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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für eine Photovoltaikanlage und ein Betriebsverfahren für eine Sicherheitseinrichtung einer Photovoltaikanlage.
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Photovoltaikanlagen, im Folgenden abkürzend PV-Anlagen genannt, dienen der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Üblicherweise wird dazu eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen, im Folgenden abkürzend PV-Module genannt, von denen jedes eine Zusammenschaltung von mehreren Photovoltaikzellen darstellt, elektrisch als ein Photovoltaikgenerator zusammengeschaltet. Der Photovoltaikgenerator (PV-Generator) ist mit einem häufig entfernt montierten Wechselrichter verbunden, der der Umwandlung des von dem PV-Generator gelieferten Gleichstroms in Wechselstrom dient, welcher zur Einspeisung in ein öffentliches oder privates (Inselbetrieb) Energieversorgungsnetz geeignet ist.
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Die PV-Module werden dabei meist derart serienverschaltet, dass die zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter verlaufenden Gleichstromleitungen mit Spannungen im Bereich von deutlich mehr als 100 V beaufschlagt sind. Eine Spannung dieser Größenordnung ist aus Effizienzgründen sinnvoll, unter anderem um ohmsche Verluste in den Leitungen erträglich klein zu halten, ohne dass ein allzu großer Leitungsquerschnitt gewählt werden muss. Bei Lichteinfall auf die PV-Module besteht aufgrund der hohen Spannung jedoch bei Schadensfällen, z. B. im Brandfall, oder bei Installations- und Wartungsarbeiten die Gefahr eines lebensgefährlichen elektrischen Schlags. Ohne weitere Schutzmaßnahmen lässt sich die Lebensgefahr bei einer direkten Berührung oder einer indirekten Berührung, z. B. über Löschwasser, nur bannen, wenn die Stromerzeugung durch die PV-Module unterbunden wird, beispielsweise durch eine Verdunkelung der PV-Module. Dieses ist bei großen PV-Anlagen oder im Brandfall allerdings nur schwer umsetzbar.
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Um beim Betrieb einer PV-Anlage das Auftreten von gefährlichen Spannungen im Brandfall oder bei Wartungsarbeiten zu vermeiden, ist es bekannt, in räumlicher Nähe zu den PV-Modulen, beispielsweise in einer Anschlussdose des PV-Moduls, Schaltorgane, z. B. Schütze oder Halbleiterschalter, anzuordnen, die vom Wechselrichter oder einer sonstigen Steuerzentrale über Zentralleitungen geschaltet die Verbindungsleitungen zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter spannungslos schalten. Dieses kann durch eine Unterbrechung der Verbindungsleitungen durch die Schaltorgane geschehen oder durch ein Kurzschließen der PV-Module, wie beispielsweise in der Zeitschrift Photon, Ausgabe Mai 2005, S. 75–77 offenbart.
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Die Verbindungsleitungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter können auch, wie in der Druckschrift
DE 10 2005 018 173 A1 offenbart, durch ein einzelnes, am PV-Generator angeordnetes Schaltorgan spannungslos geschaltet werden. Die Druckschriften
DE 10 2009 022 508 A1 und
DE 10 2010 037 760 A1 beschreiben jeweils einen ähnlichen Aufbau einer PV-Anlage, bei der in unmittelbarer Nähe zu einem PV-Generator ein Schaltorgan zur Spannungsfreischaltung der Gleichstromleitungen zwischen dem PV-Generator und einem Wechselrichter vorgesehen ist. Gemäß den beiden Druckschriften werden die Schaltorgane über das Haus-Lichtnetz angesteuert und unterbrechen die Gleichstromleitung entsprechend abhängig vom Vorliegen einer Netzspannung in dem Haus-Lichtnetz. Dieses setzt somit voraus, dass eine Netzleitung bis zum PV-Generator geführt ist.
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In den genannten Fällen werden somit zur Übertragung der Steuersignale zu den Schaltorganen zusätzlich verlegte (Steuer-)Leitungen eingesetzt, was jedoch, insbesondere bei großen PV-Anlagen, mit einem erhöhten Installationsaufwand einhergeht.
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Als Alternative ist aus der Druckschrift
DE 10 2006 060 815 A1 bekannt, die Steuersignale als Hochfrequenzsignale über die Gleichstromleitungen zur Leistungsübertragung zu senden. Die Schaltorgane sind zu diesem Zweck mit einer Steuereinheit versehen, die die hochfrequent übertragenen Steuersignale dekodiert und den Schaltvorgang steuert. Zur Erzeugung der Hochfrequenzsignale sind separate und im Allgemeinen aufwendige und kostenintensive Signalgeneratoren vorgesehen. Die Verwendung von hochfrequenten Signalen bedingt zudem einen relativ hohen Aufwand bei der elektromagnetischen Abschirmung der Signalgeneratoren, um den EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Richtlinien gerecht zu werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherheitseinrichtung für eine PV-Anlage zu schaffen, die bei einfachem Aufbau zuverlässig und sicher verhindert, dass die von einem PV-Generator zu einem Wechselrichter führenden Gleichspannungsleitungen im Gefahrenfall mit hohen Spannungen beaufschlagt sind. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Betriebsverfahren für eine solche Sicherheitseinrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17.
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Eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung für eine Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz weist einen Eingang zur Verbindung mit einem PV-Generator und mindestens einen Ausgang zur Verbindung mit einem Wechselrichter auf und umfasst ein Schaltorgan, um den mindestens einen Ausgang spannungsfrei zu schalten. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie weiter eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Schaltorgan abhängig von einem niederfrequenten Signal an dem mindestens einen Ausgang zu schalten.
