current taken from the point of consumption or consumption. This always leaves a small supply current from the public supply network. If no reserve is to be used, ie if no power is to flow from the supply network to the point of consumption, the current at the AC output side of the inverter must be set equal to the current consumed by the point of consumption or consumption.
  • IGBTs electronic components
  • a particularly advantageous embodiment when using an inverter with a three-phase AC output provides that the operating points of the three phases of the inverter can be controlled separately, so that depending on the load of the three phases by the at least one consumption point, the power generated by the photovoltaic generator is divided phase-selectively before the power flow to the supply network is prevented.
  • the at least one consumption point is, for example, a detached house with a rotary power connection, then it is the normal case that the phases L1, L2 and L3 of the three-phase supply network are not utilized equally.
  • the inverter has a DC voltage rail from which the electronic parts of the inverter, in particular its IGBT's, have phase-selective access to feed as needed a current in the DC busbar or to obtain from her.
  • all three phases L1, L2, L3 can draw a current, or a phase L1 can feed one current, while two other phases L2, L3 receive a current.
  • a further, advantageous embodiment of the invention is characterized by a measuring point, which measures the power consumption from the supply network. From the measured value, a signal is generated which corresponds to the value of the measured payment of benefits.
  • This signal is provided to the inverter for setting an operating point at which the associated generated power on the AC side of the inverter is set to be smaller or, in particular, equal to the power consumed by the at least one point of use or, in the case of several points of consumption compared to the sum of all the consumed at the points of consumption.
  • the operating point should be set so that always slightly less power is generated photovoltaic than consumed by the point of consumption.
  • the photovoltaic system can contribute to any increase in voltage in the supply network.
  • the signal which is preferably generated by the measuring point, is modulated onto an electrical connecting line between the measuring point and the inverter and used by a receiving unit for the modulated signal, which is accommodated in the inverter or at least assigned to it, for controlling the same.
  • Figure 2 shows three single-phase connected to a common DC rail inverter.
  • 1 denotes a photovoltaic generator, which is arranged on the roof of a building.
  • the photovoltaic generator 1 is connected to the DC side of an inverter 3 whose AC output is connected via a blocking device 5 to a counter 7 for electric power P.
  • the blocking device 5 is provided immediately behind (from the point of view of an energy supplier) the counting device 7 whose input side is connected to a supply network.
  • Behind the AC output of the inverter 3 is still a switching device 8, with the aid of the inverter 3 and thus the photovoltaic generator 1 can be separated from the rest of the power supply system to prevent a return current in the photovoltaic generator from the supply network.
  • the same effect can be achieved with a correspondingly polarized diode whose reverse direction to the inverter 3.
  • the output side of the inverter 3 is connected via a switching device 9 to the AC side of a further inverter 11, on whose DC side a battery 13 is connected. Further, at least one consumption point V is connected to the output side of the inverter 3, wherein usually a plurality of consumption points (not shown), such as connected household appliances, air conditioners, TV, etc. are connected.
  • the blocking device includes a control and regulating unit 15 and a switching unit 17, by means of which a flow of current through the counting device 7 into the supply network can be prevented.
  • a control and regulating unit 15 for this purpose, the closed and open position of the switching unit 17 via a signal line S1 of the control unit 15 can be predetermined.
  • a signal line S2 is also connected to the inverter 3 to adjust its operating point, and a signal line S3, which leads to the switching device 9 to connect or disconnect the other inverter 11 with the AC side of the inverter 3 .
  • a fourth signal line S4 leads from the counter 7 to the control unit 15 to inform them about the current power reference.
  • a signal line S5 is still provided for
  • Switching device 8 leads, so that the solar generator 1 can be decoupled from the mains supply when needed.
  • a first voltage measuring device 19 measures the mains voltage U net present at the counter 7 and a second voltage measuring device 21 measures the voltage U WR on the inverter output side which prevails behind the blocking device when the photovoltaic generator 1 is switched on, which is also the consumer side when the switching device 8 is closed.
  • the system operates as follows, starting from a situation in the morning in which the photovoltaic generator 1 can not provide any power yet and the point of consumption V is supplied solely from the supply network via the counter with the switching unit 17 closed.
  • the switching device 8 was opened overnight, so that no return current from the supply network could flow into the photovoltaic generator 1.
  • the photovoltaic generator 1 is switched on during the morning by the switching device 8 is transferred to the closed state.
  • the power point at the MPP controller Maximum Power Point
  • U Ne tz Maximum Power Point
  • the remaining demand is further obtained from the supply network via the counter 7.
  • This remaining demand is decreasing more and more, since the incident light of the sun's rays on the photovoltaic generator 1 becomes steeper and more intensive.
  • This operating state is maintained until the photovoltaically generated power reaches the value of the power obtained at the point of consumption V, which can be detected with the aid of the two voltage measuring devices 19, 21 or communicated from the power counter 7 via the signal line S4 of the control and regulation unit 15 ,
  • the invention comes in, in a first variant, in which the control and regulation unit 15 closes the switching unit 17 via the signal line S1 and thus disconnects the photovoltaic generator 1 and the point of consumption V from the supply network.
