DE102010053500A1

DE102010053500A1 - Photovoltaikgenerator mit Schutzschaltungsanlage für Photovoltaikmodule

Info

Publication number: DE102010053500A1
Application number: DE102010053500A
Authority: DE
Inventors: Marco Götz
Original assignee: TRIMOS GmbH
Current assignee: TRIMOS GmbH
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-24
Also published as: DE112011103867A5; WO2012069044A2; DE112011103867B4; WO2012069044A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaikgenerator (40) mit einer Schutzschaltungsanlage (1) für Photovoltaikmodule (2), wobei die Schutzschaltungsanlage (1) enthält: – ein aktives steuerbares Schaltelement (8), das innerhalb einer die Modulelektronik (3) überbrückenden Kurzschlussleitung (17) zwischen einem ersten Netzanschluss (4) und einem zweiten Netzanschluss (5) der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) geschaltet angeordnet ist, – eine Ansteuerelektronik (9, 91), die mit dem Schaltelement (8) über eine Steuerleitung (19) in steuernder Verbindung steht und die eine über eine Versorgungsstreckenleitung (16) angeschlossene Versorgungseinheit (29) aufweist, – eine Kommunikationselektronik (11, 111), die mit der Ansteuerelektronik (9, 91) und mit einer außerhalb der Modulelektronik (3) befindlichen Leitstelle (14, 141) signaltechnisch verbunden ist. Die Ansteuerelektronik (9, 91) enthält zumindest einen Regler (53) enthält, der die Modulrestspannung durch Steuerung des aktiven Schaltelementes (8) auf einem Sollwert ausregelt, unabhängig vom Modulkurzschlussstrom, wobei die Versorgungsspannung des Reglers (53) durch mindestens einen Spannungsregler erfolgt, der der aus einer geringen, an Modulanschlüssen (12, 13) anliegenden Modulrestspannung eine genügend hohe Spannung für das aktive Steuern des Schaltelementes (8) hochsetzt, wobei der Spannungsregler zumindest als ein Linearregler (7), der bei Modulrestspannungen über der aktiven Steuerspannung schaltet, und als ein kapazitiver Hochsetzsteller (18) und/oder ein induktiver, einen Spannungsbegrenzer (10) aufweisenden Hochsetzsteller (68), die bei Modulrestspannungen unter der aktiven Steuerspannung schalten, ausgebildet ist, wobei die Modulrestspannungen rückwirkungsfrei das Versorgungsnetz (54) des Reglers (53) versorgen und wobei das Schaltelement (8) und der Regler (53) in einem Regelkreis (56; 53, 55, 93, 19, 8, 87, 54, 53) integriert sind, in dem sich die Modulrestspannung stationär einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaikgenerator mit einer Schutzschaltungsanlage für Photovoltaikmodule, die über ein Gleichstromnetz mit einem Wechselrichter in Verbindung stehen und in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung verschaltet sind sowie über jeweils eine Modulelektronik mit dem Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Ein Problem besteht darin, dass im Gefährdungsfall kein selbständiges Umschalten des Photovoltaikmoduls in den spannungsreduzierten Kurzschlussstrombetrieb erfolgt und es nicht möglich ist, durch eine später nachfolgende aktive Zuschaltung mittels einer Freischalteinrichtung das Photovoltaikmodul wieder aus dem Kurzschlussstrombetrieb in den normalen Generatorbetrieb freizuschalten.
Es ist eine Solarenergieerzeugnisanlage mit einer Schutzschaltung in der Druckschrift DE 10 2006 060 815 A1 beschrieben, in der jedem Photovoltaikmodul ausgangsseitig ein steuerbares Schaltelement zugeordnet ist, welches von einem Freigabesignal derart schaltbar ist, dass bei fehlendem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul spannungslos und bei vorhandenem Freigabesignal aktiviert ist. Dabei ist das steuerbare Schaltelement zwischen den Gleichspannungsklemmen jedes Photovoltaikmoduls angeordnet, wobei das steuerbare Schaltelement bei fehlendem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul kurzschließt und bei vorhandenem Freigabesignal das zugeordnete Photovoltaikmodul in den Leerlauf schaltet. Zur Erzeugung des Freigabesignals ist von den Photovoltaikmodulen galvanisch getrennt ein Freigabebaustein im Bereich des Wechselrichters angekoppelt, der ein Trägersignal auf die Gleichspannung der Netzleitungen aufmoduliert, wobei ein Steuereingang jedes schaltbaren Schaltelementes mit einem Demodulator verbunden ist, der auf die Trägerfrequenz des Trägersignals abgeglichen ist und das empfangene Trägersignal in das Freigabesignal für das steuerbare Schaltelement demoduliert.
Ein Problem besteht darin, dass eine elektrische Prüfung des ungefährlichen Spannungszustandes mittels eines Volt- oder Amperemeters während des ständigen Kurzschlusszustandes ohne Freigabesignal nicht möglich ist, so dass ein eingesetztes Prüfgerät zumindest zusätzlich eine Schaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals enthalten muss, um das steuerbare Schaltelement in den Leerlauf zu schalten, wobei die zusätzlich ins Prüfgerät eingebrachte Schaltung einen höheren Bauelement- und Kostenaufwand verursacht.
Des Weiteren ist eine Schutzschaltung für ein Photovoltaikmodul in der Druckschrift DE 10 2005 036 153 B4 beschrieben, wobei bei dem Photovoltaikmodul eine Mehrzahl von im Normalbetrieb und im Abschattungsfall arbeitenden Solarzellen in Reihe geschaltet sind. Mindestens ein steuerbares elektrisches, als Bypasselement dienendes Schaltelement ist dabei mit seiner Schaltstrecke parallel zu der Mehrzahl von Photovoltaikzellen geschaltet. Eine Versorgungsschaltung stellt eine Steuerspannung zur Ansteuerung der Steuerelektrode des Bypasselements bereit, wobei eine Trennschaltung zum Sperren der über die Schaltstrecke des Bypasselementes im Normalbetrieb liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung und zum Durchschalten der über die Schaltstrecke im Abschattungsfall mindestens einer Photovoltaikzelle liegenden Spannung zu der Versorgungsschaltung vorgesehen ist.
Diese Schutzschaltung bezieht sich auf die Reduktion der am Bypasselement entstehenden Verlustleistung im Abschattungsfall. Zudem wird diese Schutzschaltung zum aktiven spannungsreduzierten Kurzschlussstrombetrieb vorgeschlagen, was jedoch die Forderung nach einem selbsttätigen Umschalten in den Kurzschlussstrombetrieb nicht erfüllt.
Ein Problem besteht darin, dass eine selbsttätige, nur die Energie des Photovoltaikmoduls nutzende Umschaltung des Photovoltaikmoduls in einen ungefährlichen Spannungszustand nahe des Kurzschlussstrombetriebes bisher nicht möglich, die durch ein aktives Freischaltsignal aufgehoben werden kann. Dabei soll das Klemmenverhalten bei fehlendem Freischaltsignal in positiver Spannungsrichtung (Generatorpolung) dem eines nahe dem Kurzschlussbetrieb befindlichen Photovoltaikmoduls mit geringer Restspannung entsprechen und in negative Spannungsrichtung (Bypasspolung) dem einer passiven Dioden oder eines passiven hochohmigen Widerstandes entsprechen.
Der Erfindung liegt die Aufgaben zugrunde, einen Photovoltaikgenerator mit Schutzschaltungsanlage für Photovoltaikmodule anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass im Gefährdungsfall eine selbsttätige Umschaltung des Photovoltaikmoduls in einen ungefährlichen Spannungszustand nahe des Kurzschlussstrombetriebes möglich ist und danach auch eine aktive Freischaltung des Photovoltaikmoduls in den normalen Generatorbetrieb wieder gewährleistet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Photovoltaikgenerator mit Schutzschaltungsanlage für Photovoltaikmodule enthält eine Anzahl von Photovoltaikmodulen, die über ein Gleichstromnetz mit einem Wechselrichter in Verbindung stehen und in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung verschaltet sind sowie über jeweils eine Modulelektronik mit dem Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators verbunden sind, wobei zumindest folgende Baugruppen für die Schutzschaltungsanlage vorhanden sind:

