Verfahren zur Spannungsbegrenzung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung eines photovoltaischen Strings, ein Photovoltaikfeld mit einer Mehrzahl von parallelen Strings, die eine solche Schaltung aufweisen, sowie ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung eines

photovoltaischen Strings.

Um große photovoltaische Energieerzeugungsanlagen wirtschaftlich gestalten zu können, ist es wünschenswert, möglichst viele Solarmodule in Reihe zu schalten, sodass diese

Reihenschaltung, ein sogenannter String, eine sehr hohe Spannung aufweist. Um den zulässigen Eingangsspannungsbereich eines angeschlossenen Wechselrichters oder die zulässige Modulspannung gegenüber Erdpotenzial nicht zu überschreiten, muss man die Länge eines solchen Strings so begrenzen, dass dessen Leerlaufspannung auch bei extremen Bedingungen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und hoher Einstrahlung, den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet.

Es ist alternativ aus dem Stand der Technik bekannt, Schaltungen vorzusehen, die bei Überschreiten einer maximalen Stringspannung einen Teil der Module abtrennt oder kurzschließt, um eine Spannungsreduzierung zu erreichen. Nachdem die Stringspannung wieder ausreichend abgesunken ist, kann der Kurzschluss beziehungsweise die Abtrennung wieder aufgehoben werden. Ein Beispiel für eine solche Schaltung ist in der Schrift

US 2013/0049710 A1 offenbart, in der zur Spannungsbegrenzung zwei oder mehr

Solarmodule eines Strings mittels eines Relais überbrückt werden, wenn ein Leerlaufzustand des Strings festgestellt wird.

Weiterhin offenbart beispielsweise die Schrift DE 10 2010 009 120 A1 ein Photovoltaikfeld von parallelen Strings, wobei ein Teil der parallelen Strings gemeinsam über einen

Kurzschlussschalter kurzschließbar sind, dessen Aktivierung bei Überschreitung einer vorgegebenen Spannung durch den String erfolgt. Da das Kurzschließen eines Teils eines Strings eine Leistungseinbuße für die Energieerzeugungsanlagen darstellt, ist es

wünschenswert, die Strings einzeln verkürzen zu können, um nur die in der vorliegenden Situation erforderliche Anzahl an Strings verkürzen zu müssen. Hierbei muss allerdings sichergestellt sein, dass die verkürzten Strings nicht durch die langen Strings in eine

Rückstromsituation gebracht werden, in der in den kurzen Strings ein den Nennstrom des Strings erheblich überschreitender Strombetrag in Rückwärtsrichtung fließt und diesen Strings schädigen kann. Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, eine Schaltung beziehungsweise ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung eines Strings bereitzustellen, die jeweils in der Lage sind, bei Überschreiten eines Schwellwerts durch die Stringspannung den String zu verkürzen, wobei der Schwellwert von der Schaltung so ermittelt wird, dass schädigende Rückstromsituationen vermieden werden. Es ist weiterhin Aufgabe dieser Erfindung, ein Photovoltaikfeld mit einer Mehrzahl von parallelen Strings mit jeweils einer solchen Schaltung aufzuzeigen, wobei die Schaltungen der einzelnen Strings unabhängig voneinander arbeiten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung des unabhängigen Anspruchs 1

beziehungsweise durch Photovoltaikfeld des nebengeordneten Anspruchs 6. Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß des unabhängigen Anspruchs 12.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Schaltung zur Spanungsbegrenzung eines photovoltaische Strings, der in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt einer Reihenschaltung von Solarmodulen aufgeteilt ist, umfasst einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einem ersten Ende des ersten Abschnitts, einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit einem ersten Ende des zweiten Abschnitts und einem dritten Anschluss zur Verbindung mit einem zweiten Ende des zweiten Abschnitts, sowie einen Überbrückungsschalter, der mit einem Ende mit dem ersten Anschluss und dem anderen Ende mit dem dritten Anschluss verbunden ist und einen Trennschalter, der mit einem Ende mit dem ersten Anschluss und dem anderen Ende mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Eine Steuerung der Schaltung dient zur Ansteuerung des Überbrückungsschalters und des Trennschalters, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen ersten Schwellwert UUL und einen zweiten, kleineren Schwellwert U _L i_ in

Abhängigkeit von einer über den Trennschalter in einem geöffneten Zustand abfallenden Schalterspannung Uoc und unter Berücksichtigung der Anzahl der Solarmodule im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt zu ermitteln, und eine zwischen dem ersten Anschluss und einem Spannungseingang der Schaltung abfallenden Modulspannung U _s mit den Schwellwerten UUL, U _L L ZU vergleichen, um bei Überschreiten des ersten Schwellwertes UUL durch die Modulspannung U _s den Trennschalter zu öffnen und den Überbrückungsschalter zu schließen, und bei Unterschreiten des zweiten Schwellwertes U _L L durch die Spannung U _s den Überbrückungsschalter zu öffnen und den Trennschalter zu schließen.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung können die Abschnitte in Abhängigkeit der

