DE102010036514A1

DE102010036514A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102010036514A1
Application number: DE102010036514A
Authority: DE
Inventors: Marcel Kratochvil; Sebastian Bieniek; Holger Behrends; Markus Hopf
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26
Also published as: US20130141133A1; WO2012010598A1; CN103003707A; CN103003707B; EP2606368A1; US9709623B2

Abstract

Die Vorrichtung zur Überwachung einer Photovoltaikanlage (1) umfasst Einkoppelmittel (20) zum Einkoppeln eines Wechselspannungs-Testsignals in die Photovoltaikanlage (1), Auskoppelmittel (40) zum Auskoppeln eines dem Testsignal zugeordneten Antwortsignals aus der Photovoltaikanlage (1) und eine mit den Auskoppelmitteln verbundene Auswerteeinrichtung (50) zur Erkennung von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikanlage beeinträchtigenden Ereignissen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auskoppelmittel (40) einen ersten Übertrager (410) und einen zweiten Übertrager (420) mit jeweiliger Primärwicklung (411, 421) und mit der Auswerteeinrichtung (50) verbundener jeweiliger Sekundärwicklung (412, 422) aufweisen, wobei die Primärwicklungen (411, 421) des ersten und zweiten Übertragers (410, 420) in unterschiedlichen elektrischen Leitungen (4, 5) zwischen einem Generator (2) und einem Wechselrichter (3) der Photovoltaikanlage (1) angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung einer Photovoltaikanlage (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer Photovoltaikanlage zum Erkennen von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Einrichtung beeinträchtigenden Ereignissen wie Kontaktfehlern.
Bei einer Photovoltaikanlage stellt ein Photovoltaikgenerator, aufgebaut aus einem oder einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen, mittels Photovoltaik elektrische Energie zur Verfügung. Um einen bestimmungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, ist es erforderlich, photovoltaische Anlagen zu überwachen, um das Auftreten von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Einrichtung beeinträchtigenden Ereignissen zu erkennen.
Derartige Ereignisse können beispielsweise sein:

– Diebstahl einzelner oder mehrerer Komponenten einer Photovoltaikanlage,
– Zerstörung einzelner oder mehrerer Komponenten einer Photovoltaikanlage,
– Veränderung der Leitfähigkeit einer oder mehrere elektrische Verbindungen einer Photovoltaikanlage (beispielsweise eine Kontaktalterung und/oder ein Kontaktfehler),
– Verschlechterung eines Wirkungsgrads einer oder mehrerer Photovoltaikmodule (Degradation),
– Installationsfehler, beispielsweise eine fehlerhafte Verschaltung einzelner oder mehrerer Komponenten bei der Installation einer Photovoltaikanlage, und/oder
– Verschattung, beispielsweise einer Verschattung einzelner oder mehrere Photovoltaikmodule einer Photovoltaikanlage.

Die vorstehende Auflistung von Ereignissen, die einen bestimmungsgemäßen Betrieb einer Photovoltaikanlage beeinträchtigen können, erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, vielmehr stellt sie eine beispielhafte Auswahl von Ereignissen dar, die einen bestimmungsgemäßen Betrieb einer Photovoltaikanlage beeinträchtigen können.
So können im Betrieb der Photovoltaikanlagen hohe elektrische Ströme auftreten, welche u. U. im Zusammenwirken mit defekten und/oder schadhaften Komponenten zu erheblichen Leistungsverlusten führen können. Dies betrifft insbesondere Kontaktwiderstände von Kontakten von Verbindungsstellen von Modulen untereinander wie auch elektrische Leitungsanschlüsse. Kontaktfehler machen sich u. a. durch eine Erhöhung des Übergangwiderstandes der betreffenden elektrischen Verbindung bemerkbar.
Die DE 10 2006 052 295 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Photovoltaikgenerators, wobei ein Grundprinzip zur Generatordiagnose mit Signaleinkopplung und Messung zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter angegeben wird.
Das bekannte Verfahren ist empfindlich gegen eingekoppelte Störungen, welche die Genauigkeit von erforderlichen Messungen negativ beeinflussen können. Derartige Störungen können von externen – nicht in einem funktionalen Zusammenhang mit der Photovoltaikanlage stehenden – Komponenten, beispielsweise einer Quelle elektromagnetischer Strahlung, in die Photovoltaikanlage eingekoppelt werden oder von Komponenten der Photovoltaikanlage selbst, beispielsweise einem Wechselrichter, verursacht werden.