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Die Erfindung macht sich zunutze, dass bei handelsüblichen Wechselrichtern zumindest einer der Gleichstromeingänge des Wechselrichters mit einem niederfrequenten Signal geringer Amplitude gegenüber dem Erdpotential beaufschlagt ist, sobald der Wechselrichter mit einem funktionsfähigen Energieversorgungsnetz verbunden ist. Dieses gilt auch, wenn ein internes Schaltorgan des Wechselrichters abgeschaltet ist, beispielsweise nachts, wenn keine zur Einspeisung ausreichende Leistung vom PV-Generator bereitgestellt wird. Nur wenn ein dem Wechselrichter vorgelagertes Trennorgan, z. B. ein Hauptschalter der PV-Anlage oder ein Sicherungshauptschalter des kompletten Gebäudes, geöffnet ist oder wenn das Energieversorgungsnetz keine Spannung bereitstellt, wird kein niederfrequentes Signal an einem der Gleichstromeingänge des Wechselrichters beobachtet. Folglich wird das Schaltorgan über die erfindungsgemäße Detektion des niederfrequenten Signals parallel mit dem dem Wechselrichter vorgelagerten Trennorgan geschaltet, ohne dass eine dedizierte Signalleitung oder Signalübermittlung, beispielsweise über ein hochfrequentes Signal, dazu benötigt wird. Es wird zur Steuerung des Schaltorgans vielmehr das vom Wechselrichter inhärent aufgebrachte niederfrequente (Stör-)Signal zur Steuerung ausgenutzt. Ein übliches Vorgehen im Gefahrenfall, z. B. im Brandfall, besteht darin, mit dem Trennorgan die PV-Anlage von der Wechselstromseite her spannungsfrei zu schalten. Die anmeldungsgemäße Sicherheitseinrichtung schaltet dann automatisch auch die Gleichspannungsseite spannungsfrei und ermöglicht so beispielsweise sichere Löscharbeiten.
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Im Rahmen der Anmeldung ist dabei unter einem spannungsfreien Zustand des mindestens einen Ausgangs ein sicherer Zustand zu verstehen, bei dem eine Berührung von am Ausgang angeschlossenen ggf. freiliegenden Leitern oder Elementen nicht mit einer Lebens- oder Gesundheitsgefährdung einhergeht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung ist das niederfrequente Signal ein Spannungssignal. Besonders bevorzugt weist die Sicherheitseinrichtung dann einen Anschluss zur Verbindung mit einem Erdpotential auf, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das Spannungssignal zwischen dem mindestens einen Ausgang und dem Erdpotential zu bestimmen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung ist das niederfrequente Signal ein Stromsignal. Besonders bevorzugt weist die Sicherheitseinrichtung dann eine mit der Auswerteeinheit verbundene Strommesseinrichtung auf, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, als Stromsignal einen über den mindestens einen Ausgang fließenden Strom zu bestimmen. Beides, die Messung eines Spannungs- oder eines Stromsignals stellen geeignete Möglichkeiten zur Detektion des niederfrequenten Signals dar. Auch eine Kombination, bei der sowohl als auch ein Spannungs- und ein Stromsignal gemessen werden, ist möglich. Je nach Eigenschaften des PV-Generators und abhängig von Betriebs- und Umgebungsbedingungen, z. B. Feuchtigkeit, ist eine Spannungs- oder eine Strommessung besser geeignet, um das niederfrequente Signal sicher zu detektieren. Die Kombination beider Messungen kann somit vorteilhaft für eine sichere Detektion des niederfrequenten Signals sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung hat das niederfrequente Signal eine Frequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz in dem Energieversorgungsnetz entspricht. Besonders bevorzugt entspricht die Frequenz mindestens dem 1-fachen und höchstens dem 10-fachen der Netzfrequenz in dem Energieversorgungsnetz. Das niederfrequente Signal ist bei der Netzfrequenz selbst oder bei einem kleinen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz besonders ausgeprägt, weswegen eine Messung bei einer solchen Frequenz besonders geeignet ist.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Sicherheitseinrichtung erfolgt eine Spannungsfreiheit des mindestens einen Ausganges über einen Kurzschluss an den Eingängen der Sicherheitseinrichtung oder durch ein Auftrennen der Verbindung des mindestens einen Einganges und des mindestens einen Ausganges. Beides sind geeignete Möglichkeiten, um den Ausgang frei von gefährlichen Spannungen zu schalten.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Sicherheitseinrichtung für eine Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz weist die folgenden Schritte auf: Es wird ein Pegel eines niederfrequenten Signals an mindestens einem mit einem Wechselrichter verbundenen Ausgang der Sicherheitseinrichtung bestimmt. Der Ausgang wird mit einem Eingang, der mit einem PV-Generator gekoppelt ist, verbunden, falls der Pegel des niederfrequenten Signals über einem ersten Schwellenwert liegt. Liegt der Pegel des niederfrequenten Signals unter einem zweiten Schwellenwert, wird der Ausgang spannungsfrei geschaltet. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung beschrieben.
