Die gegenständliche Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Datenkommunikation zwischen einer an eine elektrische Last angeschlossenen Netzüberwachungseinheit und einer Anzahl von ausgangsseitig in Serie geschalteten Wechselrichtern, wobei die Wechselrichter und die Netzüberwachungseinheit zueinander zeitlich synchronisiert werden.

Photovoltaikanlagen umfassen in der Regel eine Anzahl von Solarpanelen, die in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung eine Gleichspannung gewisser Größe liefern. Diese Gleichspannung wird mit einem Wechselrichter in eine Wechselspannung oder einen Wechsel- ström gewandelt und in ein elektrisches Versorgungsnetz geliefert, oder an eine elektrische Last geschaltet, wie z.B. eine elektrische Maschine oder eine Batterieladestation. Dabei sind unterschiedliche Konfigurationen bekannt geworden. Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, bei der jedes Solarpanel einen eigenen Wechselrichter aufweist und die einzelnen Wechselrichter in Serie geschaltet sind, wobei die Summe der Ausgangs- Spannungen der Wechselrichter die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes oder der elektrischen Last ergibt. Eine solche Anordnung ist z.B. aus der GB 2 483 317 A bekannt. Darin wird auch ausgeführt, dass die einzelnen Wechselrichter synchron zueinander und zum Versorgungsnetz bzw. zur Last sein müssen. Dazu wird vorgeschlagen, mittels eines Sensors die Netzspannung auszuwerten, z.B. hinsichtlich Amplitude, Phase und Frequenz, und diese Information an Synchronisationseinheiten der einzelnen Wechselrichter zu senden. Dies kann über eigene Steuerleitungen erfolgen, oder auch mittels Powerline Kommunikation. Allerdings beschreibt die GB 2 483 317 A nicht, wie die Synchronisation im Detail erfolgen soll.

Die EP 1 483 819 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern elektrischer Geräte mittels Powerline Kommunikation. Dabei sind an ein Stromversorgungsnetz eine Anzahl von Teilnehmern angeschlossen, die untereinander kommunizieren und dazu untereinander synchronisiert sein müssen. Zur Synchronisation wird von den Teilnehmern der Nulldurchgang der Netzspannung verwendet, um ein Kanalraster mit einem Sende- und Empfangszyklus aufzubauen. Jeder Sende- und Empfangszyklus wird durch Nulldurchgänge der Netzspan- nung begrenzt. Dazu muss jeder Teilnehmer die Netzspannung auf deren Nulldurchgänge hin beobachten und dafür entsprechend ausgestattet sein. Diese Art der Synchronisation kann aber nur dann funktionieren, wenn die einzelnen Teilnehmer parallel an das Stromversorgungsnetz geschaltet sind. Dieses Powerline Kommunikationsverfahren würde daher nicht in einer Anordnung nach der GB 2 483 317 A funktionieren. Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit der eine einfache und zuverlässige Datenkommunikation in einer Anordnung aus einer Anzahl von seriell verschaltetet Wechselrichtern möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, in dem der an der elektrischen Last anliegenden Netzspannung durch die Netzüberwachungseinheit ein Synchronisationspuls überlagert wird, der durch die Wechselrichter zur zeitlichen Synchronsierung detektiert wird. Dieser Synchronisationspuls kann von allen seriell verschalteten Wechselrichtern detektiert werden, womit sich die Wechselrichter sehr einfach zur Datenkommunikation mit der Netzüberwachungseinheit synchronisieren können. Außerdem bilden die Synchronisationpulse definierte Zeitspannen, in denen ein beliebiges Kommunikationsprotokoll realisiert werden kann.

Besonders vorteilhaft werden zwischen zwei aufeinander folgende Synchronisationspulse zumindest zwei Datenkanäle vorgegebener zeitlicher Dauer ausgebildet. Die Datenkanäle können dann von den Wechselrichtern und von der Netzüberwachungseinheit gemäß dem Kommunikationsprotokoll genutzt werden.