Modulspannung U _s so elektrisch miteinander verbunden oder getrennt werden, dass bei hinreichend niedriger Modulspannung und damit einer hieraus ermittelbaren Stringspannung der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in Reihe geschaltet werden können - im Folgenden als langer Zustand des Strings bezeichnet -, während bei einer so hohen

Modulspannung, dass eine Reihenschaltung der Abschnitte zu einer unerwünscht hohen Stringspannung führen würde, der zweite Abschnitt abgetrennt und überbrückt wird und so nicht zur Stringspannung beiträgt - im Folgenden als kurzer Zustand des Strings bezeichnet. Auf diese Weise gewährleistet die Schaltung eine Begrenzung der Stringspannung, ohne die durch den String maximal erreichbare Leistung zu reduzieren. Die Schaltung kann hierbei auch in bestehende Strings nachträglich integriert werden, da der String hierzu lediglich in einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufgeteilt und die Anschlüsse der Schaltung mit entsprechenden Anschlusspunkten des Strings verbunden werden müssen.

Vorteilhaft ist die Schaltung zur Energieversorgung aus der Modulspannung U _s eingerichtet und so nicht auf eine eigene Energiequelle angewiesen. Hierzu entnimmt die Schaltung die zum Betrieb erforderliche Energie der zwischen dem ersten Anschluss und dem

Spannungseingang anliegenden Spannung. Gegebenenfalls ist ein Energiespeicher, beispielsweise einen Kondensator, Superkondensator oder eine aufladbare Batterie, vorgesehen, um die Schaltung auch in Zeiten zu versorgen, in denen die anliegende Modulspannung U _s nicht ausreicht.

Der Trennschalter und der Überbrückungsschalter werden bevorzugt als Halbleiterschalter, insbesondere als Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor, noch genauer als IGBT oder MOSFET, vorgesehen und können gleichen oder unterschiedlichen Typs sein. Eine intrinsische oder eine separate antiparallele Freilaufdiode können mit den Schaltern vorgesehen sein.

Aufgrund der vorgesehenen Verbindung der Anschlüsse der Schaltung entspricht die über den geöffneten Trennschalter abfallende Spannung der Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts, sofern der Überbrückungsschalter geschlossen ist oder aufgrund einer dem Überbrückungsschalter zugeordneten Freilaufdiode keine nennenswerte Spannung am Überbrückungsschalter abfällt. Somit erlaubt die Messung der über den geöffneten

Trennschalter abfallenden Spannung eine Bestimmung der Leerlaufspannung der

Solarmodule beziehungsweise des Strings. Aus dieser Kenntnis kann direkt abgeleitet werden, ob und gegebenenfalls inwieweit die Stringspannung eine Leerlaufspannung des ersten Abschnitts übersteigt, so dass ein Rückstrom entstehen kann, wenn der zweite Abschnitt vom ersten Abschnitt getrennt beziehungsweise überbrückt wird. Entsprechend kann der zweite Schwellwert U _L i_ so gewählt werden, dass Rückströme vermieden oder zumindest auf ein ungefährliches Maß begrenzt werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass für die Ermittlung geeigneter Schwellwerte UUL, U|_i_ die Kenntnis der Anzahl der Solarmodule im ersten Abschnitt und der Anzahl der Solarmodule im zweiten Abschnitt, sowie der Anzahl der Solarmodule, über die die

Modulspannung U _s bestimmt wird, in der Steuerung hinterlegt sein müssen. Die Werte können als absolute oder als relative Werte hinterlegt sein. Mit Kenntnis dieser Werte kann die Modulspannung U _s direkt in eine über den ersten Abschnitt abfallende Spannung beziehungsweise in eine Stringspannung umgerechnet werden.

Wenn der Trennschalter geschlossen ist und die Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts als eine über den Trennschalter abfallende Spannung nicht bestimmbar ist, ist es vorteilhaft, in der Steuerung eine Bedingung vorzusehen, dessen Erfüllung kontinuierlich oder regelmäßig geprüft wird. Die Bedingung beschreibt eine Notwendigkeit, die

Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts dahingehend zu prüfen, ob eine Änderung derselben stattgefunden hat und eine Aktualisierung der Schwellwerte UUL, U _L i_

durchzuführen. Bei einer Erfüllung der Bedingung bei geschlossenem Trennschalter führt die Steuerung eine Aktualisierung der Schwellwerte UUL, U _L L durch, indem der Trennschalter kurzzeitig geöffnet und die über den geöffneten Trennschalter abfallende Schalterspannung Uoc bestimmt wird. Aus der bestimmten Schalterspannung werden die aktualisierten Schwellwerte ermittelt. Die Bedingung kann einen Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem letzten Schließen des Trennschalters aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Bedingung auch eine Überschreitung eines vorgegebenen Änderungsschwellwertes durch die Differenz der Modulspannung U _s zwischen dem aktuellen Wert und dem direkt nach dem letzten Schließen des Trennschalters bestimmten Wert aufweisen. Auch eine Bedingung, die von einer Temperaturänderung der Solarmodule seit dem letzten Schließen des

Trennschalters abhängt, ist denkbar.