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Weitere Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Sicherheitseinrichtung und des Betriebsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von acht Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung einer PV-Anlage mit einer Sicherheitseinrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ein Ersatzschaltbild einer in einem Wechselrichter enthaltenen Messeinrichtung,
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3 bis 6 jeweils ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sicherheitseinrichtung,
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7 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage mit mehreren Sicherheitseinrichtungen in einem weiteren Ausführungsbeispiel und
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8 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage mit einer Sicherheitseinrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer PV-Anlage mit einer Sicherheitseinrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die PV-Anlage weist einen PV-Generator 10 auf, der über Anschlussleitungen 11, 12 mit Eingängen 21 und 22 einer Sicherheitseinrichtung 20 verbunden ist. Die Sicherheitseinrichtung 20 weist zudem Ausgänge 23 und 24 auf, von denen Gleichstromleitungen 13 und 14 zu einem Wechselrichter 30 führen, der über Wechselstromleitungen 17, 18 über ein Trennorgan 40 mit einem Energieversorgungsnetz 50 verbunden ist.
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Beispielhaft ist der PV-Generator 10 in der 1 durch das Schaltzeichen einer einzelnen Photovoltaikzelle symbolisiert. In einer Umsetzung der dargestellten PV-Anlage kann es sich bei dem PV-Generator 10 um ein einzelnes PV-Modul handeln, das seinerseits eine Vielzahl von Photovoltaikzellen enthält. Ebenso kann es sich bei dem PV-Generator 10 auch um eine Serienverschaltung mehrerer PV-Module handeln, einem sogenannten String, bei dem sich die Spannungen der einzelnen PV-Module addieren. Auch eine Parallelverschaltung oder eine gemischte Serien- und Parallelverschaltung von PV-Modulen ist möglich.
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Der Wechselrichter 30 weist als zentrale Komponente einen DC/AC-Wandler 31 auf. An seinem DC-seitigen Eingang weist der Wechselrichter 30 eine Eingangskapazität auf, die in der Figur durch einen parallel zum Eingang geschalteten Eingangskondensator 32 symbolisiert ist. Beispielhaft ist der DC/AC-Wandler 31 – und damit der Wechselrichter 30 – für eine einphasige Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 50 ausgelegt. Es versteht sich jedoch, dass der Wechselrichter 30 ebenso mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgelegt sein kann. Auch das Energieversorgungsnetz 50 ist vorliegend nur einphasig mit einer Phase L und einem Nullleiter N dargestellt, wobei es selbstverständlich weitere Phasen aufweisen kann, die nur bei der gezeigten PV-Anlage nicht kontaktiert werden. Zudem besteht im Energieversorgungsnetz 50 ein Erdschluss des Nullleiters N auf ein Erdpotential PE. Das Erdpotential PE steht über einen weiteren Erdungsanschluss, eine Erdleitung 15 und den Anschluss 25 auch der Sicherheitseinrichtung 20 und über eine Erdleitung 16 auch dem Wechselrichter 30 zur Verfügung.
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Gegebenenfalls enthält der Wechselrichter zwischen Eingangskapazität 32 und DC/AC-Wandler 31 zusätzlich einen DC/DC-Wandler und eine nachgeschaltete Zwischenkreiskapazität (in 1 nicht dargestellt). Der DC/DC-Wandler wandelt die DC-Spannung des PV-Generators in eine DC-Spannung, die innerhalb des Arbeitsbereiches des DC/AC-Wandlers liegt, und stellt die gewandelte DC-Spannung an der Zwischenkreiskapazität bereit.
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Wechselstromseitig ist der DC/AC-Wandler 31 über ein zweipoliges internes Schaltorgan 33 mit dem Ausgang des Wechselrichters 30 und damit letztlich mit dem Energieversorgungsnetz 50 verbindbar. Das interne Schaltorgan 33 trennt dabei sowohl die Phase L, als auch den Nullleiter N der Verbindung zum Energieversorgungsnetz 50. Bei einem mehrphasigen Wechselrichter 30 ist das interne Schaltorgan 33 entsprechend mehrpolig ausgeführt, sodass sich die Trennung vom Energieversorgungsnetz 50 auf alle Phasen erstreckt.
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Weiter umfasst der Wechselrichter 30 eine Messanordnung 34, die zum einen mit dem Wechselstromausgang des Wechselrichters 30 verbunden ist und zum anderen eine Verbindung mit der Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers 31 hat. Die Messeinrichtung 34 dient der Bestimmung von Parametern der Netzspannung, die für den Betrieb des Wechselrichters 30 relevant sind. Informationen über diese Parameter der Netzspannung werden insbesondere auch dann benötigt, wenn das ausgangsseitige interne Schaltorgan 33 geöffnet ist. So wird z. B. während der Aufstartphase des Wechselrichters die Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers mit der Netzspannung in Amplitude und Phase synchronisiert. Diese Synchronisation erfolgt bei geöffnetem internen Schaltorgan 33. Erst nach erfolgter Synchronisation wird der Wechselrichter durch Schließen des internen Schaltorgans 33 an das Netz angebunden. Daher ist die Messeinrichtung 34 unmittelbar am Ausgang des Wechselrichters 30 und nicht am Wechselstromausgang des DC/AC-Wandlers 31 kontaktiert.
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Die Sicherheitseinrichtung 20 dient dazu, im Gefahrenfall unabhängig von der vom PV-Generator 10 bereitgestellten Spannung das Auftreten von gefährlich hohen Spannungen an den Ausgängen 23, 24 und somit an den Gleichstromleitungen 13, 14, die zum Wechselrichter 30 führen, zu verhindern. Da der PV-Generator 10 bei Lichteinstrahlung die Anschlussleitungen 11, 12 mit einer Spannung von u. U. lebensgefährlicher Höhe beaufschlagt, wird die Sicherheitseinrichtung 20 bevorzugt möglichst nah am PV-Generator 10 positioniert, um die Länge der Anschlussleitungen 11, 12 entsprechend kurz zu halten.
