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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter, eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter.
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Photovoltaik(PV)-Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie weisen einen PV-Wechselrichter auf, der von einem PV-Generator erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, die dann bspw. in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann. Hierzu geeignete Wechselrichter, insbesondere Wechselrichter mit einer Brückenschaltung von Halbleiterschaltern, und zugehörige Ansteuerungsverfahren sind allgemein bekannt und bspw. in der
DE 10 2005 024 465 B4 beschrieben.
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Bekannte Wechselrichterschaltungen mit Halbleiterbrücken haben sich bei der Einspeisung von Energie in ein Netz mittels Photovoltaikanlagen in der Praxis bewährt. Allerdings müssen die in einem Zwischenkreis an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters anliegenden Gleichspannungen wenigstens den Betrag des Scheitelwerts der Netzspannung aufweisen. Ansonsten reicht die Spannung zur Erzeugung des gewünschten Wechselstromes bzw. der gewünschten Wechselspannung nicht aus. Somit müssen die verwendeten Photovoltaikgeneratoren eine hinreichend hohe Zwischenkreisspannung liefern.
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Bestehende Installationsvorschriften lassen häufig nur begrenzte Maximalspannungen zu. Bspw. dürfen in den USA nur PV-Anlagen installiert werden, an denen eine Spannung von 600 V, gemessen gegen Schutzerde, nicht überschritten wird. Dies ist insbesondere auch bei Betriebsstörungen, z.B. im Falle eines Erdschlusses, sicherzustellen. Da Betriebsstörungen beim Einspeisen nie ausgeschlossen werden können, werden PV-Generatoren bspw. für die USA in der Regel so dimensioniert, dass ihre Leerlaufspannung den Grenzwert von 600 VDC (Gleichspannung) nicht überschreitet.
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Wenngleich in den USA unterschiedliche Wechselstrom- bzw. Drehstromnetze verbreitet sind, weist ein übliches Drehstromsystem eine Netzspannung mit einem Effektivwert von 480 V auf. Dies ergibt eine für die Einspeisung notwendige Zwischenkreisspannung am Eingang des Wechselrichters von mindestens 800 VDC. Diese Zwischenkreisspannung muss normalerweise, und insbesondere bei durch Vorschriften begrenzten Maximalspannungen, mit aufwändigen und verlustbehafteten DC/DC-Hochsetzstellern erzeugt werden. Der Einsatz von Hochsetzstellern in einer Wechselrichterschaltung führt aber zwangsläufig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und einer Erhöhung der Komplexität der PV-Anlage.
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Eine weitere Möglichkeit, eine höhere Wechselspannung zu erzeugen, besteht darin, die Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters mittels eines Transformators in eine Wechselspannung höherer Amplitude zu transformieren. Ein derartiger Transformator ist jedoch ebenfalls verlustintensiv und reduziert den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage in erheblichem Maße. Es besteht allgemein der Trend, transformatorlose Wechselrichter für Photovoltaikanlagen einzusetzen.
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In der
US 2009/0032082 A1 wird vorgeschlagen, zwei PV-Generatoren bedarfsweise in Reihe miteinander zu koppeln, um bei einer maximal zulässigen Generatorspannung eine höhere Zwischenkreisspannung bereitzustellen. Die beschriebene PV-Anlage weist einen ersten PV-Generator mit einem positiven und einem ersten Neutralanschluss, einen zweiten PV-Generator mit einem negativen und einem zweiten Neutralanschluss, einen Wechselrichter, der mit dem positiven Anschluss des ersten PV-Generators und dem negativen Anschluss des zweiten PV-Generators verbunden ist, und eine ferngesteuerte Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtung weist einen Hauptschalter auf, der geschlossen wird, um den ersten Neutralanschluss des ersten PV-Generators mit dem zweiten Neutralanschluss des zweiten PV-Generators zu verbinden, wenn die beiden PV-Generatoren Leistung zu dem Wechselrichter liefern, und der geöffnet wird, um die beiden Neutralanschlüsse voneinander zu trennen, wenn die PV-Generatoren keine Leistung zu dem Wechselrichter liefern. Die PV-Generatoren sind jeweils für eine maximale Leerlaufspannung von 600 VDC ausgelegt, was im Betrieb auch ohne Hochsetzsteller eine maximale Zwischenkreisspannung von 1200 VDC ergibt. Nachdem sich aber an den Neutralanschlüssen der beiden PV-Generatoren ein Potenzial einstellt, das dem Erdpotenzial entspricht, wird die Beschränkung der Systemspannung auf maximal +/–600 VDC gegen Erde eingehalten.
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Wenn die PV-Generatoren keine Leistung zu dem Wechselrichter liefern, z.B. in der Nacht oder im Störfall, werden sie durch Öffnen des Hauptschalters voneinander entkoppelt. Für diesen Fall weist die Schalteinrichtung ferner Hilfsschalter auf, die eingerichtet sind, um die Neutralanschlüsse der PV-Generatoren jeweils mit einem Erdanschluss an dem Wechselrichter zu verbinden. Somit werden die beiden PV-Generatoren voneinander isoliert und geerdet.
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Als nachteilig wird bei dieser Konfiguration die hohe Komplexität des Aufbaus und der zusätzliche Aufwand zur Verschaltung und Steuerung des Betriebs angesehen. Es müssen drei Gleichstromschalter vorgesehen und gesteuert werden, um die beiden Betriebsmodi mit gekoppelten und entkoppelten Generatoren einzurichten. Außerdem sind Leitungen zur Erdung der Neutralanschlüsse der beiden Generatoren über die Hilfsschalter erforderlich.
