DE102011017051A1

DE102011017051A1 - Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes Netz einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102011017051A1
Application number: DE102011017051A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Höft; Andreas Senger; Christian Bacht
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: SM201100061B; CZ24466U1; SM201100061A; CN103650277A; DE102011017051B4; AT13822U1; US8952825B2; EP2697879A1; BR112013025457A2; CN103650277B; US20120256754A1; WO2012139678A1

Abstract

Eine Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz (2) einer Photovoltaikanlage (4) wird vorgestellt. Die Überwachungseinrichtung umfasst einen Kurzschlussmesskreis mit einem ersten elektrischen Messkreisleiter (12) zur Verbindung eines ersten elektrischen Pols (8) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit einem Bezugspunkt (20) sowie einen zweiten elektrischen Messkreisleiter (14) zur Verbindung eines zweiten elektrischen Pols (10) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit dem Erdpunkt (20). Sie umfasst ferner ein erstes zwischen einem der Messkreisleiter (12, 14) und dem Bezugspunkt (20) geschaltetes Bauteil (16) sowie eine Messeinrichtung (22) zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16), wobei ein Betrag der Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des Betrags der Kenngröße einen elektrischen Schluss der Photovoltaikanlage (4) mit dem Bezugspunkt (20) aufzeigt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes Netz einer Photovoltaikanlage.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Netze einer Photovoltaikanlage werden bei kleinen und mittleren Netzgrößen häufig aus Praktikabilitätsgründen isoliert aufgebaut. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Erdschluss von einem der elektrischen Pole lediglich das Potential dieses Poles auf das Erdpotential verschoben wird. Das elektrische Netz ist damit „Einfehlersicher”, da ein einzelner Erdschluss keine bzw. kaum Beeinträchtigungen im Betrieb zeigt.
Ein weiterer Vorteil eines isoliert aufgebauten Netzes ist die Ausschöpfung der vollen Potentialdifferenz zwischen den beiden elektrischen Polen und damit der maximalen Leistung der Photovoltaikanlage.
Bei kleineren und mittleren Anlagen ist ein solcher Aufbau möglich, wenn diese Anlagen von einem äußeren Blitzschutz, beispielsweise dem Hausblitzableiter, geschützt sind. Bei Großanlagen ist der Blitzschutz schwieriger zu realisieren, weshalb diese typischerweise einseitig geerdet sind.
Damit wird aber eine höhere Fehleranfälligkeit in Kauf genommen, da das Netz nicht mehr einfehlersicher aufgebaut ist. Zudem kann es unter Umständen vorkommen, dass auf einen gewissen Teil der erzeugbaren Leistung verzichtet wird. Dies liegt daran, da das Erdpotential regelmäßig höher liegen kann bzw. einen von Null verschiedenen Wert aufweist.
Ein weiterer Grund für die Erdung des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes ist die hohe Betriebsspannung von großen Photovoltaikanlagen, die bis in den Bereich von mehreren 1000 Volt gehen kann, wobei derzeit ein Bereich bis zu 1000 Volt üblich ist.
Gewöhnliche Erdschlusswächter werden für Niederspannungsstromnetze zwischen Netz und einem Erdpunkt verbaut. Bei einer solchen Installation ist nachteilig, dass eine kapazitive Erdung nicht messbar ist. Darüber hinaus kann eine „Falschbewertung” einer Verlagerungsspannung zwischen Netzankopplung und Erdpotential zu Fehlalarm führen. Dies hat seine Ursache in einem schwankenden Erdpotential und einer möglicherweise Witterungsabhängigen Ankopplungsimpedanz des Netzes mit dem Erdpunkt. Des Weiteren sind keine „symmetrischen” Isolationsfehler erkennbar. Symmetrische Isolationsfehler sind Fehler, die an beiden elektrischen Polen des elektrischen Netzes auftreten. Schließlich werden für solche gewöhnlichen Erdschlusswächter für sensitive Messungen keine passiven Erdschlusswächter verwendet, sondern es müssen aktive Erdschlusswächter Verwendung finden. Dies ist mit üblicherweise verwendeten Netzwechselrichtern bei Photovoltaikanlagen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Überwachungseinrichtung für Photovoltaikanlagen bereit zu stellen, welche die genannten Probleme beseitigt oder zumindest mindert und auch für große Photovoltaikanlagen die Möglichkeit bietet, ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz mit hohem Sicherheitsstandard zu verwenden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird eine Überwachungseinrichtung vorgestellt, die in der Lage ist, einen möglichen Erdschluss von zumindest einem elektrischen Pol der Photovoltaikanlage zu detektieren.