– in aktives steuerbares Schaltelement, das innerhalb einer die Modulelektronik überbrückenden Kurzschlussleitung zwischen einem ersten Netzanschluss und einem zweiten Netzanschluss der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes geschaltet angeordnet ist,
– eine Ansteuerelektronik, die mit dem Schaltelement über eine Steuerleitung in steuernder Verbindung steht und die eine mit der Versorgungsstreckenleitung verbundene elektrische Versorgungseinheit aufweist und
– eine Kommunikationselektronik, die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik befindlichen Leitstelle über eine Kommunikationsstrecke signaltechnisch verbunden ist,

Als kapazitiver Hochsetzsteller kann eine Ladungspumpe eingesetzt sein. Als induktiver Hochsetzsteller kann ein mit einem Transformator versehener Resonanzwandler eingesetzt sein.
Die Photovoltaikmodule können durch die Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes an einen Anschlusskasten des Wechselrichters angeschlossen sein, wobei die Photovoltaikmodule mit der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes über jeweils eine Modulelektronik auf einem ersten Potenzialniveau einer Versorgungsstreckenleitung und auf einem zweiten Potenzialniveau einer Potenzialleitung in Verbindung stehen, wobei die Potenzialniveaus über gleichstromnetzbezogene Netzanschlüsse der Modulelektronik mit der Stromversorgungsleitung des Gleichstromnetzes des Photovoltaikgenerators verbunden sind.
Der Anschlusskasten des Wechselrichters kann sich innerhalb oder auch außerhalb des Wechselrichters befinden.
Das Schaltelement befindet sich mit seinem ersten Anschluss im Leitungsabschnitt der Versorgungsstreckenleitung und genau dort zwischen dem Versorgungsabgriff der Ansteuerelektronik zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik und dem ersten Netzanschluss der Kurzschlussleitung. Der zweite Anschluss des steuerbaren Schaltelements befindet sich auf der Potenzialleitung am zweiten Netzanschluss.
Der Linearregler steht einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung und andererseits mit dem Versorgungsnetz des Reglers für das steuerbare Schaltelement in Verbindung. Eine ebensolche Verbindung besteht für den kapazitiven/induktiven Hochsetzsteller.
Die Verbindungen des Linearreglers und des kapazitiven/induktiven Hochsetzsteller mit der Steuerleitung enthalten jeweils eine Diode.
Schließlich kann zum induktiven Hochsetzsteller eine Transformatorschaltung gehören, die sekundär mit der Steuerleitung, auf der die Steuerspannung anliegt, in Verbindung steht. Primärseitig ist die Transformatorschaltung energieversorgungstechnisch mit der Versorgungseinheit über eine steuerbare Verbindungsleitung verbunden.
Die Versorgungseinheit des induktiven Hochsetzstellers kann als ein Spannungsbegrenzer mit einem vergleichenden Operationsverstärker und einem dem Operationsverstärker zugeordneten steuerbaren Versorgungsschaltelement ausgebildet sein, das über den Versorgungsabgriff mit der Versorgungsstreckenleitung verbunden ist.
Das Schaltelement ist im Wesentlichen ein elektronisch geschalteter Öffner zwischen den Netzanschlüssen des Photovoltaikmoduls zum Gleichstromnetz, wobei das Schaltelement derart gesteuert schaltbar ist, dass die Modulelektronik zumindest in zwei zulässige stationäre Betriebszustände durch die die Kommunikationselektronik auslösende Ansteuerelektronik schaltbar ist.
Ist das Schaltelement nicht durch die Ansteuerelektronik steuernd schaltbar (negative Spannungsrichtung; Bypasspolung), so kann in der Modulelektronik entweder ein hochohmiger passiver Zustand bestehen oder durch eine parallele Überbrückung des Schaltelementes mit einem in Bypasspolung leitenden Bauelementen einen passiven Zustand aufweisen.
Im ersten zulässigen und normalen Betriebszustand, dem aktiven Zustand des Photovoltaikmoduls, ist das steuerbare Schaltelement aktiv geöffnet (nicht leitende Kurzschlussleitung), wobei das Photovoltaikmodul mit dem ersten Netzanschluss der Stromversorgungsleitung niederohmig verbunden ist, wobei im aktiven Zustand das Photovoltaikmodul eine Leistung über die Stromversorgungsleitung an das Gleichstromnetz des Photovoltaikgenerators abgibt.
Im zweiten zulässigen Zustand, dem inaktiven Zustand des Photovoltaikmoduls, wird das steuerbare Schaltelement geschlossen (leitende Kurzschlussleitung), wobei das Photovoltaikmodul in einen spannungsreduzierten Zustand mit einer Modulrestspannung nahe dem Kurzschlussstrombetrieb gezwungen wird.
Die Ansteuerelektronik besitzt für diesen Fall einen Regler, der aus der geringen Modulrestspannung eine genügend hohe Spannung für das aktive Schalten des Schaltelementes bereitstellt. Der Spannungsregler kann durch eine Kombination von Linearregler (bei Modulrestspannungen über/oberhalb der aktiven Steuerspannung) und aus kapazitiven Hochsetzstellern und induktiven Hochsetzstellern (bei Modulrestspannungen unter/unterhalb der aktiven Steuerspannung) rückwirkungsfrei das Versorgungsnetz des Reglers versorgen. Das Schaltelement ist zusammen mit dem Regler in einen Regelkreis integriert, in dem sich die Modulrestspannung stationär einstellt.
Im dritten zulässigen Zustand, dem passiven Zustand eines Photovoltaikmoduls, ist die vom Photovoltaikmodul am Versorgungsabgriff der Versorgungsstreckenleitung zur Verfügung gestellte Spannung entweder nicht ausreichend oder durch Umpolung (Bypasspolung) unzulässig verpolt, um durch die Ansteuerelektronik das Schaltelement aktiv gesteuert zu schalten. Im passiven Zustand ist das Schaltelement vom zweiten Netzanschluss über die Kurzschlussleitung in Richtung zur Versorgungsstreckenleitung hin zum ersten Modulanschluss entweder hochohmig oder leitend mittels mindestens eines ersten Schwellwertbauelements ausgebildet Die durchgängige leitende Ausbildung in Bypasspolung kann durch ein überbrückendes paralleles Schalten von z. B. einer Diode als erstes Schwellwertbauelement zum Schaltelement durchgeführt werden.
Zur Ansteuerelektronik und zur Kommunikationselektronik gehört eine Schalteingangselektronik zum Zuschalten der Steuerspannung an das steuerbare Schaltelement, wobei die Schalteingangselektronik mit der Leitstelle verbunden ist sowie mit einem in der Steuerleitung befindlichen ersten Schalter und mit einem parallel zum Steueranschluss und zweiten Netzanschluss befindlichen zweiten Schalter in Verbindung steht.
Die Leitstelle kann über Kabel als Medium der Kommunikationsstrecke mit der jeweiligen Kommunikationselektronik als Teil der Schalteingangselektronik in signaltechnischer Verbindung stehen, wobei als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle ein erster Optokoppler mit einem Diodensender und einem Phototransistor des ersten Optokopplers dient, wobei der Phototransistor des ersten Optokopplers von Seiten der Kommunikationselektronik mit einer Versorgungsleitung von der Versorgungseinheit aus und mit einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger verbunden ist. Die Leitstelle kann aber auch über Funk mit der Kommunikationselektronik in Verbindung stehen.
Die Übertragung der Signale retour seitens der Kommunikationselektronik in Richtung zur Leitstelle kann dadurch vorgesehen sein, dass zwischen der Leitstelle und der Kommunikationselektronik eine Kommunikationsstrecke mit einem Sendepfad und einem Empfangspfad vorhanden sind.
Durch die Einbringung eines Empfangspfades in die Kommunikationsstrecke ändert sich auch ein Teil Bauelemente in der Ansteuerelektronik zu einer alternativen Ansteuerelektronik.
Im Sendepfad liegt als Ausgangspunkt des Sendetelegramms ein Sender der Leitstelle, der mit einem ersten Sendetransistor und einer Spannungsquelle in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor aus der mit ihm verbundene erste Optokoppler bedient wird, wobei der nachgeschaltete erste Schmitttrigger der Kommunikationselektronik die vom Phototransistor des ersten Optokopplers übernommenen Signale des Sendetelegramms an den Empfänger der Ansteuerelektronik weiterleitet.
In der Ansteuerelektronik übernimmt ein dem Empfänger nachgeschalteter Befehlsdekoder die Funktionen des Empfangsregisters, des Vergleichers, des Fensterdekoders sowie die Funktionen des Speichers für die Schlüsselwörter „A” und „B”, wobei vom Befehlsdekoder eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied besteht, wobei der Befehlsdekoder zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle aus definierten Empfangspfads mit einem Statusregister/Datenregister verbunden ist, dem ein Sender der Ansteuerelektronik nachgeordnet ist, wobei der Sender der Ansteuerelektronik mit einem Sendetransistor verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler der Kommunikationselektronik in Verbindung steht.
Die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers der Kommunikationselektronik ausgelösten Signale sind mit Unterstützung einer Stromquelle einem der Leitstelle zugehörigen zweiten Schmitttrigger zugeführt, wobei der Schmitttrigger an den mit ihm verbundenen Empfänger der Leitstelle das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm übergibt.
Die Leitstelle kann ganz oder teilweise in andere interne oder externe Geräte integriert sein, z. B. intern in den Anschlusskasten und/oder in den Wechselrichter.
Die in der Ansteuerelektronik befindliche elektrische Versorgungseinheit ist mit der Versorgungsstreckenleitung zum Photovoltaikmodul oder mit der Kurzschlussleitung sowie mit Masse/Masseleitung verbunden.
Der Sendepfad und der Empfangspfad der Kommunikationselektronik sind über eine Versorgungsleitung mit der elektrischen Versorgungseinheit der Ansteuerelektronik verbunden, wobei der mit der Stromquelle in Verbindung stehende Schmitttrigger mit einem Empfänger innerhalb der Ansteuerelektronik verbunden ist, dem ein Empfängerregister nachgeordnet ist, das parallel mit einem Speicher für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher geschaltet ist, wobei dem Vergleicher wiederum ein Fensterdetektor nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied in Verbindung steht, dessen Ausgang mit dem Speicher für die Schlüsselwörter „A” und „B” über eine Signalleitung und mit einem Treiber verbunden ist.
Der Treiber kann derart ausgangsseitig ausgebildet sein, dass von ihm aus zwei Schaltsteuerleitungen zu den jeweiligen Schaltern zum Ansteuern des Schaltelements geführt sind.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Photovoltaikgenerators mit Schutzschaltungsanlage für Photovoltaikmodule,
2 ein allgemeines Schaltschema der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanlage für ein Photovoltaikmodul mit Modulelektronik und Leitstelle sowie mit einer Verbindung zu einem steuerbaren modultrennenden und modulzuschaltenden Schaltelement,
3 ein Schaltschema eines ersten Teils der Ansteuerelektronik mit mehreren Spannungsreglern und einem Regelkreis sowie einer Kommunikationselektronik einschließlich einer ersten Leitstelle,
4 ein Schaltschema der Kombination einer Kommunikationselektronik mit einem anderen Teil der Ansteuerelektronik,
5 zeitliche Darstellung von Zuständen des modultrennenden und modulzuschaltenden Schaltelements in Verbindung mit den Signalen der Leitstelle, wobei
5a Abfolge von aktiven und gesperrten Schaltelementzuständen,
5b Abfolge von Schlüsselwort/Fenster-Signalen in der Kommunikationselektronik und
5c Abfolge von modultrennenden und modulzuschaltenden Schlüsselwort-Signalen aus der Leitstelle
zeigen,
6 ein Schaltschema der Modulelektronik mit einem variierten ersten Teil der Ansteuerelektronik und einer Kommunikationselektronik einschließlich Sendepfad und Empfangspfad und einer dem Sendepfad und dem Empfangspfad zugehörigen zweiten Leitstelle.
Im Folgenden werden die 1, 2 und 3 gemeinsam betrachtet. In 1 ist ein Photovoltaikgenerator 40 mit einer Schutzschaltungsanlage 1 für Photovoltaikmodule 2 dargestellt, die über ein Gleichstromnetz 22 mit einem Wechselrichter 41 in Verbindung stehen und in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung verschaltet sind sowie über jeweils eine Modulelektronik 3 mit dem Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 verbunden sind, wobei zumindest folgende Baugruppen bezüglich einer Modulelektronik 3 für die Schutzschaltungsanlage 1 vorhanden sind:

– ein aktives steuerbares Schaltelement 8, das innerhalb einer die Modulelektronik 3 überbrückenden Kurzschlussleitung 17 zwischen einem ersten Netzanschluss 4 und einem zweiten Netzanschluss 5 der Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 geschaltet angeordnet ist,
– eine in 2 dargestellte Ansteuerelektronik 9, die mit dem aktiv steuerbaren Schaltelement 8 über eine Steuerleitung 19 in steuernder Verbindung steht, auf der eine Steuerspannung anliegt, und die eine mit einer Versorgungsstreckenleitung 16 verbundene elektrische Versorgungseinheit 29 aufweist und
– eine Kommunikationselektronik 11, die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik 9 energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik 3 befindlichen Leitstelle 14 über eine Kommunikationsstrecke 23 signaltechnisch verbunden ist,

3

8

9

11

29

12

13

2

4

5

6

Die Ansteuerelektronik 9 enthält einen Regler 53, der die Modulrestspannung durch Steuerung des aktiven Schaltelementes 8 auf einem Sollwert ausregelt, unabhängig vom Modulkurzschlussstrom, wobei die Versorgungsspannung des Reglers 53 durch mindestens einen Spannungsregler erfolgt, der aus der geringen Modulrestspannung eine genügend hohe Spannung für das aktive Steuern des Schaltelementes 8 bereitstellt, wobei der Spannungsregler zumindest einen Linearregler 7, der bei Modulrestspannungen über der aktiven Steuerspannung schaltet, und einen kapazitiven Hochsetzsteller 18 und/oder einen induktiven Hochsetzsteller 68, die bei Modulrestspannungen unter der aktiven Steuerspannung schalten, darstellt, wobei die Modulrestspannungen rückwirkungsfrei das Versorgungsnetz 54 des Reglers 53 versorgen und wobei das Schaltelement 8 zusammen mit dem Regler 53 einen Regelkreis 56 mit der Verbindung 53-55-93-19-8-87-54-53 aus den Bauelementen 53, 55, 93, 8 und den Leitungen 19, 87, 43, 54 bildet, wobei sich in dem Regelkreis 56 die Modulrestspannung stationär einstellt.
Der Regler 53 in 3 ist eingangsseitig über die Spannungsleitung/Versorgungsnetz 54 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden. Des Weiteren steht der Regler 53 eingangsseitig mit der Sollwertspannungsquelle V_SC 55 in Verbindung. Die Spannungsversorgung des Reglers 53 erfolgt über die Versorgungsleitung 27. Ausgangsseitig ist der Regler 53 über einen ersten Schalter 93 und der Steuerleitung 19 mit dem Steuereingang des Schaltelementes 8 verbunden.
Als kapazitiver Hochsetzsteller 18 kann eine Ladungspumpe eingesetzt sein. Als induktiver Hochsetzsteller 68 kann ein mit einem Transformator 86 versehener Resonanzwandler 68 eingesetzt sein.
Das Schaltelement 8 kann, wie in 2 gezeigt ist, durch ein Schwellwertbauelement 69 parallel überbrückt sein. Das Schwellwertbauelement 69 kann eine Diode sein, mit der eine durchgängige leitende Ausbildung in Bypasspolung durchgeführt werden kann.
Die Photovoltaikmodule 2 können durch die Stromversorgungsleitung 6 des Gleichstromnetzes 22 an einen Anschlusskasten 42 des Wechselrichters 41 angeschlossen sein.
Der Anschlusskasten 42 des Wechselrichters 41 kann sich innerhalb oder auch außerhalb des Wechselrichters 41 befinden.
Die Kommunikationsstrecke 23 als signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle 14 und den jeweiligen Kommunikationselektroniken 11 der Modulelektroniken 3 ist wahlweise über Kabel und/oder kabelfrei, z. B. über Funk, ausgebildet.
Die Schutzschaltungsanlage 1 des Photovoltaikgenerators 40 für die vorhandenen Photovoltaikmodule 2 in 1 besteht jeweils aus einer einem Photovoltaikmodul 2 zugehörigen Modulelektronik 3 und aus einer allen Photovoltaikmodulen 2 zugeordneten Leitstelle 14.
Die Ansteuerelektronik 9 ist einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung 16 (positive Spannung, Pluspole 12, 4) und andererseits mit Masse oder mit der Potenzialleitung 20 (Minuspole 13, 5) verbunden.
Von der Ansteuerelektronik 9 ausgehend ist zum Schaltelement 8 eine Steuerleitung 19 geführt, wobei von der Ansteuerelektronik 9 aus über die Steuerleitung 19 die Schaltsignale zum Schließen und zum Öffnen der Kurzschlussleitung 17 an das Schaltelement 8 gesendet werden.
Das Schaltelement 8 befindet sich mit seinem ersten Anschluss 87 im Leitungsabschnitt 43 der Versorgungsstreckenleitung 16 und genau dort zwischen dem Versorgungsabgriff 21 der Ansteuerelektronik 9 zur Elektroversorgung der gesamten Modulelektronik 3 und dem ersten Netzanschluss 4 der Kurzschlussleitung 17. Der zweite Anschluss 5 des steuerbaren Schaltelements 8 befindet sich auf der Potenzialleitung 20 am zweiten Netzanschluss 5.
Zumindest ein Teil der Baugruppen der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanlage 1 kann sich in einer abgeschlossenen Dose 85, wie sie in 6 gezeigt ist, befinden.
Die Baugruppen können sich innerhalb der Dose 85 auf einer Leiterplatte befinden, die wahlweise in der Dose 85 gehaltert eingebracht ist.
Das Schaltelement 8 ist im Wesentlichen ein elektronisch geschalteter Öffner zwischen den Netzanschlüssen 4, 5 des Photovoltaikmoduls 2 zum Gleichstromnetz 22, wobei das Schaltelement 8 derart gesteuert schaltbar ist, dass die Modulelektronik 3 zumindest in zwei zulässige stationäre Betriebszustände durch die auslösende Ansteuerelektronik 9 schaltbar ist.
Ist das Schaltelement 8 nicht durch die Ansteuerelektronik 9 steuernd schaltbar (bei negativer Spannungsrichtung und in Bypasspolung), so kann in der Modulelektronik 3 entweder ein hochohmiger passiver Zustand bestehen oder durch eine parallele Überbrückung des Schaltelementes 8 mit dem in Bypasspolung leitenden Bauelement 69 einen passiven Zustand aufweisen.
Der Linearregler 7 steht einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung 16 und andererseits mit dem Versorgungsnetz 54 des Reglers 53 für das steuerbare Schaltelement 8 in Verbindung. Eine ebensolche Verbindung besteht für den kapazitiven Hochsetzsteller 18.
Die Verbindungen des Linearreglers 7 und des kapazitiven Hochsetzsteller 18 mit der Steuerleitung 19 enthalten jeweils eine Diode 90, 91.
Schließlich kann zum induktiven Hochsetzsteller 68 eine Transformatorschaltung 86 gehören, die sekundär mit der Steuerleitung 19, auf der die Schaltnetzspannung anliegt, in Verbindung steht. Primärseitig ist die Transformatorschaltung 86 energieversorgungstechnisch mittels eines Spannungsbegrenzers 10 über eine steuerbare Versorgungsspannungsleitung 271 verbunden.
Der Spannungsbegrenzer 10 kann mit einem vergleichenden Operationsverstärker 51 und einem dem Operationsverstärker 51 zugeordneten steuerbaren Versorgungsschaltelement 85 ausgebildet sein, das über den Versorgungsabgriff 15 mit der Versorgungsstreckenleitung 16 verbunden ist.
Im ersten zulässigen und normalen Betriebszustand, dem aktiven Zustand des Photovoltaikmoduls 2, ist das steuerbare Schaltelement 8 aktiv geöffnet, d. h. es liegt eine nicht leitende Kurzschlussleitung 17 vor, wobei das Photovoltaikmodul 2 mit dem ersten Netzanschluss 4 der Stromversorgungsleitung 6 niederohmig verbunden ist, wobei im aktiven Zustand das Photovoltaikmodul 2 eine Leistung über die Stromversorgungsleitung 6 an das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 abgibt.
Im zweiten zulässigen Zustand, dem inaktiven Zustand des Photovoltaikmoduls 2, wird das steuerbare Schaltelement 8 geschlossen, d. h. es liegt eine leitende Kurzschlussleitung 17 vor, wobei das Photovoltaikmodul 2 in einen spannungsreduzierten Zustand mit einer Modulrestspannung nahe dem Kurzschlussstrombetrieb gezwungen wird. Die Ansteuerelektronik 9 besitzt für diesen Fall die Spannungsregler 7, 18 und/oder 68, die aus der geringen Modulrestspannung eine genügend hohe Spannung für das aktive Schalten des Schaltelementes 8 hochsetzen bzw. bereitstellen können. Der Spannungsregler 7, 18 und/oder 68 kann durch eine Kombination von Linearregler 7 (bei Modulrestspannungen über/oberhalb der aktiven Steuerspannung) und aus kapazitiven Hochsetzstellern 18 und/oder induktiven Hochsetzstellern 68 (bei Modulrestspannungen unter/unterhalb der aktiven Steuerspannung) rückwirkungsfrei die Ansteuerelektronik 9 des Schaltelements 8 versorgen. Das Schaltelement 8 und der Regler 56 sind Teile des Regelkreises 56, in dem sich die Modulrestspannung stationär einstellt.