  • the further switching device 9 is closed by the control and regulation unit 15 via the signal line S3, and the photovoltaically generated energy exceeding the current demand is used to charge the battery 13. If the battery 13 is fully charged, the inverter 3 is controlled by the control and regulation unit 15 via the signal line S2 in such a way that there is a mismatch with the MPP. The amount of mismatch is such that the photovoltaic power produced corresponds to the power consumed by point of sale V.
  • the optionally provided switching unit 17 can be omitted and the mismatch at the inverter 3 is made continuously in order to prevent a flow of photovoltaically generated power in the supply network.
  • a balance between photovoltaically generated energy and consumed energy is permanently sought, as long as the solar energy generated allows this.
  • the control unit 15 the voltage measured at the first measuring point 19 is compared with the voltage detected at the second voltage measuring device 21.
  • the operating point on the MPP controller of the inverter 3 is always misadjusted so that the voltage at the second voltage measuring point 21 is always slightly lower, for example 1 volt to 5 volts less than the voltage measured by the first voltmeter 19.
  • the photovoltaic generator 1 can always be operated on its MPP and the remaining energy to increase the currently required energy is obtained from the public grid.
  • control and regulating unit 15 can also be supplied via a signal line S4 from the power counter 7 with the information as to whether there is a risk of backflow of power into the supply network.
  • the control unit 15 determines the right time to make the separation of the photovoltaic generator from the supply network. The right time is when the photovoltaic energy is sufficient to supply the consumer or V stable, but not so high that a feed can occur in the supply network.
  • FIG. 2 shows three single-phase inverters 3 connected to a common DC bus 23, the output side of which feeds one of the phases L1, L2 and L3 respectively with solar energy.
  • the three inverters 3 and the DC bus 23 are basic components of a corresponding three-phase inverter 3, which are located in a common housing (not shown).
  • At the three phases L1, L2 and L3 are correspondingly connected three consumption points V1, V2 and V3, which should have one or more consumers with different sizes or in the sum of different sizes nominal powers. It should therefore be discussed a condition in which the three phases L1, L2 and L3 are charged differently.
  • the arrangement according to the figure 2 still has a three-phase switching device 8 in order to separate the photovoltaic generator 1 from the supply network and the consumer side, so that a feedback feed of energy from the supply network is prevented in the photovoltaic generator 1.
  • a power counter 7 is in turn immediately behind the supply lines of the network operator. Between the counter 7 and the consumption points V1, V2 and V3 a switching unit 17 with three switching elements 17a, 17b and 17c is arranged, which can selectively separate the three phases L1, L2 and L3 from the counter 7. From a control and control unit 15 leads a signal lines S1 to the switching unit 17, a signal line S2 to the inverters 3, a signal line S4 to the counter and a signal line S5 to the three-phase switching device 8. All signal lines S1 to S5 are shown in dashed lines.
  • each inverter 3 analogously as described for the figure 1, operated.
  • Each phase L1, L2 and L3 is thus supplied with photovoltaically generated energy according to their current consumption situation.
  • a feed of photovoltaically generated energy into the supply network is correspondingly also prevented phase-selectively, in which only that switching element 17a, 17b, 17c of the switching device 17 is driven, threatens in its associated phase L1, L2 and L3, a feed into the supply network.
  • the power exchange shown in FIG. 3 can also be carried out among the phases L1, L2 and L3 in order to optimally divide the photovoltaically generated energy into the differently loaded phases L1 To achieve L2 and L3.
  • This procedure is particularly useful in single-phase inverters 3, whose output side is connected to only one phase, in the case of Figure 3 with the phase L1.
  • inverters 25a, 25b are provided, of which the inverter 25a is provided between the phases L1 and L2, and the inverter 25b between the phases L1 and L3.
  • the converter 25a transforms the AC voltage of the phase L1 first into a DC voltage and then from the DC voltage back into an AC voltage with the phase position and the voltage level of the phase L2.
  • voltage of the phase L1 and the phase compensation current between the phases L1 and L3 are first formed into a DC voltage and a DC current, respectively, before they are adapted by the converter 25b to the ratios of the phase L3.
  • the photovoltaic generator can have any shape and size, ie can also be formed by a single photovoltaic module, which is assigned a correspondingly small inverter.

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Abstract

Eine Photovoltaikanlage umfasst einen Photovoltaikgenerator (1), der mit dem Gleichspannungseingang eines Wechselrichters (3) verbunden ist, dessen Wechselspannungsausgang mit einem Versorgungsnetz und mit mindestens einer Verbrauchsstelle (V) verbunden ist. Eine Blockiereinrichtung (5) verhindert einen Leistungsfluss vom Photovoltaikgenerator zum Versorgungsnetz verhindert. Diese Maßnahme verhindert einen Leistungsfluss seitens des Photovoltaikgenerators in das Versorgungsnetz hinein und ermöglicht damit eine leichtere Stabilisierung der Netzspannung gegenüber Überspannungen.

