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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Spannungswandlung für Photovoltaikmodule.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Photovoltaikanlagen werden heute beispielsweise durch Zusammenstellen von Photovoltaikmodulen zu Strängen und Nachschalten von Wechselrichtern aufgebaut.
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1 beispielsweise zeigt die Einspeisung von Drehstrom in ein dreiphasiges Energienetz 101. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Photovoltaikmodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Photovoltaikmodule 105 in Serie geschaltet.
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Die Serienschaltung mehrerer Photovoltaikmodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Photovoltaikmodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Photovoltaikmoduls, beispielsweise bei einer Abschattung, zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen. Überdies ist es mit der herkömmlichen Topologie schwierig, verschiedenartige Module auf einfache Weise zusammen zu schalten.
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In den älteren Anmeldungen
DE 10 2010 027 857 und
DE 10 2010 027 861 sind Gleichstromquellen mit mehreren Energiespeichermodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Gleichstromzelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Gleichstromzelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Gleichstromzelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z. B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Gleichstromquelle integriert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform ein System, mit einer Anzahl an parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils über einen Ausgangsanschluss mit einer Anzahl an Phasenanschlüssen eines elektrischen Energieversorgungsnetzes verbunden sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiequellenmodule aufweist, welche jeweils mindestens ein Photovoltaikmodul mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinrichtung umfassen, und wobei die Energieversorgungszweige über mindestens eine Querverschaltung jeweils an Knotenpunkten zwischen zwei in Reihe geschalteten Energiequellenmodulen miteinander gekoppelt sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems, mit den Schritten:
Ansteuern der Koppeleinrichtungen einer ersten Gruppe von Energiequellenmodulen zum Erzeugen von Drehstrom an den Ausgangsanschlüssen;
Ansteuern der Koppeleinrichtungen einer zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen zum Einspeisen der von der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen bereitgestellten Leistung in einen ersten Ausgangsanschluss, wenn die Ausgangsspannung an dem ersten Ausgangsanschluss einen Extremalwert aufweist; und
Ansteuern der Koppeleinrichtungen der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen zum Einspeisen der von der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen bereitgestellten Leistung in einen zweiten Ausgangsanschluss, wenn die Ausgangsspannung an dem ersten Ausgangsanschluss einen Nulldurchgang aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, Photovoltaikmodule in einer Matrix zu verschalten und über den einzelnen Photovoltaikmodulen zugeordnete separate Koppeleinrichtungen die Photovoltaikmodule koordiniert in die Energieversorgungsstränge einzukoppeln. Auf diese Weise ist es möglich, über geeignete Ansteuerung der Koppeleinrichtungen beispielsweise Drehstrom zu erzeugen, ohne dass separate Wechselrichter notwendig sind.
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Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die Ansteuerung der Koppeleinrichtungen derart zu gestalten, dass Drehstrom ohne Zwischenspeicherung erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann die Leistung einzelner Photovoltaikmodule gezielt in den Energieversorgungsstrang eingespeist werden, in dem momentan die höchste Spannung bzw. Leistung benötigt wird. Die Photovoltaikmodule lassen sich also dynamisch und zeitlich koordiniert in Gruppen unterschiedlicher Modulanzahl zur Speisung der verschiedenen Energieversorgungsstränge einbinden. Dadurch kann die durch jedes Photovoltaikmodul bereitgestellte Leistung zu jedem Zeitpunkt voll ausgenutzt werden, ohne dass Energie verloren geht oder in umständlicher Weise zwischengespeichert werden muss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein System ein Steuergerät aufweisen, welches über ein Bussystem mit den Photovoltaikmodulen verbunden ist, und welches dazu ausgelegt ist, die den Photovoltaikmodulen zugeordneten Koppeleinrichtungen koordiniert anzusteuern, um an den Ausgangsanschlüssen des Systems eine gewünschte Wechselspannung, beispielsweise eine Dreiphasenwechselspannung, zu erzeugen, und um einzelne Photovoltaikmodule dynamisch zu Gruppen zusammen zu schalten, die jeweils einen der Ausgangsanschlüsse speisen.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage,
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2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Spannungswandlung für Photovoltaikmodule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Spannungswandlung für Photovoltaikmodule gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein System 20 zur Spannungswandlung von durch Photovoltaikmodule 9 bereitgestellter Gleichspannung in eine Wechselspannung. Das System 20 umfasst eine Matrix 1 an Energiequellenmodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen 1a, 1b, 1c in Serie geschaltet sind. Die Matrix 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig 1a, 1b, 1c über einen Ausgangsanschluss, welcher jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b, 2c über einen Phasenanschluss angeschlossen ist. Beispielhaft dient das System 20 in 2 zur Speisung eines elektrischen Energienetzes 2. Das elektrische Energienetz 2 ist beispielhaft als dreiphasiges Energienetz 2 dargestellt, welches über eine Anzahl von drei Energieversorgungszweige 1a, 1b, 1c über drei Ausgangsanschlüsse der Matrix 1 gespeist wird.
