CN103650277A

CN103650277A - 用于光伏系统的绝缘构造的电网的监控装置

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Publication number: CN103650277A
Application number: CN201280017837.6A
Authority: CN
Inventors: W·霍夫特; A·森格尔; C·巴赫特
Original assignee: Phoenix Electric Manufacturing Co
Current assignee: Phoenix Electric Manufacturing Co
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: EP2697879A1; US8952825B2; SM201100061A; DE102011017051A1; DE102011017051B4; CZ24466U1; US20120256754A1; CN103650277B; WO2012139678A1; SM201100061B; BR112013025457A2; AT13822U1

Abstract

本发明涉及一种用于光伏系统（4）的绝缘构造的电网（2）的监控装置。该监控装置包括短路测量电路，该短路测量电路具有用于经由至少一个保护构件（13）连接所述光伏系统（4）的第一电极（8）与参考点（20）的第一电测量电路导线（12）以及用于经由至少一个保护构件（13）连接所述光伏系统（4）的第二电极（10）与接地点（20）的第二电测量电路导线（14）。该监控装置还包括连接在所述测量电路导线（12、14）之一与所述参考点（20）之间的第一构件（16）以及用于测量所述第一构件（16）的电特征参量的测量装置（22），其中，电特征参量的不等于零的值和/或所述特征参量的值的变化示出了所述光伏系统（4）与所述参考点（20）的电连接。

Description

用于光伏系统的绝缘构造的电网的监控装置

技术领域

本发明涉及一种用于光伏系统的绝缘构造的电网的监控装置。

背景技术

光伏系统的电网在小型或中等电网规模中出于实用性的原因经常绝缘地构造。这具有的优点在于，例如在电极之一接地的情况下仅仅该电极的电位被移到接地电位上。该电网因此是“单一故障安全的”，因为一个单个的接地在运行中不或者几乎不表明损害。

绝缘构造的电网的另一优点在于在两个电极之间的全部电位差的充分利用并继而光伏系统的最大功率的充分利用。

在较小型和中等设备中这样的结构是可能的，当该设备由外部避雷装置例如房屋用避雷器保护时。在大型设备中避雷装置很难能够实现，因此这样的大型设备典型地单侧接地。

因此但是承受更高的易发生故障性，因为电网不再单一故障安全地构造。再者还可能存在的是，放弃可产生的功率中的一定部分。这原因在于，接地电位通常可能更高或者具有不等于零的值。

绝缘构造的电网接地的另一原因是大规模光伏系统的高运行电压，其可达多个1000伏特的范围，其中，现在不超过1000伏特的范围是常见的。

一般的接地故障监视器对于低压电网使用在电网与接地点之间。在这样的安装中不利的是，电容性的接地是不可测量的。除此之外在电网耦合与接地电位之间的位移电压的“错误评价”可以导致错误报警。这具有的其原因在于波动的接地电位和电网与接地点的可能依赖于天气的耦合阻抗。此外，“对称的”绝缘故障是不可识别的。“对称的”绝缘故障是在电网的两个电极上出现的故障。最后对于这样的一般的接地故障检测器来说对于敏感的测量不使用无源的接地故障检测器，而是必须采用有源的接地故障监视器。这通过通常使用的电网变换器在光伏系统中不或者仅仅受限地可能。

发明内容

本发明因此提出如下任务，即，提供一种用于光伏系统的监控装置，其解决了或者至少减小了所述问题并且对于大型光伏系统也提供了使用具有高安全性标准的绝缘构造的电网的可能性。

本发明的任务通过独立权利要求的技术方案解决。本发明的有利的进一步改进方案在从属权利要求中限定。

按照本发明提出了一种监控装置，其能够检测光伏系统的至少一个电极的可能的接地。

该光伏系统具有绝缘构造的电网，该电网具有第一和第二电极。在绝缘构造的电网中正常地没有光伏系统的带有接地点的电极。与接地点的连接仅仅当存在故障情况、如在光伏系统内部的电导线之一形式的电极之一与接地点的短路时才建立，。

接地点在此在故障情况下可以是每个导电的连接点，该连接点与光伏系统的一个电极连接，例如避雷装置的一个接地连接。特别是这也是其他电网的连接点，其中，与另一电网例如家用电网的连接也可以直接例如经由电仪器或泄漏电流实现。

