DE4328511C2 - Einschaltsteuerungsverfahren und -steuerschaltung für einen einen Solargenerator an das Stromnetz ankoppelnden Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf ein Einschaltsteuerungsverfahren für einen Wechselrichter, der bei Aktivierung die von einem Solargenerator einer Photavoltaikanlage erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung transformiert und in das öffentliche Strom­ netz einspeist, sowie auf eine nach diesem Verfahren arbeitende Einschaltsteuerschaltung.

Im aktiven Betrieb stellt der Wechselrichter selbst einen Ver­ braucher elektrischer Energie dar. Seine diesbezügliche Kenn­ größe, der Eigenbedarf des Wechselrichters, gibt an, welche Gleichstromgeneratorleistung als Wechselrichtereingangsleistung notwendig ist, um den Wechselrichter mit exakt null Watt Aus­ gangsleistung am Wechselstromnetz zu betreiben. Folglich kann erst dann Solarenergie ins öffentliche Stromnetz über den Wech­ selrichter eingespeist oder zur Versorgung hauseigener Wechsel­ spannungsverbraucher herangezogen werden, wenn die Solargenera­ torleistung größer als der Eigenbedarf ist. Ist hingegen die Solargeneratorleistung kleiner als der Eigenbedarf des Wechsel­ richters, so bezieht letzterer bei Aktivierung Energie aus dem Stromnetz, er wird zum Netzverbraucher. Die Tatsache des Netz­ verbrauchs eines Wechselrichters ergibt sich daraus, daß die Elektronik des Wechselrichters ihre benötigte Leistung direkt aus dem Stromnetz entnimmt und die meisten Wechselrichter über einen Netztransformator zur Potentialtrennung zwischen Wechsel­ stromnetz und Solargenerator und/oder zur Spannungsanpassung zwischen Netz- und Solargeneratorspannung verfügen. Bei zuge­ schaltetem Netztransformator und geringer Solargeneratorleistung wird die für den Netztransformator erforderliche Magnetisie­ rungsenergie dem Stromnetz entzogen. Die Solargeneratorleistung wiederum unterliegt naturgemäß den tageszeitlichen Inten­ sitätsschwankungen des einfallenden Lichtes.

Aus diesem Grunde findet bei einer derartigen Photovoltaikan­ lage üblicherweise ein morgendliches Einschalten und ein abend­ liches Abschalten des Wechselrichters statt, um den Wechsel­ richter nicht in Zeiten aktiv zu halten, in denen er zum Netz­ verbraucher würde. Praktisch alle für diesen Zweck heutzutage auf dem Markt erhältlichen Wechselrichter verfügen daher über eine Steuerung, die ein selbsttätiges, tägliches Ein- bzw. Ab­ schalten des Wechselrichters durchführt. Zum Einschalten ist hierbei jeweils eine Einschaltsteuerung vorgesehen, die den Wechselrichter einerseits nicht zu spät, da sonst ein unnötiger Energieverlust durch verminderten Nutzungsgrad des Solargenera­ tors entsteht, und andererseits nicht früh, da sonst der Wechselrichter zum Netzverbraucher wird, einschalten und damit den Solargenerator ans öffentliche Stromnetz zuschalten soll.

Um den richtigen Einschaltzeitpunkt zu finden, ist daher die momentane Solargeneratorleistung zu bestimmen. Diese wiederum hängt von der Lichteinstrahlungsleistung in der Solarmodulebene sowie der Temperatur der Solarmodule ab. Beides sind Größen, die mit der für eine Einschaltsteuerung notwendigen Genauigkeit nur mit hochwertiger Meßtechnik exakt direkt zu ermitteln sind.