Die Erfindung schafft vor diesem Hintergrund eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
Die Vorrichtung zur Überwachung einer Photovoltaikanlage umfasst Einkoppelmittel zum Einkoppeln eines Wechselspannungs-Testsignals in die Photovoltaikanlage, Auskoppelmittel zum Auskoppeln eines dem Testsignal zugeordneten Antwortsignals aus der Photovoltaikanlage und eine mit den Auskoppelmitteln verbundene Auswerteeinrichtung zur Erkennung von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikanlage beeinträchtigenden Ereignissen.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auskoppelmittel einen ersten Übertrager und einen zweiten Übertrager mit jeweiliger Primärwicklung und mit der Auswerteeinrichtung verbundener jeweiliger Sekundärwicklung aufweisen, wobei die Primärwicklungen des ersten und zweiten Übertragers in unterschiedlichen elektrischen Leitungen zwischen einem Generator und einem Wechselrichter der Photovoltaikanlage angeordnet sind.
Störeinflüsse werden den unterschiedlichen Leitungen zwischen dem Generator und dem Wechselrichter im Gleichtakt aufgeprägt, während das von dem Einkoppelmittel eingebrachte Wechselspannungs-Testsignal in den unterschiedlichen Leitungen im Gegentakt aufgeprägt ist. Durch die unterschiedlich angeordneten Übertrager werden das Testsignal und die Störeinflüsse zweifach erfasst, wobei in den unterschiedlichen Leitungen die Phasenverhältnisse dementsprechend jedoch für das Testsignal und die Störeinflüsse unterschiedlich sind. Dieses erlaubt eine Trennung der Störeinflüsse von dem Testsignal, wodurch die Überwachung der Photovoltaikanlage auf einfache Weise unempfindlicher gegen Störeinflüsse wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sekundärwicklungen des ersten und zweiten Übertragers gegensinnig in Reihe geschaltet und gemeinsam mit der Auswerteeinrichtung verbunden. Auf diese einfach zu realisierende Weise addieren sich die Antwortsignale des Testsignals, wohingegen sich die Störeinflüsse gegenseitig aufheben oder zumindest verringern.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen sind die Sekundärwicklungen des ersten und zweiten Übertragers getrennt mit der Auswerteeinrichtung verbunden und Antwortsignale des ersten Übertragers und des zweiten Übertragers werden auf analoge oder digitale Weise kombiniert. Auch auf diese Weise wird eine Kombination der Antwortsignale erreicht, bei der die Störeinflüsse gegenüber dem Testsignal verringert werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltungen ist, dass vor der Kombination der Antwortsignale eine Signalver- bzw. -aufarbeitung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung in den Wechselrichter integriert, wodurch sie sich ohne großen Zusatzaufwand in die Photovoltaikanlage einfügt.
Das Verfahren zur Überwachung einer Photovoltaikanlage zum Erkennen von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikanlage beeinträchtigenden Ereignissen wie Kontaktfehlern weist die folgenden Verfahrensschritte auf. Ein Wechselspannungs-Testsignals wird in die Photovoltaikanlage eingekoppelt und dem Testsignal zugeordnete Antwortsignale werden aus unterschiedlichen elektrischen Leitungen zwischen einem Generator und einem Wechselrichter der Photovoltaikanlage ausgekoppelt. Die ausgekoppelten Antwortsignale werden zu einem gemeinsamen Antwortsignal zum Reduzieren eines Störsignalanteils kombiniert und die Photovoltaikanlage wird durch Auswertung des gemeinsamen Antwortsignals überwacht.
Für das Verfahren ergeben sich ebenfalls die oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung angegebenen Vorteile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das eingekoppelte Signal in seiner Frequenz geändert. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Auswertung des Antwortsignals folgende Verfahrensschritte aufweisen: Verstärken des Antwortsignals, insbesondere mit einem nichtinvertierenden Verstärker, Filtern des Antwortsignals, insbesondere mit einem Hochpass, Filtern des Antwortsignals, insbesondere mit einem RC-Tiefpassfilter, und Gleichrichten des Antwortsignals. Durch diese Maßnahmen wird eine besonders gute Unterdrückung von Störeinflüssen gegenüber dem Testsignal erreicht.
Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sei angemerkt, dass nachfolgend einige bevorzugte Ausgestaltungen auch im Detail beschrieben werden, dass die Erfindung aber nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt ist, sondern im Rahmen der Ansprüche beliebig variiert ausgestaltet werden kann. Insbesondere sind Begriffe wie „oben”, „unten”, „vorne” oder „hinten” nicht einschränkend zu verstehen sondern beziehen sich lediglich auf die jeweils dargestellte Anordnung. Zudem sind, wenn einzelne Bestandteile erläutert werden, diese – wenn nicht anders erwähnt – grundsätzlich auch in mehrfacher Ausgestaltung denkbar. Unter den Schutzbereich fallen zudem auch funktionale Umkehrungen – beispielsweise kinematische Umkehrungen und dgl. – der dargestellten Anordnungen und Verfahren sowie äquivalente Ausgestaltungen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schaltbildartige schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage;
2 eine schaltbildartige schematische Darstellung einer zweiten Photovoltaikanlage;
3 eine schaltbildartige schematische Darstellung einer dritten Photovoltaikanlage;
4a eine schematische Darstellung einer Spule im magnetischen Wirkungsfeld eines elektrischen Leiters zur Erläuterung erfindungsgemäßer Details;
4b beispielhaft ein elektrisches Ersatzschaltbild der Darstellung in 4a; und
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
1 zeigt eine zu überwachende Photovoltaikanlage 1. Diese Photovoltaikanlage 1 weist einen Photovoltaikgenerator 2 auf, der wiederum eine Anzahl, beispielsweise zwei, von nicht dargestellten Photovoltaikmodulen umfasst.
