DE102013202926A1 - Arrangement of photovoltaic module array, has filter arrangement designed such that alternating current harmonics abutting against direct current input of inverter is suppressed and not allowed to pass toward module array - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Unterdrückung von AC-Oberwellen an Fotovoltaik-Modulen. The present invention relates to the suppression of AC harmonics on photovoltaic modules.
Im Bereich der Fotovoltaik ist bekannt mehrere Fotovoltaik-Module in Reihe zu schalten und mehrere solcher Modulreihen zu einem Fotovoltaik-Feld zusammenzuschalten. Die an einem solchen Fotovoltaik-Feld erzeugte Gleichspannung UDC wird abgegriffen und von einem Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt. In the field of photovoltaic is known to connect several photovoltaic modules in series and interconnect several such modules rows to a photovoltaic field. The DC voltage U DC generated at such a photovoltaic field is tapped and converted by an inverter into an AC voltage.
Die meisten Wechselrichter basieren auf dem sogenannten PWM-Wandlerprinzip (Pulsweitenmodulation). Bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom werden dabei AC-Oberwellen erzeugt, die auch auf den DC-Eingang des Wechselrichters rückkoppeln. Um diese abzuschwächen werden in manchen Wechselrichtern bereits Kondensatoren und Spulen auf der DC-Eingangsseite verbaut, die die AC-Oberwellen zwar abschwächen, jedoch nicht ausreichend unterdrücken. Most inverters are based on the so-called PWM converter principle (pulse width modulation). In the conversion of DC into AC AC harmonics are generated, which also feed back to the DC input of the inverter. In order to mitigate this, capacitors and coils on the DC input side are already installed in some inverters, which indeed attenuate the AC harmonics, but do not sufficiently suppress them.
Bisher wurde bei der Fabrikation der Wechselrichter nicht gesondert berücksichtigt, ob diese in der Fotovoltaik zum Einsatz kommen. Auch in der Fotovoltaik wurde seitens der Modulhersteller nicht darauf geachtet inwieweit die eingesetzten Wechselrichter eine Rückkopplung der durch die Wandlung erzeugten AC-Oberwellen auf die Module verursachen. Des Weiteren wurde bisher auch die Problematik der Modulschädigung noch nicht ausreichend untersucht, um eine Degradation der Fotovoltaik-Module auf vom Wechselrichter erzeugte Oberwellen zurückzuführen. So far, the inverter has not been considered separately in the production, whether they are used in photovoltaic. In photovoltaics, too, the module manufacturers did not pay attention to the extent to which the inverters used cause a feedback of the AC harmonics generated by the conversion to the modules. Furthermore, the problem of module damage has not yet been sufficiently investigated in order to reduce the degradation of the photovoltaic modules to harmonics generated by the inverter.
Es hat sich gezeigt, dass in den meisten Fällen von Wechselrichtern eine DC-eingangsseitige Abschwächung der AC-Oberwellen durch integrierte Kondensatoren und Spulen nicht ausreicht um negative Einflüsse auf die angeschlossenen Solarmodule zu verhindern. Um die AC-Oberwellen ausreichend zu dämpfen, wäre der Einsatz teurerer, größerer Kapazitäten und Spulen nötig, welche die Wechselrichterhersteller jedoch nicht verbauen. Wie in den
Geht man bei der Untersuchung noch weiter und analysiert die gemessene Spannung UDC mittels einer Fourier-Transformation, so lässt sich erkennen, dass unterschiedlichste Frequenzen in diesem Signal vorhanden sind. Besonders hohe Frequenzen ab etwa 1 kHz sind in hohem Maße schädlich für die Fotovoltaik-Module. Unter extremen Belastungsbedingungen ist bereits ab einer Betriebsdauer von 150 h durch das rückgekoppelte AC-Signal des Wechselrichters ein Verlust von bis zu 25 % der ursprünglichen Leistung zu vermerken. Going further in the investigation and analyzing the measured voltage U DC by means of a Fourier transformation, it can be seen that a wide variety of frequencies are present in this signal. Particularly high frequencies above about 1 kHz are highly detrimental to the photovoltaic modules. Under extreme load conditions, a loss of up to 25% of the original power due to the feedback AC signal of the inverter is to be noted as early as 150 hours of operation.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine langlebige leistungsfähige Fotovoltaik-Anordnung von Fotovoltaik-Modulen mit einem Wechselrichter anzugeben. It is therefore an object of the present invention to provide a long-lasting powerful photovoltaic arrangement of photovoltaic modules with an inverter.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The object of the invention is achieved by an arrangement according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Unterdrückung von AC-Oberwellen umfasst ein Fotovoltaik-Feld, welches wenigstens ein Fotovoltaik-Modul aufweist sowie einen Wechselrichter, der die Fotovoltaik-felderzeugte DC-Spannung UDC abgreift. Dabei ist zwischen dem Fotovoltaik-Feld und dem Wechselrichter eine Filteranordnung zwischengeschaltet. Dabei ist die Filteranordnung derart ausgestaltet, dass AC-Oberwellen, die an die DC-Eingangswechselrichter anliegen so unterdrückt werden, dass diese sich nicht in Richtung des Fotovoltaik-Feldes fortsetzen können. The arrangement according to the invention for suppressing AC harmonics comprises a photovoltaic field which has at least one photovoltaic module and an inverter which picks up the photovoltaic field-generated DC voltage U DC . In this case, a filter arrangement is interposed between the photovoltaic field and the inverter. In this case, the filter arrangement is designed such that AC harmonics which are applied to the DC input inverters are suppressed so that they can not continue in the direction of the photovoltaic field.