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Darüber hinaus gestaltet sich auch eine Isolationsmessung bei entkoppelten PV-Generatoren aufwändiger. Es ist wichtig, die Isolation zumindest vor der Netzaufschaltung des Wechselrichters und im Betrieb zu überwachen. Hierzu ist es allgemein bekannt, auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters vordefinierte Signale einzuspeisen und die als Reaktion auf diese Signale sich einstellenden Spannungen oder Ströme auszuwerten, um Anomalitäten festzustellen. Bei der aus der
US 2009/0032082 A1 bekannten Konfiguration liegen außer Betrieb, wenn der Hauptschalter geöffnet ist und die Hilfsschalter geschlossen sind, zwei getrennte Stromkreise vor, die gesondert überwacht müssen. Es müssen also für jeden Stromkreis gesonderte Mittel zur Isolationsmessung vorgesehen und die Isolationsmessungen unabhängig voneinander durchgeführt werden.
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DE 10 2006 023 563 A1 beschreibt eine Photovoltaikanlage mit mehreren jeweils mehrere Solarzellmodule umfassenden Strings, denen jeweils ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig an einen gemeinsamen Wechselrichter angeschlossen sind. Die DC/DC-Wandler sind als induktive Wandler jeweils mit einer Induktivität, als Energiespeicher, einer Diode und einem taktbaren Leistungsschalter ausgebildet. Weitere Schaltelemente sind derart angeordnet, dass zumindest ein DC/DC-Wandler eingangsseitig mit der Summenausgangsspannung einer Reihenschaltung des ihm zugeordneten Strings sowie zumindest eines weiteren Strings beaufschlagt werden kann. Dabei sind einerseits zwischen den verschiedenen DC/DC-Wandlern Schaltelemente zur Kopplung angeordnet, und andererseits sind in die DC/DC-Wandler Schaltelemente eingebaut, die es ermöglichen, den einzelnen DC/DC-Wandler mit dem negativen Gleichspannungseingangsanschluss des Wechselrichters zu verbinden bzw. von diesem trennen. Letztere Schaltelemente können auch durch Dioden gebildet sein.
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren und eine kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter zu schaffen, die es ermöglicht, eine zulässige maximale Generatorspannung (von bspw. 600 VDC) gegen Erde in jedem Betriebszustand einzuhalten und dennoch die Vorteile höherer Zwischenkreisspannungen über diesen Grenzwert hinaus im Hinblick auf eine effiziente Einspeisung ins Netz nutzen zu können, dies insbesondere bei einfachem Aufbau und geringem Aufwand. Ferner sollte die Vorrichtung vorzugsweise auch eine aufwandsarme Isolationsmessung ermöglichen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Spannungsbereitstellungsvorrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter zu schaffen.
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Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs l, eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaik(PV)-Wechselrichter, insbesondere einen transformatorlosen PV-Wechselrichter, einen ersten PV-Generator, einen zweiten PV-Generator und eine umschaltbare Koppeleinrichtung zur betriebsmodeabhängigen, wahlweisen Reihen- oder Parallelschaltung der beiden PV-Generatoren auf. Der erste PV-Generator weist einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einem positiven Gleichspannungs-Eingangsanschluss des Wechselrichters und einen zweiten Anschluss auf. Der zweite PV-Generator weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der zweite Anschluss mit dem negativen Gleichspannungs-Eingangsanschluss des Wechselrichters zu verbinden ist. Gemäß der Erfindung ist die schaltbare Koppeleinrichtung derart angeordnet und eingerichtet, dass sie den ersten und den zweiten Photovoltaikgenerator wahlweise entweder in Reihe miteinander verbindet oder in der Wirkung parallel zueinander koppelt.
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Gemäß der Erfindung weist die Koppeleinrichtung eine Schalteinrichtung, die im geschlossenem Zustand den zweiten Anschluss des ersten Photovoltaikgenerators mit dem ersten Anschluss des zweiten Photovoltaikgenerators verbindet, und zwei Koppelpfade auf, die jeweils zwischen den ersten bzw. den zweiten Anschlüssen der Photovoltaikgeneratoren angeordnet sind und die jeweils ein Stromrichterelement mit Durchflussrichtung zu dem ersten Photovoltaikgenerator aufweisen.
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In einem ersten Betriebsmodus, der vorzugsweise während der Isolationsmessung vor der Netzaufschaltung oder in einem Betriebsbereich geringer Generatorleistungen genutzt wird, schaltet die Koppeleinrichtung in einen ersten Zustand, in dem sie die beiden Photovoltaikgeneratoren wirkungsmäßig parallel zueinander schaltet. Eine bspw. durch Installationsvorschriften geforderte Grenzspannung wird in diesem ersten Betriebsmodus auch bei floatendem Generator (schwimmendem Generator ohne Erdbezug) eingehalten. Dieser Betriebsmodus kann als Aufschalt- und Schwachlastbetrieb bezeichnet werden.
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In einem zweiten Betriebsmodus, der hier als Normalbetrieb bezeichnet werden soll, nimmt die Koppeleinrichtung einen zweiten Zustand ein, in dem sie eine Reihenschaltung der beiden PV-Generatoren bewirkt, so dass die Summe der beiden Generatorspannungen als erhöhte Zwischenkreisspannung für den Wechselrichter genutzt wird, um z.B. den Wirkungsgrad des Solarwechselrichters zu erhöhen. Ein maximaler Grenzwert für die Betriebsspannung gegen Erde, wie häufig durch Installationsvorschriften festgelegt, wird aber nicht überschritten. Die PV-Generatoren haben für sich eine maximale Leerlauf- oder Betriebsspannung, die maximal gleich dem zulässigen Grenzwert ist. Ferner führt der Wechselrichter in üblicher Weise eine Symmetrierung durch, so dass das Potenzial des Verbindungspunktes zwischen den beiden PV-Generatoren in etwa auf dem Erdniveau liegt. Somit ist sichergestellt, dass die Spannung an jeder Stelle der Gleichspannungsseite des Wechselrichters gegen Erde betragsmäßig nicht mehr als der zulässige Maximalwert beträgt.