为了监控接地连接或者完全普通的电故障情况，按照本发明将电测量电路连接到光伏系统上，其中，一个第一电测量电路导线与光伏系统的第一电极连接，以及一个第二电测量电路导线与光伏系统的第二电极连接。亦即测量电路导线以第一端部连接光伏系统的各一个电极。两个电测量电路导线形成光伏系统的绝缘构造的电网的一个短路电流电路，其中为了限制由光伏系统流过测量电路导线的电流，两个测量电路导线优选设计为高阻的。如此形成的短路测量电路因此就是一个附加构建到光伏系统的电网上的、用于测量和监控目的的装置。两个电测量电路导线在其与PV系统的电极对置的两个端部上与参考点连接，所述参考点与光伏系统的电故障情况具有一个共同的参考电位。这可以是例如接地点。

在下文中称为接地点的参考点因此是一个将光伏系统的故障情况和测量电路导线的与PV系统的电极对置的第二端部电连接的、共同的参考电位。接地连接是与该共同的参考电位的电连接。

第一电子构件连接在所述测量电路导线之一与接地点之间。所述监控装置还包括用于测量所述第一构件的电特征参量的测量装置。所述测量装置特别是具有两个输入导线、所谓的通道，以便在所述第一构件之前和之后的测量点处特别是通过减法得到电特征参量的值。

当在光伏系统中不存在接地连接或故障情况的情况时，没有或者仅仅微量电流通过电子构件在接地点处或者从接地电流走。因此电特征参量的不等于零的值和/或所述特征参量的值的变化示出了所述光伏系统的接地连接。因此，响应于电特征参量的值不等于零和/或第一电子构件的电特征参量的值的变化检测接地连接的存在。

在所述监控装置的一种优选的实施形式中，第一构件连接到测量电路中并且在那儿连接到第一测量电路导线中。此外所述监控装置具有第二构件，该第二构件在测量电路中连接到第二测量电路导线中。在监控装置的这个实施形式中，两个电测量电路导线也与接地点连接。各测量电路导线在另一侧连接光伏系统的各一个电极。

这样的监控装置可以在可能的接地连接的情况下如此检测故障点，即所述地点在光伏系统的两个电极之一上是可限定的并且因此接地连接的故障点可更好地检测。

在这个优选的实施形式中，测量装置测量所述第一构件和第二构件的电特征参量。优选地，测量装置为此具有三个通道，以便在第一构件之前、在第一与第二构件之间以及在第二构件之后的各测量点处特别地通过减法得到电特征参量的值。必要时为了测量两个构件的电特征参量可以应用各一个用于测量电特征参量的分开的电路并且将得到的信号提供给比较电路。该配置结构同样被理解为测量装置。

必要时测量装置具有一个存储器，用于存储待测量的构件的参数、特别阻抗和/或一个或多个所述构件的阻抗的温度特性。

监控装置此外优选地具有比较电路，用于比较所述第一和第二构件的电特征参量的值。该比较电路特别地为模拟比较器。优选地，该比较电路是具有后置的微控制器的模数转换装置，从而将电特征参量的值转换为数字信号并且将这些数字信号特别是直接在后置的微控制器中比较。微控制器可以特别地计算各构件的电特征参量的值之间的偏差。优选地，微控制器可以在具有偏差时传送信息信号，从而能实现另外的措施、例如故障显示或保护措施。

所述电特征参量特别是在所述第一或第二构件上形成的电压或者流过所述第一或第二构件的电流。

所述电子构件特别是阻抗，如欧姆电阻。

光伏系统的电极的高阻连接特别是分别通过由串联连接的保护阻抗组成的链实现。有利地由此实现了对于光伏系统的两个电极的空气和漏电路径，从而桥接更大的空间距离。这对于将电压与接地电位隔离在使用超过400V的电压时是有利的。

必要时监控装置响应于接地连接的检测触发适合的信号和/或保护措施，例如视觉或听觉上的信号化或者电网与另外装置例如变换器的隔离，或者光伏系统的电网的短路。对于监控装置，信号和/或保护措施因而适合避免对人和/或仪器的危险。

在下文中根据实施例并且参照附图进一步阐明本发明，其中相同和相似的元件部分地设有相同的附图标记并且不同实施例的特征可以相互组合。

附图说明

其中：

图1示出具有用于短路测量电路的电测量电路导线的监控装置的本发明的第一实施形式；

图2示出具有用于两个电测量电路导线的监控装置的本发明的一种实施形式；

图3示出具有保护阻抗的链的本发明的一种实施形式；

图4示出如图3具有描绘的故障情况的实施形式；

图5示出如图3具有描绘的备选的故障情况的实施形式；

图6示出如图2具有备选的到接地点的连接的实施形式。

具体实施方式

图1示出了光伏系统4的按照本发明的绝缘构造的电网2的第一实施形式。电网2借助于第一和第二电极8、10连接到一个连接终端6上。一个电测量电路借助于第一和第二电测量电路导线12、14同样与连接终端6并继而与光伏系统的第一或第二电极连接。为了避免通过测量电路的大电流和通过测量电路的大损耗，各一个保护构件13、特别是保护阻抗连接到测量电路的第一和第二测量电路导线12、14中。保护阻抗在本例子中为欧姆电阻。如果应该测量交变电场，那么保护构件13是电容器。