Es ist daher als Kompromiß bereits bekannt, die Solargenerator­ leistung indirekt durch Erfassung der Solargeneratorleerlauf­ spannung zu ermitteln, da diese Größe ohne großen technischen Aufwand meßbar ist. Zur Bestimmung des richtigen Einschaltzeit­ punktes, zu dem gerade die zur Deckung des Wechselrichtereigen­ bedarfs notwendige Leistung vom Solargenerator verfügbar ist, wird bei diesem Verfahren als Steuergröße die Solargenerator­ leerlaufspannung erfaßt und ausgewertet. Zur Auswertung wird ein Leerlaufspannungs-Schwellwert vorgegeben und nach Überschreitung desselben durch die mit zunehmender Tageshelligkeit ansteigende Solargenerator-Leerlaufspannung der Wechselrichter eingeschal­ tet, wonach Solarenergie ins Stromnetz eingespeist werden kann. Diese Art der Einschaltsteuerung findet z. B. bei folgenden marktgängigen Wechselrichtern Anwendung: Typ EGIR 010 ST SMD der Firma Solar Diamant System GmbH; Typ NEG 1600 der Firma Umwelt­ freundliche Energieanlagen GmbH; 4,8kVA-Wechselrichter der Firma Sun Power Solartechnik GmbH; Typ DNG 320/25 der Firma Interna­ tional Battery and Solar Power Consulting (IBC); und Typ PV-WR 1500 der SMA-Regelsysteme GmbH. Während die Steuerung in Details jeweils unterschiedlich ist, z. B. Wahl verschiedener Leerlauf­ spannungs-Schwellwerte je nach Gerätenennspannung und unter­ schiedlicher Einschaltverzögerungszeiten nach Erreichen des Schwellwertes, ist jedenfalls allen diesen bekannten Geräten gemeinsam, daß letztlich die Höhe der Solargeneratorspannung für den Start des Wechselrichterbetriebs entscheidend ist, wobei dies in aller Regel die Solargeneratorleerlaufspannung ist. Eine Ausnahme bildet der Wechselrichter der Firma Sun Power Solar­ technik insoweit, als dort ein wechselrichterinterner DC/DC- Wandler zur Eigenversorgung des Geräts vorgesehen ist, der den Solargenerator belastet, weshalb die Steuergröße dort die Solargeneratorspannung unter Last ist, die jedoch aufgrund des weitgehend minimierten Eigenverbrauchs von Photovoltaik-Wech­ selrichtern nur wenig von der Generatorleerlaufspannung ab­ weicht. Eine weitere Ausnahme stellt der PVWR 1800 der Firma SMA dar, indem dort in Abhängigkeit von der Solargeneratorspannung zunächst ein Netzteil zur Versorgung der Wechselrichterelektro­ nik zugeschaltet wird. Mit Hilfe der dadurch vom Netz bezogenen Energie wird dann eine den Solargenerator belastende Schaltung in Betrieb genommen, um die Belastbarkeit des Solargenerators zu prüfen. Die momentane Solargeneratorleistung ist dann die weitere Steuergröße für den eigentlichen Beginn des Wechsel­ richterbetriebs. Letztendlich entscheidet damit aber auch in diesem Fall die Solargeneratorspannung über den Einschaltzeit­ punkt des Wechselrichters und des dortigen Netzteils.

Eine derartige, leistungsverzehrende Solargenerator-Belastbar­ keitsprüfung unter Last als Wechselrichter-Einschaltkriterium ist auch in Form der Verwendung eines Vorlastwiderstandes be­ kannt, siehe z. B. E. T. Schönholzer, Wechselrichter für Photo­ voltaikanlagen mit Netzverbund, Bulletin SEV/VSE 79 (1988) 23, S. 1441 bis 1147. Der Begriff Vorlastwiderstand bezeichnet da­ bei einen höherohmigen Widerstand, mit dessen Hilfe gezielt eine Leistung aus dem Solargenerator entnommen und in ther­ mische Verlustenergie umgewandelt wird. Der Widerstandswert eines solchen Vorlastwiderstandes wird bei dieser Art der direkten Leistungsfähigkeitsprüfung des Solargenerators etwa so groß gewählt, wie es dem Solargeneratorinnenwiderstand im Punkt maximaler Leistung zum Einschaltzeitpunkt entspricht. Der durch den Vorlastwiderstand fließende Solargeneratorstrom wird über den Spannungsabfall am Lastwiderstand erfaßt, wonach geprüft wird, ob die am Lastwiderstand verbrauchte Leistung bereits der Solleistungsabgabe zum Einschaltzeitpunkt entspricht. Dieses Verfahren zur Bestimmung des Einschaltzeitpunktes des Solar­ generators ist folglich mit merklichen ohmschen Verlusten behaftet.

Andererseits ist die Verwendung der Solargeneratorleerlauf­ spannung als Steuergröße für die Bestimmung des Einschalt­ zeitpunkts jedoch mit einer gravierenden Schwierigkeit behaftet. Die Leerlaufspannung repräsentiert nämlich nur relativ ungenau die momentane Leistungsfähigkeit des Solar­ generators. Der Leerlaufspannungs-Schwellwert kann nicht eindeutig für alle Betriebssituationen optimal vorgegeben werden. Denn die Solargeneratorleerlaufspannung hängt nicht nur von der Lichteinstrahlungsleistung, sondern auch signifikant vom verwendeten Modultyp, von der Modultemperatur und vom Temperaturkoeffizienten der Leerlaufspannung des jeweiligen Modultyps ab. Eine Untersuchung des Einschaltverhaltens von marktgängigen Wechselrichtern hat ergeben, daß diese in der Regel zu früh und in manchen Fällen zu spät, jedoch praktisch nie zum richtigen Zeitpunkt an das Stromnetz zugeschaltet werden. Die von dieser Betriebsführung verursachte Reduzierung der Jahresenergiebilanz um ca. 0,2% bis 3% der jährlich vom Solarwechselrichter eingespeisten Energie ist unbefriedigend.

Es ist bereits bekannt, eine Kurzschlußstrommessung bei einem Solargenerator zur Bestimmung der momentanen Lichteinstrahlung zu verwenden und dazu auszunutzen, im Solargeneratorbetrieb den Punkt maximaler Leistung auf der stark nichtlinearen Strom- Spannungs-Solargeneratorkennlinie aufzufinden, siehe z. B. die Patentschrift DE 35 16 876 C2 und die Offenlegungsschrift DE 40 17 860 A1.