Die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation kann verbessert werden, wenn zwischen dem Senden bzw. Detektieren des Synchronisationspulses und dem erstem Datenkanal eine vorgegebene Pulsdauer vorgesehen wird, sodass der Synchronisationspuls ausreichend abklingen kann, bevor Daten über die Leitung gesendet werden. Der Synchronisationspuls wird vorteilhaft auf einen definierten, eindeutigen und leicht zu erfassenden Referenzpunkt der Netzspannung bezogen und nach einer vorgegebenen Verzögerungzeit nach diesem Referenzpunkt, vorzugsweise der Nulldurchgang oder Scheitelpunkt der Netzspannung, gesendet.

Die Verzögerungszeit kann vorteilhaft genutzt werden, um zusätzliche Daten von einem Wechselrichter an die Netzüberwachungseinheit, z.B. zum Signalisieren einer Notsituation eines Wechselrichters, oder umgekehrt, z.B. zur Adressierung eines Wechselrichters, zu senden. Auf diese Weise können weitere, für den Betrieb der Anlage wichtige Informationen auf einfache Weise übermittelt werden, ohne die Bandbreite der Datenkommunikation einzuschränken. Das Signalisieren einer Notsituation kann entsprechend auch eine Notabschal- tung zur Folge haben, sodass die Sicherheit der Anlage und die Sicherheit für den Anwender erhöht wird.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4, die beispielhaft und schematisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Dabei zeigt Fig.1 ein Blockschaltung einer Photovoltaikanlage an einer elektrischen Last,

Fig.2 die Netzspannung mit Synchronisationspulsen,

Fig.3 eine Vergrößerung davon und

Fig.4 eine Ausgestaltung einer Synchronisationseinheit. Eine Photovoltaikanlage 1 umfasst eine Reihe von Photovoltaikmodulen 2-i , 2 ₂ , ... 2 _n . Jedes Photovoltaikmodul 2-i , 2 ₂ , ... 2 _n ist in an sich bekannter Weise mit einem zugehörigen Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n verbunden, der jeweils die Gleichspannung V _DC i , V _DC 2,■■■ V _DCn des Photovoltaikmoduls 2^ 2 ₂ , ... 2 _n in eine Wechselspannung V _AC i , V _AC2 ,■■■ V _A cn am Ausgang des Wechselrichters 3i, 3 ₂ , ... 3 _n wandelt. Die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n sind über deren Ausgänge in Serie geschaltet, wobei die Summe der Wechselspannungen V _AC -i , V _AC2 , ...

V _ACn die Netzspannung V _N des zu speisenden Versorgungsnetzes bzw. des zu versorgenden elektrischen Verbrauchers (allgemein als elektrische Last 4 bezeichnet) in Amplitude und Phase ergibt. Die Netzspannung V _N wird in einer an die elektrische Last 4 angeschlossenen Netzüberwachungseinheit 5 überwacht. Die Netzüberwachungseinheit 5 ist dabei parallel an die in Serie geschalteten Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n angeschlossen. In der Netzüberwachungseinheit 5 ist weiters eine Synchronisationseinheit 6 angeordnet, die für die Synchron- sierung der einzelnen Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n auf die Netzspannung V _N verantwortlich ist, wie unten im Detail noch ausgeführt wird. Dazu umfasst jeder Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n auch eine Steuereinheit 7-i , 7 ₂ , ... 7 _n , der die Synchronisationsinformation der Synchronisati- onseinheit 6 auswertet und die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n zur Synchronisierung auf die Netzspannung V _N steuert.

