DE102011106632A1

DE102011106632A1 - Wechselrichter mit Überwachung des Feuchtezustandes und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102011106632A1
Application number: DE102011106632A
Authority: DE
Inventors: Ralf Andrae
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-18
Also published as: JP6042883B2; US20140166635A1; EP2721711B1; WO2012172048A3; WO2012172048A2; EP2721711A2; US9351342B2; CN103597696A; JP2014517676A; CN103597696B; DE102011106632B4

Abstract

Es wird ein Wechselrichter zur Umwandlung elektrischer Leistung aus einem Gleichspanungsgenerator mittels eines Wandlers und Einspeisung der elektrischen Leistung in ein Netz offenbart. Der Wechselrichter umfasst hierbei einen Feuchtesensor im Inneren eines Gehäuses des Wechselrichters, eine mit dem Feuchtesensor zur Übertragung eines Feuchtewertes verbundene Kontrolleinheit zur Steuerung des Wandlers, sowie ein mit der Kontrolleinheit verbundenes Heizelement. Die Kontrolleinheit ist dazu eingerichtet, den Wandler in Abhängigkeit des Feuchtewertes derart zu steuern, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Feuchte die Spannung des Gleichspannungsgenerators unterhalb eines lichtbogenvermeidenden Spannungswertes gehalten und die Leistung des Gleichspannungsgenerators zumindest überwiegend dem Heizelement zugeführt wird. In einer weiteren offenbarten Ausführung bleibt bei Überschreiten des Grenzwertes für die Feuchte der Gleichspannungsgenerator vom Wechselrichter getrennt und die dem Heizelement zugeführte Energie wird aus dem Netz entnommen. Offenbart sind weiterhin den beiden Ausführungsvarianten zugeordnete Betriebsverfahren für den Wechselrichter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zur Umwandlung und Einspeisung von elektrischer Leistung aus einem Gleichspannungsgenerator, insbesondere aus Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen), in ein Netz, sowie ein Betriebsverfahren für einen solchen Wechselrichter.
Die Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe der Photovoltaik gewinnt zunehmend an Bedeutung. Eine Vielzahl von dezentralen Energieerzeugungsanlagen dieser Art ist inzwischen weltweit installiert, wobei gleichzeitig die typische Einspeiseleistung als wesentliche Kennzahl dieser Anlagen wächst. Insbesondere bei hoher Einspeiseleistung ist es üblich, eine große Anzahl von PV-Modulen in Reihe zu einem sogenannten String zu verschalten, der mit dem Wechselrichter verbunden ist. Als Folge liegen an den Eingangsleitungen des Wechselrichters im Betrieb hohe Gleichspannungswerte an. Um die Bildung von Lichtbögen im Inneren des Wechselrichtergehäuses zu verhindern, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Wechselrichters führen würden, werden ausreichende Isolationsabstände zwischen den spannungsführenden Leitern vorgesehen. Dennoch kommt es immer wieder zu Lichtbogenereignissen bei Wechselrichtern, die im Extremfall nicht nur zur Zerstörung des Wechselrichters führen können, sondern in der Folge zu Bränden, wenn die Auswirkungen des Lichtbogens nicht auf das Innere des Gehäuses beschränkt bleiben. Daher werden aus Sicherheitsgründen zumeist massive Metallgehäuse (Blech- oder Druckgußgehäuse) eingesetzt, die über eine gewisse Zeitdauer diese Auswirkungen eines brennenden Lichtbogens auf das Gehäuseinnere begrenzen können, die aber auch einen hohen Anteil an den Herstellkosten heben.
Häufig werden Lichtbogenereignisse dadurch ausgelöst, dass sich im Inneren des Wechselrichters eine ausreichende Feuchtigkeit angesammelt hat, so dass sich entlang der Oberflächen Kriechstrecken zwischen den spannungsführenden Komponenten bilden können, welche die Isolationsabstände überbrücken können. Entlang dieser Kriechstrecken fließen bei anliegender Spannung Kriechströme, die sich zu Lichtbögen verstärken oder Korrosion verursachen können, was wiederum aufgrund einer Erhöhung von Kontaktwiderständen zu Folgeproblemen wie Geräteausfällen oder Kontakterwärmung bis hin zum Brand führen kann. Die Erfahrung zeigt, dass auch bei Gehäusen, bei denen das Innere mit einer hohen Schutzklasse gegen Einflüsse von Außen geschützt ist, zum Beispiel mit der bei Wechselrichtern üblichen Schutzklasse IP65, sich im Laufe der Zeit Feuchtigkeit im Inneren ansammeln kann. Ursache hierfür ist häufig ein Druckausgleichselement, das die durch die Temperaturschwankungen verursachte Volumenänderung der Luftmenge im Gehäuse durch Luftaustausch mit der Umgebung kompensiert, wodurch feuchte Umgebungsluft in das Gehäuse gelangen kann, so dass sich größere Feuchtigkeitsmengen im Gehäuseinneren im Laufe der Zeit selbst dann akkumulieren, wenn der direkte Eintritt von Regenwasser nicht erfolgt.
