DE102012104004B3

DE102012104004B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines Typs eines Lichtbogens in einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102012104004B3
Application number: DE201210104004
Authority: DE
Inventors: Norman Thürmer; Markus Hopf; Sebastian Bieniek
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines Typs eines in einer PV-Anlage (1) mit mindestens einem PV-Generator (2) vorliegenden Lichtbogens mit den folgenden Schritten: Es wird eine Impedanzmessung an dem PV-Generator (2) zur Messung einer Impedanz (Z) bei mindestens einer Messfrequenz (fmess) durchgeführt. Die gemessene Impedanz (Z) wird ausgewertet zur Unterscheidung, ob der vorliegende Lichtbogen ein Serienlichtbogen (7, 7') oder ein Parallellichtbogen (8, 8') ist. Anschließend wird der Typs des Lichtbogens abhängig von einem Ergebnis der Auswertung der gemessenen Impedanz (Z) festgestellt und signalisiert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung einer Impedanzmessung an dem mindestens einen PV-Generator (2), die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen eines Typs eines in einer Photovoltaikanlage mit mindestens einem Photovoltaikgenerator vorliegenden Lichtbogens.
In Stromkreisen, insbesondere in Gleichstrom (DC – direct current)-Stromkreisen, in denen hohe Spannungen in Verbindung mit hohen Strömen auftreten, besteht die Gefahr einer Lichtbogenbildung. Lichtbögen können beispielsweise bei Wartungsarbeiten (Trennen einer stromdurchflossenen Leitung), bei einer Degradation von Kontakten an Schraub- oder Steckverbindern, an schlechten Lötstellen oder unzureichend befestigten Schraubverbindungen oder bei einer beschädigten Leitungsisolation entstehen. Ein Löschen eines entstandenen Lichtbogens ist üblicherweise nur durch eine drastische Reduzierung des über den Lichtbogen fließenden Stromes möglich.
In Photovoltaikanlagen, im Folgenden abgekürzt als PV-Anlagen bezeichnet, sind Lichtbögen aufgrund der hohen Gleichspannung und den hohen vorherrschenden Gleichströmen ein nicht zu unterschätzendes Problem und sind eine der Hauptursachen von Brandfällen in PV-Anlagen.
Ein Lichtbogen emittiert üblicherweise ein breitbandiges Wechselstrom (AC – alternating current)-Signal, das bis in den Hochfrequenzbereich hineinreicht. Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen von Lichtbögen, die auf einer Detektion eines solchen Wechselstromsignals in einem Stromkreis basieren, sind weitverbreitet und beispielsweise in der Druckschrift WO 95/25374 A beschrieben.
In der Druckschrift US 2003/0156367 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines Lichtbogens in einem Wechselstromkreis beschrieben, das auf einer Impedanzmessung basiert. Eine weitere Anwendung von Impedanzmessungen in Wechselstromkreisen beschreibt die Druckschrift EP 1 924 865 B1 . Gemäß dieser Druckschrift wird eine Isolationsüberwachung in einem Hochspannungssystem mithilfe einer Impedanzmessung durchgeführt.
In einem Gleichstromkreis, der im Fall einer PV-Anlage aus dem PV-Generator, Gleichstromleitungen zu einem Wechselrichter und einer Gleichstromeingangsstufe des Wechselrichters besteht, können grundsätzlich zwei verschiedene Typen von Lichtbögen unterschieden werden. Ein erster Typ ist ein Serienlichtbogen, der in Serie zu dem PV-Generator lokalisiert ist. Ein solcher Lichtbogen kann beispielsweise an Kontaktstellen zwischen dem PV-Generator und den Gleichstromleitungen oder an defekten Trenn- und/oder Sicherungsorganen entstehen, die in den Gleichstromleitungen angeordnet sind. Ein zweiter Typ eines Lichtbogens ist ein Parallellichtbogen, der sich in einer Parallelschaltung zu dem PV-Generator oder einem Teil des PV-Generators ausbildet. Solche Parallellichtbögen können beispielsweise zwischen den Gleichstromleitungen entstehen, wenn diese benachbart zueinander verlaufen und schadhafte Isolierungen aufweisen.