Die Photovoltaikanlage weist ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Pol auf. Bei einem isoliert aufgebauten elektrischen Netz ist normalerweise kein Pol der Photovoltaikanlage mit einem Erdpunkt verbunden. Eine Verbindung mit einem Erdpunkt kommt nur zu Stande, wenn ein Fehlerfall, wie ein Kurzschluss eines der elektrischen Pole in Form einer der elektrischen Leitungen innerhalb der Photovoltaikanlage mit einem Erdpunkt, vorliegt.
Ein Erdpunkt kann dabei im Fehlerfall jeder elektrisch leitende Verbindungspunkt sein, der mit einem Pol der Photavoltaikanlage verbunden wird, wie beispielsweise eine Erdverbindung eines Blitzableiters. Insbesondere sind dies auch Verbindungspunkte anderer elektrischer Netze, wobei eine Verbindung mit einem anderen elektrischen Netz, beispielsweise dem Haushaltsstromnetz, auch mittelbar beispielsweise über elektrische Geräte oder Kriechströme erfolgen kann.
Zur Überwachung eines Erdschlusses oder ganz allgemein eines elektrischen Fehlerfalls wird erfindungsgemäß ein elektrischer Messkreis an die Photovoltaikanlage angeschlossen, wobei ein erster elektrischer Messkreisleiter mit dem ersten elektrischen Pol der Photovoltaikanlage sowie ein zweiter elektrischer Messkreisleiter mit dem zweiten elektrischen Pol der Photovoltaikanlage verbunden wird. Die Messkreisleiter konnektieren also mit einem ersten Ende je einen elektrischen Pol der Photovoltaikanlage. Die beiden elektrischen Messkreisleiter bilden einen Kurzschlussstromkreis des isoliert aufgebauten Netzes der Photovoltaikanlage, wobei zur Begrenzung des von der Photovoltaikanlage durch die Messkreisleiter fließenden Stromes beide Messkreisleiter bevorzugt hochohmig ausgeführt sind. Der so gebildete Kurzschlussmesskreis stellt demgemäß eine zusätzlich an das elektrische Netz der Photovoltaikanlage angebaute Einrichtung zu Mess- und Überwachungszwecken dar. Beide elektrischen Messkreisleiter sind an ihren den Polen der PV-Anlage gegenüberliegenden zweiten Enden mit einem Bezugspunkt verbunden, der mit dem elektrischen Fehlerfall der Photovoltaikanlage ein gemeinsames Bezugspotential aufweist. Dies kann beispielsweise ein Erdpunkt sein.
Ein im Folgenden als Erdpunkt bezeichneter Bezugspunkt ist daher ein den Fehlerfall der Photovoltaikanlage und die den Polen der PV-Anlage gegenüberliegenden zweiten Enden der Messkreisleiter elektrisch verbindendes gemeinsames Bezugspotential. Ein Erdschluss ist die elektrische Verbindung an dieses gemeinsame Bezugspotential.
Zwischen einen der Messkreisleiter und den Erdpunkt ist ein erstes elektronisches Bauteil geschaltet. Die Überwachungseinrichtung umfasst ferner eine Messeinrichtung zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils. Die Messeinrichtung weist insbesondere zwei Eingangsleitungen, sog. Kanäle, auf um an Messstellen vor und hinter dem ersten Bauteil insbesondere durch Differenzbildung den Betrag der elektrischen Kenngröße zu erhalten.