Die Druckschrift WO 2004/040724 befasst sich daher mit einem Schaltschrank für elektronische Geräte wie Computer dessen Klimawerte wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit überwacht und aktiv beeinflusst werden. Diese technische Lehre ist aber nur begrenzt auf Wechselrichter übertragbar, deren Klimatisierungsmöglichkeiten des Gehäuseinneren begrenzt sind. Gleichzeitig existieren diverse Druckschriften, die Vorrichtungen und Verfahren beschreiben, mit denen PV-Generatoren von den Wechselrichtern elektrisch getrennt und/oder kurzgeschlossen werden, wenn ein Gefahrenfall (wie Brand, Lichtbogen und Überhitzung) detektiert wird. Beispielhaft wird an dieser Stelle auf die Druckschrift DE 10 2006 060 815 verwiesen. Nachteilig ist bei diesen Lösungen, dass die Maßnahmen erst nach Eintritt des schädigenden Ereignisses eingeleitet werden.
Um die schädlichen Auswirkungen von eingedrungener Feuchtigkeit bei Wechselrichtern zu vermeiden oder zu begrenzen, ist es wünschenswert, die im Inneren des Gehäuses anliegenden Spannungen beim Vorliegen eines Gerätezustandes, bei dem Kriechströme auftreten können, auf unschädliche Maximalwerte zu begrenzen, so dass die vorgenannten schädigenden Vorgänge oder andere mit den Kriechströmen verbundene unerwünschte Prozesse unterbleiben. Gleichzeitig ist es wünschenswert, den Wechselrichter von einem Ausgangszustand ohne oder mit reduzierter Einspeisung, insbesondere einen solchen Zustand, bei dem Feuchtigkeit im Geräteinneren eine nicht ausreichende elektrische Isolation zwischen spannungsführenden Leitern verursacht, möglichst schnell in einen Gerätezustand zu überführen, bei dem der Wechselrichter normal, d. h. insbesondere unter Nutzung von Generatorspannungen mit maximaler Leistungsabgabe (Maximum Power Point – MPP) der Gleichspannungsgeneratoren betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Vorrichtungsansprüche 1 und 13, sowie durch die unabhängigen Verfahrensansprüche 16 und 21 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter zur Umwandlung elektrischer Leistung aus einem Gleichspannungsgenerator, insbesondere einem PV-Generator, mittels eines Wandlers in eine netzkonforme Wechselspannung zur Einspeisung der elektrischen Leistung in ein mit dem Wechselrichter verbundenes Netz umfasst demzufolge einen Feuchtesensor im Inneren eines Gehäuses des Wechselrichters. Dieser Feuchtesensor ist dazu eingerichtet, die Menge der im Gehäuse befindlichen Feuchtigkeit, insbesondere der Luftfeuchtigkeit bzw. einer Kondensflüssigkeit, zu bestimmen und als Signal an eine mit dem Feuchtesensor verbundene Kontrolleinheit zur Steuerung des Wandlers zu übermitteln. In Abhängigkeit der bestimmten Feuchtemenge, insbesondere wenn die Feuchtemenge einen Grenzwert überschreitet, steuert die Kontrolleinheit den Wandler in der Weise, dass die Spannung des Gleichspannungsgenerator auf einen Wert unterhalb eines lichtbogenvermeidenden Spannungswertes gehalten wird. Gleichzeitig sorgt die Kontrolleinheit dafür, dass die vom Gleichspannungsgenerator in diesem Zustand abgegebene Leistung einem mit der Kontrolleinheit verbundenen Heizelement zugeführt wird.
Die dem Heizelement zugeführte elektrische Leistung dient dazu, das Innere des Wechselrichtergehäuses zu erwärmen, um die Feuchtigkeit aus dem Gehäuse oder zumindest aus den Isolationsbereichen zwischen den spannungsführenden Leitern zu entfernen. Hierzu ist das Heizelement vorzugsweise als resistives Heizelement, zum Beispiel als Widerstandsdraht oder als Leiterbahn auf oder im Inneren einer Leiterplatte, im letzteren Fall insbesondere einer Mehrlagen-Platine, ausgebildet. Das Heizelement wird dabei vorzugsweise so platziert, dass die Isolationsbereiche schnell erwärmt werden, so dass dort kondensierte Feuchtigkeit effektiv entfernt werden kann. Die Entfernung der Feuchtigkeit kann dadurch gesteigert werden, dass der Wechselrichter einen Lüfter umfasst, in dessen Luftstrom das Heizelement angeordnet ist, bzw. der so platziert ist, dass er die vom Heizelement erzeugte Wärme effektiv im Gerät verteilen kann.
Die Entfernung der Feuchtigkeit aus dem Gehäuse bzw. aus den Isolationsbereichen wird mithilfe eines oder mehrerer Feuchtesensoren überwacht, die vorzugsweise in der Nähe von Anschlussleitern des Gleichspannungsgenerators bzw. in der Nähe von anderen spannungsführenden Leitern (zum Beispiel in der Nähe eines Zwischenkreises des Wechselrichters) platziert sind. Es ist ebenfalls denkbar, einen Feuchtesensor in der Nähe eines Feuchtesammelbereiches des Gehäuses zu platzieren, d. h. eines Bereiches, in dem sich Kondensat typischerweise ansammelt bzw. im Falle eines sich durch den Betrieb erwärmenden Wechselrichters erst zu einem späten Zeitpunkt verdampft. Dies kann beispielsweise der tiefste Punkt im Wechselrichtergehäuse oder eine Stelle im Gehäuse sein, die der Luftstrom eines Lüfters nicht oder nur unzureichend erreicht.