Dies hat den Vorteil, dass die Fotovoltaik-Module des Feldes nicht durch die rückgekoppelte AC-Spannung belastet werden und auch nicht frühzeitig degradieren. Die vom Wechselrichter erzeugten AC-Oberwellen, die auch an dessen DC-Eingangsseite anliegen und auf die Fotovoltaik-Module rückkoppeln könnten, werden von eben dieser Filteranordnung unterdrückt. Demnach hat diese Anordnung den Vorteil eine langlebigere und leistungsstabilere Fotovoltaik-Anordnung zu gewährleisten. This has the advantage that the photovoltaic modules of the field are not burdened by the fed back AC voltage and also do not degrade prematurely. The AC harmonics generated by the inverter, which also abut on its DC input side and could feed back to the photovoltaic modules, are suppressed by precisely this filter arrangement. Accordingly, this arrangement has the advantage of ensuring a longer-lived and more stable photovoltaic array.
Insbesondere kann die Filteranordnung auch vom Wechselrichterbauteil oder vom Fotovoltaik-Feld umfasst sein, je nachdem welche Herstellerseite sich der Aufgabe annimmt. Beispielsweise kann die Filteranordnung aber auch unabhängig von der Wechselrichterherstellung und von der Fotovoltaik-Feldherstellung sein und speziell auf die Kombination von Fotovoltaik-Feld und Wechselrichter abgestimmt werden. Beispielsweise ist die Filteranordnung mittels kapazitiver und/oder induktiver Filter so ausgelegt, dass sie Frequenzen ab 1kHz, insbesondere über 2,5 kHz besonders effektiv unterdrückt. In particular, the filter arrangement can also be comprised by the inverter component or by the photovoltaic field, depending on which manufacturer side undertakes the task. For example, however, the filter arrangement can also be independent of the inverter manufacturing and of the photovoltaic field production and can be specially matched to the combination of photovoltaic field and inverter. For example, the filter arrangement by means of capacitive and / or inductive filter is designed so that it suppresses frequencies from 1 kHz, in particular over 2.5 kHz is particularly effective.
Das Fotovoltaik-Feld umfasst dabei wenigstens ein Fotovoltaik-Modul bzw. wenigstens eine Modulreihe, wobei die Modulreihe wiederum wenigstens ein Fotovoltaik-Modul umfasst. In einer vorteilhaften Ausführung der Anordnung werden jeweils mehrere Fotovoltaik-Module in Reihe geschaltet und mehrere Modulreihen zu einem Fotovoltaik-Feld zusammengefasst. An diesem Fotovoltaik-Feld wird die gesamte erzeugte DC-Spannung abgegriffen und mittels eines Wechselrichters umgewandelt. Demnach können Spannungen z.B. um die 800 V abgegriffen und umgewandelt werden. The photovoltaic panel comprises at least one photovoltaic module or at least one row of modules, the row of modules in turn comprising at least one photovoltaic module. In an advantageous embodiment of the arrangement, in each case a plurality of photovoltaic modules are connected in series and a plurality of module rows are combined to form a photovoltaic array. At this photovoltaic field, the entire generated DC voltage is tapped and converted by means of an inverter. Accordingly, voltages can be tapped and converted around 800 V, for example.