Dabei ist es bekannt, siehe z. B. U. Mayer, Solarzellen aus amorphem Silizium, STZ 8/1991, S. 15 bis 21, daß bei ansonsten konstant gehaltenen Parametern der Kurzschlußstrom stark linear von der Bestrahlungsintensität beeinflußt wird, während dieser Einfluß auf den Füllfaktor nur sehr schwach und auf die Leer­ laufspannung vergleichsweise gering ist und daher die maximal abgebbare Solarmodulleistung sich mit der Bestrahlungsstärke bei Konstanthalten aller übrigen Einflußfaktoren linear ändert.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Einschaltsteuerungsverfahrens sowie einer nach diesem Verfahren arbeitenden Einschaltsteuerschaltung zugrunde, mittels derer mit vergleichsweise geringem Aufwand der Leistungsver­ brauch der netzgekoppelte Wechselrichter einer Photovoltaik­ anlage zeitlich sehr genau aktivierbar ist.

Dieses Problem wird durch ein Einschaltsteuerungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Einschalt­ steuerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Die Verwendung des Solargeneratorkurzschlußstroms als Steuer­ größe anstelle der Solargeneratorleerlaufspannung ergibt eine wesentliche Verbesserung des Einschaltverhaltens. Dieser Tat­ sache liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Generatorkurz­ schlußstrom in erster Ordnung von der Lichteinstrahlungsleistung und nur in zweiter Ordnung von der Modultemperatur abhängt und deshalb für unterschiedliche Temperaturen im Gegensatz zur Generatorleerlaufspannung nur sehr geringen Schwankungen unter­ worfen ist. Durch eine Kurzschlußstrommessung anstatt einer Leerlaufspannungsmessung kann daher wesentlich genauer auf die potentielle Solargeneratorleistung geschlossen werden, wobei der Solargenerator quasi als überdimensionaler Einstrahlungssensor fungiert. Mit Hilfe der Kurzschlußstrommessung wird indirekt auf die Solargeneratorleistung geschlossen, wobei im Vergleich zu einer direkten Leistungsmessung der Aufwand - ähnlich wie bei einer Leerlaufspannungsmessung - deutlich geringer ist, da eine direkte Leistungsmessung entweder das Ausmessen der Solar­ generatorkennlinie, die Inbetriebnahme einer Sucheinrichtung zum Auffinden des Punktes maximaler Leistung oder die Belastung des Solargenerators mit einem Lastwiderstand erfordert, was in allen Fällen eine merkliche Leistungsentnahme aus dem Solargenerator bedeutet. Bei der Kurzschlußstrommessung ist hingegen aufgrund der spezifischen Strom/Spannungs-Kennlinie eines Solargenerators die Solargeneratorspannung idealerweise null Volt und damit die Leistungsentnahme null Watt. Selbst wenn bei der praktischen Umsetzung ein ohmscher Verlust auftritt, bleibt dieser äußerst gering, da die Solargeneratorspannung allenfalls wenige Milli­ volt beträgt. Von Vorteil ist weiter, daß die zur Durchführung des Einschaltsteuerungsverfahrens benötigte elektrische Leistung vollständig durch den Solargenerator gedeckt werden kann, und zwar vor allem auch bereits dann, wenn dessen Leistung nicht zur kontinuierlichen Kurzschlußstrommessung ausreicht. Die Einschaltüberwachung läßt sich auf diese Weise ohne Hilfsenergie aus dem Stromnetz durchführen und die Netzenergiebezugszeiten des Wechselrichters beschränken sich auf ein Minimum. Dabei läßt sich die Kurzschlußstrommessung zyklisch in vorbestimmbaren Zeitabständen ausführen, was gegenüber einer kontinuierlichen Messung einen geringeren Leistungsbedarf bedeutet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 macht es mög­ lich, den Kurzschlußstrom-Einschaltschwellwert auf den verwen­ deten Modultyp optimal abzustimmen, da dieser eben im wesent­ lichen nur vom Modultyp, dagegen nicht von der Modultemperatur abhängt, indem der in vielen Fällen ohnehin bereits vorhandene Betriebsführungsrechner die vorangegangenen Einschaltzyklen auf die zeitrichtige Zuschaltung hin abprüft und den Schwellwert gegebenenfalls entsprechend ändert.

Eine schaltungstechnisch vorteilhafte Erfassung und Auswertung des Kurzschlußstroms ist durch Ausgestaltung der Einschalt­ steuerschaltung gemäß Anspruch 4 realisierbar.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist schal­ tungstechnisch vorteilhaft einfach und besitzt den weiteren Vorzug, daß der gesamte Leistungsbedarf der Einschaltsteuer­ schaltung vom Solargenerator geliefert werden kann, ohne daß Energie vom Stromnetz erforderlich ist, wobei die Einschalt­ steuerung erst aktiviert wird, wenn die nötige Solargenerator­ leistung gegeben ist.

Die Weiterbildung der Einschaltsteuerschaltung nach Anspruch 6 bewirkt, daß mit der Aktivierung des Wechselrichters gleich­ zeitig die Ansteuerung des Kurzschlußstromkreisschalters und damit der Kurzschlußstrommeßbetrieb selbsttätig deaktiviert wird.