Ein positiver Gleichspannungsausgang des Photovoltaikgenerators 2 ist über eine elektrische Leitung 4 mit einem positiven Gleichspannungseingang eines Wechselrichters 3 verbunden. Ein negativer Gleichspannungsausgang des Photovoltaikgenerators 2 ist über eine elektrische Leitung 5 mit einem negativen Gleichspannungseingang des Wechselrichters 3 verbunden. Die Leitungen 4, 5 werden als durchgängig vom Photovoltaikgenerator 2 bis zum Wechselrichter 3 verlaufend angesehen, unabhängig davon, ob in diese Leitung eine Induktivität eingeschleift ist.
Der Wechselrichter 3 ist dazu ausgestaltet, eine vom Photovoltaikgenerator 2 gelieferte elektrische Leistung derart umzuformen, dass diese in ein elektrisches Netz, beispielsweise in das öffentliche Stromversorgungsnetz 6, eingespeist werden kann. Hierzu ist der Wechselrichter 3 über elektrische Leitungen 7, 8 mit dem Stromversorgungsnetz 6 verbunden.
Dargestellt ist weiterhin eine Wechselrichterersatzkapazität 9. Die Wirkungsweise dieser Kapazität 9 wird später näher erläutert.
Die Photovoltaikanlage 1 weist weiterhin einen Signalerzeuger 30 auf. Dieser umfasst einen Testsignalgenerator, beispielsweise mit einem digitalen Signalprozessor, zur Erzeugung eines geeigneten Testsignals variabler bzw. sich verändernder Frequenz auf. Ein so erzeugtes Testsignal wird über einen Leistungsteil (Verstärker, Treiber) – entsprechend den Erfordernissen der Photovoltaikanlage 1 – verstärkt und über ein Einkopplungsmittel 20, beispielsweise einen Übertrager, in den Gleichstromkreis der Photovoltaikanlage 1 eingekoppelt.
Das als Übertrager ausgestaltete Einkoppelmittel weist hierzu eine Primärwicklung 201 und eine Sekundärwicklung 202 auf. Die Primärwicklung 201 ist mit dem Signalerzeuger 30 verbunden. Die Sekundärwicklung 202 ist in den Gleichstromkreis der Photovoltaikanlage 1 eingeschleift und wird vom Strom der elektrischen Leitung 5 durchflossen.
Das Einkoppelmittel 20 ist dabei so ausgeführt, dass die EMV-Eigenschaften (Eigenschaften, welche die elektromagnetische Verträglichkeit betreffen) und die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage 1 nicht, oder so wenig als irgend möglich beeinflusst wird. Hierzu ist beispielsweise im Falle eines Übertragers als Einkoppelmittel 20 dieser Übertrager so ausgeführt, dass er auch dann nicht in einen Sättigungszustand gerät, wenn seine Sekundärwicklung 202 – beispielsweise tagsüber – von hohen Gleichströmen durchflossen wird.
Zur Auskopplung einer Signalantwort des Photovoltaikgenerators 2 auf das eingekoppelte Testsignal weist die Photovoltaikanlage 1 ein Auskoppelmittel 40 auf.
Das Auskoppelmittel 40 umfasst einen ersten Übertrager 410 mit einer Primärwicklung 411 und einer Sekundärwicklung 412 sowie einen zweiten Übertrager 420 mit einer Primärwicklung 421 und einer Sekundärwicklung 422. Die Primärwicklung 411 des ersten Übertragers 410 ist dabei in die Leitung 4 und die Primärwicklung 421 des zweiten Übertragers 420 in die Leitung 5 zwischen dem Photovoltaikgenerator 2 und dem Wechselrichter 3 eingeschleift. Die Übertrager 410, 420 können jeweils einen Kern aufweisen, um den die Primär- und Sekundärwicklungen 411, 412, 421, 422 geführt sind. Alternativ ist es auch möglich, eine Leiterbahn, zum Beispiel einer Platine, als Primärwicklung 411 bzw. 421 einzusetzen, wobei als Sekundärwicklung 412 bzw. 422 eine im magnetischen Wirkungsbereich der Leiterbahn auf der Platine angeordnete Spule verwendet wird. In diesem Sinne ist jede Anordnung, mit der eine Signalauskopplung über induktive Wechselwirkung erreicht wird, als Übertrager anzusehen.