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Um die Ausgänge 23, 24 und damit die Gleichstromleitungen 13, 14 spannungsfrei schalten zu können, weist die Sicherheitseinrichtung 20 ein Schaltorgan 29 zwischen den Eingängen 21, 22 und den Ausgängen 23, 24 auf, das von einer Treiberschaltung 28 angesteuert wird. Das Schaltorgan 29 kann beispielsweise ein Schütz sein, es ist aber auch der Einsatz von Halbleiterschaltern denkbar. Geeignete Halbleiterschalter sind hier z. B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistors). Das Schaltorgan 29 kann wie dargestellt beide Ausgänge 23 und 24 schalten. Es ist aber ebenso möglich, mittels des Schaltorgans 29 nur einen der Ausgänge 23 oder 24 zu schalten. Auch kann, beispielsweise zur Erhöhung der Schaltsicherheit, vorgesehen sein, mehrere Schalter, beispielsweise mehrere Halbleiterschalter, in einer Reihenverschaltung als Schaltorgan 29 einzusetzen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Schaltorgan Mittel zur Löschung und/oder zur Vermeidung eines Schaltlichtbogens auf. Ein Schaltlichtbogen kann z. B. durch die Verwendung eines Vakuum-Schaltschützes oder durch eine Kombination von Halbleiterschaltern und elektromechanischen Schaltern gelöscht beziehungsweise vermieden werden. Anstelle einer Trennung der Verbindungen zwischen den Eingängen 21, 22 und den Ausgängen 23, 24 ist es auch möglich, das Schaltorgan so anzuordnen, dass zur Spannungsfreischaltung die Eingänge 21, 22 kurzgeschlossen werden.
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Die Treiberschaltung 28 und über diese das Schaltorgan 29 werden von einer Auswerteeinheit 27 angesteuert, die über ein Filter 26 mit dem Ausgang 24 und somit mit dem negativen Gleichspannungspotential DC– des Wechselrichters 30 verbunden ist und die über den Eingang 25 mit Erdpotential PE verbunden ist. Die Komponenten der Sicherheitseinrichtung 20 werden über die an den Eingängen 21, 22 anliegende PV-Spannung versorgt. Entsprechende Einrichtungen zur Stromversorgung der Komponenten (Tiefsetzsteller, Spannungsregler, usw.) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Der Filter 26 lässt bevorzugt niederfrequente Wechselspannung passieren, insbesondere Wechselspannung, deren Frequenz ein kleines ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist. Der Filter 26 kann also z. B. auf die 1-fache Netzfrequenz (Grundfrequenz), die 2-fache oder eine mehrfache Netzfrequenz ausgelegt sein. Die Frequenz, auf die der Filter 26 ausgelegt ist, übersteigt typischerweise jedoch nicht das 10-fache der Netzfrequenz Er kann beispielsweise als analoger Bandpassfilter oder Hochpassfilter ausgeführt sein. Auch eine digitale Signalverarbeitung mit einer entsprechenden Filtercharakteristik eines Band- oder Hochpassfilters ist zur Realisierung des Filters 26 denkbar.
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Die Auswerteeinheit 27 ist dazu eingerichtet, den Pegel des Signals am Ausgang des Filters 26 gegenüber dem Erdpotential PE zu bestimmen und abhängig von der Größe des Pegels das Schaltorgan 29 zu schalten. Nur wenn eine vorgegebene Höhe des Pegels überschritten wird, schaltet das Schaltorgan 29 ein und verbindet die Ausgänge 23, 24 mit den Eingängen 21, 22 und beaufschlagt so die Gleichstromleitungen 13, 14 mit der PV-Spannung.
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Wie im Zusammenhang mit 2 noch detaillierter erläutert wird, ist bei handelsüblichen Wechselrichtern 30 der negative Gleichstromeingang (DC–) mit einem niederfrequenten, üblicherweise netzfrequenten, Signal geringer Amplitude gegenüber dem Erdpotential beaufschlagt, sobald der Wechselrichter 30 mit einem funktionsfähigen Energieversorgungsnetz 50 verbunden ist. Dieses gilt auch, wenn das interne Schaltorgan 33 des Wechselrichters 30 abgeschaltet ist, beispielsweise nachts, wenn keine zur Einspeisung ausreichende Leistung vom PV-Generator 10 bereitgestellt wird. Nur wenn das dem Wechselrichter 30 vorgelagerte Trennorgan 40, z. B. ein Hauptschalter der PV-Anlage oder ein Sicherungshauptschalter des kompletten Gebäudes, geöffnet ist oder wenn das Energieversorgungsnetz 40 keine Spannung bereitstellt, wird kein niederfrequentes Signal am negativen Gleichstromeingang (DC–) des Wechselrichters 30 beobachtet. Folglich wird das Schaltorgan 29 über die Detektion des netzfrequenten Signals parallel mit dem dem Wechselrichter 30 vorgelagerten Trennorgan 40 geschaltet, ohne dass eine dedizierte Signalleitung oder Signalübermittlung über ein hochfrequentes Signal dazu benötigt wird. Es wird zur Steuerung des Schaltorgans 29 vielmehr das vom Wechselrichter 30 inhärent aufgebrachte netzfrequente (Stör-)Signal zur Steuerung ausgenutzt. Ein übliches Vorgehen im Gefahrenfall, z. B. im Brandfall, besteht darin, mit dem Trennorgan 40 die PV-Anlage von der Wechselstromseite her spannungsfrei zu schalten. Die anmeldungsgemäße Sicherheitseinrichtung 20 schaltet dann automatisch auch die Gleichspannungsseite spannungsfrei und ermöglicht so beispielsweise sichere Löscharbeiten.