Durch eine Ausgestaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 ist es möglich, die gesamte Einschaltsteuerschaltung mit einer auch während der Kurzschlußzeiträume stabilen Versorgungsspannung zu betreiben, wobei die entsprechende Energie vollständig vom Solargenerator stammt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einschaltsteuerschaltung für einen einen Solargenerator an das öffentliche Stromnetz ankoppelnden Wechselrichter,

Fig. 2 graphische Darstellungen der funktionellen Abhängig­ keit der maximalen Leistung von der Leerlaufspannung für ein Solarmodul bei unterschiedlichen Modul­ temperaturen und

Fig. 3 graphische Darstellungen der funktionellen Abhängig­ keit der maximalen Leistung vom Kurzschlußstrom für das Solarmodul von Fig. 2 bei entsprechenden Modul­ temperaturen.

Zunächst wird anhand der Fig. 2 und 3 der theoretische Hintergrund der Erfindung erläutert.

Im Diagramm der Fig. 2 ist für ein Solarmodul vom Typ PQ 40 der Firma AEG die MPP(Maximum Power Point)-Leistung, d. h. die je­ weils augenblicklich mögliche höchste Solargeneratorleistung, in Abhängigkeit von derjenigen Leerlaufspannung (U_L) aufgetragen, die sich für diejenige Strom/Spannungs-Kennlinie ergibt, zu der auch der zugeordnete Punkt maximaler Leistung gehört. Die drei dargestellten Kurven unterscheiden sich in dem Parameter Modul­ temperatur, wobei eine Kurve zu einer Modultemperatur Tu=-15°C, eine zweite Kurve zur Modultemperatur Tm=0°C und die dritte Kurve zu einer Modultemperatur von To=+20°C gehört. Die Daten für die Kurven wurden mit Hilfe eines semiempirischen Modul­ modells (siehe W. Knaupp, Power Rating of Photovoltaic Moduls from Outdoor Measurements, 22. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, 7.-11. Oktober, 1991) berechnet, welches das reale Modulverhalten sehr gut wiedergibt. Aus der Graphik der Fig. 2 läßt sich bei gegebener Leerlaufspannung (U_L) und Modultemperatur die bei Leistungsentnahme resultierende maximale Modulleistung ablesen. Erst wenn diese den auf ein Modul nor­ mierten Eigenbedarf eines angeschlossenen Wechselrichters erreicht oder überschreitet, ist dessen Aktivierung sinnvoll, wobei die Nennleistung des aus einem oder mehreren Modulen aufgebauten Solargenerators der jeweiligen Wechselrichter­ nennleistung entspricht.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Wechselrichtereigenbedarf von 1 W pro Modul durch die gestrichelte horizontale Linie angenommen. Ersichtlich wird diese Modulleistung bei den drei unter­ schiedlichen Temperaturen bei jeweils merklich voneinander verschiedenen Modulleerlaufspannungen (Uu_L, Um_L und Uo_L) er­ reicht. Dies folgt aus der Tatsache, daß die Leerlaufspannung (U_L) außer von der Lichteinstrahlungsleistung vor allem auch signifikant von der Modultemperatur abhängt. Dies macht es un­ möglich, einen für alle in Frage kommenden Modultemperaturen gut geeigneten Leerlaufspannungs-Schwellwert zur Wechselrichter­ aktivierung festzusetzen. Wird beispielsweise in Fig. 2 bei gewünschtem Wechselrichter-Eigenbedarf von 1 W/Modul der Leer­ laufspannungs-Schwellwert auf denjenigen der oberen Temperatur To=+20°C, d. h. auf den Wert Uo_L=18,7 V, gesetzt, so hat dies zwar zur Folge, daß der Wechselrichter bei dieser Temperatur To=+20°C, auf die die Aktivierung abgestimmt ist, korrekt, bei niedrigeren Temperaturen jedoch zu früh zugeschaltet wird, da bei gegebener Leerlaufspannung mit niedriger werdender Modul­ temperatur auch die Solargeneratorleistung am Punkt maximaler Leistung absinkt. So ergibt sich bei Wahl dieses Schwellwertes Uo_L=18,7 V im Beispiel der Fig. 2 bei Vorliegen der unteren Modultemperatur Tu=-15°C eine viel zu frühe Aktivierung, wie sie durch die strichpunktierte horizontale Linie angedeutet ist. Es folgt daher in diesem Beispielsfall bei der Temperatur Tu=-15°C eine maximale Modulleistung von nur 0,28 V im Zeitpunkt der Wechselrichteraktivierung, so daß durch die zu frühe Wechsel­ richteraktivierung ein aus dem Stromnetz zu speisender Wechsel­ richterleistungsbedarf von 0,72 V pro Modul gedeckt werden muß. Entsprechende Verhältnisse ergeben sich im gesamten praktisch wichtigen Bereich von mehr als etwa 0,3 W an Wechselrichter­ eigenbedarf pro Modul.