Description

Beschreibung
PV-Anlage mit Sicherung gegen Einspeisung in ein öffentliches Stromversorgungsnetz
Die Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaikanlage, die einen Photovoltaik- generator umfasst, der mit dem Gleichspannungseingang eines Wechselrichters verbindbar ist, dessen Wechselspannungsausgang mit einem Versorgungsnetz und mit mindestens einer Verbrauchsstelle verbindbar ist.
Solche Photovoltaikanlagen sind sattsam bekannt, insbesondere als PV-Dach- anlagen auf Wohnhäusern, Scheunen, Industriehallen usw. Im Betrieb wirkt jede Einspeisung von elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz tendenziell span- nungserhöhend und jede Entnahme von Energie, also jeder Verbrauch tendenziell spannungssenkend. Insbesondere bei regenerativen Energieerzeugern ist die eingespeiste Leistung sehr unregelmäßig. Je nach Temperatur und Sonnenstand wird bei Photovoltaikanlagen mal mehr oder mal weniger oder gar keine Leistung erzeugt und ggf. in das Netz abgegeben. Die Leistungserzeugung ist also schlecht prognostizierbar, was zu schwierigen Netzverhältnissen bezüglich dessen Stabilität führen kann, wenn Tausende PV-Anlagen kleinerer und mittlerer Größe unabhängig voneinander einspeisen: Der Netzbetreiber weiß nicht, wann an welcher Stelle im Versorgungsnetz eine spannungserhöhende Einspeisung oder ein span- nungssenkender Verbrauch erfolgen, so dass er immer nur im Nachhinein reagieren kann. Bei einem drohenden Netzzusammenbruch aufgrund von Überspannung müssen also die beiden Parameter Leistungseinspeisung und Leistungsverbrauch berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung der Stabilität des Versorgungsnetzes zu erleichtern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Blockiereinrichtung gelöst, die einen Leistungsfluss vom Photovoltaikgenerator zum Versorgungsnetz verhindert. Diese Maßnahme hat zur Folge, dass die Unwägbarkeiten der vielen Spannungserhöhenden Einspeisungen eliminiert werden. Es verbleibt lediglich nur noch ein Parameter, nämlich der Leistungsverbrauch,
BESTÄTIGUNGSKOPIE der bei den anstehenden Stabilitätsmaßnahmen zu berücksichtigen ist. Eine gegebenenfalls erforderliche Spannungsabsenkung kann über einen Blindleistungsbezug mit an sich bekannten Mitteln erreicht werden. Der Blindleistungsbezug und die Ermittlung seiner Höhe können auf einfache Weise, ohne dass auf den störenden Einfluss weiterer Leistungseinspeisungen Rücksicht genommen werden muss, vorgenommen werden. Die Blockiereinrichtung kann zuschaltbar sein, so dass sie nur auf Anforderung seitens des Netzbetreibers aktiv ist. Sie kann aber auch permanent wirksam sein, wenn der Photovoltaikgenerator lediglich zur Eigenversorgung herangezogen werden soll.
Eine praktische Ausführungsform der Blockiereinrichtung sieht vor, dass sie ein steuerbares Schaltelement aufweist, welches bei Vorliegen einer höheren Wechselrichter-Ausgangsspannung als die herrschende Netzspannung, eine elektrische Verbindung zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Versorgungsnetz unterbricht. Da der Leistungsfluss immer nur von einem höheren Potential hin zu einem niedrigeren Potential erfolgt, wird eine Leistungseinspeisung in das Versorgungsnetz vermieden. Praktischerweise ist das Schaltelement unmittelbar hinter einem Leistungszähler angeordnet.
Um eine maximal mögliche Ausbeute für den Eigenverbrauch an photovoltaisch erzeugter Leistung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Blockiervorrichtung bei einer drohenden Einspeisung von photovoltaisch generierter Leistung in das Versorgungsnetz ein Steuersignal generiert, welches den maximalen Leistungspunkt (MPP) durch eine gezielte Fehlanpassung auf der Gleichstromseite des Wechselrichters hin zu einem Punkt reduzierter Leistung verschiebt, dessen zugeordneter Spannungswert auf der AC - Seite des Wechselrichters unterhalb der herrschenden Netzspannung liegt oder gleich der herrschenden Netzspannung ist. Diese Maßnahme verhindert eine unerwünschte Einspeisung in das Versorgungsnetz unter gleichzeitiger optimaler Ausnutzung der erzeugten Solarenergie. Die drohende Leistungseinspeisung wird zum Beispiel mit Hilfe eines Vergleichs der herrschenden Netzspannung mit der aktuellen MPP-Spannung auf der Wechselstromseite des Wechselrichters erkannt. Hierbei sind Leitungsverluste mit ihren zugehörigen Spannungsabfällen außer Acht gelassen. Wenn diese berücksichtigt werden sollen, muss die Ausgangsspannung am Wechselrichter mit einem Kor- rekturfaktor belegt werden, der zu einer entsprechend höhere korrigierten Ausgangsspannung führt. Die korrigierte Ausgangsspannung ist so bemessen, dass sie, ohne dass ein Verbrauch der Verbrauchsstelle vorliegt, unter Berücksichtigung der Leitungsverluste gleich groß ist, wie die Netzspannung an der Leistungs- Zähleinrichtung.