Ein durch die elektrischen Leitungen 4 und 5 fließender Wechselstrom induziert in den Sekundärwicklungen 412 und 422 eine Wechselspannung, welche in ihrem Betrag dem in den elektrischen Leitungen 4, 5 fließenden Wechselstrom proportional ist. Die Sekundärwicklungen 412 und 422 sind gegensinnig in Reihe geschaltet. Zu der Reihenschaltung aus den Sekundärwicklungen 412 und 422 ist ein Widerstand 430 parallel geschaltet. Die am Widerstand 430 anliegende Spannung wird an die Auswerteeinrichtung 50 weitergeleitet. Es ist ebenfalls möglich, das ausgekoppelte Signal aus den Sekundärwicklungen 412, 422 auf andere Weise als mittels eines Widerstands, zum Beispiel mittels aktiver Integration des Signals, an die Auswerteeinrichtung 50 weiterzuleiten.
Die gezeigte Schaltungsanordnung gewährleistet einen wirksamen Schutz der Auswertung der Signalantwort vor einer Beeinflussung durch Gleichtaktstörungen. Unter Gleichtaktstörungen werden, beispielsweise kapazitiv eingekoppelte, Störspannungen und -ströme auf Verbindungsleitungen – hier den Leitungen 4 bzw. 5 – zwischen dem Photovoltaikgenerator 2 und dem Wechselrichter 3 verstanden, die sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung auf beiden Leitungen 4, 5 ausbreiten.
Derartige Störungen können von der Photovoltaikanlage 1 selbst bzw. von ihren Komponenten, beispielsweise durch den Wechselrichter 3, verursacht werden. Ebenso ist es möglich, dass derartige Störungen von außen in die Photovoltaikanlage 1 eingekoppelt werden.
Anders ausgedrückt führt eine, beispielsweise kapazitiv, in die Photovoltaikanlage 1 eingekoppelte Störung zu einem Störstromfluss in der Leitung 4 in Richtung vom Photovoltaikgenerator 2 zum Wechselrichter 3, in der 1 durch einen Pfeil mit durchgezogener Linie, der unterhalb der Sekundärwicklung 412 des ersten Übertragers 410 eingezeichnet ist, symbolisiert wird. Dieselbe Störung führt in der Leitung 5 ebenfalls zu einem Störstromfluss vom Photovoltaikgenerator 2 zum Wechselrichter 4, wiederum dargestellt durch einen Pfeil mit durchgezogener Linie (eingezeichnet oberhalb der Sekundärwicklung 422 des zweiten Übertragers 420).
Durch die gewählte gegensinnige Reihenschaltung heben sich Spannungen auf, sofern sie in Betrag und Phasenlage gleich sind. Auf diese Weise werden eingekoppelte Gleichtaktstörungen wirksam unterdrückt und/oder zumindest wesentlich reduziert.
Das über das Einkoppelmittel 20 eingekoppelte Testsignal führt demgegenüber jedoch zu gegenphasigen Signalanteilen in den ausgekoppelten Signalen. Wenn der vom ersten Übertrager 410 ausgekoppelte Signalanteil des Testsignals in einer Momentaufnahme ebenso ausgerichtet ist, wie durch den durchgezogenen Pfeil unterhalb des ersten Übertragers 410 angedeutet wird, ist der vom zweiten Übertrager 420 ausgekoppelte Signalanteil entgegengesetzt ausgerichtet, wie in der 1 durch den gestrichelten Pfeil oberhalb des zweiten Übertragers 420 symbolisiert ist. Solche gegenphasigen Signalanteile addieren sich am Widerstand 430. Im Gegensatz zu den eingekoppelten Gleichtaktstörungen werden die auf das Testsignal zurückgehenden Signalanteile sogar noch um den Faktor zwei verstärkt.
Betrachtet man den Stromkreis aus der Sekundärwicklung 202 des Einkoppelmittels 20, dem Photovoltaikgenerator 2, den Leitungen 4, 5 sowie dem Wechselrichter 3 rein wechselspannungsmäßig, so wird ein weiterer Vorteil der gewählten Schaltung des Auskoppelmittels 40 offensichtlich.