Fig.2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Netzspannung V _N . In einem vorgegebenen Zeitabstand t _d vom Nulldurchgang wird hier durch die Synchronisationseinheit 6 ein zeitlich kurzer Synchronisationspuls 10 (siehe Fig.3) erzeugt und der Netzspannung V _N überlagert. Dieser Syn- chronisationspuls 10 kann aufgrund der seriellen Verschaltung der Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n durch jeden Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n bzw. durch die zugehörige Steuereinheit 7-i, 7 ₂ , ... 7 _n detektiert werden und stellt daher eine eindeutige zeitliche Referenz dar, auf die sich die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n synchronisieren können. Der Synchronisationspuls 10 kann dabei natürlich, mit oder ohne Verzögerung t _d , auch zu einem anderen eindeutigen Zeitpunkt der Netzspannung V _N , z.B. am Scheitelpunkt der Netzspannung V _N , gesendet werden.

Nach dem Synchronisationspuls 10 ist eine Zeitspanne t _N , t| definiert, die für das Senden von Daten verwendet werden kann, ein sogenannter Datenkanal. Hierbei kann zwischen zwei Synchronisationspulsen 10 ein Datenkanal oder es können auch mehrere Datenkanäle vorgesehen sein. Nach der Detektion eines Synchronisationspulses 10 wird vor dem Beginn eines Datenkanals vorzugsweise eine vorgegebene Pulsdauer t _S p gewartet. Für die Datenkommunikation werden in Fig.2 beispielsweise zwei Datenkanäle definiert. Dazu wird nach der Detektion bzw. nach dem Senden des Synchronisationspulses 10 eine vorgegebene Pulsdauer t _S p gewartet. Danach können für eine bestimmte Zeitdauer t _N Daten von der Netzüberwachungseinheit 5 an die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n gesendet werden. Das kann auch genutzt werden, um die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n durch Steuersignale zentral von der Netzüberwachungseinheit 5 aus in Abhängigkeit vom Zustand der elektrischen Last 4 zu steuern, z.B. durch Vorgabe von Spannungswerten V _A c, Frequenz, Blindleistungs- sowie Wirkleistungsvorgaben, etc. Darauf folgt für die Zeitdauer t| ein zweiter Datenkanal, zum Senden von Daten, z.B. Statusdaten, Betriebsdaten, Daten für zentrales Monitoring, etc., von den Wechselrichtern 3i, 3 ₂ , ... 3 _n an die Netzüberwachungseinheit 5. Ein Ü bertrag ungszyk- lus dauert hierbei eine Periode der Netzspannung V _N .

Es ist aber auch denkbar, dass jeder x-te Synchronisationspuls 10, auch mehrere hintereinander folgende, zum Synchronisieren des Sendens von Daten in eine Richtung, z.B. von der Netzüberwachungseinheit 5 an die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n , genutzt werden und die anderen Synchronisationspulse 10 zum Synchronisieren des Sendens von Daten in die andere Richtung, z.B. von den Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n an die Netzüberwachungseinheit 5, genutzt werden. Z.B. könnte vorgesehen sein, dass nur jeweils jeder zweite Synchronisationspuls 10 zum Senden in einer Richtung verwendet wird. Auch können z.B. zwei hintereinander folgende Synchronisationspulse 10 zum Senden in eine Richtung, und der dritte fol- gende Synchronisationspuls 10 zum Senden in die andere Richtung genutzt werden, wonach sich der Zyklus wiederholt.

Auf diese Weise kann eine ganze Welle oder eine Halbwelle der Netzspannung (wie in Fig.2) für die Datenkommunikation genutzt werden. Bei einer Netzfrequenz von 60Hz, wie in Nordamerika oder Asien üblich, ergibt sich damit eine Zeitspanne von ca. 16,7ms (ganze Welle) bzw. 8,35ms (Halbwelle) für die vorgesehenen Datenkanäle. Bei einer Netzfrequenz von 50Hz, wie in Europa üblich, ergibt sich eine Zeitspanne von 20ms.