Aufgrund der unterschiedlichen Position von Serien- und Parallellichtbögen innerhalb des Stromkreises sind unterschiedliche Maßnahmen zur Löschung der Lichtbögen erforderlich. Ein Serienlichtbogen kann dadurch gelöscht werden, dass der Stromfluss im Gleichstromkreis unterbrochen wird, beispielsweise indem eine Eingangsstufe im Wechselrichter hochohmig geschaltet wird. Zum Löschen eines Parallellichtbogens ist es dagegen sinnvoll, den Strom durch den Wechselrichter in Richtung des maximal möglichen Stroms zu verschieben, also einen Kurzschluss des PV-Generators am Gleichstromeingang des Wechselrichters herzustellen. Durch den in dem Fall hohen durch den Wechselrichter fließenden Strom wird der Stromfluss durch den Parallellichtbogen derart verringert, dass der Lichtbogen gelöscht wird.
Ein Problem dabei ist, dass die jeweils zum Löschen des einen Lichtbogentyps sinnvolle Maßnahme unter Umständen einen Lichtbogen des anderen Typs verstärken kann. Wird beispielsweise der Gleichstromeingang eines Wechselrichters hochohmig geschaltet, um einen vermuteten Serienlichtbogen zu löschen, würde dieses einen tatsächlich vorhandenen Parallellichtbogen verstärken, da durch den Wegfall des durch den Wechselrichter fließenden Stroms ein größerer Strom für den Parallellichtbogen zur Verfügung steht. Umgekehrt führt ein Kurzschließen des Gleichstromeingangs des Wechselrichters zur Löschung eines vermuteten Parallellichtbogens zu einem erhöhten Stromfluss durch einen tatsächlich vorhandenen Serienlichtbogen. Die Kenntnis, ob ein detektierter Lichtbogen ein Serien- oder Parallellichtbogen ist, ist dementsprechend wichtig, um eine gezielte Löschungsmaßnahme einzuleiten.
In der Druckschrift US 2011/0019444 A1 ist offenbart, einen Lichtbogen aus den Strom- und Spannungswerten und deren Änderungen am Arbeitspunkt eines PV-Generators zu erkennen. Der Arbeitspunkt des PV-Generators wird dabei in üblicher Weise in einem sogenannten MPP (maximum power point)-Nachführverfahren durch den Wechselrichter an einem Punkt möglichst maximaler Leistungsabgabe eingestellt. Da Serien- und Parallellichtbögen den Arbeitspunkt eines PV-Generators unterschiedlich beeinflussen, besteht bei diesem Verfahren die Möglichkeit, zwischen einem Serien- und einem Parallellichtbogen zu unterscheiden. Eine sichere Erkennung von Lichtbögen und eine sichere Unterscheidung des Lichtbogentyps ist bei diesem Verfahren allerdings nur möglich, wenn der Arbeitspunkt individuell für ein PV-Modul oder maximal für eine Gruppe von wenigen PV-Modulen festgelegt wird. Andernfalls ist der Einfluss eines auftretenden Lichtbogens auf den Arbeitspunkt des PV-Generators nicht ausgeprägt genug. Auch können Spannungseinbrüche an einzelnen PV-Modulen u. U. durch Arbeitspunktverschiebungen von mit diesem in Serie geschalteten weiteren PV-Modulen ausgeglichen werden. Entsprechend ist das zuvor genannte Verfahren insbesondere für Modulwechselrichter geeignet, also für Wechselrichter, die individuell einem Modul zugeordnet sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Feststellen eines Lichtbogentyps zu schaffen, das auch bei größeren PV-Generatoren, beispielsweise mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Gruppen reihenverschalteter PV-Module (sogenannter Strings), eine sichere Unterscheidung ermöglicht, ob ein zuvor erkannter Lichtbogen ein serieller oder ein paralleler Lichtbogen ist. Es ist eine weitere Aufgabe, eine entsprechende Vorrichtung zum Erkennen des Typs eines Lichtbogens in Stromkreisen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art weist die folgenden Schritte auf: Es wird eine Impedanzmessung an dem PV-Generator zur Messung einer Impedanz bei mindestens einer Messfrequenz durchgeführt. Zur Unterscheidung, ob der vorliegende Lichtbogen ein Serienlichtbogen oder ein Parallellichtbogen ist, wir die gemessene Impedanz ausgewertet. Anschließend wird der Typ des Lichtbogens abhängig von einem Ergebnis der Auswertung festgestellt und signalisiert. Ein innerhalb des PV-Generators auftretender Serienlichtbogen wirkt sich anders auf die Impedanz des PV-Generators aus als ein Parallellichtbogen. Das unterschiedliche Verhalten ist dabei auch dann in dem Messwert der gesamten Impedanz des PV-Generators sichtbar, wenn der PV-Generator aus einer Mehrzahl von parallel- und/oder serienverschalteten Teilgeneratoren besteht. Ein Grund für den starken Einfluss, den die unterschiedlichen Lichtbogentypen auf die Impedanz des PV-Generators