Bei einer wechselspannungsmäßigen Betrachtung kann die Sekundärwicklung 202 als eine Wechselspannungsquelle angesehen werden, während der Photovoltaikgenerator 2 als frequenzabhängiger Scheinwiderstand Z(f) abgebildet werden kann. Es stellt sich ein Wechselstrom ein, der durch die Leitung 5, durch den Wechselrichter 3 bzw. die Wechselstromersatzkapazität 9, durch die Leitung 4, durch den Photovoltaikgenerator 2, und zurück über die Leitung 5 zur Sekundärwicklung 202 fließt. Dieser von der „Spannungsquelle”, der Sekundärwicklung 202 initiierte Wechselstrom hängt neben den Parameter der Sekundärwicklung 202 selbst noch wesentlich von dem Scheinwiderstand Z(f) des Photovoltaikgenerators 2 ab und stellt somit eine Signalantwort auf die Anregung mit einem Testsignal (eingespeist mittels der Sekundärwicklung 202) dar. Der vorstehend beschriebene Wechselstrom induziert in den Sekundärwicklungen 412 und 422 Wechselspannungen mit entgegen gesetzter Phasenlage, die bei der gewählten Reihenverschaltung addiert werden.
Sofern die Photovoltaikanlage 1 auch bei einem ausgeschalteten Wechselrichter 3 (beispielsweise nachts, oder bei nicht ausreichend vorhandener Einstrahlung auf den Photovoltaikgenerator 2) überwacht werden soll, übernimmt die Wechselrichterersatzkapazität 9 für einen derartigen Fall das Schließen des Wechselstromkreises. Auch wenn der Wechselrichter 3 vollständig von der Photovoltaikanlage 1 getrennt ist, kann so ein Wechselstrom über die Wechselrichterersatzkapazität 9 fließen und eine Überwachung der Photovoltaikanlage 1 kann stattfinden. Ggf. kann die Wechselrichterersatzkapazität 9 schaltbar ausgeführt sein, so dass sie nur dann wirksam hinzu geschaltet wird, wenn die Kapazität (nicht dargestellt) des Wechselrichters 3 nicht zur Verfügung steht.
Zur Signalaufbereitung des Signals am Eingang der Auswerteeinrichtung 50 kann die Auswerteeinrichtung 50 u. A. bekannte und nicht im Detail dargestellte Komponenten aufweisen, beispielsweise einen, ggf. aktiven, Hochpassfilter, einen Tiefpassfilter, einen steuerbaren Verstärker und einen Gleichrichter. Hier kann eine Vorverarbeitung erfolgen, bevor es an eine nicht dargestellte Komponente, beispielsweise an eine übergeordnete Steuereinrichtung, zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird. In einer derartigen Verarbeitung kann auch eine durch einen Spannungsmesser 10 erfasste Spannung am Photovoltaikgenerator 2 mit verarbeitet werden.
Damit wird eine Ausgestaltung des in 5 dargestellten Verfahrens geschaffen, welches folgende Schritte aufweist:

– Einkoppeln eines Wechselspannungs-Testsignals in die Photovoltaikanlage (1) (Schritt S1);
– Auskoppeln von dem Testsignal zugeordneten Antwortsignalen aus unterschiedlichen elektrischen Leitungen (4, 5) zwischen einem Generator (2) und einem Wechselrichter (3) der Photovoltaikanlage (1) (Schritt S2);
– Kombinieren der ausgekoppelten Antwortsignale zu einem gemeinsamen Antwortsignal zum Reduzieren eines Störsignalanteils (Schritt S3); und
– Überwachen der Photovoltaikanlage (1) durch Auswertung des gemeinsamen Antwortsignals (Schritt S4).

Insbesondere erfolgt in Schritt S4 ein Überwachen von Kontakten der Photovoltaikanlage durch die Auswertung des Antwortsignals. So kann mit Hilfe eines Testsignals, welches in die Elektrik der Photovoltaikanlage eingekoppelt und in Form eines Antwortsignals wieder aus dieser ausgekoppelt wird, beispielsweise ein fehlerhafter Kontakt erkannt werden, ohne die elektrischen Verbindungen der Photovoltaikanlage auftrennen zu müssen. Hierzu wird das Verhalten der Photovoltaikanlage beispielsweise über einen gewissen Zeitraum erfasst und es werden geeignete, den „Normalbetrieb” ohne Fehler charakterisierende Parameter gespeichert. Das Testsignal kann dabei in seiner Frequenz variiert werden, wodurch zusätzlich zu dem Schritt S3 eine Differenzierung gegenüber einem Störsignal erreicht werden kann.
Abweichungen von den ermittelten Parameter weisen auf mögliche Fehlerzustände hin. Ein Parameter dieser Art kann beispielsweise das Impedanzverhalten der Anlage sein.
2 zeigt wiederum eine zu überwachende Photovoltaikanlage 1, die im Wesentlichen der in 1 gezeigten Photovoltaikanlage entspricht. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser und allen weiteren Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 1.