Im dem Fall, dass kein Erdschluss oder Fehlerfall in der Photovoltaikanlage vorliegt, fließt durch das elektronische Bauteil kein oder nur ein geringer Strom an den Erdpunkt oder vom Erdpunkt weg. Ein Betrag der elektrischen Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des Betrags der Kenngröße zeigt demgemäß einen Erdschluss der Photovoltaikanlage an. Das Vorliegen eines Erdschlusses wird somit in Ansprechen auf einen Betrag der elektrischen Kenngröße ungleich Null und/oder auf eine Veränderung des Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten elektronischen Bauteils detektiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Überwachungseinrichtung ist das erste Bauteil in den Messkreis, und dort in den ersten Messkreisleiter, geschaltet. Weiterhin weist die Überwachungseinrichtung ein zweites Bauteil auf, welches in den Messkreis in den zweiten Messkreisleiter geschaltet ist. Die beiden elektrischen Messkreisleiter sind auch in dieser Ausführungsform der Überwachungseinrichtung mit einem Erdpunkt verbunden. Die Messkreisleiter konnektieren auf der anderen Seite je einen elektrischen Pol der Photovoltaikanlage.
Eine solche Überwachungseinrichtung kann bei einem möglichen Erdschluss die Fehlerstelle derart detektieren, dass der Ort auf einen der beiden elektrischen Pole der Photovoltaikanlage eingrenzbar und die Fehlerstelle des Erdschlusses somit besser detektierbar ist.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform misst die Messeinrichtung die elektrische Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils. Bevorzugt weist die Messeinrichtung hierfür drei Kanäle auf, um an Messstellen vor dem ersten, zwischen dem ersten und dem zweiten sowie hinter dem zweiten Bauteil insbesondere durch Differenzbildung den Betrag der elektrischen Kenngröße zu erhalten. Gegebenenfalls kann für die Messung der elektrischen Kenngröße der beiden Bauteile je eine getrennte Schaltung zur Messung der elektrischen Kenngröße verwendet werden und das erhaltene Signal einer Komparatorschaltung zugeführt werden. Diese Anordnung wird ebenfalls als eine Messeinrichtung verstanden.
Gegebenenfalls weist die Messeinrichtung einen Speicher auf zur Speicherung von Parametern der zu messenden Bauteile, insbesondere der Impedanz und/oder des Temperaturverhaltens der Impedanz des Bauteils bzw. der Bauteile.
Die Überwachungseinrichtung weist ferner vorzugsweise eine Komparatorschaltung auf zum Vergleich des Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils. Die Komparatorschaltung ist insbesondere ein analoger Komparator. Bevorzugt ist die Komparatorschaltung ein Analog-Digital-Wandler mit nachgeschaltetem Mikrocontroller, so dass die Beträge der elektrischen Kenngrößen in Digitalsignale gewandelt und diese insbesondere direkt im nachgeschalteten Mikrocontroller verglichen werden. Der Mikrocontroller kann insbesondere Abweichungen zwischen den Beträgen der elektrischen Kenngrößen der Bauteile berechnen. Bevorzugt kann der Mikrocontroller bei Abweichungen ein Informationssignal weitergeben, so dass weitere Maßnahmen, z. B. eine Fehleranzeige oder Schutzmaßnahmen ermöglicht sind.
Die elektrische Kenngröße ist insbesondere die an dem ersten bzw. zweiten Bauteil abfallende elektrische Spannung oder der durch das erste bzw. zweite Bauteil fließende elektrische Strom.
Die elektronischen Bauteile sind insbesondere Impedanzen, wie ohmsche Widerstände.
Die hochohmige Verbindung der elektrischen Pole der Photovoltaikanlage ist insbesondere jeweils über eine Kette aus seriell geschalteten Schutzimpedanzen realisiert. In vorteilhafter Weise werden hiermit Luft- und Kriechstrecken für beide Pole der Photovoltaikanlage geschaffen, so dass eine größere räumliche Distanz überbrückt wird. Dies ist zur Trennung der Spannung vom Erdpotential bei der Verwendung einer Spannung über 400 V vorteilhaft.