Alternativ oder zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Spannungsvergleich kann die Blockiereinheit auch bei Unterschreiten eines Mindeststroms aus dem Versorgungsnetz zu der Verbrauchsstelle (V) aktiviert werden. Der mit dem Mindeststrom zu vergleichende Strom wird dabei vorteilhafterweise an der Leistungs- Zähleinrichtung gemessen. Unterschreitet der gemessene Strom den Mindestwert von z.B. 0,5 Ampere, so wird von einer drohenden Rückeinspeisung ins Netz ausgegangen und die Blockiereinheit wird aktiviert. Auch hier kann die Aktivierung der Blockiereinheit ein Trennen des Photovoltaikgenerators von dem öffentlichen Versorgungsnetz an einer beliebigen Stelle im Leitungsnetz hinter (vom öffentlichen Netz aus gesehen) der Leistungszähleinrichtung sein, solange nur sichergestellt ist, dass kein photovoltaisch erzeugter Strom in das öffentliche Versorgungsnetz fließt. Eine solche Trennstelle kann sowohl auf der Gleichstromseite, also zwischen dem Wechselrichter und dem Photovoltaikgenerator liegen, als auch auf der Wechselspannungsseite hinter dem Wechselrichter. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Trennstelle so gewählt ist, dass der Photovoltaikgenerator an das übrige Versorgungsnetz für die Verbrauchsstellen angeschlossen bleibt.
Alternativ kann eine Reduktion des Wechselrichterausgangsstroms über einen Eingriff in die Arbeitsweise der elektronischen Bauteile (IGBT's) des Wechselrichters erfolgen: Der vom Wechselrichter generierte Strom soll möglichst hoch sein unter der Prämisse, dass er kleiner ist als der von der oder den Verbrauchsstellen entnommenen Strom. So verbleibt immer ein kleiner Versorgungsstrom aus dem öffentlichen Versorgungsnetz. Wenn ohne Reserve gearbeitet werden soll, wenn also kein Strom aus dem Versorgungsnetz zur Verbrauchsstelle fließen soll, ist der Strom an der Wechselausgangsseite des Wechselrichters gleich zu setzen mit dem von den oder der Verbrauchsstelle konsumierten Strom. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform bei Einsatz eines Wechselrichters mit einem dreiphasigen Wechselspannungsausgang sieht vor, dass die Arbeitspunkte der drei Phasen des Wechselrichters getrennt ansteuerbar sind, so dass je nach Belastung der drei Phasen durch die mindestens eine Verbrauchsstelle die vom Photovoltaikgenerator erbrachte Leistung phasenselektiv aufgeteilt wird, bevor der Leistungsfluss zum Versorgungsnetz verhindert wird. Handelt es sich bei der mindestens einen Verbrauchsstelle z.B. um ein Einfamilienhaus mit Dreh- stromanschluss, so ist es der Normalfall, dass die Phasen L1 , L2 und L3 des Drehstromversorgungsnetzes nicht gleichmäßig ausgelastet sind. Ist an einer Phase L1 das Geschirrspülgerät und eine Herdplatte in Betrieb, während eine andere Phase L2 lediglich mit etwas Beleuchtung belastet ist, so wird dieser Situation dadurch Rechnung getragen, dass die erste Phase L1 mehr Strom von der Gleichstromschiene zieht, als die andere Phase L2. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass eine Unterbrechung zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Versorgungsnetz erst dann vorgenommen wird, wenn alle Phasen der Verbrauchsstelle entsprechend ihren jeweiligen Belastungen ausreichend mit Solarenergie versorgt sind. Bei einer Reduzierung der photovoltaisch erzeugten Leistung mittels einer Verschiebung des Arbeitspunktes des Wechselrichters weg vom MPP, wird der Arbeitspunkt nur soweit fehl angepasst, wie es erforderlich ist, um eine reduzierte Leistung zu generieren, die ausreicht, alle Phasen photovoltaisch zu versorgen.
Eine praktische Umsetzung hierzu sieht vor, dass der Wechselrichter eine Gleichspannungsschiene aufweist von der aus die elektronischen Teile des Wechselrichters, insbesondere dessen IGBT's, phasenselektiv Zugriff haben, um je nach Bedarf einen Strom in die Gleichstromschiene einzuspeisen oder von ihr zu beziehen. Dabei können alle drei Phasen L1 , L2, L3 einen Strom beziehen, oder ein Phase L1 kann einen Strom einspeisen, während zwei andere Phasen L2, L3 einen Strom beziehen.
Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich durch eine Messstelle aus, die den Leistungsbezug aus dem Versorgungsnetz misst. Aus dem gemessenen Wert wird ein Signal erzeugt, welches dem Wert des gemesse- nen Leistungsbezugs entspricht. Dieses Signal wird dem Wechselrichter zur Einstellung eines Arbeitspunktes zur Verfügung gestellt, bei dem die zugeordnete erzeugte Leistung auf der Wechselstromseite des Wechselrichters so eingestellt ist, dass sie kleiner oder insbesondere gleich ist im Vergleich zu der von der mindestens einen Verbrauchsstelle verbrauchten Leistung oder, im Falle von mehreren Verbrauchsstellen im Vergleich zu der Summe von allen in den Verbrauchsstellen verbrauchten Leistungen. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass eine exakte Anpassung der von der Verbrauchsstelle benötigten und der von der Photovoltaikanlage gelieferten Leistung erfolgt. Zur Vermeidung auch einer geringen Leistungseinspeisung in das Versorgungsnetz sollte der Arbeitspunkt so gelegt werden, dass immer etwas weniger Leistung photovoltaisch generiert wird, als die Verbrauchsstelle verbraucht. So liegt immer ein geringer Strombezug aus dem Netz vor und die Photovoltaikanlage kann zu keiner Spannungserhöhung im Versorgungsnetz beitragen.
Das vorzugsweise von der Messstelle erzeugte Signal wird auf eine elektrische Verbindungsleitung zwischen der Messstelle und dem Wechselrichter aufmoduliert und von einer Empfangseinheit für das aufmodulierte Signal, die im Wechselrichter untergebracht oder zumindest diesem zugeordnet ist, zur Ansteuerung desselben verwendet.
Wie es bereits ausgeführt wurde, führt die Verschiebung des Arbeitspunktes des Wechselrichters weg vom MPP zu einer Fehlanpassung, bei der weniger Leistung photovoltaisch erzeugt wird, als es unter den gegebenen Wetterverhältnissen sein könnte. Diesem an sich unerwünschte Effekt kann dadurch begegnet werden, dass als eine der Verbrauchsstellen ein Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, vorgesehen ist. Dann wird zunächst der Energiespeicher geladen, bevor die Blockiereinrichtung wirksam wird, indem die Fehlanpassung vorgenommen wird.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:
Eine Photovoltaikanlage mit erfindungsgemäßer Blockiereinrichtung; Fig. 2 drei einphasige an eine gemeinsame Gleichstromschiene angeschlossene Wechselrichter;
Fig. 3 eine Leistungsumschichtung zwischen den Phasen mittels Umrich- ter.
In der Figur 1 ist mit 1 ein Photovoltaikgenerator bezeichnet, der auf dem Dach eines Gebäudes angeordnet ist. Der Photovoltaikgenerator 1 ist an die Gleichstromseite eines Wechselrichters 3 angeschlossen, dessen Wechselspannungsausgang über eine Blockiervorrichtung 5 mit einer Zähleinrichtung 7 für elektrische Leistung P verbunden ist. Die Blockiervorrichtung 5 ist unmittelbar hinter (aus Sicht eines Energieversorgers) der Zähleinrichtung 7 vorgesehen, deren Eingangsseite mit einem Versorgungsnetz verbunden ist. Hinter dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters 3 befindet sich noch ein Schaltgerät 8, mit dessen Hilfe der Wechselrichter 3 und damit der Photovoltaikgenerator 1 von dem restlichen Stromversorgungssystem getrennt werden können, um einen Rückstrom in den Photovoltaikgenerator aus dem Versorgungsnetz zu unterbinden. Derselbe Effekt kann mit einer entsprechend gepolten Diode, deren Sperrrichtung zum Wechselrichter 3 weist, erzielt werden.
Die Ausgangsseite des Wechselrichters 3 ist über eine Schaltvorrichtung 9 mit der Wechselspannungsseite eines weiteren Wechselrichters 11 verbunden, an dessen Gleichspannungsseite eine Batterie 13 angeschlossen ist. Ferner ist an die Ausgangsseite des Wechselrichters 3 noch mindestens eine Verbrauchsstelle V angeschlossen, wobei in der Regel eine Vielzahl von Verbrauchsstellen (nicht gezeigt), wie angeschlossene Haushaltsgeräte, Klimageräte, TV usw. angeschlossen sind.
Die Blockiervorrichtung beinhaltet eine Steuer- und Regeleinheit 15 und eine Schalteinheit 17, mit deren Hilfe ein Stromfluss über die Zählvorrichtung 7 in das Versorgungsnetz hinein verhindert werden kann. Dazu ist die Schließ- und Offenstellung der Schalteinheit 17 über eine Signalleitung S1 der Steuer- und Regeleinheit 15 vorgebbar. An die Steuer- und Regeleinheit 15 ist außerdem eine Signalleitung S2 zu dem Wechselrichter 3 angeschlossen, um dessen Arbeitspunkt einzustellen, sowie eine Signalleitung S3, die zu der Schaltvorrichtung 9 führt, um den weiteren Wechselrichter 11 mit der Wechselspannungsseite des Wechselrichters 3 zu verbinden oder abzukoppeln. Eine vierte Signalleitung S4 führt von der Zähleinrichtung 7 zu der Steuer- und Regeleinheit 15, um sie über den aktuellen Leistungsbezug zu informieren. Schließlich ist noch eine Signalleitung S5 vorgesehen, die zum
Schaltgerät 8 führt, damit der Solargenerator 1 bei Bedarf von der Netzversorgung abgekoppelt werden kann.