haben, ist, dass zum einen der Lichtbogen selbst mit seiner Impedanz zur Gesamtimpedanz des PV-Generators beiträgt. Zum anderen wirken sich am Lichtbogen abfallende Spannungen und durch den Lichtbogen fließende Ströme auf die Arbeitspunkte einer größeren Zahl von Teilgeneratoren, z. B. Strings oder PV-Modulen, aus, was eine Impedanzänderung der Teilgeneratoren und damit ebenfalls des gesamten PV-Generators nach sich zieht. Die Impedanz ist somit ein empfindlicher Indikator für den Lichtbogentyp und kann zu seiner sicheren Feststellung eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Betrag der gemessenen Impedanz oder eine Abhängigkeit des Betrags von der mindestens einen Messfrequenz zur Unterscheidung des Typs des Lichtbogens ausgewertet. Der Betrag der Impedanz bzw. seine Änderung in Abhängigkeit von der Messfrequenz ist messtechnisch leicht erfassbar und gut als Unterscheidungskriterium geeignet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritten auf: Der Betrag der gemessenen Impedanz wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Wenn der Betrags größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, wird ein Serienlichtbogen festgestellt und signalisiert, andernfalls ein Parallellichtbogen. Auf diese Weise wird dem Verfahren ein einfach zu überprüfendes Unterscheidungskriterium zu Grunde gelegt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritten auf: Es wird eine Steigung des Betrags der gemessenen Impedanz bei einer Variation der Frequenz bestimmt und ein Serienlichtbogen festgestellt und signalisiert, wenn die Steigung negativ ist. Andernfalls wird ein Parallellichtbogen festgestellt und signalisiert. Alternativ wird eine Resonanzfrequenz aus dem Betrag der gemessenen Impedanz ermittelt und diese Resonanzfrequenz mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Es wird ein Serienlichtbogen festgestellt und signalisiert, wenn die Resonanzfrequenz größer als der Schwellenwert ist. Andernfalls wird ein Parallellichtbogen festgestellt und signalisiert. Gemäß diesen Ausgestaltungen werden aus der gemessenen Impedanz abgeleitete Größen zu einer Unterscheidung zwischen Parallel- und Serienlichtbogen eingesetzt. In allen genannten Fällen gelingt die Unterscheidung durch einen Vergleich mit einem Schwellenwert (für die Impedanz bzw. die Steigung der Impedanz bzw. die Resonanzfrequenz), was jeweils ein gut überprüfbares Kriteriums darstellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Bestimmung der mindestens einen Messfrequenz zusätzlich die folgenden Schritte zumindest einmal vorab durchgeführt: Es wird eine Referenz-Impedanzmessung an dem PV-Generator zur Bestimmung eines Referenz-Impedanzverlaufs vorgenommen und eine Resonanzfrequenz aus dem Referenz-Impedanzverlauf ermittelt. Anschließend wird die mindestens eine Messfrequenz abhängig von und unterhalb der Resonanzfrequenz bestimmt. Bevorzugt wird eine Resonanzimpedanz aus dem Referenz-Impedanzverlauf ermittelt. PV-Generatoren zeigen typischerweise einen resonanzartigen Verlauf ihrer Impedanz mit einem Impedanzminimum (Resonanzimpedanz) bei einer Resonanzfrequenz. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der unterschiedliche Einfluss eines Serien- bzw. Parallellichtbogens insbesondere auf den Bereich des Impedanzverlaufs unterhalb der Resonanzfrequenz, also bei kleineren Frequenzen als die Resonanzfrequenz, auswirkt. Vorteilhafterweise wird durch die Referenz-Impedanzmessung so eine besonders sensitive Messfrequenz für die Diskriminierung zwischen den Lichtbogentypen ermittelt.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen eines Lichtbogenstyps in einer PV-Anlage mit mindestens einem PV-Generator weist Mittel zur Durchführung einer Impedanzmessung an dem mindestens einen PV-Generator auf und ist zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens eingerichtet. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung sind wiederum Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von sechs Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer PV-Anlage mit einer Vorrichtung zur Signalisierung eines Lichtbogentyps;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Signalisieren eines Lichtbogentyps;
3 bis 5 illustrative Darstellungen verschiedener schematischer Impedanzverläufe eines PV-Generators beim Vorliegen verschiedener Typen von Lichtbögen und
6 gemessene Impedanzverläufe eines PV-Generators beim Vorliegen verschiedener Typen von Lichtbögen.