Im dritten zulässigen Zustand, dem passiven Zustand eines Photovoltaikmoduls 2, ist die vom Photovoltaikmodul 2 am Versorgungsabgriff 21 der Versorgungsstreckenleitung 16 zur Verfügung gestellte Spannung entweder nicht ausreichend oder durch Umpolung in Bypasspolung unzulässig verpolt, um durch die Ansteuerelektronik das Schaltelement 8 aktiv gesteuert zu schalten. Im passiven Zustand ist das Schaltelement 8 vom zweiten Netzanschluss 5 über die Kurzschlussleitung 17 in Richtung zur Versorgungsstreckenleitung 16 hin zum ersten Modulanschluss 12 entweder hochohmig oder leitend mittels mindestens eines ersten Schwellwertbauelements 69 ausgebildet. Die durchgängige leitende Ausbildung in Bypasspolung kann durch ein überbrückendes paralleles Schalten von z. B. der Diode als erstes Schwellwertbauelement 69 zum Schaltelement 8 durchgeführt werden.
Der Modulanschluss 13 (Minuspol) des Photovoltaikmoduls 2 und der Netzanschluss 5 (Minuspol) der Stromversorgungsleitung 6 sind niederohmig miteinander verbunden. Mit dem steuerbaren Schaltelement 8 können zwei zulässige stationäre Betriebszustände – ein aktiver Zustand 38 und ein inaktiver Zustand 39 –, wie in 5a gezeigt ist, durch die Ansteuerelektronik 9 geschaltet sein. Ist das Schaltelement 8 durch einen Ausfall der elektrischen Versorgungseinheit 29 nicht schaltbar, so kann zum Schutz der Modulelektronik 3 in der Modulelektronik 3 eine parallele Überbrückung des Schaltelements 8 mittels Schwellwertbauelementen 69, die eine gleichgerichtete Stromleitung über die Kurzschlussleitung 17 in Richtung zum Versorgungsabgriff 21 ermöglichen, vorgesehen sein, wodurch ein dritter zulässiger Zustand, ein passiver Zustand, vorhanden ist.
Wie detailliert in 3 sowie 5a, 5b und 5c gezeigt ist, kann sich die Ansteuerelektronik 9 im aktiven Betriebszustand 38 und auch im inaktiven stationären Betriebszustand 39 mittels der in ihr enthaltenen Versorgungseinheit 29 energietechnisch versorgen. Dabei ist durch den Versorgungsabgriff 21 an der Versorgungsstreckenleitung 16 im Allgemeinen die elektrische Versorgung der Ansteuerelektronik 9 und somit der gesamten Modulelektronik 3 bei Netztrennung mittels des offenen Schaltelements 8 im inaktiven Zustand 39 gewährleistet.
Zur Ansteuerelektronik 9 und zur Kommunikationselektronik 11 gehört eine in 3 angegebene Schalteingangselektronik 92 zum Zuschalten der Steuerspannung an das steuerbare Schaltelement 8, wobei die Schalteingangselektronik 92 mit der Leitstelle 14 verbunden ist sowie mit einem in der Steuerleitung 19 befindlichen ersten Schalter 93 und mit einem in der Leitung 171 befindlichen, parallel zum Steueranschluss des Schaltelements 8 und zweiten Netzanschluss 5 befindlichen zweiten Schalter 94 in Verbindung steht.
Die signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle 14 und den jeweiligen Kommunikationselektroniken 11 der Modulelektroniken 3 kann über Kabel und/oder kabelfrei, z. B. über Funk, ausgebildet sein. Zwischen der Leitstelle 14 und den Kommunikationselektroniken 11 kann somit eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung bestehen.
In 3 ist ein Teil-Schaltschema der Schutzschaltungsanlage 1 mit einem Teil der Modulelektronik 3 aus der Ansteuerelektronik 9 und der Kommunikationselektronik 11 sowie mit der Leitstelle 14 detaillierter dargestellt, um das Auftreten möglicher Gefährdungsfälle und die Reaktionsmaßnahmen der Schutzschaltungsanlage 1 auf die Gefährdungsfälle näher zu erklären.
In 3 ist die Kommunikation zwischen der Kommunikationselektronik 11 und der Leitstelle 14 bauelementebezogen der Einfachheit halber nur in eine Übertragungsrichtung (Sendepfad 77) angegeben.
Die Leitstelle 14 steht über eine leitungsausgebildete Kommunikationsstrecke 23 (Kabel) des Sendepfades 77 mit der Kommunikationselektronik 11 zumindest in signaltechnischer Verbindung. Als Übertrager der Signale von der Leitstelle 14 aus (Sendepfad 77) kann ein erster Optokoppler 24 mit einem Diodensender 25 und einem Phototransistor 26 dienen. Der Phototransistor 26 des ersten Optokopplers 24 ist von Seiten der Kommunikationselektronik 11 mit einer Versorgungsleitung 27 von der Versorgungseinheit 29 und einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger 28 verbunden, wie in 4 gezeigt ist.
Dabei stellt die Ansteuerelektronik 9 aus der Photovoltaikmodulspannung über der Versorgungsstreckenleitung 16 durch eine Versorgungseinheit 29 eine geregelte Versorgungsspannung der Modulelektronik 3 bereit. Bei kurzen Spannungseinbrüchen wird die elektrische Versorgung durch einen Stützkondensator 45 in der Versorgungseinheit 29 garantiert und ein Stromrückfluss aus der Versorgungseinheit 29 in das Photovoltaikmodul 2 durch Dioden 46, 47 blockiert. Dabei ist die erste Diode 46 mit dem Versorgungsabgriff 21 und die zweite Diode 47 mit dem Versorgungsabgriff 61 der Kurzschlussleitung 17 verbunden.
Die Ansteuerelektronik 9 detektiert selbständig die beschriebenen Gefährdungszustande und schaltet das Schaltelement 8 in den inaktiven Zustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass eine selbständige Netztrennung vom Gleichstromnetz 22 vorliegt. Der inaktive Zustand 39 kann nur durch ein Freigabetelegramm 44 von der Leitstelle 14 der Modulelektronik 3, wobei das Leitstellentelegramm 44 von der Kommunikationselektronik 11 empfangen wird, verlassen werden und in den normalen Betriebszustand 38 übergehen, bei dem das Schaltelement 8 geöffnet ist, was eine Aufhebung des Kurzschlusses über der Stromversorgungsleitung 6 darstellt und somit eine aktive Netzzuschaltung darstellt.
Die Funktionsweise der Modulelektronik 3 der Schutzschaltungsanlage 1 besteht prinzipiell in Folgendem:
Im definierten ersten zulässigen und normalen Betriebszustand, dem aktiven Zustand 38, ist das Schaltelement 8 geöffnet, wobei das Photovoltaikmodul 2 mit dem ersten Netzanschluss 4 der Stromversorgungsleitung 6 niederohmig verbunden ist. In dem aktiven Zustand 38 kann das Photovoltaikmodul 2 eine Leistung über die Stromversorgungsleitung 6 an das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 abgeben.
Im zweiten zulässigen Zustand, dem inaktiven Zustand 39, ist das Schaltelement 8 geschlossen, wobei das Photovoltaikmodul 2 vom Generatornetz 22 getrennt wird.
Im inaktiven Zustand 39 ist das Photovoltaikmodul 2 leistungsfrei geschaltet und die Netzanschlüsse 4, 5 sind kurzgeschlossen.
In der Modulelektronik 3 kann das Auftreten eines dritten zulässigen Zustandes, eines passiven Zustandes, vorgesehen sein, wenn die vom Photovoltaikmodul 2 am Versorgungsabgriff 21 zur Verfügung gestellte Spannung nicht ausreicht, um durch die Ansteuerelektronik 9 das Schaltelement 8 steuernd zu schalten. Im passiven Zustand ist das Schaltelement 8 vom zweiten Netzanschluss 5 (Minuspol) zum ersten Netzanschluss 4 (Pluspol) jeweils leitend durch ein das Schaltelement 8 parallel überbrückendes Bauelement 69 ausgeführt.
Während die Kommunikationselektronik 11 in 4 über Versorgungsleitung 27 mit der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 9 verbunden ist, ist der mit der konstanten Referenzstromquelle I_ref 48 in Verbindung stehende Schmitttrigger 28 mit einem Empfänger 30 innerhalb der Ansteuerelektronik 9 verbunden. Dem Empfänger 30 ist ein Empfängerregister 31 nachgeordnet, das parallel zu einem Speicher 32 für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher 33 angeschaltet ist. Dem Vergleicher 33 wiederum ist ein Fensterdetektor 34 nachgescheltet, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied 35 in Verbindung steht, dessen Ausgang 36 mit dem Speicher 32 für die Schlüsselwörter „A” und „B” über die Rück-Signalleitung 62 und mit einem Treiber 37 verbunden ist.
Im Folgenden wird anhand der 5a, 5b und 5c erläutert, wie die Kommunikationselektronik 11 und die Leitstelle 14 nach dem Eintreten von Gefährdungsfällen und nach Beendigung und Behebung der Gefährdungsfälle miteinander umgehen.