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Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter diesem, mit einer höheren Zwischenkreisspannung zu arbeiten und dadurch bessere Wirkungsgrade zu erzielen, während sie einen vorschriftenkonformen Betrieb eines PV-Wechselrichters in Bezug auf zulässige Maximalspannungen sicherstellt. Dies wird mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand, im Wesentlichen durch die erfindungsgemäße umschaltbare Koppeleinrichtung erzielt.
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Die erfindungsgemäßen PV-Generatoren sind im Wesentlichen baugleich, also für identische Nennströme, Nennspannungen und identische maximale Spannungen ausgelegt. Die PV-Generatoren können bspw. eine maximale Leerlaufspannung von etwa 600 VDC und eine maximale Betriebsspannung unter Last von etwa 450 VDC liefern, um für den Einsatz in den USA geeignet zu sein. Sie werden ungeerdet, also mit schwimmenden Potentialen betrieben. Somit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in Verbindung mit transformatorlosen Wechselrichtern und ermöglichen auch, auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters leicht eine Isolationsmessung durchzuführen, weil hier mangels eines Erdanschlusses keine störenden Kreisströme fließen.
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Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung weist die Schalteinrichtung auf, die zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Photovoltaikgenerators und dem ersten Anschluss des zweiten Photovoltaikgenerators angeordnet ist, um diese Anschlüsse im geschlossenen Zustand miteinander zu verbinden und im geöffneten Zustand voneinander zu trennen. Durch eine geeignete Verschaltung ist sichergestellt, dass im geöffneten Zustand der Koppeleinrichtung automatisch die Parallelschaltung der PV-Generatoren erhalten wird.
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Die Schalteinrichtung der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung weist vorzugsweise einen steuerbaren Gleichstromschalter auf, der in gesteuerter Weise zum Ein- und Ausschalten eines Gleichstromkreises eingerichtet ist. Hierzu sind aus der Technik geeignete Gleichstromschalter, insbesondere Relais allgemein bekannt. Vorteilhafterweise ist nur ein einziger Schalter erforderlich.
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Um die schnelle Umschaltung zwischen der Reihen- und der Parallelschaltung der PV-Generatoren mit einem einzigen Schalter zu ermöglichen, weist die Koppeleinrichtung die zwei Koppelpfade auf, von denen einer zwischen den beiden ersten Anschlüssen der PV-Generatoren und der andere Koppelpfad zwischen den beiden zweiten Anschlüssen der PV-Generatoren angeordnet ist. Somit ist ein erster Koppelpfad zwischen dem Pluspol des ersten PV-Generators und dem Pluspol des zweiten PV-Generators vorgesehen, während ein zweiter Koppelpfad zwischen dem Minuspol des ersten PV-Generators und dem Minuspol des zweiten PV-Generators vorgesehen ist. Der Verschaltungsaufwand ist minimal.
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Die Koppelpfade weisen jeweils ein Stromrichterelement auf, das verhindert, dass bei einer Umschaltung der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung Kurzschlüsse entstehen können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Stromrichterelemente durch einfache Dioden gebildet. Hierbei ist eine erste Diode in dem ersten Koppelpfad in Sperrrichtung, betrachtet von dem Pluspol des ersten zu dem Pluspol des zweiten PV-Generators, angeordnet, während die zweite Diode in dem zweiten Koppelpfad von dem Minuspol des ersten zu demjenigen des zweiten PV-Generators in Sperrrichtung angeordnet ist. Die Koppelpfade mit den Dioden stellen die für den Parallelbetrieb der PV-Generatoren erforderlichen Stromzweige und Verbindungen bereit und verhindern einen Kurzschluss bei der Reihenschaltung der PV-Generatoren. Die PV-Generatoren sind in der Parallelschaltung dennoch galvanisch verbunden, was eine gemeinsame Isolationsmessung ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Photovoltaikanlage mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung, wie vorstehend beschrieben, und mit einem Wechselrichter geschaffen, der über Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse an die Eingangsgleichspannungsbereitstellungsvorrichtung angeschlossen und eingerichtet ist, um die Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln und sie an seinen Wechselspannungs-Ausgangsanschlüssen auszugeben. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spannungsbereitstellungsvorrichtung, insbesondere ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit unter Sicherstellung hoher Betriebssicherheit, kommen auch der gesamten Photovoltaikanlage zugute.
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In einer bevorzugten Anwendung ist die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage für die Einspeisung von Wechselstrom in ein Versorgungsnetz, insbesondere ein Netz mit einer niederfrequenten ein- oder dreiphasigen sinusförmige Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz, vorgesehen. Der Wechselrichter ist also ein netzgebundener, vorzugsweise netzgeführter transformatorloser Wechselrichter. Der Wechselrichter weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung mit Halbleiterschaltern auf, die mit sehr hoher Frequenz getaktet werden, um am Ausgang einen zu der Netzwechselspannung passenden Wechselstrom zu erzeugen. Die Photovoltaikanlage kann insbesondere zur Einspeisung in ein Drehstromnetz entsprechend einem nordamerikanischen System, insbesondere einem System mit einem Effektivwert der Wechselspannung von 480 Volt, vorgesehen sein, selbst wenn die PV-Generatoren jeweils auf maximal 500 bzw. 600 VDC ausgelegt sind.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäße Konfiguration auch ein schnelleres „Aufwachen“ der Anlage bei Tagesanbruch. Durch die Parallelschaltung der beiden PV-Generatoren wird dann Strom von beiden Generatoren geliefert. Der bei Tagesanbruch übliche Stromabfall eines PV-Generators kann somit teilweise kompensiert werden.