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Die drei Energieversorgungszweige 1a, 1b, 1c sind an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden, welches in der dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c des elektrischen Energienetzes 2 ein mittleres Potential führt. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Jeder der Energieversorgungszweige 1a, 1b, 1c weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiequellenmodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiequellenmodule 3 pro Energieversorgungszweig 1a, 1b, 1c in 2 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiequellenmodulen 3 ebenso möglich ist.
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Die Energieversorgungszweige 1a, 1b, 1c sind jeweils an Knotenpunkten zwischen zwei Energiequellenmodulen 3 untereinander über jeweils eine Querverschaltung 5 miteinander gekoppelt bzw. verbunden. Die Querverschaltungen 5 können dazu ausgelegt sein, Energiequellenmodule 3 eines Energieversorgungszweiges mit dem Ausgangsanschluss eines anderen Energieversorgungszweiges zu verbinden. Die Querverschaltungen 5 umfassen dazu jeweils zwischen zwei benachbarten Energieversorgungszweigen 1a, 1b, 1c eine Schalteinrichtung 5a, 5b, 5c welche je nach Bedarf gezielt angesteuert werden können. Auf diese Weise können mit jedem der Ausgangsanschlüsse der Matrix 1 Gruppen von Energiequellenmodulen 3 verbunden werden, die sich in unterschiedlichen Energieversorgungszweigen 1a, 1b, 1c befinden.
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Der Aufbau der Energiequellenmodule 3 ist in dem durch den gestrichelten Kreis gekennzeichneten Bereich in größerem Detail gezeigt. Die Energiequellenmodule 3 umfassen jeweils ein Photovoltaikmodul 9 mit einer oder mehreren Solarzellen 10. Dabei beträgt die Anzahl der Solarzellen 10 in dem in 2 gezeigten Photovoltaikmodul 9 beispielhaft eins, wobei jedoch jede andere Zahl von Solarzellen 10 ebenso möglich ist. Es kann weiterhin möglich sein, parallel geschaltet zu den Photovoltaikmodulen 9 Energiespeichereinrichtungen (nicht gezeigt) vorzusehen, welche zur Zwischenspeicherung der von den Photovoltaikmodulen 9 bereitgestellten Energie dienen können. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass bei einer Erzeugung von Wechselstrom mit den Energiequellenmodulen 3 die Energie, die nicht direkt von dem elektrischen Energienetz 2 abgenommen wird, in der Energiespeichereinrichtung zwischengespeichert wird. Die zwischengespeicherte Energie kann dann beispielsweise in einem nachfolgenden Sinusbogen des Wechselstromnetzes in die Spitze des Sinusbogens aus der Energiespeichereinrichtung eingespeist werden.
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Die Energiequellenmodule 3 umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinrichtung aus den Schalteinrichtungen 7 und 8, welche den Photovoltaikmodulen 9 des jeweiligen Energiequellenmoduls 3 zugeordnet ist. Die Koppeleinrichtungen können dabei zwei Schalteinrichtungen 7 und 8 in Halbbrückenschaltung umfassen, das heißt, dass bei einem Schließen der Schalteinrichtung 8 und gleichzeitigem Öffnen der Schalteinrichtung 7 das Photovoltaikmodul 9 in den Stromkreis eingeschlossen wird, während es bei einem einem Schließen der Schalteinrichtung 7 und gleichzeitigem öffnen der Schalteinrichtung 8 überbrückt werden kann. Auf diese Weise können die Koppeleinrichtungen mit den Schalteinrichtungen 7 und 8 derart angesteuert werden, dass einzelne Photovoltaikmodule 9 der Energiequellenmodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs 1a, 1b, 1c integriert werden können.
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In den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinrichtungen 7 und 8 sowie die Schalteinrichtungen 5a, 5b und 5c jeweils durch steuerbare Schaltelemente gebildet. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z. B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
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Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 1a, 1b, 1c werden durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente der Koppeleinrichtungen 7 und 8 und der Schalteinrichtungen 5a, 5b bestimmt und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der bereitgestellten Einzelspannung der Energiequellenmodule 3.