Im Unterschied zur in 1 gezeigten Photovoltaikanlage ist der Photovoltaikgenerator 2 hier in zwei Gruppen 2a und 2b mit einer Anzahl von Photovoltaikmodulen aufgeteilt. Jede der Gruppen 2a, 2b kann eine Anzahl von Photovoltaikmodulen aufweisen, die beispielsweise in Reihe geschaltet sein können und jeweils einen sogenannten String bilden können. Die Anzahl der Gruppen ist auch nicht auf zwei beschränkt. So kann ein Photovoltaikgenerator 2 eine Vielzahl von Gruppen aufweisen, die als Strings und/oder als eine auf eine andere Art verschaltete funktionale Einheit einer Anzahl von Photovoltaikmodulen ausgeführt sind.
Die Gruppen von Photovoltaikmodulen 2a und 2b sind parallel geschaltet mit dem Wechselrichter 3 über Leitungen 4 und 5 verbunden. Jeder Gruppe ist ein eigenes Auskoppelmittel 40a, 40b zugeordnet. Generell deutet im Zusammenhang mit 2 die Verwendung des Indexes a oder b bei einem Bezugszeichen auf die Zuordnung zur entsprechenden Gruppe von Photovoltaikmodulen 2a und 2b hin. Elemente die nur einfach, d. h. nicht für jede der Gruppen gesondert vorgesehen sind, tragen keinen solchen Index.
Die den Gruppen 2a bzw. 2b zugeordnete Auskoppelmittel 40a bzw. 40b sind entsprechend dem Auskoppelmittel 40 aus dem Ausführungsbeispiel der 1 ausgestaltet. Die Auskoppelmittel 40a, 40b sind dabei jeweils unmittelbar mit den Gruppen von Photovoltaikmodulen 2a bzw. 2b verbunden. Die Parallelschaltung erfolgt (aus Sicht der Photovoltaikmodule) erst hinter den Auskoppelmitteln 40a, 40b.
In der bereits im Zusammenhang mit der in 1 dargestellten Photovoltaikanlage 1 beschriebenen Art und Weise fällt über Widerständen 430a und 430b eine Spannung ab, welche eine Signalantwort der entsprechenden Gruppe auf eine Anregung mit einem Testsignal durch einen Signalerzeuger 30 darstellt. Diese Spannung wird an entsprechende Auswerteeinrichtungen 50a, 50b weitergeleitet und wird dort, wie ebenfalls bereits beschrieben aufbereitet und weiterverarbeitet. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, kann eine mit einem Spannungsmesser 10a bzw. 10b an den Gruppen von Photovoltaikmodulen 2a bzw. 2b gemessene Spannung bei der Weiterverarbeitung mitverwendet werden.
Im Gegensatz zu den Auskoppelmitteln ist das Einkoppelmittel 20 im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur einfach vorhanden. Es ist hier über einen Kondensator 203 mit der Photovoltaikeinrichtung 1 verbunden. Zusätzlich sind Sperrinduktivitäten 204 und 205 zur Entkopplung des Wechselrichters 3 von den übrigen Anlagenkomponenten vorgesehen. In diesem Fall kann die Wechselrichterersatzkapazität 9 (vgl. 1) der Ausführung mit induktiver Einkopplung entfallen, da der Stromkreis nicht über den Wechselrichter geschlossen wird.
Spezifisch für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist, dass für jede Gruppe von Photovoltaikmodulen 2a, 2b (d. h. wie gezeigt, für jeden String) ein separates Auskoppelmittel 40a und 40b vorgesehen ist. Die Wirkungsweise der jeweils einer Gruppe zugeordneten Auskoppelmittel 40a und 40b entspricht der des in 1 dargestellten und beschriebenen Auskoppelmittel 40.
Auf diese Weise kann jede Gruppe von Photovoltaikmodulen 2a, 2b der Photovoltaikanlage getrennt überwacht werden. Bei Feststellung eines beeinträchtigenden Ereignisses, beispielsweise einer Kontaktunterbrechung, kann diese sofort einem bestimmten String zugeordnet werden. Auf diese Weise wird eine Fehlersuche in vorteilhafter Weise vereinfacht.
Weiterhin ist entscheidend, dass jeder Gruppe von Photovoltaikmodulen 2a, 2b bzw. jedem Auskoppelmittel 40a, 40b eine separate Auswerteeinrichtung 50a und 50b zugeordnet ist. Denkbar ist auch, eine (nicht gezeigte) Auswerteeinrichtung mit einer Multiplexeinrichtung (nicht gezeigt) auszustatten, die für jeweils einen Zeitabschnitt die von den Auskoppelmitteln 40a und 40b erfassten Signalen dieser einen Auswerteeinrichtung zuleiten.
3 zeigt wiederum eine zu überwachende Photovoltaikanlage 1. Wie beim Ausführungsbeispiel der 1 weist der Photovoltaikgenerator 2 hier wieder nur eine Gruppe mit einer Anzahl von Photovoltaikmodulen auf. Eine Ausführung analog zu 2 mit mehreren separat überwachten Gruppen ist jedoch ebenso denkbar.