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Im Folgenden wird anhand der 2 der Ursprung des zur Steuerung des Schaltorgans 29 benutzten Signals erläutert.
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2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Messeinrichtung 34 des Wechselrichters 30. Zweck der Messeinrichtung 34 ist es, Parameter des Energieversorgungsnetzes, beispielsweise die Höhe und den Zeitverlauf der Netzspannung zur Steuerung des Wechselrichters 30 und insbesondere zur Steuerung des DC/AC-Wandlers 31 in Form einer ungefährlichen Kleinspannung zur Messung der Parameter bereitzustellen. Im dargestellten Fall stellt das Potential DC– am negativen Gleichstromeingang, also an dem in 1 mit der Gleichstromleitung 14 verbundenen Eingang des Wechselrichters 30 innerhalb des DC/AC Wandlers 31 das Referenzpotential, auch Massepotential genannt, dar. Innerhalb der Messeinrichtung 34 werden die Phase L und der Nullleiter N des Energieversorgungsnetzes 50 über ein Netzwerk aus Kondensatoren 341 bis 344 und Widerständen 345 und 346 auf ein leichter handhabbares Kleinsignalniveau mit diesem Referenzpotential DC– als Bezugspotential gebracht. Die eigentliche Messung der Netzspannungsparameter ist in dem Ersatzschaltbild der 2 nicht dargestellt, sie erfolgt an dem durch Pfeilspitzen symbolisierten Messpunkten 347 und 348.
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Für den Anmeldungsgegenstand ist dabei relevant, dass durch die Kopplung zwischen der AC- und der DC-Seite der negative und/oder positive Gleichstromeingang des Wechselrichters 30 mit einer netzfrequenten Wechselspannung gegenüber dem Erdpotential PE beaufschlagt wird. Die Amplitude dieses aufgebrachten Wechselspannungssignals ist von der Höhe der Netzspannung, den Größen der Kopplungselemente, also der Kopplungskondensatoren 341 bis 344 sowie der Kopplungswiderstände 345, 346 abhängig, sowie von einer Erdschlusskapazität 350, die die Kapazität der Gleichspannungsseite der PV-Anlage, insbesondere des PV-Generators 10 sowie der Gleichstromleitungen 11, 12 und 13, 14 gegenüber dem Erdpotential PE hat. In 2 ist diese Erdschlusskapazität durch einen Ersatzkondensator 350 symbolisiert.
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In vielen Fällen koppelt das netzfrequente Signal von der DC– Gleichstromleitung 14 über den Eingangskondensator 32 und/oder einen Zwischenkreiskondensator (nicht dargestellt) auch auf die DC+ Gleichstromleitung 13 über, so dass letztendlich auf beiden Gleichstromleitungen 13, 14 das netzfrequente Signal vorhanden ist. Zusätzlich zu dem dargestellten Fall ist auch denkbar, dass als Referenzpotential für die Spannungsmessung das DC+ Potential anstelle des DC– Potentials gewählt wird. In diesem Fall wird das netzfrequente Signal zunächst auf die DC+ Gleichstromleitung 13 eingekoppelt. Von dort aus wird es dann über den Eingangskondensator 32 und/oder ggf. den Zwischenkreiskondensator auf die DC– Gleichstromleitung 14 übertragen. Auch hier ist das Signal dann letztendlich auf beiden Gleichstromleitungen 13, 14 vorhanden. Alternativ zu den dargestellten Ausführungsbeispielen, bei denen der Filter 26 ein auf der DC– Gleichstromleitung 14 anliegendes Signal am Ausgang 24 der Sicherheitseinrichtung 20 abgreift, kann der Filter auch mit dem Ausgang 23 verbunden sein, um ein auf der DC+ Gleichstromleitung 13 anliegendes Signal abzugreifen.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sicherheitseinrichtung 20, wie sie in einer in 1 gezeigten PV-Anlage eingesetzt sein könnte, dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser wie auch den folgenden Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 1. Einrichtungen zur Stromversorgung der Komponenten der Sicherheitseinrichtung 20 sind wiederum nicht dargestellt.