所述电测量电路在另一端部上与接地点20连接。在测量电路导线12、14与接地点20之间连接有一个第一构件16。第一构件16特别地同样是阻抗、例如欧姆电阻，其中，第一构件16的电阻值不必等于保护构件13的电阻值。

为了将在第一构件16上的电压降比保护构件13保持得低，选择第一构件16的电阻值显著小于保护构件13的电阻值。特别是第一构件16的电阻值比保护构件13的值小1000的数量级。在示出的例子中，保护构件具有在MΩ范围中的欧姆电阻，第一构件16具有在kΩ范围中的欧姆电阻。

如果绝缘构造的电网2是无故障的，亦即特别是没有错误的、即不期望的接地连接，那么经由第一电测量电路导线12与第二电测量电路导线14在连接终端6之间产生闭合的电路回路，其中，如此选择保护构件13，使得在那儿存在的电流强度非常小。

在借助于测量和/或评价装置22测量在第一构件16上的电特征参量时，该电特征参量提供是否存在电网的故障状态的结果。如果在示出的实施形式中经由第一构件16没有或者仅仅非常小的电流从电网流出或流入到电网中，那么不存在接地连接。测量的电特征参量在此是在电阻16上形成的电压，由所述电压可以推断出电流。

优选地测量在第一构件16上的电压，其方式是在第一构件16之前和之后各一个抽头通到测量和/或评价装置22。将在第一构件16之前的抽头称为CH1、通道1，在第一构件16之后的抽头称为CH2、通道2。测量的电特征参量的值（对于所示出的实施形式是电压）被直接借助于一个模数转换装置24（ADC24）转换为数字信号。数字信号的进一步评价通过微控制器26实现。

在光伏系统4的绝缘构造的电网2的电极之一8、10的故障情况下、也就是不期望的接地连接的情况下，或者电流将出现在第一与第二测量电路导线12、14之间的测量电路中并且将流过第一构件16，或者电流将从测量电路流出并且同样流过第一构件16。在两种情况下，即不仅在第一电极8上故障情况下、而且在第二电极10上故障情况下，借助于第一构件16将检测到故障。如果超过在第一构件16上的电特征参量的、在该例子中在第一构件16上形成的电压的值的预定阈值，那么确定故障情况。

图2示出了本发明的另一实施形式，该实施形式除了第一构件16之外还包括一个第二构件18。在此，第一构件16和第二构件18的电特征参量由测量和/或评价装置22测量和评价。如第一构件16的值那样，第二构件18的欧姆电阻的值也选择成小于保护构件13的值，以便减小在ADC24上的电压降。

为了平衡通过第一构件16施加于第一电测量电路导线12上的影响、例如总电阻的变化，将一个平衡构件15安装到第二测量电路导线14中。第一构件16、第二构件18以及平衡构件15在理想情况下具有相同的欧姆电阻。如果第一和第二构件16、18的电阻如此地不同，使得不能达到期望的精度，那么测量和/或评价装置22包括电阻的补偿计算或类似的补偿。为此，微控制器26包括一个存储器，其中存储有使用的构件的电阻。例如那么在借助于微控制器26计算时可以设有用于获得的数字信号之一的值的乘法器，由此除此之外例如当更换构件时也能实现测量和/或评价电子装置与所使用的构件16、18的匹配。

为了测量电特征参量、在此在两个构件16、18上的电压，在三个点上取出抽头：在第二构件18之前，在图2中称为CH1（通道1）；在两个构件16、18之间，在图2中称为CH2；以及在第一构件16之后，在图2中称为CH3。

在所述三个点（CH1、CH2、CH3）上与抽头的前面提及类型的连接能实现，在测量两个构件16、18上的电特征参量时尽管如此仅仅用三个测量点就足够。因此可以测量在CH1与CH2以及在CH2与CH3之间的电位差。借助于模数转换装置24将测量的电位转换为数字信号。借助于简单的数字减法、根据U2=CH1-CH2求得在第二构件18上的电位差的值，而根据U1=CH2-CH3求得在第一构件16上的电位差的值。

在图2中示出的、ADC24借助于分压器（U+和U-）到接地点上的连接能实现不仅正电压而且负电压的测量，其中，仅仅还分别可以使用ADC的半个可能的电压范围。根据应用情况采用这个连接或者以图6示出的连接可能性。