Ein erstes Spannungsmessgerät 19 misst die an der Zähleinrichtung 7 anliegende Netzspannung U etz und ein zweites Spannungsmessgerät 21 die hinter der Blockiervorrichtung bei zugeschaltetem Photovoltaikgenerator 1 herrschende Spannung UWR auf der Wechselrichterausgangsseite, die bei geschlossenem Schaltgerät 8 auch die Verbraucherseite ist.
Das System arbeitet wie folgt, wobei von einer Situation am Morgen ausgegangen wird, bei der der Photovoltaikgenerator 1 noch keine Leistung zur Verfügung stellen kann und die Verbrauchsstelle V alleine aus dem Versorgungsnetz über die Zähleinrichtung bei geschlossener Schalteinheit 17 versorgt wird. Das Schaltgerät 8 war dabei über Nacht geöffnet, so dass kein Rückstrom vom Versorgungsnetz in den Photovoltaikgenerator 1 fließen konnte. Je nach Jahreszeit und Wolkengegebenheit wird der Photovoltaikgenerator 1 im Laufe des Morgens zugeschaltet, indem das Schaltgerät 8 in den geschlossenen Zustand überführt wird. Der Leistungspunkt an dem dem Wechselrichter inhärenten MPP-Regler (Maximum Power Point) wird auf die maximal mögliche Leistung bei der herrschenden Netzspannung UNetz die auch am Wechselrichterausgang anliegt, geregelt, um möglichst viel photovoltaisch erzeugte Energie an die Verbrauchsstellen V abzugeben. Der restliche Bedarf wird weiterhin aus dem Versorgungsnetz über die Zähleinrichtung 7 bezogen. Dieser restliche Bedarf geht, gleiche Verbrauchsleistung vorausgesetzt, mehr und mehr zurück, da der Lichteinfall der Sonnenstrahlen auf den Photovoltaikgenerator 1 steiler und intensiver wird. Dieser Betriebszustand wird solange beibehalten, bis die photovoltaisch erzeugte Leistung den Wert der an der Verbrauchsstelle V bezogenen Leistung erreicht, was mit Hilfe der beiden Spannungsmessgeräte 19, 21 detektiert werden kann oder vom Leistungszählgerät 7 über die Signalleitung S4 der Steuer- und Regeleinheit 15 mitgeteilt wird. Hier setzt die Erfindung ein, indem in einer ersten Variante die Steuer- und Regeleinheit 15 über die Signalleitung S1 die Schalteinheit 17 schließt und damit den Photovoltaikgenerator 1 und die Verbrauchsstelle V vom Versorgungsnetz trennt. Diese Trennung ist möglich, da die vom Photovoltaikgenerator 1 erzeugte Leistung die an der Verbrauchsstelle benötigte Leistung übersteigt oder gleich dieser Leistung ist. Bei einem Überschuss wird von der Steuer- und Regeleinheit 15 über die Signalleitung S3 die weitere Schaltvorrichtung 9 geschlossen und die den aktuellen Bedarf übersteigende photovoltaisch erzeugte Energie wird zur Aufladung der Batterie 13 herangezogen. Ist die Batterie 13 voll aufgeladen, so wird von der Steuer- und Regeleinheit 15 über die Signalleitung S2 der Wechselrichter 3 so angesteuert, dass eine Fehlanpassung an den MPP vorliegt. Die Höhe der Fehlanpassung ist so bemessen, dass die photovoltaisch erzeugte Leistung der von der Verbrauchsstelle V bezogenen Leistung entspricht.
Ist keine Batterie 13 mit weiterem Wechselrichter 11 vorgesehen, so kann in einer zweiten Variante die optional vorgesehene Schalteinheit 17 entfallen und die Fehlanpassung am Wechselrichter 3 wird laufend vorgenommen, um einen Fluss an photovoltaisch erzeugter Leistung in das Versorgungsnetz zu verhindern. Es wird also permanent ein Ausgleich zwischen photovoltaisch erzeugter Energie und verbrauchter Energie angestrebt, so lange die erzeugte Solarenergie dies zulässt. Dazu wird in der Steuer- und Regeleinheit 15 die an der ersten Messstelle 19 gemessene Spannung mit der an dem zweiten Spannungsmessgerät 21 erfassten Spannung verglichen. Der Arbeitspunkt am MPP-Regler des Wechselrichters 3 wird immer so fehl angepasst, dass die Spannung an der zweiten Spannungsmessstelle 21 immer etwas geringer ist, z.B. 1 Volt bis 5 Volt geringer, als die vom ersten Spannungsmessgerät 19 gemessene Spannung. Dies kann ggf. unter der Eingangs diskutierten Berücksichtigung von Spannungsabfällen aufgrund von Leitungsverlusten geschehen. Bleibt die photovoltaisch erzeugte Leistung unterhalb der von der Verbrauchsstelle V verbrauchten Leistung ist keine Fehlanpassung erforderlich. Der Photovoltaikgenerator 1 kann immer an seinem MPP betrieben werden und die restliche Energie zur Aufstockung auf die momentan benötigte Energie wird aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen.