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Vom Grundaufbau entspricht die Sicherheitseinrichtung 20 der 3 der der 1. Bezüglich der Ein- und Ausgänge 21–24, des Schaltorgans 29 und der Treiberschaltung 28 wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 1 verwiesen. Zur Auskopplung des netzfrequenten Signals am Ausgang 24 wird hier eine induktive Kopplung 261 eingesetzt, beispielsweise realisiert durch eine Rogowski-Spule. Die Rogowski-Spule bildet so eine Strommesseinrichtung für niederfrequenten Strom, der über den Ausgang 24 fließt. Das ausgekoppelte Stromsignal wird nach Filterung durch den Filter 26 zusammen mit dem Erdpotential PE der Auswerteeinheit 27 zugeführt. Die Auswerteeinheit 27 ist beispielsweise als Komparator ausgeführt, dem ein gleichrichtender Verstärker vorgeschaltet ist. Wenn der Pegel des Signals am Ausgang des Filters 26 einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt, schaltet die Treiberschaltung 28 das Schaltorgan 29 ein. Wird ein zweiter vorbestimmter Wert unterschritten schaltet die Treiberschaltung 28 das Schaltorgan 29 wieder aus. Der erste vorbestimmte Wert entspricht einem ersten Einschalt-Schwellenwert für das Signal und der zweite vorbestimmte Wert einem Ausschalt-Schwellenwert. Bevorzugt ist eine Schalthysterese vorgesehen, indem der Ausschalt-Schwellenwert unter dem Einschalt-Schwellenwert liegt, um ein gesichertes Schaltverhalten zu erzielen. Weiter ist bevorzugt die Verstärkung des Verstärkers in der Auswerteeinheit 27 einstellbar, um die Sicherheitseinrichtung 20 an den Signalpegel des netzfrequenten Signals anzupassen, da dieser, wie im Zusammenhang mit 2 ausgeführt ist, für unterschiedliche PV-Anlagen individuell verschieden sein kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird das netzfrequente Signal als Stromsignal detektiert. Um zu gewährleisten, dass auch bei geöffnetem Schaltelement 29 ein niederfrequentes Stromsignal auf zumindest der DC– Gleichstromleitungen 14 fließen kann und am Ausgang 24 beobachtbar ist, ist ein Kondensator 262 vorgesehen, der einen niederfrequenten Stromfluss zum Erdpotential PE hin ermöglicht. Alternativ kann auch ein Kondensator 263 (in der 3 gestrichelt dargestellt) vorgesehen sein, der den mit dem Ausgang 24 verbundenen Schaltkontakt des Schaltorgans 29 überbrückt. Durch einem solchen Kondensator 263 wird ein niederfrequenter Stromfluss zum Erdpotential hin über den PV-Generator 10 ermöglicht, z. B. wenn der PV-Generator 10 mit einem seiner Anschlüsse (einpolig) geerdet ist.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sicherheitseinrichtung 20 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 3 ist hier der Filter 26 direkt an den Ausgang 24 angekoppelt. Es wird also nicht ein Stromsondern ein Spannungssignal detektiert. Alternativ ist es auch möglich, sowohl ein Strom- als auch ein Spannungssignal zu detektieren. Die Betriebszustände und die Umgebungsbedingungen, z. B. Feuchtigkeit, beeinflussen die Erdschlusskapazität (vgl. Ersatzkondensator 350 in 2) des PV-Generators 10 und damit seine Impedanz gegenüber dem Erdpotential PE. Je nach Impedanz gegenüber dem Erdpotential PE ist das Spannungs- oder das Stromsignal am Ausgang 24 ausgeprägter. Das Detektieren von sowohl Strom- als auch Spannungssignal bietet den Vorteil, dass unabhängig von den Betriebszuständen und Umgebungsbedingungen des Wechselrichters 30 und des PV-Generators 10 ein aussagekräftiges Signal zur Verfügung steht.
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Zudem ist das Schaltorgan 29 in diesem Ausführungsbeispiel dreistufig ausgelegt. Neben den Ein- und Ausschaltstufen ist eine mittlere Schaltstufe vorgesehen, in der die Ein- und Ausgänge 21, 22 bzw. 23, 24 über je einen hochohmigen Widerstand 291, 292 verbunden sind.
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Bei zunächst eingeschaltetem Trennorgan 40, aber ausgeschaltetem internem Schaltorgan 33 des Wechselrichters 30 (z. B. nachts) zeigt das netzfrequente Signal am Ausgang 24 nur einen geringen Pegel. Wenn dann die PV-Spannung steigt und die Sicherheitseinrichtung 20 ihre Funktion aufnimmt, das Vorliegen des netzfrequenten Signals detektiert und, wie es beim Ausführungsbeispiel der 3 ist, das Schaltorgan 29 unmittelbar einschaltet, wird durch die hinzu geschaltete Kapazität des PV-Generators 10 gegenüber dem Erdpotential PE der Pegel des Signals verringert. Dieses könnte dazu führen, dass der Pegel des netzfrequenten Signals unter den Schwellenwert fällt, bei dem das Schaltorgan 29 wieder abgeschaltet. Um dieses zu verhindern wird bei dem Ausführungsbeispiel der 4 beim Überschreiten der Einschaltschwelle zunächst die mittlere Schaltstufe des Schaltorgans 29 aktiviert und, falls die Einschaltschwelle auch nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, die beispielsweise im Bereich von einigen 10 Sekunden liegt, überschritten ist, wird das Schaltorgans 29 ganz eingeschaltet. Durch die mittlere Schaltstufe wird der Eingang des Wechselrichters 30 mit Gleichspannung beaufschlagt, woraufhin der seinen Betrieb aufnimmt und das interne Schaltorgan 33 einschaltet. Der Einfluss der Kapazität des PV-Generators ist durch die Widerstände 291, 292 verringert, weswegen der Einschaltpegel zunächst weiter überschritten wird. Durch das Einschalten des internen Schaltorgans 33 steigt der Pegel des netzfrequenten Signals in der Regel