Beispielsweise ist von der Filteranordnung wenigstens eine Kapazität umfasst, welche elektrisch mit den DC-Zuleitungen, die vom Fotovoltaik-Feld zum Wechselrichter führen verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich sind von der Filteranordnung wenigstens zwei Induktivitäten umfasst, welche je mit einer der DC-Zuleitungen, die vom Fotovoltaik-Feld zum Wechselrichter führen elektrisch verbunden sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Filteranordnung wenigstens zwei Induktivitäten, welche je mit einer der DC-Zuleitungen die vom Fotovoltaik-Feld zum Wechselrichter elektrisch verbunden sind und wenigstens zwei Kapazitäten, welche elektrisch mit den DC-Zuleitungen verbunden sind, wobei eine erste Kapazität zwischen das Fotovoltaik-Feld und die Induktivitäten geschaltet ist und eine zweite Kapazität zwischen die Induktivitäten und den Wechselrichter geschaltet ist. Diese Ausführungsformen der Filteranordnung haben den Vorteil, dass die elektrischen Filter aus Kapazitäten oder Induktivitäten separat vom Fotovoltaik-Feld und unabhängig vom Wechselrichter auf die Kombination von Fotovoltaik-Feld und Wechselrichter angepasst werden können und je nach Lebensdauer der Bauteile unabhängig ausgetauscht und gewartet werden können. Durch den Einsatz mehrerer Kapazitäten kann deren notwendige Größe reduziert werden und somit Kosten für einzelne große Kondensatoren eingespart werden. For example, the filter arrangement comprises at least one capacitance which is electrically connected to the DC supply lines leading from the photovoltaic array to the inverter. Alternatively or additionally, the filter arrangement comprises at least two inductances which are each electrically connected to one of the DC supply lines which lead from the photovoltaic field to the inverter. In an advantageous embodiment of the invention, the filter arrangement comprises at least two inductors, which are each electrically connected to one of the DC supply lines from the photovoltaic array to the inverter and at least two capacitances which are electrically connected to the DC supply lines, wherein a first capacitor is connected between the photovoltaic field and the inductors and a second capacitance is connected between the inductors and the inverter. These embodiments of the filter arrangement have the advantage that the electrical filters from capacitors or inductors can be adapted separately from the photovoltaic field and independently of the inverter to the combination of photovoltaic field and inverter and can be independently replaced and maintained depending on the life of the components. The use of multiple capacitors can reduce their required size and thus save costs for individual large capacitors.
Neben diesen verschiedenen schaltungstechnischen Möglichkeiten die AC-Oberwellen zu unterdrücken gibt es auch die Möglichkeit, die Eigenkapazität eines Fotovoltaik-Moduls zur kapazitiven Filterung zu nutzen. Die Eigenkapazität der Fotovoltaik-Module ergibt sich aus dem Aufbau, bei dem ein Modul von einem Rahmen gehalten wird, dessen Zweck die Montage des Moduls ist, der aber aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und daher geerdet wird. Typischerweise ist ein Fotovoltaik-Modul aus mehreren Fotovoltaik-Zellen aufgebaut, die über Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Fotovoltaik-Zellen und die zellverbindenden Leiterbahnen sind beispielsweise in ein Polymer eingebettet. Die Rückseite des Fotovoltaik-Moduls wird beispielsweise aus einer Rückseitenfolie und die Front des Fotovoltaik-Moduls beispielsweise aus einer Glasscheibe gebildet. Die Fotovoltaik-Zellen mitsamt Zellverbindern und der Modulrahmen sind dabei zwei elektrisch leitfähige Komponenten, die über ein Polymer elektrisch gegeneinander isoliert sind und somit einen Kondensator darstellen. Aufgrund der Erdung des Rahmens bildet somit das Fotovoltaik-Modul eine Kapazität gegen Erde über die AC-Leckströme, insbesondere hochfrequente Leckströme zur Erde abfließen können. Die Erdung des Modulrahmens wird beispielsweise über die Aufständerung realisiert. Diese beschriebenen AC-Leckströme bewirken nicht nur einen Spannungs- und dementsprechend Leistungsverlust der Fotovoltaik-Anordnung, sondern tragen auch in erheblichem Maße zur Degradation der Module bei. Die vermeintlich schädliche Eigenkapazität der Fotovoltaik-Module und deren Kondensatoreffekt kann nun jedoch erfindungsgemäß zum Schutz der Fotovoltaik-Anordnung herangezogen werden. In addition to suppressing the AC harmonics, there is also the possibility of using the self-capacitance of a photovoltaic module for capacitive filtering. The inherent capacity of the photovoltaic modules results from the structure in which a module is held by a frame whose purpose is the assembly of the module, but which consists of an electrically conductive material and is