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Die Koppeleinrichtungen 7 und 8 und die Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c erlauben es damit, die Phasenanschlüsse 2a, 2b, 2c des elektrischen Energienetzes 2 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der Matrix 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 und 8 und der Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c gesteuert werden.
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Das System 20 kann weiterhin ein Steuergerät 6 umfassen, welches mit der Matrix 1 verbunden ist und welches dazu ausgelegt sein kann, über ein Bussystem mit den einzelnen Energiequellenmodulen 3 zu kommunizieren. Auf diese Weise kann es möglich sein, über das Steuergerät 6 die Koppeleinrichtungen 7 und 8 der einzelnen Energiequellenmodule 3 und die Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c gezielt und koordiniert anzusteuern, um die Ausgangsspannung der Matrix 1 an den Ausgangsanschlüssen der Matrix 1 entsprechend dynamisch einzustellen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 30 zum Betreiben des in 2 dargestellten Systems 20. In einem ersten Schritt 31 kann beispielsweise ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 und 8 einer ersten Gruppe von Energiequellenmodulen 3 zum Erzeugen von Drehstrom an den Ausgangsanschlüssen erfolgen. Dabei werden in den Phasenleitungen 2a, 2b, 2c beispielsweise Phasenspannungen erzeugt, die jeweils 120° gegeneinander phasenverschoben sind. Auf diese Weise ist die Phasenspannung in einer der Phasenleitungen nur dann Null, wenn die Phasenspannung der übrigen Phasenleitungen von Null verschieden ist.
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Zu einem Zeitpunkt, an dem die Phasenspannung in einer der Phasenleitungen 2a, 2b, 2c Null beträgt, kann die entsprechende Phasenleitung 2a, 2b, 2c nicht so viel Energie aufnehmen wie durch den zugehörigen Energieversorgungszweig 1a, 1b, 1c bereitgestellt wird. Es kann in diesem Fall dann möglich sein, die (zeitweise) überschüssige Energie von einer Anzahl von Energiequellenmodulen 3 in einem Energiezwischenspeicher, beispielsweise einem Kondensator oder einer wiederaufladbaren Batterie, des entsprechenden Energiequellenmoduls 3 zwischenzuspeichern, bis nach einem Nulldurchgang der Phasenspannung wieder ein Maximal- bzw. Extremalwert der Phasenspannung erreicht wird. Es kann dann vorgesehen sein, die temporär gespeicherte Energie in den Sinusbogen der Phasenspannung wieder einzuspeisen.
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Vorteilhafterweise kann jedoch alternativ in einem zweiten Schritt 32 ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 und 8 einer zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen 3 und der Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c zum Einspeisen der von der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen 3 bereitgestellten Leistung in einen ersten Ausgangsanschluss erfolgen, wenn die Ausgangsspannung an dem ersten Ausgangsanschluss bzw. Phasenanschluss einen Extremalwert aufweist, und in einem dritten Schritt 33 ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 und 8 der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen 3 und der Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c zum Einspeisen der von der zweiten Gruppe von Energiequellenmodulen 3 bereitgestellten Leistung in einen zweiten Ausgangsanschluss erfolgen, wenn die Ausgangsspannung an dem ersten Ausgangsanschluss bzw. Phasenanschluss einen Nulldurchgang aufweist. Auf diese Weise kann die Zwischenspeicherung von temporär überschüssiger Energie entfallen, wodurch auch auf Energiezwischenspeichereinrichtungen verzichtet werden kann. Die zweite Gruppe der Energiequellenmodule 3 kann dabei über die Querverschaltungen 5 mithilfe der Schalteinrichtungen 5a, 5b, 5c mit Ausgangsanschlüssen von benachbarten Energieversorgungszweigen 1a, 1b, 1c verbunden werden.
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Mit dem Verfahren 30 nach 3 ist es möglich, die Zuweisung von Energiequellenmodulen 3 zu Ausgangsanschlüssen und damit Phasenanschlüssen 2a, 2b, 2c bedarfsgerecht und dynamisch zu steuern, wodurch die bereitgestellte Leistung der Photovoltaikmodule 9 optimal ausgenutzt werden kann. In einer Spannungsspitze eines Phasenanschlusses 2a, 2b, 2c liegen immer mehr Energiequellenmodule 3 an dem entsprechenden Ausgangsanschluss der Matrix 1 als an den anderen Ausgangsanschlüssen an, da die Spannungsspitzen bzw. Nulldurchgänge der Phasenspannungen bei Drehstrom nie zusammenfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027857 [0005]
- DE 102010027861 [0005]