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Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die sowohl den Betrieb der erfindungsgemäßen Spannungsbereitstellungsvorrichtung, insbesondere das Umschalten der Koppeleinrichtung, als auch den Betrieb des Wechselrichters, insbesondere das Takten der Wechselrichter-Schalterelemente, steuert.
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Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise mit einer Überwachungseinrichtung verbunden, die dazu eingerichtet ist, fehlerhafte Betriebszustände, wie Erdschlüsse, Kurzschlüsse, Fehlerströme etc, zu erfassen und der Steuereinrichtung zu melden. Können derartige Zustände nicht erfasst werden, bewirkt die Steuereinrichtung eine Umschaltung der Koppeleinrichtung zur Erzielung der Reihenschaltung der PV-Generatoren. Im Ruhezustand, z.B. vor der Aufschaltung ans Netz oder in der Nacht, als auch in einem Störfall werden die PV-Generatoren hingegen parallel zueinander geschaltet.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter geschaffen, das zum Betreiben einer PV-Anlage zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der Gleichspannung eines Photovoltaikgenerators mittels eines Wechselrichters verwendet werden kann. Das Verfahren enthält den Schritt des Bereitstellens zweier im Wesentlichen baugleicher PV-Generatoren und des Verbindens eines ersten Anschlusses des ersten PV-Generators und eines zweiten Anschlusses des zweiten Photovoltaikgenerators jeweils mit einem Anschluss des Wechselrichters.
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Das Verfahren enthält ferner den Schritt des Bereitstellen einer Schalteinrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um die anderen Anschlüsse der Photovoltaikgeneratoren miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen.
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Das Verfahren enthält ferner den Schritt des Bereitstellen zweier Koppelpfade, von denen einer zwischen den beiden ersten Anschlüssen der Photovoltaikgeneratoren und der andere Koppelpfad zwischen den beiden zweiten Anschlüssen der Photovoltaikgeneratoren angeordnet ist und die jeweils ein Stromrichterelement mit Durchflussrichtung zu dem ersten Photovoltaikgenerator aufweisen.
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Das Verfahren enthält ferner ein Schließen der Schalteinrichtung, um eine Reihenschaltung der PV-Generatoren zu bilden, wodurch die Summenspannung der beiden PV-Generatoren als erhöhte Eingangsgleichspannung an dem Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters eingespeist wird, im Normalbetrieb.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner auf, dass in einem modifizierten Betrieb, also bspw. im Stör- oder Ruhezustand, z.B. vor der Netzaufschaltung, in der Nacht oder einem Zustand schwacher Leistung, die beiden Photovoltaikgeneratoren durch Öffnen der Schalteinrichtung von der Wirkung her parallel zueinander geschaltet werden und dann lediglich die reduzierte Systemspannung eines einzigen Generators den Wechselrichter speist, während die Koppelpfade mit den Stromrichterelementen einen Kurzschluss der Photovoltaikgeneratoren verhindern. In jedem Betriebsmodus werden vorgeschriebene Maximalspannungen eingehalten.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder Patentansprüche.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung lediglich zu Beispielszwecken und keinesfalls als im Sinne einer Beschränkung veranschaulicht. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung einer Photovoltaikanlage mit zwei Photovoltaikgeneratoren und einer Koppeleinrichtung zur betriebsmodusabhängigen Kopplung der Photovoltaikgeneratoren gemäß der Erfindung;
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2 eine erfindungsgemäße Koppeleinrichtung zur Kopplung der Photovoltaikgeneratoren für die Photovoltaikanlage nach 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in größeren Einzelheiten;
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3 die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage nach 1 und 2 in einem normalen Betriebsmodus, in stark schematisierter Darstellung;
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4 die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage nach 1 und 2 in einem Low-Power-Betriebsmodus, in stark schematisierter Darstellung;
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5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung für einen Photovoltaikwechselrichter zum Betreiben einer Photovoltaikanlage in einer vereinfachten Darstellung.
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In 1 ist eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) 1 veranschaulicht, die zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie dient. Die PV-Anlage 1 weist eine PV-Generatoranordnung 2 auf, die über eine Koppeleinrichtung 3 mit einem Wechselrichter 4 verbunden ist, der hier mit einem externen Energieversorgungsnetz 6 verbunden ist und zur Erzeugung und Einspeisung eines Wechselstromes in das Netz 6 dient. Ferner ist in 1 noch eine Steuereinrichtung 7, die den Betrieb der PV-Anlage 1 steuert, und eine Überwachungseinrichtung 8 veranschaulicht, die Betriebszustände in der PV-Anlage 1 überwacht. Diese Einrichtungen sind weiter unten in größeren Einzelheiten beschrieben.
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Die in 1 und in den anderen Figuren gezeigte Konfiguration ist lediglich beispielhafter Natur und zum Teil stark schematisiert in Form von Funktionsblöcken dargestellt, die die einzelnen Funktionen der Elemente der PV-Anlage veranschaulichen sollen, ohne irgendeine Aufteilung auf eine spezielle Hardware oder Software zu implizieren. Somit können die einzelnen dargestellten Funktionsblöcke gesondert voneinander oder mit anderen Funktionsblöcken integriert entweder in Hardware und/oder in Software oder Firmware implementiert sein.