图3示出了本发明的另一实施形式，其中保护构件13的各一个链安装到两个测量电路导线12、14中。借助于保护构件13的链形成用于高电压的保护和漏电路径，因为在每个保护构件13上仅仅存在光伏系统4的绝缘构造的电网2的总电压的一部分。由此并且通过借助于保护构件13的相互成排形成间隔，也即使在高运行电压、特别是在1000V或更高的情况下也确保电网2与接地点20的接地周围的可靠的电隔离。

很明显，在图1中示出的实施形式也可以具有保护构件13的这样的链。

在图3中此外以S1示出了对于无故障情况的电流流动。箭头I1至I4象征表示期望的电流。对于在图3中示出的无故障情况在示出的实施例中适用的是：I1=I2=I3；I4=0。也就是没有电流在接地点流出或者从接地点流入电网中。在I1、I2和I3中同样的电流流动可以通过CH1、CH2和CH3借助于测量和/或评价装置确定。这表示正常状态，其可以借助于示出的监控装置监控。

图4示出了在图3中示出的、具有以虚线示出的故障情况的实施形式。在光伏系统4的第一电极8上的该故障情况（接地连接）是一种不对称的故障，其导致在监控装置中的电流流动的变化，如以电流流动S2和箭头I1至I4象征性示出的那样。电流流动在示出的故障情况下从第二电极10通到接地点20上并且经由一个共同的参考电位连接通到电极8上。因此，在故障情况下在第一构件16与第二构件18之间发生不同的电流流动，这可以借助于测量和评价装置22确定。在第一电极8与共同的参考电位点20的完全的无电阻的连接时，流过第一电测量电路导线12的电流将消失，也就是下降到I3=0A，如在图4中所示。在此示出的故障因此可以被检测，其方式是比较流过第一构件16的电流与流过第二构件18的电流。在流过的电流值几乎相同时可以认为电网是无故障的。当在流过第一构件16或第二构件18的两个电流之间出现显著的通过阈值限定的区别时，存在故障情况。

在微控制器中，在最简单的情况下将第一电位差U1（CH3-CH2）的测量结果除以第二电位差U2（CH2-CH1）的测量结果。结果U1/U2=1的偏差超过限定阈值就提供对于存在的故障情况的指示作为结果。

必要时可以在检测到故障之后导入另外的显示和/或保护措施，例如激活警告灯或警告声音或者还有隔离和/或短接光伏系统4的整个电网2以便保护周围环境例如人员和/或仪器。

图5同样示出了来自图3中的、具有另一故障情况的实施形式。这种故障情况是在光伏系统4的第二电极10上的接地连接并且同样是一种不对称的故障情况，其可以通过在监控装置中的改变的电流流动来确定。如在图5中以电流流动S3以及箭头I1至I4示出的那样，电流从第二电极10经由一个共同的参考电位连接（在该例子中不期望的接地连接）到参考点20（在该例子中接地点20）并且通过第一电测量电路导线12又流到光伏系统4中。如在图4的实施形式中那样，第一构件16的电特征参量具有与第二构件18的值不同的值。在图5的示出的情况下，该特征参量是在电阻16上形成的电压，由该电压推断出流过电阻16的电流。

图6示出了本发明的另一实施形式。图6与图2的不同之处在于测量和/或评价装置22的备选的结构以及一个构造成共用的接地点20。二极管V1将短路测量电路与接地点20解耦，供电电压vcc在此经由电阻R31提供限定的电压，以便平衡二极管V1的阈值电压。模数转换装置24在示出的实施形式中直接与接地点20连接。示出的实施形式使得示出的测量方法、特别是短路测量电路相对于接地电位波动更不敏感，因为通过图2至6示出的测量方法以两个测量电路导线的直接电位平衡就足够并且不需要必要地测量相对于接地点20的电流流动。在该示例性的实施方案中因此仅仅正电压的测量在ADC上是可能的，其中ADC24的整个电压范围可用。借助于V1在此还预定用于第一构件16上的测量的偏移，从而在那儿以示出的电路能实现测量。

第二构件18的测量在所有示出的实施形式中借助于在微控制器26中的进一步处理也能实现PV系统的整个系统电压的结论。

对于本领域技术人员明显的是，应该将上述实施形式理解为示例性的，并且本发明并不限于此，而是可以通过多种方式进行变化，而不会脱离本发明。此外明显的是，所述特征与这些特征是在说明书中、权利要求书中、附图中还是通过其他方式公开无关地也单独地限定本发明的重要的组成部分，即使这些特征连同其他特征被共同地描述。