In einem weiteren Aspekt umfasst ein Photovoltaikfeld eine Mehrzahl von zwischen einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsbus parallel geschalteten Strings, die jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt von Reihenschaltungen von Solarmodul aufweisen. Der erste und der zweite Abschnitt sind über eine vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltung miteinander verbunden, wobei jeweils ein Ende des ersten Abschnitts mit dem ersten Gleichspannungsbus und das andere Ende des ersten Abschnitts mit dem ersten Anschluss der Schaltung verbunden ist. Gleichzeitig ist ein Ende des zweiten Abschnitts mit dem zweiten Anschluss der Schaltung verbunden und das andere Ende des zweiten Abschnitts mit dem zweiten Gleichspannungsbus. Der dritte Anschluss der

Schaltung ist ebenfalls mit dem anderen Ende des zweiten Abschnitts verbunden, während der Spannungseingang mit einem dem ersten Anschluss der Schaltung abgewandten Anschluss eines Solarmoduls des ersten Abschnitts verbunden ist, so dass zwischen dem ersten Anschluss der Schaltung und dem Spannungseingang die Spannung eines Teils des ersten Abschnitts oder des gesamten ersten Abschnitts abfällt und als Modulspannung U _s bestimmbar ist. Um die Modulspannung gering zu halten, kann bevorzugt der

Spannungseingang mit dem Anschluss desjenigen Solarmoduls des ersten Abschnitts verbunden sein, das mit dem anderen Anschluss direkt mit dem ersten Anschluss der Schaltung verbunden ist. Auf diese Weise entspricht die Modulspannung U _s der Spannung eines Solarmoduls.

Um das Photovoltaikfeld optimal auf den Eingangsspannungsbereich eines

angeschlossenen Wechselrichters anzupassen, kann die Anzahl der Solarmodule des ersten Abschnitts derart gewählt sein, dass bei einer niedrigsten spezifizierten

Umgebungstemperatur und einer höchsten spezifizierten Einstrahlung deren

Leerlaufspannung noch unter einem vorgegebenen Maximalwert verbleibt, und die Anzahl der Solarmodule des zweiten Abschnitts derart gewählt sein, dass unter den gleichen spezifizierten Extrembedingungen eine MPP-Spannung der Reihenschaltung des ersten und zweiten Abschnitts noch unter dem vorgegebenen Maximalwert verbleibt. Der Maximalwert entspricht in diesem Fall der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters

beziehungsweise der spezifizierten Maximalspannung einer Komponente des

Photovoltaikfeldes, zum Beispiel der maximalen Isolationsspannung der Solarmodule.

Hierdurch kann erreicht werden, dass der Wechselrichter auch bei den spezifizierten

Extrembedingungen im Leerlaufzustand mit dem Photovoltaikfeld verbunden bleiben kann. Bevorzugt ist der Maximalwert größer als 1000 Volt, insbesondere 1500 Volt und entspricht so gängigen Spezifikationen von handelsüblichen Wechselrichtern für Freiflächenanlagen.

Das andere Ende des zweiten Abschnitts kann direkt mit dem zweiten Gleichspannungsbus verbunden sein. Es kann aber auch ein dritter Abschnitt von Solarmodulen zwischen dem anderen Ende und dem Gleichspannungsbus angeordnet sein, sodass der überbrückbare zweite Abschnitt zwischen zwei nicht überbrückbaren Abschnitten angeordnet ist. Ein solcher dritter Abschnitt von Solarmodulen wird bei der Bestimmung der Anzahl der Solarmodule des ersten Abschnitts mit berücksichtigt, sodass im Folgenden auf die Anzahl der Solarmodule im dritten Abschnitt nicht mehr explizit Bezug genommen wird, weil diese im ersten Abschnitt mitgezählt werden.

Es kann in einem Photovoltaikfeld mit mehreren parallelen Strings, die durch die

erfindungsgemäße Schaltung spannungsbegrenzt werden, vorteilhaft sein, sicherzustellen, dass ein Wechsel der Strings zwischen dem langen und dem kurzen Zustand möglichst nicht zeitgleich erfolgt. Dies trägt zu einem spannungsstabilen Betrieb des Photovoltaikfeldes bei. Dies kann erreicht werden, indem in den Schaltungen der parallelen Strings jeweils ein von den anderen String unterschiedlicher Offset hinterlegt ist, der bewirkt, dass die Steuerungen der Schaltungen bei gleicher bestimmter Schalterspannung U ₀ c unterschiedliche

Schwellwerte UUL, U _L i_ ermitteln. Somit werden in der Regel in den verschiedenen