Gegebenenfalls löst die Überwachungseinrichtung in Ansprechen auf das Detektieren eines Erdschlusses geeignete Signal- und/oder Schutzmaßnahmen aus, wie beispielsweise eine optische oder akustische Signalisierung oder die Abtrennung des elektrischen Netzes von weiteren Einrichtungen, wie beispielsweise Wechselrichtern, oder ein Kurzschließen des elektrischen Netzes der Photovoltaikanlage. Für die Überwachungseinrichtung sind die Signal- und/oder Schutzmaßnahmen demnach geeignet, Gefahr für Mensch und/oder Gerät abzuwenden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 Eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Messkreisleiter eines Kurzschlussmesskreises
2 Eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Überwachungseinrichtung für zwei elektrische Messkreisleiter
3 Eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Kette von Schutzimpedanzen
4 Die Ausführungsform wie 3 mit eingezeichnetem Fehlerfall
5 Die Ausführungsform wie 3 mit eingezeichnetem alternativen Fehlerfall
6 Die Ausführungsform wie 2 mit alternativer Verbindung zum Erdpunkt
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 einer Photovoltaikanlage 4. Das Netz 2 ist mittels eines ersten und zweiten elektrischen Pols 8, 10 an ein Anschlussterminal 6 angeschlossen. Ein elektrischer Messkreis ist mittels einem ersten und zweiten elektrischen Messkreisleiter 12, 14 ebenfalls mit dem Anschlussterminal 6 und somit mit dem ersten bzw. zweiten Pol der Photovoltaikanlage verbunden. Zur Vermeidung hoher Ströme durch den Messkreis und hoher Verluste über den Messkreis ist in den ersten und zweiten Messkreisleiter 12, 14 des Messkreises je ein Schutzbauteil 13, insbesondere eine Schutzimpedanz, geschaltet. Die Schutzimpedanzen sind im vorliegenden Beispiel ohmsche Widerstände. Sollen elektrische Wechselfelder gemessen werden, sind die Schutzbauteile 13 Kondensatoren.
Der elektrische Messkreis ist am weiteren Ende mit einem Erdpunkt 20 verbunden. Zwischen den Messkreisleitern 12, 14 und dem Erdpunkt 20 ist ein erstes Bauteil 16 geschaltet. Das erste Bauteil 16 ist insbesondere ebenfalls eine Impedanz, z. B. ein ohmscher Widerstand, wobei der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 nicht dem Betrag des Widerstands der Schutzbauteile 13 entsprechen muss.
Um den Spannungsabfall an dem ersten Bauteil 16 im Vergleich zu den Schutzbauteilen 13 niedrig zu halten, wird der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 deutlich kleiner als derjenige der Schutzbauteile 13 gewählt. Insbesondere ist der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 um eine Größenordnung von 1000 kleiner als der Betrag der Schutzbauteile 13. In den gezeigten Beispielen haben die Schutzbauteile einen ohmschen Widerstand im Bereich von MΩ, das erste Bauteil 16 hat einen ohmschen Widerstand im Bereich von kΩ.
Ist das isoliert aufgebaute elektrische Netz 2 fehlerfrei, also insbesondere ohne eine falsche, d. h. unerwünschte, Erdverbindung, entsteht zwischen dem Anschlussterminal 6 über den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 und den zweiten elektrischen Messkreisleiter 14 ein geschlossener Stromkreis, wobei die Schutzbauteile 13 so gewählt sind, dass die dort herrschende Stromstärke sehr klein ist.
Bei einer Messung der elektrischen Kenngröße am ersten Bauteil 16 mittels der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 liefert die elektrische Kenngröße des Resultat, ob ein Fehlerzustand des Netzes vorliegt. Fließt über des erste Bauteil 16 in der gezeigten Ausführungsform kein oder nur ein sehr geringer Strom aus dem Netz ab bzw. in das Netz hinein, so liegt kein Erdschluss vor. Die gemessene elektrische Kenngröße ist hier die an dem Widerstand 16 abfallende elektrische Spannung aus der auf den elektrischen Strom geschlossen werden kann.
Bevorzugt wird die Spannung am ersten Bauteil 16 gemessen, indem je ein Abgriff vor und nach dem ersten Bauteil 16 zu der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 führt. Der Abgriff vor dem ersten Bauteil 16 wird als CH1, Kanal 1, der Abgriff nach dem ersten Bauteil 16 als CH2, Kanal 2, bezeichnet. Der Betrag der gemessenen elektrischen Kenngröße, für die gezeigte Ausführungsform die elektrische Spannung, wird direkt mittels eines Analog-Digital-Konverters 24 (ADC 24) in ein Digitalsignal gewandelt. Die weitere Auswertung des Digitalsignals erfolgt über einen Mikrocontroller 26.