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Die PV-Generatoranordnung 2 weist im vorliegenden Fall einen ersten PV-Generator 9 und einen zweiten PV-Generator 11 auf, die im Wesentlichen baugleich, also für die gleichen Nenngrößen und -spannungen ausgelegt sind. Der erste PV-Generator 9 weist eine von seinem Pluspol herausgeführte erste 12 und eine von seinem Minuspol herausgeführte zweite Anschlussklemme 13 auf. In gleicher Weise weist der zweite PV-Generator 11 eine erste und eine zweite Anschlussklemme 14 bzw. 16 an seinem Plus- bzw. Minuspol auf. Zwischen den Anschlüssen 12, 13 bzw. 14, 16 liegt die jeweilige Generatorspannung U1 bzw. U2 als Gleichspannung vor. Diese Spannungen sind im Betrieb im Wesentlichen gleich, können sich aber aufgrund von Abschattungseffekten durchaus voneinander unterscheiden.
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Die Koppeleinrichtung 3 koppelt in einer umschaltbaren Weise die PV-Generatoranordnung 2 an den Wechselrichter 4 an. Insbesondere verbindet die Koppeleinrichtung 3 dauerhaft den ersten Anschluss 12 des ersten PV-Generators 9 mit einem ersten, positiven Gleichspannungs-Eingangsanschluss 17 und den zweiten Anschluss 16 des zweiten PV-Generators 11 mit einem zweiten negativen Gleichspannungs-Eingangsanschluss 18 des Wechselrichters 4. Somit wird am Wechselrichtereingang zwischen den Anschlüssen 17, 18 eine Gleichspannung geliefert, die auch als Zwischenkreisspannung UZK bezeichnet wird.
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Eine bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung 3 ist in größeren Einzelheiten in 2 veranschaulicht. Die Koppeleinrichtung 3 weist einen ersten Gleichspannungszweig 19, der den positiven Anschluss 12 des ersten PV-Generators 9 dauerhaft mit demjenigen 17 des Wechselrichters 4 verbindet, und einen zweiten Gleichspannungszweig 21 auf, der den negativen Anschluss 16 des zweiten PV-Generators 11 dauerhaft mit demjenigen 18 des Wechselrichters 4 verbindet. Bedarfsweise können in den Gleichspannungszweigen 19, 21, auch (nicht veranschaulichte) Trennschalter vorgesehen sein, die, bspw. in einem schwerwiegendem Störfall, eine vollständige elektrische Isolierung des Wechselrichters 4 von der PV-Generatoranordnung 2 ermöglichen.
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Die Koppeleinrichtung 3 weist ferner eine Schalteinrichtung 22, die dazu eingerichtet ist, den ersten PV-Generator 9 mit dem zweiten PV-Generator 11 bedarfsweise in Reihe zu schalten, sowie zwei Koppelpfade 23, 24 auf, die eine bedarfsweise Parallelschaltung der beiden PV-Generatoren 9, 11 ermöglichen. Die Schalteinrichtung 22 ist in Form eines steuerbar schaltbaren Gleichstromschalters ausgebildet, der zwischen dem zweiten Anschluss 13 des ersten PV-Generator 9 und dem ersten Anschluss 14 des zweiten PV-Generators 11 derart eingefügt ist, dass er die Anschlüsse 13, 14 im geschlossenen Zustand miteinander verbindet und im geöffneten Zustand voneinander trennt. Geeignete Gleichstromschalter, insbesondere Relais, die zum Ein- und Ausschalten unter Gleichströmen der Höhe, wie sie Photovoltaikgeneratoren liefern, geeignet sind, sind aus der Technik allgemein bekannt.
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Die Koppelpfade 23, 24 sind zwischen jeweils gleichpoligen Anschlüssen 12, 14 bzw. 13, 16 des ersten und zweiten PV-Generators 9, 11 angeordnet. Genauer gesagt, verbindet der erste Koppelpfad 23 den ersten Anschluss 12 des ersten PV-Generators 9 mit dem ersten Anschluss 14 des zweiten PV-Generators 11, während der zweite Koppelpfad 24 die zweiten Anschlüsse 13 und 16 der PV-Generatoren 9, 11 miteinander verbindet. Jeder Koppelpfad 23, 24 trägt ein Stromrichterelement, das hier jeweils in Form einer einfachen Diode 26 bzw. 27 ausgebildet ist. Die Dioden 26, 27 sind in den Koppelpfaden 23 bzw. 24 jeweils in Durchlassrichtung von dem zweiten 11 zu dem ersten 9 PV-Generator geschaltet. Es könnten auch Thyristoren, als Dioden geschaltete Transistoren, Schalter etc. als Stromrichterelemente eingesetzt werden, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen, wenngleich übliche Dioden aus Gründen der Einfachheit und Zuverlässigkeit hier vorgezogen werden.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 ist ersichtlich, dass der Wechselrichter 4 mit seinen Eingangs-Gleichspannungsanschlüssen 17, 18 an die PV-Generatoranordnung 2 angeschlossen ist, um DC-Leistung von dieser zu empfangen, während er über seine Ausgangsanschlüsse 28, 29 an das Stromversorgungsnetz 6, z.B. an ein Niederspannungs-Netz mit einer Wechselfrequenz von 50 oder 60 Hz, angeschlossen ist, um AC-Leistung in das Netz einzuspeisen. Die Anschlüsse 28, 29 definieren den Wechselspannungs-Netzausgang.