In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff lichtbogenvermeidender Spannungswert ein Wert der Spannung gemeint, der so niedrig ist, dass bei der vorliegenden Feuchtemenge im Gehäuse des Wechselrichters sichergestellt ist, dass keine derart hohen Ströme zwischen den spannungsführenden Leitern im Inneren des Wechselrichters fließen können, dass hieraus ein Lichtbogen entstehen kann, oder dass korrosive Prozesse insbesondere an den Kontakten der spannungsführenden Leiter diese derart schädigen, dass langfristig der Übergangswiderstand der Kontakte erheblich ansteigt und zu einem Leistungsverlust oder einem Ausfall des Wechselrichters führt. Der lichtbogenvermeidende Spannungswert hängt hierbei sowohl von der vorliegenden Feuchtemenge als auch von den Isolationsabständen und den im Wechselrichter verwendeten Materialien ab. Typischerweise wird davon ausgegangen, dass bei Spannungen unterhalb 80 V die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Lichtbögen in einem Wechselrichter ausreichend gering ist. Bei entsprechender Dimensionierung der Abstände und Auswahl der Materialien können auch höhere Werte, zum Beispiel 120 V oder 200 V als ausreichend lichtbogenvermeidend angesehen werden. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die dem Heizelement zur Verfügung stehende elektrische Leistung stark zunimmt, wenn eine höhere Spannung für den Gleichspannungsgenerator zugelassen werden kann. Hierdurch lässt sich die erforderliche Zeitdauer stark verkürzen, bis der Grenzwert für die Feuchte unterschritten wird, d. h. der Wechselrichter entfeuchtet ist.
In dem Fall, dass die dem Heizelement zugeführte elektrische Leistung aus dem Gleichspannungsgenerator stammt, ist es vorteilhaft, eine AC-Trennstelle zur schaltbaren Trennung des Wechselrichters vom Netz vorzusehen, die mit der Kontrolleinheit derart verbunden ist, dass der Wechselrichter vom Netz getrennt bleibt, solange der Grenzwert für die Feuchte überschritten ist, und der Wechselrichter erst dann mit dem Netz verbunden wird, wenn der Grenzwert für die Feuchte unterschritten wird.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters wird die dem Heizelement zugeführte elektrische Leistung nicht dem Gleichspannungsgenerator, sondern dem Netz entnommen. Hierzu ist die Kontrolleinheit derart eingerichtet, dass bei Überschreiten des Grenzwertes für die Feuchte der Gleichspannungsgenerator vom Wechselrichter getrennt ist bzw. bleibt und dem Heizelement eine Vorwärmleistung aus dem Netz zugeführt wird. In dieser Ausführungsform kann die Zeitdauer zur Entfeuchtung des Wechselrichters weiter verkürzt werden, da die zum Vorwärmen und damit zum Entfeuchten des Wechselrichters zur Verfügung stehende elektrische Leistung optimal gewählt werden kann.
In beiden beschriebenen alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann der Wechselrichter weiterhin eine Sicherungseinheit umfassen, mit der mindestens ein Sicherheitssensor zur Überwachung des Gehäuseinneren hinsichtlich des Auftretens eines Gefahrenereignisses verbunden ist. Die Sicherungseinheit ist hierbei dazu eingerichtet, im Falle des Auftretens des Gefahrenereignisses den Wechselrichter vom Gleichspannungsgenerator und vom Netz zu trennen und so jeglichen Leistungsfluss in das Innere des Wechselrichters zu unterbinden.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass mit dem Begriff Gefahrenereignis jedes Ereignis gemeint ist, bei denen die durch den Wechselrichter fließende elektrische Leistung unkontrolliert in Wärme umgewandelt wird, insbesondere Lichtbögen oder thermische Überlastungen von Komponenten des Wechselrichters wie Leistungsschalter, Kondensatoren oder Wickelgüter. Entsprechende Sicherheitssensoren können Rauchdetektoren, elektrischen Lichtbogendetektoren, die die von den Lichtbögen erzeugten hochfrequenten Schwingungen detektieren, oder optische bzw. Infrarotdetektoren umfassen. Die optischen oder infrarotoptischen Sensoren können beispielsweise eine ortsauflösende Detektion ermöglichen. Ebenso ist es möglich, besonders gefährdeten Wechselrichterkomponenten individuelle Sensoren, auch andere, konventionelle Temperatursensoren wie Thermoelemente, Thermodioden etc., zuzuordnen. Alternativ kann eine selektive Überwachung von Bereichen oder Einzelkomponenten des Wechselrichters auch durch den Einsatz von ortsauflösenden optischen oder infrarotoptischen Detektoren erreicht werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Erfassung von Gefahrenereignissen bei gleichzeitiger Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen gesteigert werden kann.