Entscheidend für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist die separate Erfassung und Auswertung der ausgekoppelten Signale, d. h. eine Addition oder Subtraktion erfolgt nicht durch eine Reihenverschaltung der Sekundärwicklungen 412 und 422 (bzw. 412a, 422a und 412b, 422b) wie in den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen (vgl. 1 und 2). Stattdessen sind die beiden Ausgangsleitungen der Sekundärwicklungen 412 und 422 getrennt mit parallel geschalteten Widerständen 413, 423 versehen und mit getrennten Auswerteeinheiten 510, 520 der Auswerteeinrichtung 50 verbunden. Eine Verknüpfung der beiden ausgekoppelten Signale erfolgt dann schließlich auf analoge oder digitale Weise in einer Verarbeitungseinheit 530 der Auswerteeinrichtung 50.
Anders ausgedrückt wird eine Gleichtaktunterdrückung (d. h. eine Unterdrückung von Gleichtaktstörungen) in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen mittels einer gewählten Schaltungsvariante innerhalb der Auskoppelmittel 40, 40a, 40b erreicht, während die Gleichtaktunterdrückung im aktuell beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine Addition von Teilspannungen innerhalb der Auswerteeinheit 50 erreicht wird.
4a zeigt eine schematische Anordnung einer Spule 60 im magnetischen Wirkungsbereich einer elektrischen Leitung 61, beispielsweise einer Leiterbahn auf einer nicht dargestellten Platine. Die Spule 60 und die elektrische Leitung 61 sind galvanisch nicht miteinander verbunden. Ggf. ist die Spule 60 durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) auf der Platine gehalten. Fließt ein Wechselstrom 62 i(t) durch den Leiter 61, so induziert dieser in der Spule 60 eine der Änderung des Wechselstroms i(t) proportionale Wechselspannung 63 U_ind(t).
4b zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 4a gezeigten Anordnung. Hierbei ist eine ideale Spannungsquelle 601 dargestellt, welche die Spannung U_ind(t) liefert. Weiter sind eine Spuleninduktivität 602 und eine Verlustkapazität 603 der Spule dargestellt. Durch eine Beschaltung der „realen” Spule 60 mit einem parallelen Widerstand 64 ergibt sich ein Tiefpass. Das erzeugte Ausgangssignal 65 U_OUT stellt in einem bestimmten Frequenzbereich die Integration der Spannung U_ind(t) dar und ist in diesem Frequenzbereich proportional zum Strom i(t) (vgl. 4a). Auf diese Weise kann eine Strommessung einer Signalantwort realisiert werden, wie dies für die in den vorab beschriebenen Auskoppelmitteln erforderlich ist.
Eine Aufbereitung eines derart ausgekoppelten Signals, beispielsweise des Ausgangssignals 65 U_OUT, kann z. B. mit den folgenden Schritten erfolgen:

– Verstärken des Antwortsignals mit einem nichtinvertierenden Verstärker, beispielsweise mit einem Verstärkungsfaktor sechs,
– Filtern des Antwortsignals mit einem Hochpass, beispielsweise mit einem Hochpass vierter Ordnung mit der Grenzfrequenz 100 kHz und einer Verstärkung von fünfundzwanzig,
– Filtern des Antwortsignals mit einem RC-Tiefpassfilter, beispielsweise mit einem RC-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 2,1 MHz; und
– Gleichrichten des Antwortsignals, beispielsweise mit einem Einweggleichrichter.

Die Randbedingungen der vorstehend beschriebenen Schritte zur Signalaufbereitung sind selbstverständlich an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen, beispielsweise an ein von einem Wechselrichter ausgestrahltes Störspektrum usw..
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere ist es möglich die genannten Merkmale in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen.
So kann die Erfindung auch auf einzelne Photovoltaikmodule angewendet werden, wobei dann ein einzelnes Photovoltaikmodul mit einen Anzahl an photovoltaischen Zellen in Gruppen (von Zellen) aufgeteilt werden kann. Auf diese Gruppen kann dann die vorliegende Erfindung ebenfalls angewendet werden.