Anstelle der vergleichenden Spannungsmessung mittels des ersten und des zweiten Spannungsmessgeräts 19, 21 kann die Steuer- und Regeleinheit 15 auch über eine Signalleitung S4 von der Leistungs-Zähleinrichtung 7 mit der Information versorgt werden, ob ein Leistungsrückfluss in das Versorgungsnetz droht. Die Steuer- und Regeleinheit 15 bestimmt dann den richtigen Zeitpunkt, um die Trennung des Photovoltaikgenerators vom Versorgungsnetz vorzunehmen. Der richtige Zeitpunkt liegt dann vor, wenn die photovoltaisch erzeugte Energie ausreicht, um den oder die Verbraucher V stabil zu versorgen, aber noch nicht so hoch ist, dass eine Einspeisung in das Versorgungsnetz auftreten kann.
In der Figur 2 sind drei einphasige, an eine gemeinsame Gleichstromschiene 23 angeschlossene Wechselrichter 3 gezeigt, deren Ausgangsseite jeweils eine der Phasen L1 , L2 bzw. L3 mit Solarenergie speist. Die drei Wechselrichter 3 und die Gleichstromschiene 23 sind Grundbestandteile eines entsprechenden dreiphasigen Wechselrichters 3, die sich in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) befinden. An den drei Phasen L1 , L2 und L3 sind entsprechend drei Verbrauchsstellen V1 , V2 und V3 angeschlossen, die ein oder mehrere Verbraucher mit verschieden großer oder in der Summe verschieden großer Nennleistungen haben sollen. Es soll also auf einen Zustand eingegangen werden, an dem die drei Phasen L1 , L2 und L3 unterschiedlich belastet sind.
Die Anordnung nach der Figur 2 weist noch ein dreiphasiges Schaltgerät 8 auf, um den Photovoltaikgenerator 1 vom Versorgungsnetz und der Verbraucherseite zu trennen, damit eine Rückeinspeisung von Energie aus dem Versorgungsnetz in den Photovoltaikgenerator 1 verhindert wird. Eine Leistungs-Zähleinrichtung 7 befindet sich wiederum unmittelbar hinter den Zuführungsleitungen des Netzbetreibers. Zwischen der Zähleinrichtung 7 und den Verbrauchsstellen V1 , V2 und V3 ist eine Schalteinheit 17 mit drei Schaltelementen 17a, 17b und 17c angeordnet, die die drei Phasen L1 , L2 und L3 selektiv von der Zähleinrichtung 7 trennen kann. Von einer Regel- und Steuereinheit 15 führt eine Signalleitungen S1 zu der Schalteinheit 17, eine Signalleitung S2 zu den Wechselrichtern 3, eine Signalleitung S4 zu der Zähleinrichtung und eine Signalleitung S5 zu dem dreiphasigen Schaltgerät 8. Alle Signalleitungen S1 bis S5 sind gestrichelt gezeichnet.
Bei dieser Ausführungsform mit drei unterschiedlich belasteten Phasen L1 , L2 und L3 wird jeder Wechselrichter 3, analog wie es zu der Figur 1 beschrieben ist, betrieben. Jede Phase L1 , L2 und L3 wird also entsprechend ihrer aktuellen Verbrauchssituation mit photovoltaisch erzeugter Energie versorgt. Eine Einspeisung von photovoltaisch erzeugter Energie in das Versorgungsnetz wird entsprechend auch phasenselektiv verhindert, in dem immer nur dasjenige Schaltelement 17a, 17b, 17c des Schaltgeräts 17 angesteuert wird, bei dessen zugeordneter Phase L1 , L2 und L3 eine Einspeisung in das Versorgungsnetz droht.
Anstelle der mit Hilfe der Figur 1 beschriebenen phasenselektiven Blockierung von Leistungsfluss in das Versorgungsnetz, kann auch der in der Figur 3 gezeigte Leistungsaustausch unter den Phasen L1 , L2 und L3 vorgenommen werden, um eine optimale Aufteilung der photovoltaisch erzeugten Energie auf die unterschiedlich belasteten Phasen L1 , L2 und L3 zu erzielen. Diese Vorgehensweise ist insbesondere bei einphasigen Wechselrichtern 3 sinnvoll, dessen Ausgangsseite mit nur einer Phase, im Fall der Figur 3 mit der Phase L1 , verbunden ist.