Bei einem Fehlerfall, also einer unerwünschten Erdverbindung eines der Pole 8, 10 des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 wird entweder ein Stromfluss in den Messkreis zwischen erstem und zweitem Messkreisleiter 12, 14 auftreten und durch das erste Bauteil 16 fließen, oder es wird ein Stromfluss aus dem Messkreis heraus auftreten und ebenfalls durch das erste Bauteil 16 fließen. In beiden Fällen, also sowohl bei einem Fehlerfall am ersten elektrischen Pol 8 als auch bei einem Fehlerfall am zweiten elektrischen Pol 10 wird der Fehler mittels des ersten Bauteils 16 detektiert werden. Der Fehlerfall wird festgestellt, wenn ein vorbestimmter Schwellwert des Betrags der elektrischen Kenngröße an dem ersten Bauteil 16, in diesem Beispiel der an dem Bauteil 16 abfallenden Spannung, überschritten wird.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche zusätzlich zu dem ersten Bauteil 16 ein zweites Bauteil 18 umfasst. Dabei werden die elektrischen Kenngrößen des ersten Bauteils 16 und des zweiten Bauteils 18 von der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 gemessen und ausgewertet. Auch der Betrag des ohmschen Widerstands des zweiten Bauteils 18 wird wie der Wert des ersten Bauteils 16 kleiner gewählt als die Werte der Schutzbauteile 13, um den Spannungsabfall am ADC 24 zu reduzieren.
Zum Ausgleich der durch das erste Bauteil 16 auf den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 ausgeübten Einfluss, beispielsweise einer Änderung des Gesamtwiderstandes, ist in den zweiten Messkreisleiter 14 ein ausgleichendes Bauteil 15 eingebaut. Das erste Bauteil 16, das zweite Bauteil 18 sowie das ausgleichende Bauteil 15 haben idealerweise denselben ohmschen Widerstand. Wenn die Widerstände des ersten und zweiten Bauteils 16, 18 soweit verschieden sind, dass die gewünschte Präzision nicht erreicht wird, umfasst die Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 eine kompensierende Berechnung oder eine analoge Kompensation der Widerstände. Hierfür umfasst der Mikrocontroller 26 einen Speicher, in welchem die Widerstände der verwendeten Bauteile gespeichert sind. Beispielsweise kann dann bei einer Berechnung mittels des Mikrocontrollers 26 ein Multiplikator für den Betrag eines der erhaltenen Digitalsignale vorgesehen sein, womit darüber hinaus auch eine Anpassung der Mess- und/oder Auswerteelektronik an die verwendeten Bauteile 16, 18 ermöglicht ist, z. B. wenn die Bauteile ausgetauscht werden.
Zur Messung der elektrischen Kenngröße, hier der elektrischen Spannung an den beiden Bauteilen 16, 18 wird ein Abgriff an drei Punkten genommen: vor dem zweiten Bauteil 18, in 2 bezeichnet als CH1 (Kanal 1), zwischen den beiden Bauteilen 16, 18, in 2 bezeichnet als CH2, sowie nach dem ersten Bauteil 16, in 2 bezeichnet als CH3.
Die vorbezeichnete Art der Verschaltung mit dem Abgriff an den drei Punkten (CH1, CH2, CH3) ermöglicht es, bei einer Messung der elektrischen Kenngröße an zwei Bauteilen 16, 18 trotzdem lediglich mit drei Messpunkten auszukommen. So kann die Potentialdifferenz zwischen CH1 und CH2 sowie zwischen CH2 und CH3 gemessen werden. Die gemessenen Potentiale werden mittels eines Analog-Digital-Konverters 24 in Digitalsignale gewandelt. Mittels einfacher digitaler Differenzenbildung wird der Betrag der Potentialdifferenz am zweiten Bauteil 18 nach U2 = CH1 – CH2, der Betrag der Potentialdifferenz am ersten Bauteil 16 nach U1 = CH2 – CH3 ermittelt.