zudem an. Wenn nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit das Schaltorgans 29 ganz eingeschaltet wird, ist der Pegel des netzfrequenten Signals dadurch ausreichend hoch, um auch durch die vollständig wirksame Kapazität des PV-Generators 10 nicht wieder unter die Ausschaltschwelle zu fallen. Es ist auch denkbar, die mittlere Schaltstufe des Schaltorgans 29 als zusätzliche Kontrolle für die Existenz des Freigabesignales während einer Ausschaltprozedur des Schaltorganes 29 zu nutzen. Fällt der Pegel des Signales am Ausgang 24 unter den zweiten vorbestimmten Wert, so wird zunächst die mittlere Schaltstufe aktiviert. Bei dieser wird kontrolliert, ob der zweite vorbestimmte Wert zur vollständigen Abschaltung weiterhin unterschritten wird. Ist dies der Fall, erfolgt die vollständige Abschaltung, anderenfalls wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit das Schaltorgan wieder ganz eingeschaltet.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung 20 ist auch denkbar, dass sowohl ein niederfrequentes Spannungs- als auch ein niederfrequentes Stromsignal detektiert wird. Das Schaltorgan 29 schaltet dann ein, wenn entweder Strom- oder Spannungssignal über einem vorgegebenen Pegel liegen. In einem solchen Fall kann unabhängig von Umgebungsbedingungen, z. B. Feuchtigkeit, die die Impedanz des PV-Generators 10 gegenüber dem Erdpotential PE beeinflussen, erreicht werden, dass das netzfrequente Signal sicher detektiert wird.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sicherheitseinrichtung 20 gezeigt. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen wird hier neben dem niederfrequenten Signal am Ausgang 24 auch die Höhe der PV-Spannung an den Eingängen 21 und 22 ausgewertet und bei der Steuerung des Schaltorgans 29 berücksichtigt. Dazu ist ein Spannungsschwellenwertschalter 281 vorgesehen, dessen Ausgang mit der Treiberschaltung 28 verbunden ist. Nur wenn die PV-Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt und das netzfrequente Signal den zuvor bereits beschriebenen vorgegebenen Kriterien genügt, schaltet das Schaltorgan 29 ein. Durch die Berücksichtung der Höhe der PV-Spannung kann verhindert werden, dass der Wechselrichter einen Einschaltversuch unternimmt, wenn die PV-Spannung und damit die von dem PV-Generator maximal bereitgestellte Leistung für einen Betrieb des Wechselrichters noch nicht ausreichend ist, z. B. in der Morgendämmerung. Derartige Einschaltversuche führen zu nicht notwendigen Schaltvorgängen des Schaltorgans 29 und gegebenenfalls auch des internen Schaltorgans 33, wodurch deren Lebensdauer verringert wird.
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Die Detektion des netzfrequenten Signals am Ausgang 24 erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel der 4 spannungsgekoppelt. Sie ist vorliegend etwas detaillierter dargestellt. Das am Ausgang des Filters 26 anliegende Signal wird über einen Spannungsteiler aus dem Widerstand 271 und der Parallelschaltung eines weiteren Widerstands 272 mit einer Zenerdiodenanordnung 273 in der Höhe seiner Amplitude begrenzt, um eine Zerstörung oder Übersteuerung der nachfolgenden Komponenten zu verhindern. Das spannungsbegrenzte Signal wird zunächst von einem Verstärker 274 verstärkt. Bevorzugt weist der Verstärker 274 einen einstellbaren Verstärkungsfaktor auf, der eine optimale Anpassung an Höhe des netzfrequenten Signals und damit an die PV-Anlage ermöglicht. Das verstärkte Signal wird in einem nachgeschalteten Gleichrichter 275 gleichgerichtet und geglättet und einem Komparator 277 zugeführt. Dort wird es mit einer Referenzspannung, die von einer mit dem Erdpotential verbundenen Referenzspannungsquelle 276 bereitgestellt wird, verglichen.
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6 zeigt eine Erweiterung der Schaltung aus 5. Es sind hier ausgehend von dem Ausgang des Filters 26 zwei Detektionsschaltungen vorgesehen. Eine erste entspricht der in 5 gezeigten und ist vorliegend durch zwei Widerstände 271a, 272a, eine Zenerdiodenanordnung 273a, einen Verstärker 274a, einen Gleichrichter 275a, eine Referenzspannungsquelle 276a und einen Komparator 277a gebildet. Eine zweite Detektionsschaltung weist einen zweiten Gleichrichter 275b, eine zweite Referenzspannungsquelle 276b und einen zweiten Komparator 277b auf. Der zweite Gleichrichter 275b ist über einen Schalter 278 mit dem Ausgang des Filters 26 verbunden, wobei wiederum ein Widerstand 272b und eine Zenerdiodenanordnung 273b zur Spannungsbegrenzung vorhanden sind. Die Ausgänge der beiden Komparatoren 277a, 277b werden über ein Oder-Glied 282 miteinander verknüpft und dann der Treiberschaltung 28 zugeführt. Die zweite Detektionsschaltung weist dabei eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf als die erste. Der Schalter 278 sei zunächst geschlossen. Die zweite Detektionsschaltung ist dazu geeignet, bereits bei den kleinsten zu erwartenden Signalpegeln des netzfrequenten Signals am Ausgang 24 das Schaltorgan 29 sicher einzuschalten. Wenn im Betrieb des Wechselrichters 30 deutlich höhere Signalpegel auftreten, spricht auch die erste Detektionsschaltung an und steuert das Schaltorgan 29 über das Oder-Glied 282 und die Treiberschaltung 28 ebenfalls an. Bevorzugt wird bei Existenz relativ hoher Signalpegel der Schalter 278 geöffnet und dadurch die zweite Detektionsschaltung vor Übersteuerung geschützt.