Die 5a zeigt die schaltbaren Schaltelement-Zustände des Schaltelements 8, wobei der Zustand 38 den aktiven Zustand und der Zustand 39 den inaktiven Zustand angeben.
Das von der Leitstelle 14 gesendete Schlüsselwort „A” bedeutet: Es liegt kein Gefährdungsfall vor und der Stromtransfer geht vom Photovoltaikmodul 2 zum Gleichstromnetz 6 des Photovoltaikgenerators 40.
5b zeigt die zeitlichen Erwartungszustands-Abläufe für das Schlüsselwort A und 5c zeigt die Schlüsselwort-Signalfolgen-Zuschaltungen für Schlüsselwort „A” und für Schlüsselwort „B”.
Die Funktionsweise der Kommunikationselektronik 11 zur Kommunikation mit der Leitstelle 14 und zum Empfang von deren Leitstellentelegrammen 44 soll beispielhaft anhand der 4 gemeinsam mit den 5a, 5b, 5c erläutert werden. Ist das Photovoltaikmodul 2 an die Stromversorgungsleitung 6, wie in 5a gezeigt, zugeschaltet, was den aktiven Zustand 38 darstellt, bei dem das Schaltelement 8 offen ist, erwartet die Ansteuerelektronik 9 ein von der Leitstelle 14 gesendetes, periodisch wiederkehrendes Leitstellentelegramm 44, das ein Freigabetelegramm sein kann, wobei das Leitstellentelegramm 44 über die Kommunikationselektronik 11 empfangen wird.
Das freigebende Leitstellentelegramm 44 kann gegenüber den periodisch wiederkehrenden Leitstellentelegrammen für den ungestörten Dauerbetrieb mit einem besonders markanten Impulssignal versehen sein, kann aber auch bei entsprechender Ausbildung dieses Impulssignals bereits in dem periodisch wiederkehrenden Leitstellentelegramm enthalten.
Das periodisch wiederkehrende Leitstellentelegramm 44 signalisiert somit einen ungefährdeten Photovoltaikgeneratorbetrieb. Das Leitstellentelegramm 44 und sein Zeitregime sind realisierungsabhängig. Bleibt das periodisch wiederkehrende Leitstellentelegramm 44 aus, erkennt die Ansteuerelektronik 9 einen Gefährdungszustand/-fall des Photovoltaikgenerators 40 und schaltet, wie in 5a gezeigt ist, das Schaltelement 8 in den inaktiven Zustand 39 und damit das Photovoltaikmodul 2 an den Netzanschlüssen 4, 5 leistungsfrei und spannungsfrei, so dass somit eine selbständige Netztrennung zum Photovoltaikmodul 2 vorliegt.
Das Leitstellentelegramm 44 wird in der Leitzentrale 14 in Spannungsmodulation der Kommunikationsstrecke 23 in Form eines Zweidrahtbusses des Sendepfades 77 umgesetzt, der in Verbindung mit einem ersten Optokoppler 24 der Kommunikationselektronik 11 steht. Die Spannungsmodulation wird an der Kommunikationselektronik 11 durch eine Lichtdiode 25 in Lichtimpulse umgesetzt, die fallen auf einen Phototransistor 26 fallen, der abhängig von der Lichtintensität seinen Strom ändert. Die Lichtdiode 25 und der Phototransistor 26 sind Teil des ersten Optokopplers 24. Mit Hilfe einer konstanten Referenzstromquelle 48 wird der sich ändernde Strom in eine Spannungsmodulation in der Kommunikationselektronik 11 gewandelt. Die Spannungsänderung wird mit einem ersten Schmitttrigger 28 in ein zweiwertiges Logiksignal konvertiert. Es entsteht ein Bitstrom. Der dem ersten Schmitttrigger 28 nachfolgende digitale Empfänger 30 setzt den Bitstrom in Abhängigkeit des Protokolls zu einem Telegramm zusammen, das im Empfangsregister 31 abgelegt wird. Befindet sich die Modulelektronik 3 im aktiven Zustand 38, so wird das aus einer Signalfolge bestehende Telegramm in einem Vergleicher 33 mit einem angebundenen Fensterdetektor 34 in zwei aufeinander folgenden Zeitfenstern 66, 67 mit dem Vorliegen eines Schlüsselwortes „A” verglichen. Im ersten Zeitfenster 66, dessen Länge t₆₆ festgelegt ist, darf das Telegramm nicht dem Schlüsselwort „A” entsprechen. Geschieht dies, wird das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 22 getrennt (inaktiver Zustand 39). Im zweiten Zeitfenster 67, dessen maximale Länge t₆₇ festgelegt ist, muss ein Telegramm mit dem Schlüsselwort „A” empfangen werden. Geschieht dies nicht, wird das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 22 getrennt (inaktiver Zustand 39). Wird im zweiten Fenster 67 das Schlüsselwort „A” innerhalb der vorgeschriebenen Zeit t₆₇ empfangen, dann wird der Fensterdetektor 34 wieder auf das erste Fenster 66 zurückgesetzt.
Der inaktive Zustand 39 bleibt solange bestehen, bis ein aus einer anderen Signalfolge bestehendes Schlüsselwort „B” von der Leitstelle 14 gesendet wird. Ist das Photovoltaikmodul 2 vom Netz 22 getrennt (inaktiver Zustand 39), dann erwartet die Modulelektronik 3, auf oben beschriebene Art, das Schlüsselwort „B” in 5c und geht in den normalen Betriebszustand 38 über (Schaltelement 8 ist offen). Danach startet sofort der Fensterdetektor 34 mit dem ersten Fenster 66.
Der aktuelle Betriebszustand der Modulelektronik 3 und der erkannte Gefährdungszustand kann in einer alternativen Schaltung zur ersten Kommunikationselektronik 11 einschließlich eines Sendepfades 77 der Kommunikationsstrecke 23 mittels einer in 6 dargestellten zweiten Kommunikationselektronik 111 einschließlich des Sendepfades 77 und eines Empfangspfades 78 durch ein Rück-Telegramm 80 von der Kommunikationselektronik 111 aus an die erweiterte zweite Leitstelle 141 übermittelt werden. Dabei kann entweder die Leitstelle 141 die Kommunikationselektronik 111 über die Kommunikationsstrecke 23 abfragen oder die Kommunikationselektronik 111 übermittelt bei Übergang in den jeweiligen Betriebszustand, insbesondere in den inaktiven Zustand 39 den Zustandsübergang in Form eines Empfangstelegramms 80 an die Leitstelle 141 selbständig.
Auch der Empfangspfad 78 wird über die Versorgungsleitung 27 der elektrischen Versorgungseinheit 29 der Ansteuerelektronik 91 bedient.
Die Rück-Übertragung von Signalen seitens der Kommunikationselektronik 111 in Richtung zur Leitstelle 141 kann mittels folgender Bauelemente in folgender in 6 dargestellter verbindender Verschaltung vorgesehen sein:
Während sich die Sendepfade 77 der beiden Kommunikationselektroniken 11 und 111 weitgehend ähneln, kann sich durch die Einbringung eines Empfangspfades 78 in die Kommunikationselektronik 111 auch ein Teil der bisherigen Ansteuerelektronik 9 zur alternativen Ansteuerelektronik 91 ändern.
Im Sendepfad 77 ist der Ausgangspunkt des gesendeten Leitstellentelegramms 44 aus der Leitstelle 141 ein Sender 76, der mit einem ersten Sendetransistor 75 und einer Spannungsquelle 79 in Verbindung steht. Vom ersten Sendetransistor 75 wird der mit ihm verbundene erste Optokoppler 24 bedient. Der erste Schmitttrigger 28 der Kommunikationselektronik 111 leitet die vom Phototransistor des ersten Optokopplers 24 übernommenen Signale des gesendeten Leitstellentelegramms 44 an den Empfänger 30 der Ansteuerelektronik 91 weiter.
In der Ansteuerelektronik 91 übernimmt ein dem Empfänger 30 nachgeschalteter Befehlsdekocder 70 die Funktionen des Empfangsregisters 31, des Vergleichers 33, des Fensterdekoders 34 sowie die Funktionen des Speichers 32 für die Schlüsselwörter „A” und „B”. Vom Befehlsdekoder 70 besteht eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied 35. Der Befehlsdekoder 70 ist zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle 141 aus definierten Empfangspfads 78 mit einem Statusregister/Datenregister 71 verbunden, dem ein Sender 72 der Ansteuerelektronik 91 nachgeordnet ist. Der Sender 72 ist mit einem Sendetransistor 74 verbunden, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler 73 in Verbindung steht. Die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers 7 ausgelösten Signale werden mit Unterstützung einer Stromquelle 83 einem zweiten Schmitttrigger 81 zugeführt, der an den mit ihm verbundenen Empfänger 82 das digitalisierte Empfangstelegramm 80 über den Betriebszustand der Modulelektronik 3 übergibt.
In der alternativen Verschaltung kann zwischen der Leitstelle 141 und der Kommunikationselektronik 111 also ein Sendepfad 77 und ein Empfangspfad 78 vorhanden sein, wobei die letzteren beiden die Kommunikationsstrecke 23 darstellen können.
Der Treiber 37 in 6 ist derart ausgangsseitig ausgebildet, dass von ihm aus zwei Schaltsteuerleitungen 49, 50 zu den jeweiligen Schaltern 93, 94 zum Ansteuern des Schaltelements 8 geführt sind.
Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanlage 1 sind, dass