Ebenfalls können als Auskoppelmittel auch ohmsche Widerstände zur Messung von Strömen (sogenannte „Shunts”) verwendet werden. Eine ggf. erforderliche Anpassung der zugeordneten Schaltungselemente ist dann selbstverständlich erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage
2: Photovoltaikgenerator
3: Wechselrichter
4, 5: Leitungen
6: Stromversorgungsnetz
7, 8: Leitungen
9: Wechselrichterersatzkapazität
10: Spannungsmesser
20: Einkoppelmittel
201: Primärwicklung
202: Sekundärwicklung
203: Kondensator
204, 205: Sperrinduktivität
30: Signalerzeuger
40: Auskoppelmittel
410: erster Übertrager
411: Primärwicklung
412: Sekundärwicklung
413: erster Widerstand
420: zweiter Übertrager
421: Primärwicklung
422: Sekundärwicklung
423: zweiter Widerstand
430: Widerstand
50: Auswerteeinrichtung
510: erste Auswerteeinheit
520: zweite Auswerteeinheit
530: Verarbeitungseinheit
60: Spule
601: ideale Spannungsquelle
602: Spuleninduktivität
603: Verlustkapazität
61: Leitung
62: Wechselstrom
63: Wechselspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006052295 B3 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung einer Photovoltaikanlage (1) umfassend: – Einkoppelmittel (20) zum Einkoppeln eines Wechselspannungs-Testsignals in die Photovoltaikanlage (1), – Auskoppelmittel (40) zum Auskoppeln eines dem Testsignal zugeordneten Antwortsignals aus der Photovoltaikanlage (1) und – eine mit den Auskoppelmitteln (40) verbundene Auswerteeinrichtung (50) zur Erkennung von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikanlage (1) beeinträchtigenden Ereignissen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelmittel (40) einen ersten Übertrager (410) und einen zweiten Übertrager (420) mit jeweiliger Primärwicklung (411, 421) und mit der Auswerteeinrichtung (50) verbundener jeweiliger Sekundärwicklung (412, 422) aufweisen, wobei die Primärwicklungen (411, 421) des ersten und zweiten Übertragers (410, 420) in unterschiedlichen elektrischen Leitungen (4, 5) zwischen einem Generator (2) und einem Wechselrichter (3) der Photovoltaikanlage (1) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Sekundärwicklungen (412, 422) des ersten und zweiten Übertragers (410, 420) gegensinnig in Reihe geschaltet sind und gemeinsam mit der Auswerteeinrichtung (50) verbunden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Sekundärwicklungen (412, 422) des ersten und des zweiten Übertragers (410, 420) getrennt mit der Auswerteeinrichtung (50) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Auswerteeinrichtung (50) Antwortsignale des ersten Übertragers (410) und des zweiten Übertragers (420) auf analoge Weise kombiniert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Auswerteeinrichtung (50) Antwortsignale des ersten Übertragers (410) und des zweiten Übertragers (420) auf digitale Weise kombiniert.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Photovoltaikanlage (1) eine Mehrzahl parallel verschalteter Generatoren (2a, 2b) aufweist, wobei die parallel verschalteten Generatoren (2a, 2b) jeweils eigene, ihnen zugeordnete Auskoppelmittel (40a, 40b) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Testsignal eine veränderliche Frequenz hat.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in den Wechselrichter (3) integriert ist.
Verfahren zur Überwachung einer Photovoltaikanlage (1) zum Erkennen von den bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikanlage (1) beeinträchtigenden Ereignissen wie Kontaktfehlern mit folgenden Verfahrensschritten: – Einkoppeln eines Wechselspannungs-Testsignals in die Photovoltaikanlage (1) (Schritt S1); – Auskoppeln von dem Testsignal zugeordneten Antwortsignalen aus unterschiedlichen elektrischen Leitungen (4, 5) zwischen einem Generator (2) und einem Wechselrichter (3) der Photovoltaikanlage (1) (Schritt S2); – Kombinieren der ausgekoppelten Antwortsignale zu einem gemeinsamen Antwortsignal zum Reduzieren eines Störsignalanteils (Schritt S3); und – Überwachen der Photovoltaikanlage (1) durch Auswertung des gemeinsamen Antwortsignals (Schritt S4).
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das eingekoppelte Testsignal in seiner Frequenz verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Randbedingungen der Verfahrensschritte an die Photovoltaikanlage (1), insbesondere an ein Störspektrum des Wechselrichters (3) der Photovoltaikanlage (1), angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Antwortsignale induktiv mittels zweier Übertrager (410, 420) ausgekoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Testsignal induktiv oder kapazitiv eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem eine Auswertung der aufgenommenen Antwortsignale und/oder des gemeinsamen Antwortsignals folgende Verfahrensschritte aufweist: – Verstärken der Antwortsignale, – Filtern der Antwortsignale und – Gleichrichten der Antwortsignale.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Auswertung der aufgenommenen Antwortsignale und/oder des gemeinsamen Antwortsignals folgende Verfahrensschritte aufweist: – das Verstärken der Antwortsignale mit einem nichtinvertierenden Verstärker, – das Filtern der Antwortsignale mit einem Hochpassfilter, – das Filtern der Antwortsignale mit einem RC-Tiefpassfilter und – das Gleichrichten des Antwortsignals mit einem Einweggleichrichter.