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7 zeigt in einer Darstellung ähnlich zur 1 schematisch den Grundaufbau einer PV-Anlage mit Sicherheitseinrichtungen in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Bei der PV-Anlage der 7 sind mehrere, hier beispielhaft drei, PV-Generatoren 10 vorgesehen, die nachfolgend auch als PV-Teilgeneratoren 10 bezeichnet werden. Jeder der PV-Teilgeneratoren 10 ist mit je einer separaten Sicherheitseinrichtung 20 verbunden. Die Ausgänge der Sicherheitseinrichtungen 20, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht mit Bezugszeichen versehen sind, sind in Serie zueinander geschaltet. Die Serienschaltung der Sicherheitseinrichtungen 20, die bei jeweils geschlossenen Schaltorganen 29 auch einer Serienschaltung der PV-Teilgeneratoren 10 entspricht, ist mit dem Eingang des Wechselrichters 30 verbunden. Dieser ist wiederum über ein Trennorgan 40 (z. B. einen Anlagenhauptschalter) an ein Energieversorgungsnetz 50 angebunden. Das Trennorgan 40 und das Energieversorgungsnetz 50 sind in der 5 aus Platzgründen nicht dargestellt.
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Bezüglich der Sicherheitseinrichtungen 20 und des Wechselrichters 30 wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit den vorstehenden Figuren verwiesen. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen sind bei den Sicherheitseinrichtungen 20 der 7 jedoch zusätzlich Kondensatoren 264 zwischen den Ausgängen der Sicherheitseinrichtungen 20 vorgesehen. Die Kondensatoren gewährleisten ähnlich wie die Kondensatoren 262 und 263 in der 3, dass auch bei geöffneten Schaltelementen 29 ein niederfrequentes Signal an den Ausgängen aller Sicherheitseinrichtungen 20 vorliegt. Ein solches niederfrequentes, insbesondere netzfrequentes Signal kann also von jeder der Sicherheitseinrichtungen 20 getrennt detektiert werden, woraufhin die entsprechende Sicherheitseinrichtungen 20 ihr Schaltelementen 29 einschaltet. Wenn dieses bei jeder der Sicherheitseinrichtungen 20 erfolgt ist, werden die Gleichstromleitungen 13, 14 und der Eingang des Wechselrichters 30 mit der durch die Serienschaltung aufsummierten PV-Spannung der PV-Teilgeneratoren beaufschlagt.
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Eine derartige Sicherheitseinrichtung 20 mit Kondensator 264 an den Ausgängen eignet sich insbesondere zur Integration mit einem einzelnen PV-Modul als PV-Teilgenerator 10. Besonders bevorzugt kann die Sicherheitseinrichtung 20 dabei in eine Anschlussdose des PV-Moduls integriert werden. Dadurch wird ein Exponieren von Leitungen, die mit einer potentiell gefährlichen Spannung beaufschlagt sind, gänzlich vermieden.
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8 zeigt schematisch den Grundaufbau einer PV-Anlage mit einer Sicherheitseinrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Grundaufbau entspricht diese PV-Anlage der in 7 dargestellten. Wiederum sind mehrere PV-Teilgeneratoren 10 seriell verschaltbar angeordnet und mit einem Wechselrichter 30 gekoppelt. Im Unterschied zu dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorliegend zu jedem der PV-Teilgeneratoren 10 eine Schalteinheit 20b vorgesehen. Jede der Schalteinheiten 20b ist über eine Steuerleitung 20c mit einer zentralen Detektionseinrichtung 20a verbunden, wobei die Schalteinheiten 20b zusammen mit den Steuerleitungen 20c und der zentralen Detektionseinrichtung 20a die Sicherheitseinrichtung 20 bilden. Die zentrale Detektionseinrichtung 20a ist bevorzugt generatornah angeordnet, um einen Verdrahtungsaufwand bei den Steuerleitungen 20c möglichst gering zu halten. Die zentrale Detektionseinrichtung 20a weist solche Komponenten der Sicherheitseinrichtung 20 auf, die im Zusammenhang mit allen PV-Teilgeneratoren 10 gemeinsam genutzt werden können, beispielsweise den Filter 26 und die Auswerteeinheit 27. Die Schalteinheiten 20b umfassen jeweils zumindest das Schaltorgan 29 und ggf., wie im vorliegenden Beispiel, je eine Treiberschaltung 28 für das Schaltorgan 29. Die Treiberschaltung 28 könnte jedoch ggf. auch zentral in der Detektionseinrichtung 20a angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- PV-Generator
- 11, 12
- Anschlussleitung
- 13, 14
- Gleichstromleitung
- 15, 16
- Erdleitung
- 17, 18
- Wechselstromleitung
- 20
- Sicherheitseinrichtung
- 20a
- zentrale Detektionseinrichtung
- 20b
- Schalteinheit
- 20c
- Steuerleitung
- 21, 22
- Eingang
- 23, 24
- Ausgang
- 25
- Anschluss
- 26
- Filter
- 261
- induktive Kopplung
- 262–264
- Kondensator
- 27
- Auswerteeinheit
- 271, 272
- Widerstand
- 273
- Zenerdiodenanordnung
- 274
- Verstärker
- 275
- Gleichrichter
- 276
- Referenzspannungsquelle
- 277
- Komparator
- 28
- Treiberschaltung
- 281
- Spannungsschwellenwertschalter
- 282
- Oder-Glied
- 29
- Schaltorgan
- 291, 292
- hochohmiger Widerstand
- 30
- Wechselrichter
- 31
- DC/AC-Wandler
- 32
- Eingangskondensator
- 33
- internes Schaltorgan
- 34
- Messanordnung
- 341–344
- Kopplungskondensator
- 345–346
- Kopplungswiderstand
- 347, 348
- Messpunkt
- 350
- Erdschlusskapazität
- 40
- Trennorgan
- 50
- Energieversorgungsnetz
- N
- Nullleiter
- L
- Phase
- PE
- Erdpotential