1. bei Auftreten von Gefährdungsfällen oder -zuständen an Photovoltaikmodulen 3 eine selbsttätige Trennung vom Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 erfolgt und
2. nach der Reparatur und/oder Beendigung des Gefährdungsfalles an den Photovoltaikmodulen 2 eine aktive Zuschaltung der Photovoltaikmodule 2 in das Gleichstromnetz 22 des Photovoltaikgenerators 40 durchgeführt wird,

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Bezugszeichenliste

1: Schutzschaltungsanlage
2: Photovoltaikmodul
3: Modulelektronik
4: erster Netzanschluss (Pluspol)
5: zweiter Netzanschluss (Minuspol)
6: Stromversorgungsleitung
7: Linearregler
8: steuerbares Schaltelement
9: Ansteuerelektronik
91: Ansteuerelektronik
10: Spannungsbegrenzer
11: Kommunikationselektronik
111: Kommunikationselektronik
12: erster Modulanschluss (Pluspol)
13: zweiter Modulanschluss (Minuspol)
14: Leitstelle
141: Leitstelle
15: Versorgungsspannungsabgriff
16: Versorgungsstreckenleitung
17: Kurzschlussleitung
18: kapazitiver Hochsetzsteller
19: Steuerleitung
20: Potenzialleitung
21: Versorgungsabgriff
22: Gleichstromnetz
23: Kommunikationsstrecke
24: Optokoppler
25: Diode
26: Phototransistor
27: Versorgungsleitung
271: Versorgungsleitung
28: Schmitttrigger
29: Versorgungseinheit der Modulelektronik
30: Empfänger
31: Empfängerregister
32: Speicher für Schlüsselwörter
33: Vergleicher
34: Fensterdetektor
35: Mehrfach-ODER-Glied
36: Ausgang
37: Treiber
38: aktiver Zustand
39: inaktiver Zustand
40: Photovoltaikgenerator
41: Wechselrichter
42: Anschlusskasten
43: Leitungsabschnitt
44: Telegramm
45: Stützkondensator
46: erste Diode
47: zweite Diode
48: Versorgungsleitung
49: erste Signalleitung
50: zweite Signalleitung
51: Operationsverstärker
52: Diode
53: Regler
54: Versorgungsnetz des Reglers
55: Sollwert-Spannungsquelle
56: Regelkreis
61: Versorgungsabgriff an Kurzschlussleitung
62: Signalleitung
65: Schutzwiderstand
66: erstes Fenster
67: zweites Fenster
68: induktiver Hochsetzsteller
69: Überbrückungs-Diode
70: Befehlsdekoder
71: Statusregister/Datenregister
72: Sender
73: zweiter Optokoppler
74: zweiter Sendetransistor
75: erster Sendetransistor
76: Sender der Leitstelle
77: Sendepfad
78: Empfangspfad
79: Spannungsquelle
80: Empfangstelegramm
81: zweiter Schmitttrigger
82: Empfänger der Leitstelle
83: Stromquelle
84: Signalleitung zum Mehrfach-ODER-Glied
85: Dose
86: Transformator
87: erster Anschluss
88: zweiter Anschluss
89: Versorgungsschaltelement
90: Diode
91: Diode
92: Schalteingang
93: erster Schalter
94: zweiter Schalter
t₆₆: erste Fensterzeitdauer
t₆₇: zweite Fensterzeitdauer
V_ref: konstante Referenzspannungsquelle
I_ref: konstante Referenzstromquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006060815 A1 [0003]
DE 102005036153 B4 [0005]