Im Diagramm der Fig. 3 ist die MPP-Leistung desselben Moduls in Abhängigkeit vom zugehörigen Kurzschlußstrom (I_K) der ent­ sprechenden Strom/Spannungs-Solargeneratorkennlinie aufgetragen. Zwecks direktem Vergleich mit der Fig. 2 wurden die jeweiligen Kurven für die gleichen drei Modultemperaturen (Tu, Tm und To) mit demselben, oben zitierten semiempirischen Modulmodell berechnet. Sie geben das reale Modulverhalten wiederum ausgezeichnet wieder. Im Vergleich mit der Fig. 2 fällt der sehr viel engere Verlauf der drei Kurven über einen weiten Leistungsbereich im Gegensatz zu den vergleichsweise weit auf­ fächernden Kurven von Fig. 2 auf. Daraus ergibt sich, daß die Wahl des Kurzschlußstromes anstatt der Leerlaufspannung als Ein­ schaltsteuergröße eine über den relevanten Modultemperatur­ bereich sehr viel genauere Bestimmung des Wechselrichterein­ schaltzeitpunktes gestattet.

Beispielhaft ist in Fig. 3 wiederum mit einer gestrichelten horizontalen Linie ein Wechselrichtereigenbedarf von 1 W/Modul angenommen. Für die drei unterschiedlichen Temperaturen (Tu, Tm und To) ergeben sich die zugehörigen Kurzschlußstromwerte (Iu_K, Im_K und Io_K), die den für die jeweilige Temperatur idealen Kurzschlußstrom-Schwellwert zur Wechselrichteraktivierung dar­ stellen. Wird nun als Kurzschlußstrom-Schwellwert der zur oberen Temperatur To=+20°C gehörige Wert (Io_K) gewählt, so ist diese Wahl zwar auch nur für diese Temperatur (To) ganz exakt, das Maß der Fehlaktivierung des Wechselrichters bei davon abweichenden Temperaturen ist jedoch sehr gering, insbesondere verglichen mit den Abweichungen, die sich bei Wahl eines Leer­ laufspannungs-Schwellwertes ergeben. Wie aus Fig. 3 erkennbar, wird beispielsweise bei Wahl des Kurzschlußstrom-Schwellwertes (Io_K) bei einer Modultemperatur von Tu=-15°C anstatt der Temperatur To=+20°C, auf die der Schwellwert (Io_K) abgestimmt ist, eine etwas zu frühe Wechselrichtereinschaltung veranlaßt, jedoch liegt in diesem geringfügig zu frühen Einschaltfall bereits eine Modulleistung von 0,91 W und damit eine bereits 91%ige Deckung des Wechselrichtereigenbedarfs vor, verglichen zu der nur 28%igen Eigenbedarfsdeckung im Fall der Vorgabe eines Leerlaufspannungs-Schwellwertes. Diese aus dem Stromnetz zu deckende Modulfehlleistung verringert sich des weiteren be­ trächtlich bei kleineren erforderlichen spezifischen Modul­ leistungen. So bleibt die Modulfehlleistung bei einem not­ wendigen Wechselrichtereigenbedarf pro Modul von 0,85 W kleiner als 0,033 W/Modul und ist damit praktisch vernachlässigbar klein, während bei Vorgabe eines Leerlaufspannungs-Schwellwertes zur Wechselrichteraktivierung in diesem Bereich immer noch be­ trächtliche Modulfehlleistungen vorliegen.

Durch die Maßnahme der Erfindung, die Einschaltung des Wechsel­ richters durch Verwendung des Kurzschlußstromes als Steuergröße unter Vorgabe eines Kurzschlußstrom-Schwellwertes vorzunehmen, können folglich viele marktgängige Wechselrichter sehr exakt mit nur minimalen Verlusten gesteuert werden.

In Fig. 1 ist eine praktische Realisierung einer Einschaltsteu­ erungsschaltung gezeigt, bei der die Einschaltung des Wechsel­ richters bei Überschreiten eines vorgebbaren Kurzschlußstrom- Sollwertes erfolgt.