Der in 2 gezeigte Anschluss des ADC 24 an einen Erdpunkt mittels Spannungsteiler (U+ und U–) ermöglicht die Messung sowohl positiver als auch negativer Spannungen, wobei nur noch jeweils der halbe mögliche Spannungsbereich des ADC verwendet werden kann. Je nach Anwendungsfall wird diese oder eine mit 6 gezeigte Anschlussmöglichkeit verwendet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in beide Messkreisleiter 12, 14 je eine Kette von Schutzbauteilen 13 eingebaut ist. Mittels der Kette von Schutzbauteilen 13 werden Schutz- und Kriechstrecken für hohe Spannungen gebildet, da an jedem Schutzbauteil 13 nur ein Teil der Gesamtspannung des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 abfällt. Damit und durch die Abstandsbildung mittels der Aneinanderreihung der Schutzbauteile 13 ist auch bei hohen Betriebsspannungen, insbesondere bei 1000 V und darüber, eine sichere elektrische Trennung des elektrischen Netzes 2 von der Erdumgebung des Erdpunkts 20 gewährleistet.
Es ist ersichtlich, dass auch die in 1 gezeigte Ausführungsform eine solche Kette von Schutzbauteilen 13 aufweisen kann.
In 3 ist weiterhin mit S1 der Stromfluss für den fehlerfreien Fall gezeigt. Die Pfeile I1 bis I4 symbolisieren die erwarteten Ströme. Für den in 3 dargestellten fehlerfreien Fall gilt im gezeigten Ausführungsbeispiel I1 = I2 = I3; I4 = 0. Es fließt also kein Strom an den Erdpunkt ab oder vom Erdpunkt ins Netz. Der homogene Stromfluss bei I1, I2 und I3 kann über CH1, CH2 und CH3 mit der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung festgestellt werden. Dies stellt den Normalzustand dar, welcher mittels der gezeigten Überwachungseinrichtung überwacht werden kann.
4 zeigt die in 3 dargestellte Ausführungsform mit einem mit einer gestrichelten Linie gezeigten Fehlerfall. Der Fehlerfall (Erdschluss) am ersten elektrischen Pol 8 der Photovoltaikanlage 4 stellt einen asymmetrischen Fehler dar, er führt zu einer Veränderung des Stromflusses in der Überwachungseinrichtung, wie mit dem Stromfluss 52 und den Pfeilen I1 bis I4 symbolisch dargestellt ist. Der Stromfluss wird im gezeigten Fehlerfall vom zweiten elektrischen Pol 10 an den Erdpunkt 20 und über eine gemeinsame Bezugspotentialverbindung an den Pol 8 führen. Demgemäß kommt es beim Fehlerfall zu einem unterschiedlichen Stromfluss zwischen dem ersten Bauteil 16 und dem zweiten Bauteil 18, was mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung 22 festgestellt werden kann. Bei einem vollständigen, widerstandslosen Schluss des ersten elektrischen Pols 8 mit dem gemeinsamen Bezugspotentialpunkt 20 wird der Stromfluss durch den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 verschwinden, d. h. auf I3 = 0 A absinken, wie in 4 verdeutlicht. Der hier gezeigte Fehler kann also detektiert werden, indem der Stromfluss durch das erste Bauteil 16 mit dem durch das zweite Bauteil 18 verglichen wird. Bei ungefähr gleichem Betrag des Stromflusses ist das Netz als fehlerfrei anzunehmen. Bei einem deutlichen, durch Schwellwerte definierten Unterschied zwischen den beiden Stromflüssen durch das erste Bauteil 16 bzw. das zweite Bauteil 18 liegt ein Fehlerfall vor.
Im Mikrocontroller wird im einfachsten Fall das Ergebnis der Messung für die erste Potentialdifferenz U1(CH3 – CH2) dividiert durch das Ergebnis der zweiten Potentialdifferenzmessung U2(CH2 – CH1). Eine Abweichung vom Ergebnis U1/U2 = 1 über definierte Schwellwerte hinaus liefert als Ergebnis einen Hinweis auf einen vorliegenden Fehlerfall.