Es ist aber auch eine Konfiguration denkbar, bei der mehrere solcher über die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n seriell verschalteter Photovoltaikmodule 2^ 2 ₂ , ... 2 _n parallel zueinander und an die Netzüberwachungseinheit 5 bzw. die elektrische Last 4 geschaltet werden. Z.B. könn- ten drei Stränge mit jeweils zehn in Serie geschalteten Wechselrichtern parallel an die Netzüberwachungseinheit 5 bzw. die elektrische Last 4 geschaltet werden. Durch die Parallelschaltung wird der Synchronisationspuls 10 in jeden Strang aus in Serie geschalteten Wechselrichtern gesendet und kann dort zur Synchronisation von den Wechselrichter detektiert werden. Selbstverständlich sind hier beliebe Adaptionen denkbar und möglich. Z.B. könnten mehr als zwei Datenkanäle implementiert werden oder ein Übertragungszyklus kann auch länger als eine Periode der Netzspannung V _N sein.

Für die Datenübertragung kann jedes beliebige geeignete Kommunikationsprotokoll imple- mentiert werden. Zur physikalischen Umsetzung der Datenübertragung kann auf die hinlänglich bekannten Methoden der Powerline Kommunikation zurückgegriffen werden.

Ebenso könnte vorgesehen sein, dass auch einer der Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n bzw. die zugehörigen Steuereinheiten 7-i , 7 ₂ , ... 7 _n einen Synchronisationspuls 10 in Richtung Netzüberwachungseinheit 5 und/oder an die weiteren Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n senden kön- nen, auch asynchron, z.B. um eine Notsituation zu signalisieren oder einen gewissen notwendigen Eingriff der Netzüberwachungseinheit 5 auszulösen, z.B. ein Notaus der Photovol- taikanlage 1 oder ein Trennen der Photovoltaikanlage 1 von der elektrischen Last 4. Der Synchronisationspuls 10 in Richtung Netzüberwachungseinheit 5 könnte z.B. auch während der Verzögerungszeit t _d gesendet werden. Ebenso könnten auch weitere Daten, z.B. eine Adressinformation zur Auswahl eines bestimmten Wechselrichters 3i, 3 ₂ , ... 3 _n , während der Verzögerungszeit t _d gesendet werden.

Auch könnte vorgesehen sein, dass einer der Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n die Funktion der Netzüberwachungseinheit 5 übernimmt, womit eine separate Netzüberwachungseinheit 5 eingespart werden könnte. Der Synchronisationspuls 10 kann auf vielfältigste Weise erzeugt werden. Z.B. könnte zwischen Phase und Nullleiter eine Impedanz 12 in Serie mit einem Schalter 1 1 geschaltet werden, wie in Fig.4 dargestellt. Bei geöffnetem Schalter 1 1 wird elektrische Energie in der Impedanz 12 gespeichert, die sich beim Schließen des Schalters 1 1 entlädt und einen Synchronisationspuls 10 erzeugt. Andere Möglichkeiten zur Erzeugung und zum Detektieren eines Synchronisationspulses 10 sind z.B. in der US 7,078.982 B2 beschrieben.

Vor allem bei einem Powerline Verfahren zur Datenkommunikation, bei dem ja das Datensignal dem Trägersignal (Netzspannung) überlagert wird, könnte aber auch das erste Bit der zu übertragenden Daten als Synchronisationspuls 10 verwendet und detektiert werden. Allgemein kann als Synchronisationspuls 10 auch ein spezieller Zeitpunkt wie der Beginn oder das Ende der Datenübertragung verwendet werden.

Anstelle der Übertragung des Synchronisationspulses 10 über die in Serie geschalteten Ausgänge der Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n könnte zwischen Netzüberwachungseinheit 5 und den Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n auch eine eigene Steuerleitung für die Datenkommunikation vorgesehen sein. Der Synchronisationspuls 10 würde dann eben über die Steuerleitung an die Wechselrichter 3i, 3 ₂ , ... 3 _n gesendet.