Claims

Photovoltaikgenerator (40) mit Schutzschaltungsanlage (1) für Photovoltaikmodule (2), die über ein Gleichstromnetz (22) zumindest mit einem Wechselrichter (41) in Verbindung stehen und in gemischter Parallelschaltung und Reihenschaltung verschaltet sind sowie über jeweils eine Modulelektronik (3) mit dem Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) verbunden sind, wobei die Schutzschaltungsanlage (1) enthält: – ein aktives steuerbares Schaltelement (8), das innerhalb einer die Modulelektronik (3) überbrückenden Kurzschlussleitung (17) zwischen einem ersten Netzanschluss (4) und einem zweiten Netzanschluss (5) der Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) geschaltet angeordnet ist, – eine Ansteuerelektronik (9, 91), die mit dem Schaltelement (8) über eine Steuerleitung (19) in steuernder Verbindung steht und die eine über eine Versorgungsstreckenleitung (16) angeschlossene Versorgungseinheit (29) aufweist, – eine Kommunikationselektronik (11, 111), die ebenfalls mit der Ansteuerelektronik (9, 91) energieversorgungstechnisch und mit einer außerhalb der Modulelektronik (3) befindlichen Leitstelle (14, 141) über eine Kommunikationsstrecke (23) signaltechnisch verbunden ist, wobei zur Modulelektronik (3) zumindest die Baugruppen: Schaltelement (8), Ansteuerelektronik (9, 91), Kommunikationselektronik (11, 111) und zumindest eine elektrische Versorgungseinheit (29) gehören, die zwischen den Modulanschlüssen (12, 13) zum Photovoltaikmodul (2) und den Netzanschlüssen (4, 5) zur Stromversorgungsleitung (6) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (9, 91) zumindest einen Regler (53) enthält, der die Modulrestspannung durch Steuerung des aktiven Schaltelementes (8) auf einem Sollwert ausregelt, unabhängig vom Modulkurzschlussstrom, wobei die Versorgungsspannung des Reglers (53) durch mindestens einen Spannungsregler erfolgt, der aus einer geringen, an den Modulanschlüssen (12, 13) anliegenden Modulrestspannung eine genügend hohe Spannung für das aktive Steuern des Schaltelementes (8) hochsetzt, wobei der Spannungsregler zumindest als ein Linearregler (7), der bei Modulrestspannungen über der aktiven Steuerspannung schaltet, und als ein kapazitiver Hochsetzsteller (18) und/oder ein induktiver, einen Spannungsbegrenzer (10) aufweisenden Hochsetzsteller (68), die bei Modulrestspannungen unter der aktiven Steuerspannung schalten, ausgebildet ist, wobei die Modulrestspannungen rückwirkungsfrei das Versorgungsnetz (54) des Reglers (53) versorgen und wobei das Schaltelement (8) und der Regler (53) in einem Regelkreis (56; 53, 55, 93, 19, 8, 87, 54, 53) integriert sind, in dem sich die Modulrestspannung stationär einstellt.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikmodule (2) durch die Stromversorgungsleitung (6) des Gleichstromnetzes (22) an einen Anschlusskasten (42) des Wechselrichters (41) angeschlossen sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskasten (42) des Wechselrichters (41) sich innerhalb oder auch außerhalb des Wechselrichters (41) befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) sich mit seinem ersten Anschluss (87) im Leitungsabschnitt (43) der Versorgungsstreckenleitung (16) am ersten Netzanschluss (4) der Kurzschlussleitung (17) befindet, wobei der zweite Anschluss (88) des steuerbaren Schaltelements (8) sich auf der Potenzialleitung (20) am zweiten Netzanschluss (5) befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearregler (7) einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (16) energieversorgungstechnisch und andererseits mit dem Versorgungsnetz (54) des Reglers (53) für das steuerbare Schaltelement (8) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kapazitiver Hochsetzsteller (18) eine Ladungspumpe eingesetzt ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Hochsetzsteller (18) einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (16) energieversorgungstechnisch und andererseits mit dem Versorgungsnetz (54) des Reglers (53) für das steuerbare Schaltelement (8) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen des Linearreglers (7) und des kapazitiven Hochsetzsteller (18) und des induktiven Hochsetzstellers (68) mit der Steuerleitung (19) jeweils eine Diode (90, 91, 52) enthalten.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum induktiven, als Resonanzwandler aufgebauter Hochsetzsteller (68) eine Transformatorschaltung (86) gehört, die sekundär mit der Steuerleitung (19), auf der die Steuerspannung anliegt, in Verbindung steht und primärseitig die Transformatorschaltung (86) mit dem Spannungsbegrenzer (10) über eine steuerbare Versorgungsleitung (271) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbegrenzer (10) mit einem vergleichenden und mit einer Referenzspannung (VREF) eingangsseitig beaufschlagten Operationsverstärker (51) und einem dem Operationsverstärker (51) zugeordneten steuerbaren Versorgungsschaltelement (89) ausgebildet ist, das über den Versorgungsspannungsabgriff (25) mit der Versorgungsstreckenleitung (16) verbunden ist, wobei das Versorgungsschaltelement (89) den Resonanzwandler schaltet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) vom zweiten Netzanschluss (5) über die Kurzschlussleitung (17) in Richtung zur Versorgungsstreckenleitung (16) hin zum ersten Modulanschluss (12) entweder hochohmig oder leitend mittels mindestens eines ersten Schwellwertbauelements (69) ausgebildet ist, wobei die durchgängige leitende Ausbildung in Bypasspolung durch ein überbrückendes paralleles Schalten von einer Diode als erstes Schwellwertbauelement (69) zum Schaltelement (8) durchgeführt wird.