Schaltungen der Strings voneinander unterschiedliche Schwellwerte auch dann ermittelt, wenn die Temperatur- und Einstrahlungsbedingungen zwischen den Strings gleich sind. Entsprechend werden unterschiedliche Zeitpunkte des Wechseins zwischen langem und kurzem Zustand des Strings erreicht.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Spannungsbegrenzung eines photovoltaischen Strings, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt von Solarmodulen aufweist, wobei ein Überbrückungsschalter parallel zum zweiten Abschnitt angeordnet ist und ein Trennschalter in Reihe zu den Solarmodulen des zweiten Abschnitts angeordnet ist, umfasst ein wiederholtes Bestimmen einer Modulspannung U _s innerhalb des ersten Abschnitts und einer über den Trennschalter abfallenden Schalterspannung U ₀ c, während der Trennschalter geöffnet und der Überbrückungsschalter geschlossen ist. In Abhängigkeit der

Schalterspannung Uoc und unter Berücksichtigung einer Anzahl der Solarmodule im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt wird ein erster Schwellwert UUL und ein zweiter, kleinerer Schwellwert U _L i_ bestimmt. Zur Herstellung eines kurzen Zustands des Strings wird der Überbrückungsschalter geschlossen und der Trennschalter geöffnet, wenn die aktuell bestimmte Modulspannung U _S den ersten Schwellwert UUL überschreitet. Zur Herstellung eines langen Zustands des Strings wird der Überbrückungsschalter geöffnet und der Trennschalter geschlossen, wenn die aktuell bestimmte Modulspannung U _S den zweiten Schwellwert U _L i_ unterschreitet. Auf diese Weise kann der String eigenständig rechtzeitig in den kurzen Zustand wechseln, um eine überhöhte Stringspannung zu vermeiden, und wieder in den langen Zustand wechseln, wenn die Stringspannung ausreichend abgesunken ist. Insbesondere kommt das Verfahren ohne Kommunikation, zum Beispiel mit einer

übergeordneten Steuereinrichtung, aus.

Die Schwellwerte werden hierbei nicht fest vorgegeben, sondern flexibel den herrschenden Betriebsbedingungen, beispielsweise der herrschenden Temperatur und Einstrahlung, angepasst. Die Anpassung erfordert hierbei nicht einmal entsprechende Sensoren, da die bestimmten Spannungen bereits ausreichend Information über die herrschenden

Bedingungen enthalten. Dennoch soll die Einbeziehung weiterer Sensordaten, zum Beispiel eines Temperatur- oder eines Einstrahlungssensors oder eines Stromsensors zur

Bestimmung des Stringstroms, nicht ausgeschlossen werden, da diese Einbeziehung das Verfahren weiter verbessern kann. Es soll auch nicht ausgeschlossen werden, dass an anderen Strings bestimmte Spannungswerte, insbesondere dort bei einer parallelen

Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnene Spannungswerte, bei der Bestimmung der Schwellwerte berücksichtigt werden, obwohl hierdurch der Vorteil der Eigenständigkeit des Zustandswechsels eingeschränkt wird.

Beim Wechsel vom langen Zustand in den kurzen Zustand wird bevorzugt zunächst der Trennschalter geöffnet, bevor der Überbrückungsschalter geschlossen wird. Analog wird beim Wechsel vom kurzen Zustand in den langen Zustand zunächst der Überbrückungsschalter geöffnet, und dann der Trennschalter geschlossen. Weiterhin sollte sichergestellt sein, dass der Trennschalter eine ausreichende Zeit geöffnet war, bevor die an ihm abfallende Spannung bestimmt wird, damit die so bestimmte Spannung auch die Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts darstellt. So wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der zwischen dem Schalten des Trennschalters und dem Schalten des

Überbrückungsschalters eine Wartezeit von 1 s vorgesehen. Nach dem Öffnen des

Trennschalters kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Wartezeit zwischen 200 s und 10 ms vorgesehen werden, bevor die über den Trennschalter abfallende Spannung bestimmt wird.

Wenn der String eine lange Zeit im langen Zustand verbleibt, kann es sinnvoll sein, eine Neukalibrierung der Schwellwerte durchzuführen, um den Zeitpunkt des Wechsels in den kurzen Zustand optimal zu treffen. Hierzu wird eine Bedingung zur Neukalibrierung geprüft, während der String sich im langen Zustand befindet. Bei Erfüllung der Bedingung wechselt die Schalterstellung kurzzeitig in den kurzen Zustand, um die über den Trennschalter abfallende Schalterspannung U ₀ c zu bestimmen und daraus aktualisierte Schwellwerte UUL, U|_i_ zu ermitteln. Bevorzugt wird gleichzeitig eine aktualisierte Modulspannung U _s ermittelt und mit dem aktualisierten Schwellwert UUL verglichen. Liegt die aktualisierte

Modulspannung U _S unterhalb des aktualisierten Schwellwerts UUL, wird zurück in den langen Zustand gewechselt, andernfalls verbleibt der String im kurzen Zustand.