Gegebenenfalls können nach Detektion des Fehlers weitere Anzeige- und/oder Schutzmaßnahmen eingeleitet werden, wie beispielsweise die Aktivierung einer Warnlampe oder eines Warntons oder auch das Trennen und/oder Kurzschließen des gesamten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 zum Schutz der Umgebung wie Personen und/oder Geräten.
5 zeigt ebenfalls die Ausführungsform aus 3 mit einem anderen Fehlerfall. Der Fehlerfall ist ein Erdschluss an dem zweiten elektrischen Pol 10 der Photovoltaikanlage 4 und stellt ebenfalls einen asymmetrischen Fehlerfall dar, der über einen veränderten Stromfluss in der Überwachungseinrichtung festgestellt werden kann. Wie in 5 mit dem Stromfluss S3 sowie den Pfeilen I1 bis I4 gezeigt ist, wird der Strom vom zweiten elektrischen Pol 10 über eine gemeinsame Bezugspotentialverbindung (in diesem Beispiel eine unerwünschte Erdverbindung) zum Bezugspunkt 20 (in diesem Beispiel Erdpunkt 20) und durch den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 wieder in die Photovoltaikanlage 4 fließen. Wie in der Ausführungsform der 4 weist die elektrische Kenngröße des ersten Bauteils 16 einen anderen Betrag auf als diejenige des zweiten Bauteils 18. Im gezeigten Fall der 5 ist die Kenngröße die an dem Widerstand 16 abfallende Spannung, aus der auf den durch den Widerstand 16 fließenden Strom geschlossen wird.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. 6 unterscheidet sich von 2 durch einen alternativen Aufbau der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 sowie durch einen gemeinsam ausgeführten Erdpunkt 20. Die Diode V1 koppelt den Kurzschlussmesskreis vom Erdpunkt 20 ab, die Versorgungsspannung vcc speist dabei über den Widerstand R31 eine definierte Spannung ein, um die Schwellspannung der Diode V1 auszugleichen. Der Analog-Digital-Konverter 24 ist in der gezeigten Ausführungsform direkt mit dem Erdpunkt 20 verbunden. Die gezeigte Ausführungsform macht das gezeigte Messverfahren, insbesondere den Kurzschlussmesskreis, unempfindlicher gegen Erdpotentialschwankungen, da das mit 2 bis 6 gezeigte Messverfahren mit einem direkten Potentialvergleich der beiden Messkreisleiter auskommt und der Stromfluss gegenüber dem Bezugspunkt 20 nicht notwendigerweise gemessen werden braucht. In dieser beispielhaften Ausführung ist damit nur die Messung von positiven Spannungen am ADC 24 möglich, wobei der volle Spannungsbereich des ADC 24 zur Verfügung steht. Mittels V1 wird dabei ferner ein Offset für die Messung am ersten Bauteil 16 vorgegeben, so dass eine Messung dort mit der gezeigten Schaltung ermöglicht ist.
Die Messung des zweiten Bauteils 18 ermöglicht in allen gezeigten Ausführungsformen mit Hilfe einer Weiterverarbeitung im Mikrocontroller 26 auch einen Rückschluss auf die Gesamtanlagenspannung der PV-Anlage.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

2: Isoliert aufgebautes elektrisches Netz der Photovoltaikanlage
4: Photovoltaikanlage
6: Anschlussterminal
8: Erster elektrischer Pol der Photovoltaikanlage
10: Zweiter elektrischer Pol der Photovoltaikanlage
12: Erster elektrischer Messkreisleiter des Kurzschlussmesskreises
13: Schutzbauteil
14: Zweiter elektrischer Messkreisleiter des Kurzschlussmesskreises
15: Ausgleichendes Bauteil
16: Erstes Bauteil
18: Zweites Bauteil
20: Bezugspunkt
22: Mess- und/oder Auswerteeinrichtung
24: Analog-Digital-Konverter
26: Mikrocontroller

Claims

Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz (2) einer Photovoltaikanlage (4), mit einem Kurzschlussmesskreis umfassend einen ersten elektrischen Messkreisleiter (12) zur Verbindung eines ersten elektrischen Pols (8) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit einem Bezugspunkt (20) und einen zweiten elektrischen Messkreisleiter (14) zur Verbindung eines zweiten elektrischen Pols (10) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit dem Bezugspunkt (20), wobei die beiden Messkreisleiter (12, 14) gemeinsam einen Kurzschluss zwischen den beiden elektrischen Polen (8, 10) der Photovoltaikanlage bilden, einem ersten zwischen einem der Messkreisleiter (12, 14) und dem Bezugspunkt (20) geschalteten Bauteil (16) und einer Messeinrichtung (22) zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16), wobei in Ansprechen auf einen Betrag der Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des Betrags der Kenngröße ein elektrischer Schluss der Photovoltaikanlage (4) mit dem Bezugspunkt (20) detektierbar ist.