附图标记列表：

2 光伏系统的绝缘构造的电网

4 光伏系统

6 连接终端

8 光伏系统的第一电极

10 光伏系统的第二电极

12 短路测量电路的第一电测量电路导线

13 保护构件

14 短路测量电路的第二电测量电路导线

15 平衡构件

16 第一构件

18 第二构件

20 参考点

22 测量和/或评价装置

24 模数转换装置

26 微控制器

Claims

1.用于光伏系统（4）的绝缘构造的电网（2）的监控装置，具有：

短路测量电路，该短路测量电路包括用于经由至少一个保护构件（13）连接所述光伏系统（4）的第一电极（8）与参考点（20）的第一电测量电路导线（12）以及用于经由至少一个保护构件（13）连接所述光伏系统（4）的第二电极（10）与参考点（20）的第二电测量电路导线（14），其中，所述两个测量电路导线（12、14）共同地在所述光伏系统的所述两个电极（8、10）之间形成短路；

连接在所述测量电路导线（12、14）之一与所述参考点（20）之间的第一构件（16）；以及

用于测量所述第一构件（16）的电特征参量的测量装置（22），其中，响应于特征参量的值不等于零和/或所述特征参量的值的变化，所述光伏系统（4）与所述参考点（20）的电连接是可检测的。

2.根据上述权利要求所述的监控装置，

还具有置入到所述短路测量电路的第二测量电路导线（14）中的第二构件（18），

其中，所述第一构件（16）被置入到所述短路测量电路中用于测量在所述第一电测量电路导线（12）中的电特征参量。

3.根据上述权利要求所述的监控装置，

其中，所述测量装置（22）设计为用于测量所述第一和第二构件（16、18）的电特征参量。

4.根据权利要求2或3之一所述的监控装置，

其中，所述测量装置（22）包括比较电路（24、26）用于比较所述第一和第二构件（16、18）的电特征参量的值，

其中，所述比较电路（24、26）在所述电特征参量的值不同时识别到所述绝缘构造的电网（2）与所述参考点（20）的电连接。

5.根据上述权利要求之一所述的监控装置，

其中，所述电特征参量是在所述第一或第二构件（16、18）上存在的电压或者流过所述第一或第二构件（16、18）的电流。

6.根据上述权利要求之一所述的监控装置，

其中，所述第一和/或第二构件（16、18）分别是一个阻抗。

7.根据上述权利要求之一所述的监控装置，

其中，与参考点（20）的连接分别通过由串联连接的保护阻抗（13）组成的、用于桥接空气路径和/或漏电路径的链实现。

8.根据上述权利要求之一所述的监控装置，

其中，在所述比较电路（24、26）中包括用于将所述电特征参量转换为数字信号的模数转换装置（24）以及用于比较所述数字信号和/或用于计算偏差的微控制器（26）。

9.根据上述权利要求之一所述的监控装置，

测量和评价装置包括用于显示故障情况的显示装置和/或用于将所述绝缘构造的电网（2）短接或切断的保护装置，以便避免对人和仪器可能的危险。

10.光伏系统（4），包括：

至少一个用于产生电流的光伏模块，其中，所述光伏系统（4）的电网（2）设计为绝缘构造的电网（2）；以及

根据上述权利要求之一所述的监控装置。

11.用于安全地运行具有绝缘构造的电网（2）的光伏系统（4）的方法，所述光伏系统特别是具有根据权利要求1至9之一所述的监控装置，所述方法包括以下步骤：

借助于测量和评价装置（22）测量第一构件（16）的电特征参量；

借助于所述测量和评价装置（22）评价所述第一构件（16）的电特征参量，以确定所述光伏系统（4）的绝缘构造的电网（2）的故障情况的存在。

12.根据上述权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

借助于所述测量和评价装置（22）测量第二构件（18）的电特征参量，以便由此推断电流流过第二测量电路导线（14）；

借助于所述测量和评价装置（22）评价所述第二构件（18）的电特征参量；

借助于所述测量和评价装置（22）比较所述第一和第二构件（16、18）的获得的电特征参量。

13.根据权利要求11或12之一所述的方法，还包括以下步骤：

借助于模数转换装置（24）将所述电特征参量数字化；

借助于微控制器（26）处理所述数字信号，以比较和/或计算偏差。

14.根据权利要求11至13之一所述的方法，还包括以下步骤：

借助于显示装置显示故障情况和/或借助于保护装置保护所述光伏系统（4），方式是响应于所述电特征参量的显示故障情况的值，将所述电网（2）短接或切断。