Die Bedingung zur Neukalibrierung kann den Ablauf einer Wartezeit umfassen, In der der String in einem langen Zustand war. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Wartezeit zwischen 100 Sekunden und 30 Minuten verwendet. Die Wartezeit sollte so gewählt werden, dass sich die herrschenden Betriebsbedingungen während dieser Zeit nicht maßgeblich ändern.

In einer Variante des Verfahrens umfasst die Bedingung für die Neukalibrierung eine

Überschreitung eines vorgegebenen Änderungsschwellwertes durch die Differenz der Modulspannung U _S zwischen dem aktuellen Wert und dem Wert direkt nach dem letzten Wechsel in den langen Zustand. So kann durch die Überschreitung des

Anderungsschwellwerts eine maßgebliche Änderung der herrschenden Betriebsbedingungen detektiert werden. Natürlich ist es denkbar, mehrere Teilbedingungen, beispielsweise die beiden vorstehend beschriebenen Bedingungsbeispiele, durch logische Verknüpfung zu der Bedingung für die Neukalibrierung zu verknüpfen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der erste Schwellwert UUL ermittelt, zum Beispiel indem ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Modulspannung U _S und/oder der über den Trennschalter abfallenden Spannung U _Q c als Funktionsparameter und dem ersten Schwellwert Uoc) zugrunde gelegt wird.

Ebenfalls denkbar ist es, den ersten Schwellwert UUL mittels einer Wertetabelle,

gegebenenfalls mit Interpolation zwischen den Werten der Wertetabelle, zu ermitteln. Der zweite Schwellwert kann grundsätzlich über einen zweiten funktionalen Zusammenhang oder eine zweite Wertetabelle in analoger Weise ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, den zweiten Schwellwert U _L i_ nur aus dem bereits ermittelten ersten Schwellwert UUL ZU bestimmen. Auch dieser Ermittlung kann ein dritter funktionaler Zusammenhang oder eine dritte Wertetabelle zugrunde gelegt werden.

Um unerwünscht große oder kleine Schwellwerte zu vermeiden, können jeweils zulässige Wertebereiche für den ersten Schwellwert UUL und den zweiten Schwellwert U _L L vorgegeben werden, wobei beim Verlassen des jeweiligen zulässigen Wertebereichs der Schwellwert auf den jeweiligen Grenzwert des Wertebereichs festgelegt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsbegrenzung eines Strings,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Photovoltaikfeld mit parallelen Strings, die eine

spannungsbegrenzende Schaltung aufweisen,

Fig. 2a ein weiteres erfindungsgemäßes Photovoltaikfeld mit parallelen Strings, die eine spannungsbegrenzende Schaltung aufweisen

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur

Spannungsbegrenzung von Strings, sowie

Fig. 4 einen Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf eines erfindungsgemäßen

Photovoltaikfeldes zeigt.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Schaltung 1 zur Verbindung mit Abschnitten eines

photovoltaische Strings. Ein erster Anschluss 13 der Schaltung 1 , an dem ein Ende eines ersten Abschnitts eines photovoltaische Strings anschließbar ist, ist über einen Trennschalter 1 1 mit einem zweiten Anschluss 14 der Schaltung 1 verbunden, an dem ein Ende eines zweiten Abschnitts des Strings anschließbar ist. Auf diese Weise kann über den

Trennschalter 1 1 eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt gesteuert werden.

Gleichzeitig ist der erster Anschluss 13 über einen Überbrückungsschalter 12 mit einem dritten Anschluss 15 der Schaltung 1 verbunden, der mit dem anderen Ende des zweiten Abschnitts des Strings verbindbar ist. Auf diese Weise kann über den Überbrückungsschalter 12 der zweite Abschnitt gesteuert überbrückt werden, so dass ein durch den ersten Abschnitt fließender Strom um den zweiten Abschnitt herum geleitet wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der String derart angesteuert werden kann, dass er in einer

Schalterstellung des Trennschalters 1 1 und des Überbrückungsschalters 12 eine Länge hat, die der Länge des ersten Abschnitts entspricht, und in einer weiteren Schalterstellung eine Länge hat, die der Summe der Längen des ersten und des zweiten Abschnitts entspricht.

Eine Steuerung 10 kann den Trennschalter 1 1 und den Überbrückungsschalter 12 über entsprechende Steuerleitungen zur Veränderung der Stringlänge einschalten

beziehungsweise ausschalten. Zur Erzeugung der Einschalt- beziehungsweise

Ausschaltsignale verfügt die Steuerung 10 über einen ersten Spannungseingang 17 und einen zweiten Spannungseingang 18, über die eine über den Trennschalter 1 1 abfallende Schalterspannung Uoc bestimmt werden kann. Im gezeigten Fall ist der erste

Spannungseingang 17 mit dem ersten Anschluss 13 und der zweite Spannungsanschluss 18 mit dem zweiten Anschluss 14 verbunden. Alternativ denkbar kann der zweite

Spannungseingang 18 auch mit dem dritten Anschluss 15 verbunden sein und so die über den Trennschalter 1 1 und den Überbrückungsschalter 12 gemeinsam abfallende Spannung bestimmen.