Im Falle einer effektiven Absicherung des Wechselrichters bei Auftreten der oben genannten Gefahrenereignisse mithilfe der Sicherungseinheit und der zugeordneten Sicherheitssensoren ist es möglich, die kostspieligen Metallgehäuse der Wechselrichter durch kostengünstigere Gehäuse aus Kunststoff zu ersetzen, insbesondere aus Kunststoffen mit flammenhemmenden Eigenschaften. In diesem Fall ist es ausgeschlossen, dass eine unkontrollierte Umwandlung elektrischer Leistung aus dem Generator oder aus dem Netz in Wärme durch den Wechselrichter in dem Maße stattfindet, dass Sicherheitsanforderungen hinsichtlich einer Freisetzung der Energie in die Umgebung nur durch ein Metallgehäuse verhindert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren für einen Wechselrichter zur Einspeisung einer von einem Gleichspannungsgenerator erzeugten Leistung in ein Netz umfasst das Bestimmen eines Feuchtewertes im Inneren eines Gehäuses des Wechselrichters, zum Beispiel mittels eines Feuchtesensors. Wenn ein Grenzwert für den Feuchtewert überschritten wird, wird eine Generatorspannung des Gleichspannungsgenerators auf einen Wert unterhalb eines lichtbogenvermeidenden Spannungswertes eingestellt. Hierbei wird die vom Gleichspannungsgenerator erzeugte Leistung zumindest überwiegend innerhalb des Gehäuses in Wärme umgesetzt. Erst dann, wenn der bestimmte Feuchtewert einen Grenzwert für die Feuchte unterschreitet, wird die Generatorspannung auf eine MPP-Spannung eingestellt. In diesem Zustand kann der Wechselrichter den Gleichspannungsgenerator bei maximaler Leistungsabgabe betreiben und die erzeugte Leistung in das Netz einspeisen.
Vorzugsweise werden diese Verfahrensschritte als Teil eines Aufstartvorganges des Wechselrichters, beispielsweise am Morgen bei Sonnenaufgang, durchgeführt, da die Wahrscheinlichkeit mangelnder Isolationsabstände z. B. aufgrund einer möglichen Kondensatbildung bei noch nicht betriebswarmen Wechselrichtern besonders hoch ist.
Um die Zeitdauer zu verkürzen, in der der Wechselrichter eine geringere Gleichspannung am Generator einstellt, ist es von Vorteil, die Bestimmung des Feuchtewertes wiederholt oder auch kontinuierlich durchzuführen, bis der Grenzwert unterschritten wird. Aus gleichem Grunde ist es auch von Vorteil, die gesamte vom Gleichspannungsgenerator an den Wechselrichter übertragene Leistung im Gehäuse in Wärme umzuwandeln, wobei hierzu ein eigenständiges Heizelement oder auch eine auch zur Umwandlung der Leistung ohnehin im Wechselrichter integrierte Komponente eingesetzt werden kann. Im letzteren Fall eignet sich beispielsweise die Wandlereinheit, die durch eine geeignete Ansteuerung der darin verbauten Schalter einen kurzzeitigen, gepulsten Stromfluss ermöglicht. Bei sehr kurzer Ansteuerung dieser Schalter werden diese nur teilweise leitfähig und es wird ein erheblicher Teil der Leistung bei hoher Ansteuerfrequenz in den Schaltern als Schaltverluste in Wärme umgewandelt, was im Normalbetrieb unerwünscht wäre.
Es ist zur Überwachung und Diagnose des Wechselrichters hilfreich, die Zeitdauer bis zum Unterschreiten des Grenzwertes, bzw. die Häufigkeit, mit der der Wechselrichter bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest zeitweise den Grenzwert für die Feuchte überschreitet, zu erfassen und für eine Auswertung zur Verfügung zu stellen. So ist es möglich, besonders betroffene Wechselrichter zu identifizieren und gegebenenfalls einen Servicetechniker zu verständigen, der Probleme mit eindringender Feuchtigkeit beseitigen kann.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens stammt die zum Vorwärmen des Wechselrichters verwendete Leistung aus dem Netz. In diesem Fall umfasst das Verfahren ein Bestimmen des Feuchtewertes im Inneren des Wechselrichtergehäuses, wobei der Gleichspannungsgenerator und der Wechselrichter voneinander getrennt sind. Bei Überschreiten des Grenzwertes für den Feuchtewert erfolgt eine Erwärmung des Wechselrichters mittels einer vom Netz entnommenen elektrischen Leistung solange, bis der Grenzwert unterschritten wird. Erst dann wird der Gleichspannungsgenerator mit dem Wechselrichter verbunden und eine Generatorspannung eingestellt, bei der eine maximale Leistungsabgabe (MPP-Spannung) des Generators zur Netzeinspeisung erfolgt.