therefore grounded. Typically, a photovoltaic module is composed of a plurality of photovoltaic cells, which are interconnected via interconnects. Photovoltaic cells and the cell-connecting tracks are embedded, for example, in a polymer. The back of the photovoltaic module is formed for example of a backsheet and the front of the photovoltaic module, for example, from a glass. The photovoltaic cells together with cell connectors and the module frame are two electrically conductive components which are electrically isolated from each other via a polymer and thus constitute a capacitor. Due to the grounding of the frame, the photovoltaic module thus forms a capacitance to ground via the AC leakage currents, in particular high-frequency leakage currents can flow to earth. The grounding of the module frame is realized, for example, via the elevation. These described AC leakage currents not only cause a voltage and therefore power loss of the photovoltaic array, but also contribute significantly to the degradation of the modules. However, the supposedly harmful intrinsic capacity of the photovoltaic modules and their capacitor effect can now be used according to the invention for the protection of the photovoltaic arrangement.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung wenigstens ein Fotovoltaik-Modul, welches als Filtermodul ausgestaltet ist. Dabei umfasst das Filtermodul wenigstens eine Fotovoltaik-Zelle, einen elektrisch leitfähigen geerdeten Modulrahmen, der zur mechanischen Halterung des Fotovoltaik-Moduls ausgestaltet ist, eine Polymereinfassung, eine Glasabdeckung und eine Rückseitenfolie, sowie eine elektrisch leitfähige Schicht, welche mit dem elektrisch leitfähigen Modulrahmen verbunden ist und so mit der Fotovoltaikzelle eine Kapazität bildet. Die eingebrachte elektrisch leitfähige Schicht ist dabei insbesondere so mit dem Modulrahmen verbunden, dass die Elektrodenfläche des Kondensators vergrößert ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine Filterung der AC-Oberwellen vorgenommen werden kann ohne eine separate Filteranordnung zwischen dem Fotovoltaik- Feld und dem Wechselrichter zu benötigen. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the arrangement comprises at least one photovoltaic module, which is designed as a filter module. In this case, the filter module comprises at least one photovoltaic cell, an electrically conductive grounded module frame, which is designed for mechanical support of the photovoltaic module, a polymer enclosure, a glass cover and a backsheet, and an electrically conductive layer, which is connected to the electrically conductive module frame and thus forms a capacity with the photovoltaic cell. The introduced electrically conductive layer is in this case in particular connected to the module frame such that the electrode surface of the capacitor is enlarged. This has the particular advantage that a filtering of the AC harmonics can be made without requiring a separate filter arrangement between the photovoltaic field and the inverter.
Insbesondere sind von der Anordnung wenigstens zwei Fotovoltaik-Module umfasst, welche als Filtermodule ausgestaltet sind. Diese sind jeweils äußere von in Reihe geschalteter Fotovoltaik-Module des Fotovoltaik-Feldes und demnach direkt über die DC-Zuleitungen mit dem Wechselrichter verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die äußeren Fotovoltaik-Module als Filter fungieren und alle in der Reihenschaltung innenliegenden Module vor Degradation durch AC-Oberwellen geschützt sind. In particular, the arrangement comprises at least two photovoltaic modules, which are designed as filter modules. These are in each case external of series-connected photovoltaic modules of the photovoltaic field and therefore connected directly to the inverter via the DC supply lines. This has the advantage that the outer photovoltaic modules act as a filter and all internal modules in the series circuit are protected against degradation by AC harmonics.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Fotovoltaik-Feld, welches also wenigstens eine Modulreihe umfasst, wobei die Modulreihe wenigstens zwei äußere und wenigstens ein inneres Fotovoltaik-Modul aufweist, wobei die Module in Reihe geschaltet sind. In einem Fotovoltaik-Feld werden insbesondere mehrere Modulreihen zusammengeschaltet und deren gesamte erzeugte Spannung an einen Wechselrichter weitergeleitet. In an advantageous embodiment, the arrangement according to the invention comprises a photovoltaic field, which therefore comprises at least one module row, the module row having at least two outer and at least one inner photovoltaic module, the modules being connected in series. In a photovoltaic field, in particular, a plurality of module rows are interconnected and their entire generated voltage is forwarded to an inverter.