Ausgehend von einem Solargenerator (1) einer photovoltaischen Anlage, an dessen negativen Ausgang alle Funktionseinheiten der Einschaltsteuerschaltung mit ihrem negativen Spannungsversor­ gungsanschluß angeschlossen sind und der über eine Leitung (S) eine Solargeneratorspannung (Us) einem nicht gezeigten Wechsel­ richter zuführt, weist die Einschaltsteuerschaltung einen Kurzschlußstromkreis (Ki) auf, der von der Solargeneratorspeise­ leitung (S) zum Potential des negativen Generatorausgangs führt und eine Sicherung (13), einen ansteuerbaren MOSFET-Leistungs­ schalter (9) sowie einen Meßwiderstand (2) als Kurzschluß­ strom-Meßelement in Reihe geschaltet enthält. Zur Ansteuerung des Leistungsschalters (9) und zur Auswertung des Kurzschluß­ strom-Meßsignals vom Meßwiderstand (2) besitzt die Einschalt­ steuerschaltung des weiteren verschiedene Bausteine (4 bis 8 und 10), für deren gemeinsame Spannungsversorgung ein Spannungs­ regler (11) vorgesehen ist, der über eine weitere Sicherung (12) an die Solargeneratorspeiseleitung (S) angeschlossen ist. Der Spannungsregler (11) ist als Längsregler ausgebildet und liefert eine stabile Versorgungsspannung (Ub) für die Einschaltsteuer­ schaltung, sobald die Solargeneratorleerlaufspannung etwas mehr als 15 V beträgt. Zur Stabilisierung dieser Betriebsspannung (Ub) in den Augenblicken eines Kurzschlusses zwecks Kurzschlußstrom­ messung ist zwischen dem negativen Generatorausgang und dem Spannungsreglerausgang ein Kondensator (C1) angeordnet. Parallel zum Spannungsregler (11) ist in der Einschaltsteuerschaltung ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen (R1, R2) vorgesehen, mit deren Verbindungspunkt zum einen eine schützende Zenerdiode (Z) und zum anderen ein Signaleingang eines Schmitt-Triggers (5), der zusammen mit dem Spannungsteiler Meßbetriebaktivierungs­ mittel bildet, verbunden sind. Das Ausgangssignal des Schmitt- Triggers (5) ist über eine Verzögerungsstufe, bestehend aus einer Diode (D), einem Kondensator (C2) und einem Widerstand (R3), wobei die beiden letzteren parallel an den negativen Generatorausgang angeschlossen sind, an einen Eingang eines UND-Gatters (6) geführt. Das logische Ausgangssignal dieses UND-Gatters (6) beaufschlagt einen nachfolgenden Impulsgenerator (7), dessen Ausgangssignal wiederum über eine Treiberstufe (8) den Steueranschluß des Leistungsschalters (9) beaufschlagt. Das UND-Gatter (6), der Impulsgenerator (7) und die Treiberstufe (8) bilden Mittel zur Schalteransteuerung. Ein zweiter Eingang der Treiberstufe (8), nämlich ein Überlastschutzeingang, ist mit dem Meßpunkt (M) im Kurzschlußstromkreis auf der dem negativen An­ schluß gegenüberliegenden Seite des Meßwiderstands (M2) verbun­ den. An diesen Meßpunkt (M) ist des weiteren ein PT₁-Filter (10) eingangsseitig angeschlossen, dessen Ausgangssignal den Eingang eines Komparators (3) beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Kom­ parators (3) beaufschlagt seinerseits den Setzeingang (S) eines RS-Flip-Flops (4), dessen einer, nichtinvertierender Ausgang (Q) das Wechselrichtereinschaltsignal abgibt, das auf einer entspre­ chenden Leitung (E) dem nicht gezeigten Wechselrichter zugeführt wird. Zwecks Abschaltung des Wechselrichters wird ein diesbe­ zügliches Abschaltsignal, dessen Erzeugung hier nicht näher von Interesse ist, dem Rücksetzeingang (R) des Flip-Flops (4) über eine Leitung (A) zugeführt. Der invertierende Ausgang () des Flip-Flops (4) ist zum zweiten Eingang des UND-Gatters (6) geführt. Das Filter (10), der Komparator (3) und das Flip-Flop (4) bilden auf diese Weise eine Kurzschlußstrom-Auswerteeinheit.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Einschaltsteuerschaltung näher beschrieben.

Sobald bei Tagesanbruch die Lichteinstrahlungsintensität auf die Solarmodule des Solargenerators (1) zunimmt, erhöht sich entsprechend dessen Leerlaufspannung. Ab einer Solargenerator­ leerlaufspannung von etwas mehr als 15 V wird, wie oben gesagt, durch den Spannungsregler (11) eine stabile Versorgungsspannung (Ub) für die Steuerschaltung bereitgestellt. Mit weiter zuneh­ mender Leerlaufspannung erhöht sich außerdem proportional die am Widerstand (R2) abfallende, dem Schmitt-Trigger (5) zugeführte Spannung. Das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Spannungsteiler-Widerstände (R1, R2) ist so gewählt, daß der Schmitt-Trigger (5) durchschaltet und sein Ausgang 1-Pegel führt, sobald die Solargeneratorleerlaufspannung die halbe Nennleerlaufspannung erreicht hat. Nach Verzögerung durch die Diode (D), den Kondensator (C2) und den Widerstand (R3) gelangt diese Pegeländerung des Schmitt-Triggers (5) an den einen Eingang des UND-Gatters (6), das dadurch seinen Zustand eben­ falls vom 0- auf den 1-Pegel ändert, da der invertierende Aus­ gang () des Flip-Flops (4) und damit auch der andere Eingang des UND-Gatters (6) vom vorangegangenen Nachtbetrieb der Anlage mit deaktiviertem Wechselrichterzustand immer noch auf 1-Pegel liegt. Die Änderung am Ausgang des UND-Gatters auf den 1-Pegel startet den Impulsgenerator (7), und letzterer steuert über die Treiberstufe (8) den Leistungsschalter (9) zyklisch an, wodurch der Solargenerator (1) in vorbestimmten Zeitabständen kurzge­ schlossen wird. Für den Augenblick eines Kurzschlusses stabili­ siert der Kondensator (C1) die Betriebsspannung (Ub) der Steuer­ schaltung, während er sich zwischen den Kurzschlüssen jeweils wieder auflädt.