Optional kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens das Gehäuseinnere des Wechselrichters zusätzlich hinsichtlich eines Auftretens eines Gefahrenereignisses überwacht und der Wechselrichter vom Netz und vom Gleichspannungsgenerator getrennt werden, wenn ein solches Ereignis auftritt. Ein solches Gefahrenereignis kann eine Rauchentwicklung im Wechselrichter sein, die über einen Rauchdetektor überwacht werden kann. Ebenso ist es möglich, das Auftreten eines Lichtbogens mittels optischer oder elektrischer Lichtbogendetektoren zu überwachen, bzw. über infrarotsensitiver Detektoren oder Temperatursensoren eine übermäßige Erwärmung von Komponenten des Wechselrichters zu detektieren. Hierbei weisen optische und infrarotsensitive Detektoren den weiteren Vorteil auf, dass sie ebenfalls das Öffnen des Gehäuses aufgrund des einfallenden Außenlichtes feststellen und den Wechselrichter unverzüglich durch die Trennung von Netz und Generator sichern können, wodurch die Gefährdung einer den Wechselrichter öffnenden Person vermieden oder zumindest erheblich reduziert wird. Der Wechselrichter kann in diesem Fall weitere Warnsignale abgeben, z. B. akustische oder elektrische Signale.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren illustriert, die in erläuternder, nicht aber in einschränkender Weise zu interpretieren sind. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Komponenten eines erfindungsgemäßen Wechselrichters,
2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines weiteren erfindungsgemäßen Wechselrichters, erweitert um Zusatzkomponenten,
3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Heizelementes als Teil einer Leiterplatte des Wechselrichters
4 ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren und
5 eine Darstellung einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter 10, der über Verbindungsleitungen DC+, DC– mit einem Gleichstromgenerator 30 zur Energieübertragung verbunden ist. Im Inneren eines Gehäuses 20 des Wechselrichters 10 ist eine Wandlereinheit 160 angeordnet, die die Leistung des Generators 30 in eine netzkonforme Wechselspannung umwandelt und an ein angeschlossenes Netz 150 über Verbindungsleitungen AC überträgt. Im Inneren des Gehäuses 20 ist weiterhin ein Feuchtesensor 110 untergebracht, der ein dem Feuchtewert entsprechendes Messsignal an eine Kontrolleinheit 120 übermittelt. Die Kontrolleinheit 120 ist zur Steuerung des Wechselrichters 10, insbesondere des Wandlers 160, eingerichtet und ist mit einem Heizelement 130 verbunden, so dass die auf das Heizelement 130 übertragene Leistung durch die Kontrolleinheit 120 steuerbar ist. Optional kann weiterhin die Kontrolleinheit 120 ebenfalls zur Ansteuerung eines Lüfters 140 ausgebildet sein, der die durch das Heizelement 130 erzeugte Wärme im Inneren des Gehäuses 20 verteilen kann.
Der Feuchtesensor 110 ist ein konventioneller Feuchtesensor, beispielsweise ein Sensor, dessen Leitfähigkeit sich aufgrund der Feuchtigkeit ändert, oder ein solcher, der ein Dielektrikum mit feuchtigkeitsabhängiger Dielektrizitätskonstante enthält. Andere vorbekannte Feuchtesensoren sind ebenfalls denkbar.
Die Kontrolleinheit 120 kann die elektrische Leistung, die es an das Heizelement 130 weiterleitet, beispielsweise aus der Wandlereinheit 160 entnehmen. Die Wandlereinheit 160 umfasst hierbei einen DC/DC-Wandler, insbesondere einen Hochsetzsteller, einen Zwischenkreis und eine Wandlerbrücke, so dass die Wandlereinheit sowohl die Aufgabe der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung als auch die Kontrolle der Generatorspannung des Gleichspannungsgenerators 30 übernehmen kann.
Es ist ebenfalls denkbar, dass diese elektrische Leistung direkt aus dem Gleichstromgenerator 30 oder dem angeschlossenen Netz 150 entnommen wird.
In einer speziellen Ausführungsform wird das Heizelement 130 durch Schalter oder andere Komponenten der Wandlereinheit 160 gebildet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Kontrolleinheit 120 so einzurichten, dass die Ansteuerung der Wandlereinheit 160 die gewünschte Wärmemenge erzeugt.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter, der über die Komponenten hinaus, die bereits in 1 gezeigt sind, zusätzlich eine Sicherungseinheit 220 aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter beim Auftreten eines Gefahrenereignisses zuverlässig in einen sicheren Zustand zu überführen, indem die Sicherungseinheit 220 die Verbindung zum Gleichstromgenerator 30 mittels einer DC-Trennstelle 200 und/oder zum Netz 150 mittels einer AC-Trennstelle 210 steuert, so dass bei Auftreten des Gefahrenereignisses jegliche Energiezufuhr in das Innere des Wechselrichtergehäuses 20 unterbunden wird. Die Anordnung der Trennstellen 200, 210 kann sowohl außerhalb des Wechselrichtergehäuses 20 als auch in dessen Innerem realisiert sein. Hierzu ist die Sicherungseinheit 220 mit der Kontrolleinheit 120 zur Übermittlung eines Trennsignals verbunden, wobei die Kontrolleinheit 120 bei Anliegen des Trennsignals die entsprechende Ansteuerung der DC-Trennstelle 200 bzw. der AC-Trennstelle 210 übernimmt. Natürlich ist es ebenso möglich, dass die Sicherungseinheit 220 die Trennstellen 200, 210 direkt ansteuert.