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In 1 ist eine Konfiguration gezeigt, bei der das Netz 6 ein Drehstromnetz ist und der Wechselrichter 4 in der dreiphasigen Konfiguration ausgebildet ist. Der Wechselrichter weist also drei Wechselspannungs-Anschlüsse 28a, 28b, 28c, die über stromführende Leiter 31a, 31b, 31c mit zugehörigen Netzanschlüssen verbunden sind, und einen Wechselspannungsanschluss 29 auf, der als Neutralanschluss dient, der über eine Neutralleitung 32 mit dem Netz verbunden ist. Auf der Netzseite ist der Neutralleiter 32 vorzugsweise mit einem Schutzleiter verbunden und somit geerdet, wie dies in 1 durch entsprechendes Erdungssymbol 33 angezeigt ist.
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Die dreiphasige Konfiguration nach 1 ist lediglich beispielhafter Natur und keinesfalls beschränkend. Die Erfindung ist auch auf einphasige Wechselspannungsnetze und Wechselrichter anwendbar. Wichtig ist aber, dass der Wechselrichter 4 ein transformatorloser Wechselrichter ist, also ohne einen Transformator unmittelbar an das Netz 6 angeschlossen ist. Weil keine Transformatorverluste anfallen, bietet die transformatorlose Konfiguration die Grundlage für einen hohen Wirkungsgrad. Sie ermöglicht es auch, die PV-Generatoranordnung 2 mit schwimmenden Potenzialen, also ohne Erdung zu betreiben.
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In 2 ist in stark schematisierter Form eine beispielhafte, keinesfalls beschränkende Ausführungsform eines Wechselrichters 4 veranschaulicht, der hier der Einfachheit wegen eine einphasige Konfiguration aufweist. Der Wechselrichter 4 weist einen Zwischenkreis 34 und eine hier als Halbbrücke ausgebildete Wechselrichterschaltung 36 auf. Der Zwischenkreis 34 ist an die Eingangs-Gleichspannungsanschlüsse 17, 18 angeschlossen und dient zur Zwischenspeicherung der von der PV-Generatoranordnung 2 gelieferten elektrischen Energie, die dann durch die Halbbrückenschaltung 36 in Wechselstrom gewandelt wird. Der Zwischenkreis ist hier als eine Reihenschaltung zweier Pufferkondensatoren 37, 38 ausgeführt, die im Wesentlichen gleich sind. Der Verbindungspunkt 40 zwischen den Kondensatoren 37, 38 ist mit dem Neutralanschluss 29 verbunden.
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Die Wechselrichterschaltung 36 ist hier in der bevorzugten Form als Halbbrücke mit zwei in Reihe miteinander verbunden Halbleiterschaltern 39, 41 ausgebildet, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz schaltbar sind. Bevorzugterweise werden hierzu verlustarme IGBT- oder MOS-Feldeffekttransistor-Schalter eingesetzt, obwohl auch andere Schalterrealisierungen möglich sind. Der Verbindungspunkt 42 zwischen den Schalterelementen 39, 41 dient als Mittelabgriff für die von der Wechselrichterschaltung 36 erzeugte Wechselspannung und ist an den Wechselspannungsanschluss 28 angeschlossen.
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Es sollte beachtet werden, dass die Darstellung nach 2 stark vereinfacht ist und dass zahlreiche Elemente, die in herkömmlicher Weise in derartigen Wechselrichtersystemen eingesetzt werden, hier weggelassen sein können, weil sie für die Erfindung ohne besondere Relevanz sind. So können bspw. in den Verbindungsleitungen 31, 32 zum externen Netz 6 wenigstens ein Energiespeicher, wie bspw. eine Speicherdrossel L, und gegebenenfalls weitere Filterelemente bspw. zur Unterdrückung hochfrequenter Spannungsanteile enthalten sind.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 ist die Steuereinrichtung in Form eines einzigen Funktionsblocks 7 dargestellt, der die Aufgabe hat, den Betrieb der PV-Anlage 1 zu steuern. Die Steuereinrichtung 7 kann auch strukturell auf unterschiedliche dedizierte Einheiten verteilt sein, die eine jeweilige Funktion übernehmen und miteinander in Kommunikationsverbindung stehen. Sie kann in Hard- und/oder Soft- und/oder Firmenware oder in sonstiger Weise realisiert sein. Für die vorliegende Erfindung ist es insbesondere wichtig, dass die Steuereinrichtung 7 im Betrieb die Koppeleinrichtung 3 geeignet umschaltet, um die PV-Generatoranordnung 2 in unterschiedlicher Weise an den Wechselrichter 4 anzukoppeln, und den Wechselrichter 4 geeignet ansteuert, um einen gewünschten Wechselstrom zu erzeugen.
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Zur Steuerung des Betriebs ist die Steuereinrichtung 7 ferner mit der Überwachungseinrichtung 8 verbunden, die dazu dient, den Zustand der PV-Anlage 1 insbesondere hinsichtlich Fehlerzustände zu überwachen. In der in 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform weist die Überwachungseinrichtung 8 wechselspannungsseitige Überwachungsmittel 43 und gleichspannungsseitige Überwachungsmittel 44 auf. Die wechselspannungsseitigen Überwachungsmittel 43 überwachen bspw. Fehlerströme auf der Wechselspannungsseite des Wechselrichters 4. Im Falle eines Drehstromnetzes können beispielsweise Ableitströme als Summenstrom aller netzseitigen Leiter überwacht werden, die im idealen Zustand gleich Null sein sollten. Somit kann ein Fehlerzustand festgestellt werden, wenn die Stärke der Ableitströme über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg vordefinierte Grenzen überschreitet.