Bei Anschluss der Stringabschnitte wie oben beschrieben fällt die Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts über den Trennschalter 1 1 ab, wenn dieser geöffnet ist. Weiterhin ist die Steuerung 10 mit einem dritten Spannungseingang 16 verbunden, der mit einem

Verbindungspunkt zwischen Solarmodulen des ersten Abschnitts verbunden ist, sodass zwischen dem dritten Spannungseingang 16 und dem ersten Spannungseingang 17 eine Modulspannung U _s des ersten Abschnitts des Strings abfällt und bestimmbar ist. Bevorzugt wird der dritte Spannungseingang 16 mit dem dem ersten Anschluss 13 abgewandten Ende des direkt mit der Schaltung 1 verbundenen Solarmoduls des ersten Abschnitts des Strings verbunden, sodass die Modulspannung U _s die aktuelle Spannung dieses Solarmoduls darstellt. Es ist natürlich alternativ auch denkbar, den dritten Spannungseingang 16 mit einer anderen Stelle der Reihenschaltung der Solarmodule des ersten Abschnitts 21 zu verbinden, um so die Spannung über mehrere Solarmodule oder sogar über den ganzen ersten

Abschnitt 21 auf diese Weise zu bestimmen.

Fig. 2 zeigt ein Photovoltaikfeld 2 mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Strings 20, die jeweils eine erfindungsgemäße Schaltung 1 aufweisen. Ein erster Abschnitt 21 einer Reihenschaltung von Solarmodulen des Strings 20 ist mit einem Ende an den ersten

Anschluss 13 der Schaltung 1 und mit einem anderen Ende an einen positiven

Gleichstrombus DC+ angeschlossen. Der dritte Spannungseingang 16 der Schaltung 1 ist an ein dem ersten Anschluss 13 abgewandtes Ende eines Solarmoduls 24 angeschlossen, damit die Schaltung 1 die Modulspannung am Solarmodul 24 bestimmen kann. Am zweiten Anschluss 14 der Schaltung 1 ist ein Ende eines zweiten Abschnitts 22 einer

Reihenschaltung von Solarmodulen des Strings 20 angeschlossen, während das andere Ende mit einem negativen Gleichstrombus DC- verbunden ist. Mit dem negativen

Gleichstrombus DC- ist auch der dritte Anschluss 15 der Schaltung 1 verbunden.

Das Photovoltaikfeld 2 aus Fig. 2a unterscheidet sich von dem aus Fig. 2 dadurch, dass ein dritter, nicht überbrückbarer Abschnitts 23 von Solarmodulen vorgesehen ist, der zwischen dem zweiten Abschnitt 22 und dem negativen Gleichstrombus DC- angeordnet ist. Auch in dieser Anordnung kann die Schaltung 1 zur Spannungsbegrenzung eingesetzt werden.

Ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Spannungsreduktion eines photovoltaische Strings ist in Fig. 3 gezeigt. Zu Beginn des Verfahrens befindet sich entsprechend Schritt 30 der String in einem langen Zustand, das heißt der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind in Reihe miteinander verbunden. Falls erforderlich, wird der String durch Öffnen des Überbrückungsschalters 12 und Schließen des Trennschalters 1 1 in einen langen Zustand versetzt. In diesem Zustand wird in einem Schritt 31 geprüft, ob eine Bedingung für eine Neukalibrierung der Schwellwerte erfüllt ist. Auf diese Bedingung und die Schritte, die bei Erfüllung der Bedingung unternommen werden, wird in einem späteren Abschnitt der Beschreibung noch einmal Bezug genommen. Anschließend wird in Schritt 32 die Modulspannung U _s bestimmt, wobei gegebenenfalls hochfrequente Anteile durch Mittelwertbildung mehrerer Messungen oder Tiefpass-Filterung aus dem Messergebnis entfernt werden. Auch wenn die Modulspannung U _s nur an einem Teil des ersten Abschnitts oder sogar nur an einem einzelnen Solarmodul des ersten Abschnitts bestimmt wird, wird der Einfachheit der Darstellung halber davon ausgegangen, dass sich die Modulspannung U _s im Folgenden auf die Gesamtspannung des ersten Abschnitts bezieht. Gegebenenfalls wird der bestimmte Wert mit einem geeigneten Skalierungsfaktor versehen, der die Anzahl der Solarmodule im ersten und zweiten Abschnitt berücksichtigt. Der bestimmte Wert der Modulspannung U _S wird im Schritt 33 mit dem aktuellen ersten Schwellwert UUL verglichen. Ist die Modulspannung U _S kleiner als der erste Schwellwert UUL, wird zum Schritt 31 zurückgekehrt.