Dazu sind zwei Umrichter 25a, 25b vorgesehen, von denen der Umrichter 25a zwischen den Phasen L1 und L2 vorgesehen ist, und der Umrichter 25b zwischen den Phasen L1 und L3. Der Umrichter 25a transformiert die Wechselspannung der Phase L1 zunächst in eine Gleichspannung und dann von der Gleichspannung wieder in eine Wechselspannung mit der Phasenlage und der Spannungshöhe der Phase L2. Analog werden Spannung der Phase L1 und der Phasenausgleichsstrom zwischen den Phasen L1 und Phase L3 zunächst in eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom geformt, bevor sie vom Umrichter 25b an die Verhältnisse der Phase L3 angepasst werden. Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, dass der Photovoltaik- generator jede Form und Größe aufweisen kann, also auch von einem einzigen Photovoltaikmodul gebildet sein kann, dem ein entsprechend kleiner Wechselrichter zugeordnet ist.
Bezugszeichenliste
1 Photovoltaikgenerator
3 Wechselrichter
5 Blockiervorrichtung
7 Leistungs-Zähleinrichtung
8 Schaltgerät
9 weiterer Wechselrichter
11 Schaltvorrichtung
13 Batterie
15 Steuer- und Regeleinheit
17,17a-c Schalteinheit
19 1. Spannungsmessgerät
21 2. Spannungsmessgerät
23 Gleichstromschiene
25a, 25b Umrichter
S1 - S5 Steuersignal
V1 - V3 Verbrauchsstellen

Claims

Ansprüche
1. Photovoltaikanlage, die einen Photovoltaikgenerator (1 ) umfasst, der mit dem Gleichspannungseingang eines Wechselrichters (3) verbindbar ist, dessen Wechselspannungsausgang mit einem öffentlichen Versorgungsnetz und mit mindestens einer Verbrauchsstelle (V) verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine Blockiereinrichtung (5), die einen Leistungsfluss vom Photovoltaikgenerator zum Versorgungsnetz verhindert.
2. Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Blockiereinrichtung (5) eine steuerbare Schalteinheit (17) umfasst, welche bei Vorliegen einer höheren Wechselrichter-Ausgangsspannung (UWR) als die herrschende Netzspannung (UNETZ), eine elektrische Verbindung zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Versorgungsnetz unterbricht.
3. Photovoltaikgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit unmittelbar hinter einem Leistungszähler (7) angeordnet ist.
4. Photovoltaikgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Blockiervorrichtung (5) bei einer drohenden Einspeisung von pho- tovoltaisch generierter Leistung in das Versorgungsnetz ein Steuersignal (S2) generiert, welches den maximalen Leistungspunkt (MPP) durch eine gezielte Fehlanpassung auf der Gleichstromseite des Wechselrichters hin zu einem Punkt reduzierter Leistung verschiebt, dessen zugeordneter Spannungswert auf der AC-Seite des Wechselrichters unterhalb der herr- sehenden Netzspannung liegt oder gleich der herrschenden Netzspannung ist.
5. Photovoltaikgenerator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die drohende Leistungseinspeisung mit Hilfe eines Vergleichs der herrschenden Netzspannung (UNETZ) mit der aktuellen MPP-Spannung auf der Wechselstromseite des Wechselrichters (3) erkannt wird.
6. Photovoltaikgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem dreiphasigen Wechselrichterausgang,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitspunkte der drei Phasen (L1 , L2, L3) des Wechselrichters (3) getrennt ansteuerbar sind, so dass je nach Belastung der drei Phasen durch die mindestens eine Verbraucherstelle (V) die vom
Photovoltaikgenerator (1 ) erbrachte Leistung phasenselektiv aufgeteilt wird, bevor der Leistungsfluss zum Versorgungsnetz blockiert wird (Fig. 2).
7. Photovoltaikgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine Messstelle (7) für den Leistungsbezug aus dem Versorgungsnetz, wobei ein Signal (S4), welches dem Wert des gemessenen Leistungsbezugs entspricht, dem Wechselrichter (3) zur Einstellung eines Arbeitspunktes zur Verfügung gestellt wird, dessen zugeordneter Leistungspunkt auf der Wechselstromseite des Wechselrichters kleiner oder insbesondere gleich ist im Vergleich zur von der mindestens einen Verbrauchsstelle (V) verbrauchten Leistung.
8. Photovoltaikgenerator nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wechselrichter (3) eine Gleichspannungsschiene (23) aufweist, auf die die elektronischen Teile des Wechselrichters, insbesondere dessen IGBT's, phasenselektiv Zugriff haben, um je nach Bedarf einen Strom in die Gleichstromschiene einzuspeisen oder von ihr zu beziehen.
9. Photovoltaikgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Blockiereinheit (5) bei Unterschreiten eines Mindeststroms aus dem Versorgungsnetz zu der Verbrauchsstelle (V) aktiviert wird.
10. Photovoltaikgenerator nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aktivierung der Blockiereinheit ein Trennen des
Photovoltaikgenerators von dem Versorgungsnetz oder eine Reduktion des Wechselrichterausgangsstroms umfasst.
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