Das Auftreten eines solchen Ereignisses wird durch eine Anzahl von Sensoren überwacht, die im Inneren des Wechselrichtergehäuses 20 untergebracht sind und mit der Sicherungseinheit 220 verbunden sind. Solche Sensoren können einen Rauchdetektor 230, einen optischen Detektor 240 oder einen Infrarotdetektor 250 umfassen. Sobald einer dieser Sicherheitssensoren einen Zustand detektiert, der einem Gefahrenereignis zugeordnet ist, trennt die Sicherungseinheit 220 bzw. die Kontrolleinheit 120 die elektrische Verbindung zum Generator 30 bzw. zum Netz 150.
Durch die Kombination von Komponenten zur kontrollierten Entfeuchtung des Wechselrichters mit Komponenten zur zuverlässigen Detektion von Gefahrenereignissen im Inneren des Wechselrichters ist es möglich, das Risiko des Auftretens von brandauslösenden Ereignissen soweit zu reduzieren, dass es möglich wird, das Gehäuse des Wechselrichters aus Kunststoff zu gestalten. Ein weiteres Senken dieses Risikos ist möglich, wenn flammenhemmende Kunststoffe als Material des Gehäuses eingesetzt werden. Auf diese Weise ist eine erhebliche Kostenreduktion bei der Herstellung von Wechselrichtern möglich. In 3 ist eine spezielle Anordnung eines resistiven Heizelementes 320 als Ausführungsform des Heizelementes 130 gezeigt. Das Heizelement 320 wird durch eine Leiterbahn als Teil einer Leiterplatte 300 gebildet und verläuft meanderförmig, um zum einen einen gewünschten Widerstandswert, und zum anderen eine gleichmäßige Erwärmung eines durch Feuchtigkeit besonders beeinträchtigten Leiterplattenbereiches, zum Beispiel eines Isolationsabstandes zwischen 2 spannungsführenden Leitern 310, zu ermöglichen. Die beiden spannungsführenden Leiter 310 können jeweils mit den Verbindungsleitungen DC+, DC– zum Gleichstromgenerator 30 verbunden sein, so dass über den Isolationsabstand die gesamte Generatorspannung abfällt. Bei einer Mehrlagen-Leiterplatte kann die Leiterbahn des Heizelements 320 im Inneren der Leiterplatte verlaufen, so dass eine zuverlässige Isolation zwischen den spannungsführenden Leitern 310 und dem Heizelement 320 unter allen Betriebsumständen sichergestellt ist. Selbstverständlich ist es nicht notwendig, das Heizelement 320 innerhalb des Isolationsabstandes zwischen den spannungsführenden Leitern 310 zu platzieren, lediglich eine effektive Erwärmung und damit eine effektive Entfeuchtung des Isolationsbereiches soll gewährleistet werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren des Wechselrichters 10. In einem ersten Verfahrensschritt 400 wird geprüft, ob eine Aufnahme des Betriebs des Wechselrichters erfolgen kann, zum Beispiel indem die Generatorspannung U_gen mit einem vorbestimmten Minimalwert U_min zum Start des Wechselrichters verglichen wird. Bei Überschreiten des Minimalwerts U_min wird in einem zweiten Schritt 410 eine Feuchtigkeitsmessung im Inneren des Gehäuses des Generators durchgeführt. In einem dritten Verfahrensschritt 420 wird verglichen, ob der gemessenen Feuchtewert ρ_WR unterhalb eines für den Betrieb des Generators unkritischen Grenzwertes ρ_gr liegt. Ist dies nicht der Fall, wird das Innere des Wechselrichters in einem vierten Verfahrensschritt 430 erwärmt, bis die Feuchtigkeitsmessung einen Feuchtewert ρ_WR im Inneren des Wechselrichters ermittelt, der unterhalb des unkritischen Grenzwerts ρ_gr liegt. Ist dies der Fall, wird zu einem fünften Verfahrensschritt 440 verzweigt, bei dem der normale Aufstartvorgang des Wechselrichters initiiert bzw. fortgesetzt wird.
Bei einer ersten Variante des Betriebsverfahrens wird die elektrische Leistung für die Vorwärmung des Wechselrichters im vierten Verfahrensschritt 430 durch den Gleichspannungsgenerator 30 erzeugt, dessen Spannung während dieser Zeit auf eine lichtbogenvermeidende Spannung, zum Beispiel auf einen Wert unterhalb von 80 V reduziert ist, Die Einstellung der Spannung erfolgt hierbei durch den Wechselrichter, beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung der Wandlereinheit 160 durch die Kontrolleinheit 120. Gleichzeitig kann durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter der Wandlereinheit 160 wie oben beschrieben zumindest ein Teil der vom Gleichspannungsgenerator erzeugten Leistung zur Erwärmung des Wechselrichters 10 auch von dem Wandler 160 in Wärme umgewandelt werden, während der Rest der Leistung einem weiteren Heizelement zugeführt Werden kann. Es ist hierbei ebenfalls denkbar, anstatt eines festen oberen Grenzwertes für die Generatorspannung einen variablen Wert zu wählen, der in Abhängigkeit des gemessenen Feuchtewertes bestimmt wird.
Bei einer zweiten Variante des Betriebsverfahrens stammt die elektrische Leistung für die Vorwärmung des Wechselrichters im vierten Verfahrensschritt 430 aus dem an den Wechselrichter 10 angeschlossenen Netz 150. Hierbei ist es vorteilhaft, den Gleichspannungsgenerator 30 während der Vorwärmphase vollständig vom Wechselrichter 10 zu trennen, und beide Komponenten erst dann miteinander zu verbinden, wenn der Feuchtewert im Inneren des Wechselrichters den unkritischen Grenzwert unterschritten hat.