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Die Überwachungsmittel 44 sind dazu eingerichtet, Zustände, insbesondere Fehlerzustände, auf der Gleichspannungsseite zu erkennen. Z.B. können die Überwachungsmittel 44 Erdschlüsse an allen mit den PV-Generatoren 9 und 11 verbundenen Anschlüssen bzw. Leitungen 13, 14, 19, 21, 23, 24 erkennen. Es sind hierzu unterschiedliche Methoden bekannt. Zum Beispiel können die Überwachungsmittel Strom- oder Spannungssignale an die Leitungen 19, 21 anlegen und die Reaktionen auf dem gleichspannungsseitigen Schaltungsteil des Wechselrichters 4 messen.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen PV-Anlage 1 soll nachstehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert werden. 3 zeigt eine Ersatzschaltung der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung, wenn die Schalteinrichtung 22 der Koppeleinrichtung 3 sich im geschlossenen Zustand befindet. 4 zeigt die entsprechende Ersatzschaltung für den Fall, dass die Schalteinrichtung 22 geöffnet ist.
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Die PV-Anlage 1 dient dazu, die von der PV-Generatoranordnung 2 erzeugte Gleichspannung in einen Wechselstrom umzuwandeln, um diesen in das Energieversorgungsnetz 6 einzuspeisen. Sie eignet sich insbesondere für den Betrieb in Ländern, in denen durch Installationsvorschriften bedingte Maximalspannungen eingehalten werden müssen. Bspw. dürfen in PV-Anlagen in den USA Spannungen an dem PV-Generator und den damit verbundenen Leitungen gegen Erde niemals 600 Volt übersteigen. Ein weit verbreitetes Drehstromnetz in den USA weist jedoch eine Netzwechselspannung mit dem Effektivwert von 480 Volt auf, was zu einer für die Einspeisung notwendigen Zwischenkreisspannung von mindestens 750 Volt und bis zu 1000 Volt führt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Betrieb mit derartigen erhöhten Zwischenkreisspannungen zur Erzielung besserer Wirkungsgrade unter Einhaltung der durch Installationsvorschriften gestellten Anforderungen hinsichtlich der Maximalspannungen. Sie vermeidet dabei den Einsatz aufwendiger und verlustintensiver DC/DC-Hochsetzsteller auf der Gleichspannungsseite. Sie vermeidet auch den Einsatz verlustbehafteter Transformatoren auf der Wechselspannungsseite.
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Die Erfindung erfüllt die Anforderungen durch Bereitstellung einer geeigneten Zwischenkreisspannung am Eingang des PV-Wechselrichters 4 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 45, zu der die beiden PV-Generatoren 9, 11 und die umschaltbare Koppeleinrichtung 3 gehören. Die PV-Generatoren 9, 11 sind im Wesentlichen identisch und weisen bspw. eine maximale Leerlaufspannung von 600 V und eine maximale Betriebsspannung unter Last von 500 V auf. Die Generatoren sind, wie aus den Figuren hervorgeht, nicht geerdet und sind bei geöffneter Schalteinrichtung 22 der Koppeleinrichtung 3 vorteilhaft galvanisch verbunden.
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Wird die PV-Anlage 1 eingeschaltet, sei es durch die aufgehende Sonne oder in sonstiger Weise, befindet sich die Schalteinrichtung 22 zunächst im geöffneten Zustand, wie er in 4 dargestellt ist. Die beiden PV-Generatoren 9, 11 sind über die beiden Dioden 26, 27 in den Koppelpfaden 23, 24 parallel zueinander geschaltet. Der Wechselrichter 4 wird mit der maximalen Betriebsspannung von 500 V (bzw. maximaler Leerlaufspannung von 600 V im Leerlauffalle) versorgt. Die Diode 27 verbindet den Minuspol des ersten PV-Generators 9 mit dem Minuspol des zweiten Generators 11, während die zweite Diode den Pluspol des zweiten Generators 11 mit dem Pluspol des ersten Generators 9 verbindet. Da beide PV-Generatoren 9, 11 den Wechselrichter 4 speisen, kann der übliche Stromabfall bei Tagesanbruch vermieden oder zumindest weitgehend unterdrückt werden, was die Effizienz steigert. Es wird ein schnelleres „Aufwachen“ der PV-Anlage erzielt.
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Die Überwachungseinrichtung 8 führt nun über die gleichspannungsseitigen Überwachungsmittel 44 eine Isolationsmessung durch, um den Zustand der PV-Anlage auf der Gleichspannungsseite zu überprüfen. War die Isolationsmessung erfolgreich, wurde also kein Erdschluss oder dgl. erkannt, und wurden weitere Aufschaltbedingungen erfüllt, bewirkt die Steuereinrichtung 7 eine Umschaltung der Schalteinrichtung 22 in den geschlossenen Zustand. Infolgedessen werden die beiden PV-Generatoren 9, 11 über den Schalter 22 in Reihe zueinander geschaltet, und der Wechselrichter geht ans Netz und speist Wechselstromenergie ein. Der Schalter 22 verbindet den Minuspol des ersten Generators 9 mit dem Pluspol des zweiten PV-Generators 11, und die Dioden 26, 27 verhindern einen Kurzschluss der Generatoren. Dieser Zustand ist in 3 veranschaulicht.
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Aufgrund der Erdung 33 des Neutralleiters 32 und der Symmetrierung durch den Wechselrichter befindet sich das Potenzial des Mittelpunktes 13, 14 zwischen den beiden PV-Generatoren bei geschlossenem Schalter 22 auf dem Niveau des Neutralleiters bzw. dem Erdpotenzial. Dies wird als virtuelle Erde bezeichnet. Es ist somit sichergestellt, dass an keiner Stelle die Spannung in Bezug auf das Erdpotential betragsmäßig größer ist als die maximale Betriebsspannung von 500 V (bzw. maximale Leerlaufspannung von 600 V), so dass entsprechende Installationsvorschriften eingehalten werden. An dem Zwischenkreis 34 liegt aber insgesamt eine Zwischenkreisspannung UZK über den Pufferkondensatoren 37, 38 an, die der Summe der beiden PV-Generatorspannungen U1 und U2 entspricht und somit bis zu 1000 V (bzw. 1200 V) beträgt. Diese erhöhte Spannung ermöglicht eine äußerst effiziente Einspeisung in ein Netz, bspw. das in den USA übliche 480V-Drehstromnetz.