Der über die Kurzschlußleitung (Ki) bei leitend gesteuertem Schalter (9) fließende Kurzschlußstrom verursacht an dem Meß­ widerstand (2) eine proportionale Spannung, die am Meßpunkt (M) abgegriffen wird und über das Filter (10) erster Ordnung zum Komparator (3) gelangt. Das kurzschlußstromproportionale Spannungssignal wird dort mit einem bestimmten, voreingestellten Wert verglichen, und bei Überschreiten des den Kurzschlußstrom- Schwellwert repräsentierenden Wertes wechselt der Ausgang des Komparators (3) von 0- auf 1-Pegel, wodurch das Flip-Flop (4) gesetzt wird. Der den Wechselrichterstatus bestimmende, nichtin­ vertierende Ausgang (Q) des Flip-Flops (4) wird damit auf 1- Pegel gesetzt, wodurch der Wechselrichter eingeschaltet wird. Mit dem Setzen des Flip-Flops (4) wechselt gleichzeitig der invertierende Ausgang () des Flip-Flops (4) auf 0-Pegel. Dieser Wechsel auf 0-Pegel beaufschlagt den zweiten Eingang des UND- Gatters (6) und führt dazu, daß dieses auf 0-Pegel wechselt, so daß der Impulsgenerator (7) gesperrt wird. Dies verhindert ein weiteres, unnötiges Kurzschließen des Solargenerators (1) wäh­ rend des aktivierten Wechselrichterbetriebs.

Wird die Solargeneratorleistung zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu klein, d. h. kleiner als der Wechselrichtereigen­ bedarf, so wird dies mittels eines entsprechenden Signals über die Leitung (A) dem Rücksetzeingang (R) des Flip-Flops (4) gemeldet. Das Flip-Flop (4) wechselt dann zum einen mit seinem nichtinvertierenden Ausgang (Q), d. h. dem Statusausgang der Einschaltsteuerschaltung, wieder auf 0-Pegel, und zum anderen mit seinem invertierenden Ausgang () auf 1-Pegel, was wiederum unter der Voraussetzung, daß noch eine ausreichende Solargene­ ratorleerlaufspannung vorliegt und der Schmitt-Trigger (5) noch durchschaltet, eine erneute zyklische Kurzschlußstrommessung aktiviert. Der Kurzschlußstrom wird nun wieder so lange in vorbestimmten Zeitabständen gemessen, bis er erneut den vorbe­ stimmten Kurzschlußstrom-Schwellwert überschreitet und somit der Wechselrichter erneut zugeschaltet wird oder aber bis aufgrund weiter sinkender Tageshelligkeit die Solargeneratorleerlauf­ spannung weiter absinkt, bis schließlich die Spannung am Spannungsteilerwiderstand (R2) so stark abnimmt, daß der Schmitt-Trigger (5) auf 0-Pegel wechselt und damit über das UND-Gatter (6) den Impulsgenerator (7) deaktiviert hält.

Ersichtlich verwirklicht die in Fig. 1 gezeigte Schaltung eine Einschaltsteuerschaltung für einen netzgekoppelten Wechsel­ richter einer Photovoltaikanlage mit einfachem schaltungstech­ nischem Aufbau und dennoch zuverlässiger Wechselrichterein­ schaltung, ohne daß Energie aus dem Stromnetz entnommen werden muß. Dies gilt für alle für den Einsatz photovoltaischer Anlagen relevanten Temperaturen, wie sich aus der obigen Beschreibung zu den Fig. 2 und 3 ergibt. Die Einschaltsteuerschaltung ist universell für eine Vielzahl verschiedener Solarmodule und/oder Wechselrichtertypen einsetzbar, wobei lediglich die elektroni­ schen Kenndaten der einzelnen Einheiten und Elemente angepaßt vorzugeben sind, insbesondere natürlich der Spannungswert am Komparator (3), der ein direktes Maß für den eingestellten Kurzschlußstrom-Schwellwert ist.

Bemerkenswert ist außerdem, daß die Einschaltsteuerschaltung vollständig vom Solargenerator (1) energetisch versorgt wird, ohne daß ein Bezug von Netzenergie erforderlich ist. Die Kurz­ schlußstrommessung und damit das eigentliche Kurzschließen des Solargenerators (1) erfolgt nicht kontinuierlich, sondern zyklisch, weshalb die Leistung zur Versorgung der Einschalt­ steuerung allein aus dem Solargenerator (1) bezogen werden kann. Für den Moment des Generatorkurzschlusses ist in dem Kondensator (C1) eine ausreichende Energiemenge zur Einschaltsteuerung zwischengespeichert. Die allmorgendliche Einschaltsteuerung kann mit dieser Schaltung ohne Hilfsenergie aus dem Stromnetz be­ trieben werden, so daß sich die Netzenergiebezugszeiten des zugehörigen Solarwechselrichters auf ein Minimum beschränken.