Die eingebrachte elektrisch leitfähige Schicht in das Fotovoltaik-Modul ist beispielsweise zwischen der Rückseitenfolie und der Polymereinfassung angeordnet. Alternativ kann sie auch zwischen der Glasabdeckung und der Polymereinfassung angeordnet sein. Beispielsweise ist sie bevorzugt metallisch, wenn sie auf der Rückseite angebracht ist. Insbesondere kann es sich um eine dünne auf die Rückseitenfolie aufgedampfte Metallschicht handeln. Wird die leitfähige Schicht auf der Frontseite angebracht, sind beispielsweise transparente leitfähige Oxide denkbar, die in bekannten Abscheideverfahren z.B. direkt auf die Glasabdeckung aufgebracht sein können. Der Modulrahmen beispielsweise ist aus Aluminium. Als Polymer werden beispielsweise EVA-Folien verwendet. Bei der Rückseitenfolie handelt es sich beispielsweise um Tedlar. Als leitfähige Schicht auf der Rückseite kommen Metalle wie Aluminium oder Kupfer in Frage, auf der Frontseite neben TCOs (Transparent Conductive Oxides) kann auch beispielsweise Pedot verwendet werden. Insbesondere weist die leitfähige Schicht eine Dicke von 300 µm oder weniger auf. Bisher stellte die Eigenkapazität der Module grundsätzlich nur einen schlechten Kondensator dar, da die Eigenkapazität bisher eine ungewollte Nebenerscheinung durch die Verbauung der Module in einem Rahmen war. Zur Verbesserung der Filtereigenschaften wird also ein Fotovoltaik-Modul durch eine zusätzlich eingefügte elektrisch leitfähige Schicht zu einem besseren Kondensator und dementsprechend Filter. Die Filtermodule können über diese zusätzliche Aufgabe schneller degradieren, was ihre Funktion der fotovoltaiischen Energieerzeugung angeht. Die Randmodule werden in diesem Fall sozusagen geopfert. The introduced electrically conductive layer in the photovoltaic module is arranged, for example, between the backsheet and the polymer enclosure. Alternatively, it may also be disposed between the glass cover and the polymer enclosure. For example, it is preferably metallic when attached to the back. In particular, it may be a thin metal layer deposited on the backsheet. If the conductive layer is applied to the front side, transparent conductive oxides, for example, which can be applied directly to the glass cover in known deposition processes, for example, are conceivable. The module frame, for example, is made of aluminum. As the polymer, for example, EVA films are used. The backsheet is, for example, Tedlar. As a conductive layer on the back of metals such as aluminum or copper in question, on the front side in addition to TCOs (Transparent Conductive Oxides) can also be used for example Pedot. In particular, the conductive layer has a thickness of 300 μm or less. So far, the inherent capacity of the modules was basically only a bad capacitor, since the intrinsic capacity was previously an unwanted by-product of the modules in a frame. To improve the filter properties so a photovoltaic module by an additionally inserted electrically conductive layer to a better capacitor and accordingly filter. The filter modules can degrade faster by this additional task as far as their function of photovoltaic power generation is concerned. The edge modules are sacrificed in this case, so to speak.
Um die elektrische Größe der Kapazität der Filtermodule anzupassen, kann z.B. die Dicke des isolierenden Polymers variiert werden, oder die Fläche der leitfähigen Komponenten, die auch die Leiterbahnen zur Zellverbindung mit umfasst. To adjust the electrical size of the capacitance of the filter modules, e.g. the thickness of the insulating polymer can be varied, or the area of the conductive components, which also includes the interconnects for cell connection.
Beispielsweise kann auch die Breite der Zellverbinder variiert werden, um die Kapazität des Filtermoduls zu ändern. For example, the width of the cell connectors can also be varied in order to change the capacity of the filter module.
Die durch Wechselrichter erzeugten Oberwellen liegen frequenzmäßig z. B. im Bereich von 2,5 kHz und darüber:
Zur Filterung derartiger Frequenzen im Bereich von 2,5 kHz wird eine Modulkapazität C der Filtermodule von etwa 64 MF benötigt:
Diese berechnet sich aus der Formel für einen Tiefpass: This is calculated from the formula for a low pass:
Dabei ist der der ohmsche Widerstand R der Zuleitungen, welcher natürlich zusätzlich von der Länge der Zuleitungen abhängt, als etwa R ≈ 1 Ω angenommen. In die Kapazität C des Moduls geht dessen Fläche A und die Dicke d sowie die dielektrische Eigenschaft εr der isolierenden Einkapselung ein:
Diese ist beispielsweise eine EVA-Einkapselungsfolie mit einer Dicke von 1 mm. Insbesondere kann die Dicke auch unter 1 mm liegen. Die Modulfläche beträgt beispielsweise 1,5 m2. This is, for example, an EVA encapsulating film having a thickness of 1 mm. In particular, the thickness can also be less than 1 mm. The module area is for example 1.5 m 2 .
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die
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