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In dem normalen Betriebszustand mit einer Reihenschaltung der PV-Generatoren 9, 11 überwachen vor allem die wechselspannungsseitigen Überwachungsmittel 43 etwaige Isolationsfehler, indem sie eine Fehlerstrommessung durchführen. Wird ein Isolationsfehler festgestellt, geht der Wechselrichter in den modifizierten bzw. Störbetriebsmodus über, indem die Steuereinrichtung 7 die Schalteinrichtung 22 automatisch wieder öffnet, um die PV-Generatoren zueinander parallel zu schalten. Die Zwischenkreisspannung beträgt dann wieder maximal 500 V, so dass die Maximalgrenzen eingehalten werden.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung den Betrieb der PV-Anlage mit höheren Zwischenkreisspannungen, was zu einer höheren Ausgangsleistung mit besserem Wirkungsgrad führt, unter Einhaltung von Vorschriften hinsichtlich maximaler Systemspannungsgrenzen. Dies wird mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand erzielt. Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung, die lediglich einen einzigen Schalter 22 und zwei Koppelpfade 23, 24 mit jeweils einer Diode 26, 27 benötigt, stellt, eine besonders einfache Realisierung zur Erfüllung der vorstehend erwähnten Anforderungen dar. Die einfache Realisierung bildet auch die Basis für eine zuverlässige und eigensichere Arbeitsweise. So wird auch bei einem Defekt des Schalters 22 automatisch in den zweiten Betriebsmodus mit der Parallelschaltung der beiden PV-Generatoren 9, 11 umgeschaltet. Vorteilhafterweise findet in diesem Betriebszustand die Isolationsmessung anhand der Überwachungsmittel 44 bei einer Spannung von weniger als 600 Volt statt. Außerdem ergibt die Erfindung den weiteren Vorteil des früheren Aufwachens der PV-Anlage und der auch damit verbundenen Effizienzsteigerungen.
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Durch die bedarfsweise Umschaltung zwischen der Reihen- und der Parallelschaltung der PV-Generatoren 9, 11 in Verbindung mit dem Einsatz eines transformatorlosen Wechselrichters 4 ist keine Erdung der PV-Generatoren 9, 11 erforderlich. Dadurch wird der Verdrahtungsaufwand reduziert und auch die Grundlage dafür geschaffen, dass eine einfache Isolationsmessung auf der Gleichspannungsseite durchgeführt werden kann.
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5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 46 zum Betreiben einer Photovoltaikanlage, z.B. der PV-Anlage 1 gemäß den 1–4, zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung eines Photovoltaikgenerators mittels eines Wechselrichters veranschaulicht. In Schritt 47 werden zwei im Wesentlichen gleiche PV-Generatoren bereitgestellt, wobei jeweils einer der Anschlüsse eines jeden PV-Generators mit einem Anschluss des Wechselrichters verbunden wird. Ferner wird eine Koppeleinrichtung zur Kopplung der anderen Anschlüsse der PV-Generatoren bereitgestellt.
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In Schritt 48 wird festgestellt, ob ein Normalbetrieb vorliegt. Dies kann eine Isolationsmessung in der PV-Anlage zur Feststellung von Erdschlüssen oder anderen Fehlern beinhalten.
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Falls ein Normalbetrieb vorliegt, werden die beiden PV-Generatoren in Schritt 49 in Reihe miteinander verbunden, und dem Wechselrichter wird die Summe der beiden Generatorspannungen als Zwischenkreisspannung am Eingang zugeführt. Der Wechselrichter erzeugt dann in Schritt 50 einen Ausgangsstrom, der beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise, in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
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Falls in Schritt 48 festgestellt wird, dass kein Normalbetrieb vorliegt, z.B. die PV-Anlage sich im Aufwachmodus oder in einem Störbetriebsmodus befindet, werden die PV-Generatoren in Schritt 52 parallel zueinander geschaltet, und der Wechselrichter 53 wird mit der reduzierten Spannung, die der Spannung lediglich eines Generators entspricht, betrieben oder abgeschaltet.
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Eine Photovoltaikanlage weist einen ersten und einen zweiten Photovoltaikgenerator 9, 11, die elektrische Energie liefern, einen Wechselrichter 4, der an die PV-Generatoren 9, 11 ankoppelbar ist und dazu dient, elektrische Energie der PV-Generatoren 9, 11 in ausgangsseitige Wechselstromenergie zu wandeln, und eine umschaltbare Koppeleinrichtung 3 zur Kopplung der PV-Generatoren 9, 11 miteinander und mit dem Wechselrichter 4 auf. Die Koppeleinrichtung 3 ist funktionsmäßig zwischen den PV-Generatoren 9, 11 und dem Wechselrichter 4 angeordnet und eingerichtet, um wahlweise entweder eine Reihenschaltung der PV-Generatoren 9, 11 oder eine Parallelschaltung von diesen an den Eingang des Wechselrichters 4 anzukoppeln. Die PV-Anlage 1 kann folglich bedarfsweise mit einer höheren Zwischenkreisspannung als die Maximalspannung eines PV-Generators betrieben werden, um bessere Wirkungsgrade zu erzielen, während sie bedarfsweise auf eine niedrigere Zwischenkreisspannung umgeschaltet werden kann, um beispielsweise im Erdschlussfall vorgegebene Spannungsgrenzen einzuhalten.