Übersteigt die Modulspannung U _S allerdings den ersten Schwellwert UUL, wird in einem Schritt 34 ein kurzer Zustand des Strings hergestellt, indem der Überbrückungsschalter geschlossen und der Trennschalter geöffnet wird. Anschließend wird in einem Schritt 35 die über den Trennschalter abfallende Schalterspannung U ₀ c bestimmt, die ein Maß für die Leerlaufspannung der Solarmodule ist und im Wesentlichen mit der Leerlaufspannung des zweiten Abschnitts übereinstimmt. Aus der so bestimmten Schalterspannung U ₀ c wird in einem Schritt 36 dann ein aktueller erster Schwellwert UUL und ein zweiter, kleinerer Schwellwert U _L i_ ermittelt. Bei dieser Ermittlung wird die Anzahl der Solarmodule des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts mit berücksichtigt.

In einem Ausführungsbeispiel für die Ermittlung der Schwellwerte werden die folgenden Formeln verwendet: n + m n

VUL = fiWoc * m ; ^U LL = fi Woc) *— m

Hierbei ist n die Anzahl der Solarmodule im ersten Abschnitt und m die Anzahl der

Solarmodule im zweiten Abschnitt. Die Funktionen f-ι und f ₂ können beispielsweise über eine Lookup-Tabelle definiert werden. Es ist aber auch denkbar, eine oder beide Funktionen f-ι, f ₂ als lineare Funktionen der Leerlaufspannung Uoc vorzusehen. Unabhängig davon sollte die Funktion f-ι derart ausgelegt werden, dass der Schwellwert UUL möglichst hoch, aber noch so gering ausfällt, dass der erste Abschnitt des Strings durch die anliegende Spannung bei der Überführung in den kurzen Zustand nicht einem schädlich hohen Rückstrom ausgesetzt wird. Vorteilhafterweise wird der Schwellwert UUL SO gewählt, dass kein Rückstrom auftritt oder sichergestellt ist, dass der Rückstrom kleiner als der Nennstrom des Solarmoduls bleibt. Weiterhin wird empfohlen, obere und/oder untere Grenzwerte für die Schwellwerte UUL, U _L L vorzusehen, die einen Wertebereich definieren, den die Schwellwerte nicht verlassen sollen.

Falls es gewünscht ist, dass die Schaltungen zur Spannungsbegrenzung in parallelen Strings auch unter identischen Temperatur- und Einstrahlungsbedingungen zwischen den Strings nicht zum gleichen Zeitpunkt schalten, ist es von Vorteil, einen Offset-Wert vorzusehen, der zwischen den parallelen Strings unterschiedlich gewählt, beispielsweise als Zufallszahl bestimmt wird. Dieser Offsetwert kann auf die nach der obigen Formel bestimmten Schwellwerte aufaddiert werden.

Zur weiteren Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückkehrend wird in einem Schritt 37 nach der Ermittlung der aktualisierten Schwellwerte UUL, U _L L erneut die

Modulspannung U _s bestimmt, wobei sich die bestimmte Modulspannung nunmehr lediglich auf die Spannung des ersten Abschnitts des Strings bezieht. Die so bestimmte

Modulspannung U _s wird mit den zweiten Schwellwert U _L L verglichen. Übersteigt die

Modulspannung U _s den zweiten Schwellwert U _L L, wird zu Schritt 35 zurückgekehrt und der String verbleibt im kurzen Zustand. Andernfalls wird zu Schritt 30 verzweigt und der String wird wieder in einen langen Zustand versetzt.

Da die Leerlaufspannung als über dem Trennschalter abfallende Schalterspannung Uoc in einem langen Zustand des Strings nicht bestimmt werden kann, wird im vorstehend beschriebenen Schritt 31 geprüft, ob eine Bedingung zur Neukalibrierung der Schwellwerte erfüllt ist. Diese Bedingung kann den Ablauf eines Zeitgebers seit der letzten Ermittlung aktualisierter Schwellwerte umfassen. Die Bedingung kann aber auch ein

Änderungskriterium für die Modulspannung umfassen. Beispielsweise kann geprüft werden, ob sich die aktuelle Modulspannung gegenüber der bestimmten Modulspannung beim letzten Wechsel in den langen Zustand um einen vorgegebenen Prozentsatz oder einen

vorgegebenen Absolutbetrag geändert hat. Selbstverständlich ist auch eine logische

Verknüpfung mehrerer Bedingungen, insbesondere eine ODER-Verknüpfung, denkbar.

Sofern die Bedingung in Schritt 31 erfüllt ist, wird der String in einem Schritt 40 in den kurzen Zustand versetzt, so dass in Schritt 41 die über dem Trennschalter abfallende

Schalterspannung Uoc bestimmt und hieraus in einem Schritt 42 aktuelle Schwellwerte UUL, ULL ermittelt werden. Hiernach wird der String in einem Schritt 43 wieder umgehend in den langen Zustand versetzt und das Verfahren an Schritt 32 fortgesetzt. Schritt 40 kann in analoger Weise zu Schritt 34, der Schritt 41 analog zu Schritt 35, der Schritt 42 analog zu Schritt 36 und Schritt 43 analog zu Schritt 30 ausgeführt werden.