Selbstverständlich ist es dem Fachmann möglich, neben der je­ weils geeigneten Wahl der vorzugebenen Parameter je nach an­ lagespezifischem Bedarf Änderungen an einzelnen oder mehreren Elementen der oben beschriebenen Schaltung im Rahmen der Erfin­ dung vorzunehmen. Insbesondere ist es möglich, statt des in Fig. 1 gezeigten Meßwiderstands eine Hall-Sonde als Strom­ meßelement anzuordnen. Im Fall des in Fig. 1 verwendeten Meß­ widerstands ergibt sich ein gewisser ohmscher Verlust, der allerdings aufgrund der Tatsache, daß beim Kurzschließen des Solargenerators dessen Ausgangsspannung stark auf nur noch wenige Millivolt abfällt, nur sehr gering und damit in den meisten Fällen vernachlässigbar ist. Durch die Anordnung eines Hall-Sensors statt des Meßwiderstands zwecks Kurzschlußstrom­ messung kann auch dieser geringe Verlust, falls erwünscht, noch vermieden werden.

Besitzt die Photovoltaikanlage bereits einen internen Be­ triebsführungsrechner, wie dies häufig der Fall ist, so ist es darüber hinaus mit Hilfe einfacher Algorithmen möglich, unter dessen Zuhilfenahme innerhalb weniger Einschaltzyklen einen optimalen Kurzschlußstrom-Schwellwert für das Einschalten des Wechselrichters dadurch zu ermitteln, daß der Betriebsfüh­ rungsrechner vorangegangene Einschaltzyklen daraufhin unter­ sucht, ob zu früh, zu spät oder zeitrichtig zugeschaltet wurde.

Diese Art der Optimierung des Kurzschlußstrom-Schwellwertes macht es dank der geringen temperaturabhängigen Leistungs­ änderungen zum Einschaltzeitpunkt mit dem Einsatz des Betriebs­ führungsrechners insbesondere möglich, den Schwellwert unabhängig vom verwendeten Modultyp einzustellen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Einschaltsteuerung eines einen Solar­ generator an das Stromnetz ankoppelnden Wechselrichters, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Schwellwert vorgegeben, ein Solargeneratorkurzschlußstrom gemessen und der Wechselrichter eingeschaltet wird, wenn der gemessene Solargeneratorkurz­ schlußstrom den vorgegebenen Schwellwert übersteigt, wobei die Energie zur Messung und Auswertung vom Solargenerator bereit­ gestellt wird und die Kurzschlußstrommessung in vorgegebenen Zeitabständen, während denen die jeweils erzeugte Solar­ generatorenergie zur Durchführung der nächsten Messung ge­ speichert wird, zyklisch wiederholt durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert von einem Betriebsführungsrechner abhängig vom Resultat einer Auswertung vorangegangener Einschaltzyklen eingestellt wird.

3. Einschaltsteuerschaltung zur Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

• - einen Solargenerator-Kurzschlußstromkreis (Ki) mit einem Kurzschlußstrom-Meßelement (2),
• - eine Auswerteeinheit (3, 4, 10), der das Ausgangssignal des Kurzschlußstrommeßelements zugeführt ist und die den Solargeneratorkurzschlußstrom mit dem Schwellwert vergleicht und abhängig davon ein Wechselrichter-Einschaltsignal (E) erzeugt,
• - einen ansteuerbaren Schalter (9) im Solargenerator-Kurz­ schlußstromkreis (Ki) und
• - Schalteransteuerungsmittel (6, 7, 8) zum zyklischen Öffnen und Schließen des von diesen angesteuerten Schalters (9).

4. Einschaltsteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kurzschlußstrommeßelement ein Meß­ widerstand (2) vorgesehen ist und die Auswerteeinheit einen eingangsseitig mit dem Meßwiderstand (2) verbundenen Komparator (3) zur Vorgabe des Schwellwertes sowie ein RS-Flip-Flop (4) aufweist, dessen einer Eingang (S) mit dem Ausgang des Kompa­ rators (3) verbunden ist und dessen einer Ausgang (Q) das Wechselrichter-Einschaltsignal (E) abgibt.

5. Einschaltsteuerschaltung nach Anspruch 4, ge­ kennzeichnet durch

• - Meßbetriebaktivierungsmittel (R1, R2, 5), die die Solar­ generatorspannung (Us) erfassen und mit einem vorwählbaren weiteren Schwellwert zur Aktivierung des Kurzschlußstrom­ meßbetriebes vergleichen sowie abhängig davon ein Aktivie­ rungs- oder Deaktivierungssignal an die Schalteransteue­ rungsmittel (6, 7, 8) abgeben.

6. Einschaltsteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteransteuerungsmittel (6, 7, 8) einen Impulsgenerator (7), dessen Ausgang Steuerimpulse für den ansteuerbaren Schalter (9) abgibt, sowie ein UND-Gatter (6) enthalten, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Impuls­ generators (7), und dessen einer Eingang mit dem Ausgang der Meßbetriebaktivierungsmittel sowie dessen anderer Eingang mit dem anderen Ausgang () des RS-Flip-Flops (4) verbunden ist.

7. Einschaltsteuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, weiter gekennzeichnet durch

• - einen Solargenerator (1) gespeisten Spannungsregler (11), mit an dessen Ausgang jeweils parallel ein spannungsstabilisie­ render Kondensator (C1), die Auswerteeinheit (3, 4, 10) und die Schalteransteuerungsmittel (6, 7, 8) angeschlossen sind.