Das vorgeschriebene Betriebsverfahren für den Wechselrichter kann ergänzt werden um eine Überwachung des Gehäuseinneren des Wechselrichters hinsichtlich eines Auftretens eines Gefahrenereignisses, beispielsweise eines Lichtbogens, eines Schwelbrandes oder offenen Brandes oder einer übermäßigen Erwärmung bis hin zu einer Explosion von Komponenten des Wechselrichters. Sobald ein solches Ereignis detektiert wird, wird der Wechselrichter sowohl vom Netz als auch vom Gleichspannungsgenerator elektrisch getrennt, um einen weiteren Leistungsfluss in des gefährdete Innere des Wechselrichters zu unterbinden und so jede Energiequelle für das Ereignis zu entfernen. Die Überwachung hinsichtlich solcher Ereignisse kann durch eine Rauchdetektion, eine elektrische Lichtbogendetektion oder optische bzw. infrarotoptische Detektion erfolgen.
5 zeigt einen schematischen Aufbau einer Hausanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Fotovoltaik. Das Dach eines Gebäudes 510 trägt hierbei den Gleichspannungsgenerator 30 in Form von PV-Modulen. Diese sind über eine Trennvorrichtung 500, die in der Nähe des Gleichspannungsgenerators 30 angebracht ist, und eine Generatorzuleitung 530 mit dem erfindungsgemäßen Wechselrichter 10 verbunden, der weiterhin über eine Netzzuleitung 520 mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz (nicht gezeigt) verbunden ist. Die Trennvorrichtung 500 wird hierbei über die Kontrolleinheit des Wechselrichters 10 wie vorher beschrieben angesteuert. Durch die räumliche Trennung der Trennvorrichtung 500 und des Wechselrichters 10 wird sowohl im Falle eines Defektes des Wechselrichters 10 als auch im Falle eines Hausbrandes eine zusätzliche Sicherheit erreicht, da die Generatorzuleitung 530 in diesen Fallen spannungsfrei geschaltet wird, so dass sie keine Gefährdung für Rettungskräfte oder die Hausbewohner darstellt. Das Schalten in einen spannungsfreien Zustand kann sowohl durch Auftrennen der Zuleitungen zum Generator als auch durch deren Kurzschließen erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden können. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen, und um weitere vorbekannte Verfahrensweisen oder Komponenten zu ergänzen, mit dem Ziel, schädliche Auswirkungen von eingedrungener Feuchtigkeit in das Innere eines Wechselrichters zu begrenzen oder zu vermeiden, und so zu einem Wechselrichter mit verbesserter Betriebssicherheit zu gelangen.
Bezugszeichenliste

10: Wechselrichter
20: Gehäuse
30: Gleichstromgenerator
110: Feuchtesensor
120: Kontrolleinheit
130: Heizelement
140: Lüfter
150: Netz
160: Wandlereinheit
200: DC-Trennstelle
210: AC-Trennstelle
220: Sicherungseinheit
230, 240, 250: Sicherheitssensoren
300: Leiterplatte
310: Spannungsführende Leiter
320: Heizelement
400, 410, 420, 430, 440: Verfahrensschritte
500: Trennvorrichtung
510: Gebäude
520: Netzzuleitung
530: Generatorzuleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/040724 [0004]
DE 102006060815 [0004]

Claims

Wechselrichter (10) zur Umwandlung elektrischer Leistung aus einem Gleichspanungsgenerator (30) mittels einer Wandlereinheit (160) und Einspeisung der elektrischen Leistung in ein Netz (150), umfassend: – einen Feuchtesensor (110) im Inneren eines Gehäuses (20) des Wechselrichters (10); – eine mit dem Feuchtesensor (110) zur Übertragung eines Feuchtewertes verbundene Kontrolleinheit (120) zur Steuerung der Wandlereinheit (160), und – ein mit der Kontrolleinheit (120) verbundenes Heizelement (130), wobei die Kontrolleinheit (120) dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (160) in Abhängigkeit des Feuchtewertes derart zu steuern, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Feuchte die Spannung des Gleichspannungsgenerators (30) unterhalb eines lichtbogenvermeidenden Spannungswertes gehalten und die Leistung des Gleichspannungsgenerators (30) zumindest überwiegend dem Heizelement (130) zugeführt wird.
Wechselrichter nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (130) ein resistives Heizelement ist.
Wechselrichter nach Anspruch 2, wobei das resistive Heizelement die Leiterbahn einer Leiterplatte (300) umfasst.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (130) einen Halbleiterschalter der Wandlereinheit (160) umfasst.
Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (10) weiterhin einen Lüfter (140) umfasst, in dessen Luftstrom das Heizelement (130) angeordnet ist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Feuchtesensor (110) eine Mehrzahl von Sensoren umfasst, wobei einer der Sensoren in der Nähe von Anschlussleitern des Gleichspannungsgenerators (30) angeordnet ist, und ein weiterer der Sensoren in der Nähe eines Feuchtesammelbereiches des Gehäuses (20) angeordnet ist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine durch die Kontrolleinheit (120) angesteuerte AC-Trennstelle (210), die den Wechselrichter (10) vom Netz (150) trennt, solange der Grenzwert für die Feuchte überschritten ist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der lichtbogenvermeidende Spannungswert kleiner als 80 V ist.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: – eine Sicherungseinheit (220) und – mindestens einen mit der Sicherungseinheit (220) verbundenen Sicherheitssensor (230, 240, 250) zur Überwachung des Gehäuseinneren hinsichtlich des Auftretens eines Gefahrenereignisses, wobei die Sicherungseinheit (220) dazu eingerichtet ist, bei Auftreten des Gefahrenereignisses den Wechselrichter (10) vom Gleichspannungsgenerator (30) und vom Netz (150) zu trennen.
Wechselrichter nach Anspruch 9, wobei der Sicherheitssensor (230, 240, 250) einen Rauchdetektor, einen elektrischen Lichtbogendetektor, ein Temperatursensor, einen optischen Detektor oder einen Infrarotdetektor umfasst.
Wechselrichter nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Wechselrichter (10) ein Kunststoffgehäuse aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 11, wobei der Kunststoff des Gehäuses flammenhemmendes Material aufweist.
Wechselrichter (10) zur Umwandlung elektrischer Leistung aus einem Gleichspanungsgenerator (30) mittels einer Wandlereinheit (160) und Einspeisung der elektrischen Leistung in ein Netz (150), umfassend: – einen Feuchtesensor (110) im Inneren eines Gehäuses (20) des Wechselrichters (10), – eine mit dem Feuchtesensor (110) zur Übertragung eines Feuchtewertes verbundene Kontrolleinheit (120) zur Steuerung der Wandlereinheit (160) und – ein mit der Kontrolleinheit (120) verbundenes Heizelement (130), wobei die Kontrolleinheit (120) dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (160) in Abhängigkeit des Feuchtewertes derart zu steuern, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Feuchte der Gleichspannungsgenerator (30) vom Wechselrichter (10) getrennt ist und dem Heizelement (130) eine Vorwärmleistung aus dem Netz (150) zugeführt wird.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (10) zur Erfassung der Zeitdauer eingerichtet ist, in der die Feuchte den Grenzwert überschreitet.
Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungsgenerator (30) einen photovoltaischen Generator umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (10) zur Einspeisung einer von einem Gleichspannungsgenerator (30) erzeugten Leistung in ein Netz (150) umfassend die Schritte: – Bestimmen eines Feuchtewertes im Inneren eines Gehäuses (20) des Wechselrichters (10), – im Falle des Überschreitens eines Grenzwertes für den Feuchtewert Einstellen einer Generatorspannung des Gleichspannungsgenerators (30) auf einen Wert unterhalb eines lichtbogenvermeidenden Spannungswertes, wobei eine vom Gleichspannungsgenerator (30) erzeugte Leistung zumindest überwiegend im Gehäuse (20) in Wärme umgesetzt wird, und – im Falle des Unterschreitens des Grenzwertes Einstellen der Generatorspannung auf eine MPP-Spannung.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei im Falle des Überschreitens des Grenzwertes der Wechselrichter (10) vom Netz (150) getrennt ist, so dass die vom Gleichspannungsgenerator (30) an den Wechselrichter (10) übertragene Leistung im Gehäuse (20) vollständig in Wärme umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Umsetzen in Wärme ein Ansteuern von Schaltern einer Wandlereinheit (160) des Wechselrichters (10) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der lichtbogenvermeidende Spannungswert in Abhängigkeit des Feuchtewertes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Zeitdauer bestimmt wird, bis der Feuchtewert unterschritten ist.
Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (10) zur Einspeisung einer von einem Gleichspannungsgenerator (30) erzeugten Leistung in ein Netz (150) umfassend die Schritte: – Bestimmen eines Feuchtewertes im Inneren eines Gehäuses (20) des Wechselrichters (10), während der Wechselrichter (10) vom Gleichspannungsgenerator (30) getrennt ist, – im Falle des Überschreitens eines Grenzwertes für den Feuchtewert Erwärmung des Wechselrichters (10) mittels einer vom Netz (150) entnommenen Vorwärmleistung und – im Falle des Unterschreitens des Grenzwertes Verbinden des Gleichspannungsgenerators (30) mit dem Wechselrichter (10) und Einstellen der Generatorspannung auf eine MPP-Spannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Verfahren als Teil eines Aufstartvorganges durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Feuchtewert wiederholt bestimmt wird, bis der Grenzwert unterschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, weiterhin umfassend die Schritte: – Überwachen des Gehäuseinneren des Wechselrichters (10) hinsichtlich eines Auftretens eines Gefahrenereignisses und – Trennen des Wechselrichters (10) vom Netz (150) und vom Gleichspannungsgenerator (30) bei Auftreten des Gefahrenereignisses.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Überwachen mindestens eines der folgenden Überwachungsverfahren umfasst: – Rauchdetektion, elektrische Lichtbogendetektion, – optische Lichtbogendetektion und – selektive Detektion einer übermäßigen Erwärmung von Bestandteilen des Wechselrichters (10).