Überwachungseinrichtung nach vorstehendem Anspruch, ferner mit einem zweiten in den zweiten Messkreisleiter (14) des Kurzschlussmesskreises eingesetzten Bauteil (18), wobei das erste Bauteil (16) zur Messung einer elektrischen Kenngröße im ersten elektrischen Messkreisleiter (12) in den Kurzschlussmesskreis eingesetzt ist.
Überwachungseinrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei die Messeinrichtung (22) zur Messung der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) ausgebildet ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Messeinrichtung (22) eine Komparatorschaltung (24, 26) zum Vergleich des Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) umfasst, wobei die Komparatorschaltung (24, 26) bei unterschiedlichem Betrag der elektrischen Kenngröße einen elektrischen Schluss des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes (2) mit dem Bezugspunkt (20) erkennt.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Kenngröße die an dem ersten bzw. zweiten Bauteil (16, 18) abfallende elektrische Spannung oder der durch das erste bzw. zweite Bauteil (16, 18) fließende elektrische Strom ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Bauteil (16, 18) je eine Impedanz ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindung mit dem Bezugspunkt (20) jeweils über eine Kette aus seriell geschalteten Schutzimpedanzen (13) zur Überbrückung von Luft- und/oder Kriechstrecken realisiert ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden, Ansprüche, wobei in der Komparatorschaltung (24, 26) ein Analog-Digital-Wandler (24) zur Wandlung der elektrischen Kenngröße in ein Digitalsignal sowie ein Mikrocontroller (26) zum Vergleich der Digitalsignale und/oder zum Berechnen von Abweichungen umfasst ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Auswerteeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines Fehlerfalls und/oder eine Schutzeinrichtung zum Kurzschließen oder Abschalten des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes (2) umfasst, um eine mögliche Gefahr für Mensch und Gerät abzuwenden.
Photovoltaikanlage (4), umfassend zumindest ein Photovoltaikmodul zur Erzeugung von elektrischem Strom, wobei das elektrische Netz (2) der Photovoltaikanlage (4) als isoliert aufgebautes elektrisches Netz (2) ausgebildet ist und die Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum sicheren Betrieb einer Photovoltaikanlage (4) mit einem isoliert aufgebauten elektrischen Netz (2), insbesondere mit einer Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte: Messen der elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22), Auswerten der elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22) zum Bestimmen des Vorliegens eines Fehlerfalls des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes (2) der Photovoltaikanlage (4).
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, ferner umfassend die Schritte: Messen der elektrischen Kenngröße des zweiten Bauteils (18) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22), um damit auf den Stromfluss durch den zweiten Messkreisleiter (14) zu schließen, Auswerten der elektrischen Kenngröße des zweiten Bauteils (18) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22), Vergleichen der erhaltenen elektrischen Kenngrößen des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, ferner umfassend die Schritte: Digitalisierung der elektrischen Kenngröße mittels des Analog-Digital-Wandlers (24), Verarbeitung der Digitalsignale mittels des Mikrocontrollers (26) zum Vergleich und/oder zum Berechnen von Abweichungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner umfassend die Schritte: Anzeigen eines Fehlerfalls mittels der Anzeigeeinrichtung und/oder Schützen der Photovoltaikanlage (4) mittels der Schutzeinrichtung, indem das Netz (2) in Ansprechen auf einen einen Fehlerfall anzeigenden Betrag der elektrischen Kenngröße kurzgeschlossen oder abgeschaltet wird.