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (9, 91) einerseits mit der Versorgungsstreckenleitung (16) und andererseits mit Masse oder mit der Potenzialleitung (20) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Baugruppen (7, 8, 9, 10, 11, 18, 29, 68) in einer abgeschlossenen Dose (85) befindet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen (7, 8, 9, 10, 11, 18, 29, 68) sich innerhalb der Dose (85) auf einer Leiterplatte befinden, die in der Dose (85) gehaltert eingebracht ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) ein elektronisch geschalteter Öffner des Photovoltaikmoduls (2) mit den Modulanschlüssen (12, 13) und der elektrischen Stromversorgungsleitung (6) mit den Netzanschlüssen (4, 5) zum Gleichstromnetz (22) ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungseinheit (29) mit der Versorgungsstreckenleitung (16) zum Photovoltaikmodul (2) oder mit der Kurzschlussleitung (17) sowie mit Masse/Masseleitung (20) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulelektronik (3) mindestens zwei Betriebszustände aufweist, wobei sich die Modulelektronik (3) in einem ersten und normalen Betriebszustand, einem aktiven Zustand (38) befindet, bei dem das Schaltelement (8) geöffnet ist und das Photovoltaikmodul (2) mit dem Netzanschluss (4) der Stromversorgungsleitung (6) niederohmig verbunden ist, wobei im aktiven Zustand (38) das Photovoltaikmodul (2) eine Leistung über die Stromversorgungsleitung (6) an das Gleichstromnetz (22) des Photovoltaikgenerators (40) abgibt, oder in einem zweiten zulässigen Zustand, einem inaktiven Zustand (39) befindet, bei dem das Schaltelement (8) geschlossen ist und das Photovoltaikmodul (2) vom Generatornetz (22) getrennt wird.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulelektronik (3) einen dritten zulässigen Zustand, einen passiven Zustand, aufweist, wobei zur Einstellung des passiven Zustands das Schaltelement (8) vom zweiten Netzanschluss (5) zum ersten Netzanschluss (4) jeweils zumindest das das Schaltelement (8) leitend und parallel überbrückendes Bauelement (69) aufweist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerelektronik (9, 91) und zur Kommunikationselektronik (11, 111) eine Schalteingangselektronik (92) zum Zuschalten der Steuerspannung an das steuerbare Schaltelement (8) gehört, wobei die Schalteingangselektronik (92) mit der Leitstelle (14) verbunden ist sowie mit einem in der Steuerleitung (19) befindlichen ersten Schalter (93) über eine erste Schaltsignalleitung (49) und mit einem in einer Leitung (171) befindlichen, parallel zum Steueranschluss des Schaltelements (8) und zum zweiten Netzanschluss (5) angeordneten zweiten Schalter (94) über eine zweite Schaltsignalleitung (50) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsstrecke (23) als signaltechnische kommunikative Verbindung zwischen der Leitstelle (14) und den jeweiligen Kommunikationselektroniken (11) der Modulelektroniken (3) über Kabel und/oder kabelfrei oder über Funk ausgebildet ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstelle (14, 141) über die Kommunikationsstrecke (23) mit der Kommunikationselektronik (11, 111) zumindest in signaltechnischer Verbindung steht, wobei in der Kommunikationselektronik (11, 111) in einem Sendepfad (77) als Übertrager der Signale seitens der Leitstelle (14,141) ein erster Optokoppler (24) mit einem Diodensender (25) und einem Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) dient, wobei der Phototransistor (26) des ersten Optokopplers (24) von Seiten der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einer Versorgungsleitung (27) von der Versorgungseinheit (29) aus und einer Abzweigung mit einem Schmitttrigger (28) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationselektronik (11, 111) über die Versorgungsleitung (27) mit der elektrischen Versorgungseinheit (29) der Ansteuerelektronik (9,91) verbunden ist, wobei der mit der konstanten Referenzstromquelle I_ref (48) in Verbindung stehende Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (11, 111) mit einem Empfänger (30) innerhalb der Ansteuerelektronik (9, 91) verbunden ist, dem ein Empfängerregister (31) nachgeordnet ist, das parallel mit einem Speicher (32) für zwei Schlüsselwörter „A” und „B” an einen Vergleicher (33) geschaltet ist, wobei dem Vergleicher (33) wiederum ein Fensterdetektor (34) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Mehrfach-ODER-Glied (35) in Verbindung steht, dessen Ausgang (36) mit dem Speicher (32) für die Schlüsselwörter „A” und „B” über eine Signalleitung (62) und mit einem Treiber (37) verbunden ist.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (37) derart ausgangsseitig ausgebildet ist, dass von ihm aus zwei Schaltsteuerleitungen (49, 50) zu den jeweiligen Schaltern (93, 94) zum Schalten des Schaltelements (8) geführt sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leitstelle (141) und der Kommunikationselektronik (111) als Kommunikationsstrecke (23) ein Sendepfad (77) und ein Empfangspfad (78) vorhanden sind.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rück-Übertragung von Signalen zu den Betriebszuständen seitens der Kommunikationselektronik (111) in Richtung zur Leitstelle (141) vorgesehen ist, wobei sich durch die Einbringung des Empfangspfades (78) in die Kommunikationselektronik (111) auch ein Teil der Ansteuerelektronik (9) zur alternativen Ansteuerelektronik (91) ändert.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendepfad (77) der Ausgangspunkt des Sendetelegramms (44) ein Sender (76) der Leitstelle (141) ist, der mit einem ersten Sendetransistor (75) und einer Spannungsquelle (79) in Verbindung steht, wobei vom ersten Sendetransistor (75) der mit ihm verbundene erste Optokoppler (24) bedient wird, wobei der erste Schmitttrigger (28) der Kommunikationselektronik (111) die vom Phototransistor des ersten Optokopplers (24) übernommenen Signale des Sendetelegramms (44) an den Empfänger (30) der Ansteuerelektronik (91) weiterleitet.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerelektronik (91) ein dem Empfänger (30) nachgeschalteter Befehlsdekocder (70) die Funktionen des Empfangsregisters (31), des Vergleichers (33), des Fensterdekoders (34) sowie die Funktionen des Speichers (32) für die Schlüsselwörter „A” und „B” übernimmt, wobei vom Befehlsdekoder (70) eine direkte Verbindung zum Mehrfach-ODER-Glied (35) besteht, wobei der Befehlsdekoder (70) zum Aufbau des sendenden, von der Leitstelle (141) aus definierten Empfangspfads (78) mit einem Statusregister/Datenregister (71) verbunden ist, dem ein Sender (72) der Ansteuerelektronik (91) nachgeordnet ist, wobei der Sender (72) der Ansteuerelektronik (91) mit einem Sendetransistor (74) verbunden ist, der signaltechnisch mit dem zweiten Optokoppler (73) in Verbindung steht.
Photovoltaikgenerator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Phototransistor des zweiten Optokopplers (73) in der Kommunikationselektronik (91) ausgelösten Signale mit Unterstützung einer Stromquelle (83) einem zweiten Schmitttrigger (81) der Leitstelle (141) zugeführt sind, wobei der Schmitttrigger (81) an den mit ihm verbundenen Empfänger (82) das digitalisierte, einen Betriebszustand definierende Empfangstelegramm (80) übergibt.