Eine beispielhafte Kennlinie eines Photovoltaikfelds mit fünf parallelgeschalteten Strings, die jeweils eine erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsbegrenzung aufweisen, ist in Fig. 4 gezeigt und veranschaulicht gleichzeitig die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen

Verfahrens. Auf der horizontalen Achse ist die Spannung der parallel geschalteten Strings gezeigt, auf der vertikalen Achse die Summe der Stringstrome. Die Kennlinie bezieht sich auf eine String-Konfiguration von 32 Solarmodulen im ersten Abschnitt und 4 Solarmodulen im zweiten Abschnitt, jeweils mit einer Leerlaufspannung von 46, 1 V und einem

Kurzschlussstrom von 8,33 A. Eine Einstrahlung von 1000W/m ² und eine Zelltemperatur von 10°C wurden zugrunde gelegt. Dies ergibt eine MPP-Leistung des Strings von 9927 W bei einer MPP-Spannung von 1296 V.

Bei einer geringen Stringspannung als Ausgangsspannung, hier kleiner 1300 V, sind alle Strings des Photovoltaikfeldes in einem langen Zustand. Mit steigender Spannung nimmt die gezeigte Kennlinie einen oberen Verlauf 45 bis zu einer Spannung UUL _, I von 1430 V. Bei dieser Spannung wird der erste String in einen kurzen Zustand überführt, wodurch sich eine negative Stromstufe ergibt. Bei weiter steigender Spannung wird alle 10 V (siehe

Stromsprünge bei den Spannungswerten Uui_,2...5) jeweils ein weiterer String in den kurzen Zustand überführt, bis bei einer Spannung oberhalb 1470 V alle Strings sich in dem kurzen Zustand befinden. Somit ist sichergestellt, dass das Photovoltaikfeld auch im Leerlauf eine Spannung von 1475 V nicht übersteigt, so dass ein Wechselrichter mit einer zulässigen maximalen Eingangsspannung von 1500 V auch in diesem Fall gefahrlos mit dem

Photovoltaikfeld verbunden bleiben kann, obwohl die Leerlaufspannung aller Solarmodule des ersten und zweiten Abschnitts 1660 V (= 36 ^* 46, 1V) beträgt. Sinkt die Stringspannung ausgehend von der Leerlaufspannung bei 1475 V ab, nimmt die Kennlinie einen unteren Verlauf 46, in dem alle Strings bis zu einer Spannung U _L i_ _, 5 von 1340 V in einem kurzen Zustand. Bei dieser Spannung und alle 10 V bei weiter fallender

Spannung (siehe weitere Spannungssprünge U _L i_ _, i...4) wird jeweils einer der Strings wieder in einen langen Zustand überführt, so dass sich fünf positive Spannungsstufen ergeben, bis die Kennlinie bei einer Spannung von 1300 V wieder am oberen Verlauf 45 angelangt ist.

Die Lage der Spannungsstufen muss hierbei nicht äquidistant ausgelegt, nicht einmal fest vorgegeben sein. In einer Ausführungsform ermittelt jeder String innerhalb seiner Schaltung zur Spannungsbegrenzung die eigenen Schwellwerte unabhängig von den anderen Strings, zum Beispiel auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Es ist aber von Vorteil, wenn der Spannungsbereich 48, in dem die Strings sukzessive in den kurzen Zustand versetzt werden, von dem Spannungsbereich 47 getrennt ist, in dem die Strings sukzessive wieder in den langen Zustand versetzt werden. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn alle ersten Schwellwerte UUL _, I ..S kleiner als die maximale zulässige Eingangsspannung eines angeschlossenen Wandlers, insbesondere eines Wechselrichters, gewählt werden. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn alle zweiten Schwellwerte U _L L _, I ..5 größer als die MPP Spannung bei den gegebenen Bedingungen gewählt werden, so dass sichergestellt ist, dass alle Strings sich in einem langen Zustand befinden, wenn das Photovoltaikfeld sich im MPP befindet. Hierdurch wird ein Leistungsverlust durch das erfindungsgemäße Verfahren

beziehungsweise durch die erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsbegrenzung vermieden.

Bezugszeichenliste

1 Schaltung

2 Photovoltaikfeld

10 Steuerung

1 1 Trennschalter

12 Überbrückungsschalter

13 Anschluss

14 Anschluss

15 Anschluss

16 Spannungseingang

17 Spannungseingang

18 Spannungseingang

20 String

21 Abschnitt

22 Abschnitt

23 Abschnitt

24 Solarmodul

30-43 Schritt

45 Verlauf

46 Verlauf

47, 48 Spannungsbereich