1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer PV-Anlage 1 mit einer Vorrichtung 10 zum Erkennen eines Lichtbogentyps.
Die PV-Anlage 1 weist einen Photovoltaik(PV)-Generator 2 auf, von dem aus Gleichstromleitungen 3, 4 zu einer Gleichstromeingangsstufe eines Wechselrichters 5 führen, der mit einem Energieversorgungsnetz 6 verbunden ist.
Der PV-Generator 2 umfasst im hier dargestellten Beispiel eine Parallelschaltung von zwei Strings, die jeweils eine Mehrzahl von serienverschalteten PV-Modulen aufweisen. In der 1 sind beispielhaft für jeden String jeweils zwei PV-Modulgruppen 2a und 2b sowie 2c und 2d dargestellt, die durch das Schaltzeichen einer einzelnen Photovoltaikzelle symbolisiert sind. Es versteht sich, dass grundsätzlich auch eine andere Anzahl von parallel geschalteten Strings oder auch eine andersgeartete Serien- und Parallelschaltung von PV-Modulen bei dem PV-Generator 2 möglich ist.
Das Energieversorgungsnetz 6 kann ein öffentliches Versorgungsnetz oder ein privates Netz (Inselbetrieb) sein. Beispielhaft ist der Wechselrichter 5 mit drei Wechselstromausgängen für ein dreiphasiges Einspeisen in das Energieversorgungsnetz 6 ausgelegt. Es versteht sich, dass auch eine andere als die dargestellte dreiphasige Auslegung des Wechselrichters 5 und/oder des Energieversorgungsnetzes 6 möglich ist, zum Beispiel eine einphasige Auslegung. Zudem sind in 1 lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Teile der PV-Anlage 1 dargestellt. Weitere gleich- oder wechselstromseitig vom Wechselrichter 5 angeordnete Elemente, wie zum Beispiel Trenn- oder Schaltorgane, Filter, Überwachungseinrichtungen oder Transformatoren, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt und auch nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.
Beispielhaft sind bei der PV-Anlage der 1 vier mögliche unterschiedliche Lichtbögen eingezeichnet, die in dem von dem PV-Generator 2, den Gleichstromleitungen 3, 4 und der Gleichstromeingangsstufe des Wechselrichters 5 gebildeten Stromkreis auftreten können. Ein erster Lichtbogen ist ein Serienlichtbogen 7, der elektrisch in Serie mit dem PV-Generator 2 an einer Unterbrechung innerhalb einer der Gleichstromleitungen 3, 4, hier beispielhaft der Gleichstromleitung 3, auftritt. Ein zweiter Lichtbogen 7' ist ebenfalls ein Serienlichtbogen, der jedoch nicht in Serie mit dem gesamten, sondern nur mit einem Teil des PV-Generators 2 auftritt, hier beispielhaft in Serie mit den PV-Modulgruppen 2c und 2d. Ein weiterer Lichtbogen ist ein Parallellichtbogen 8, der sich parallel zum PV-Generator 2 ausbildet. Grundsätzlich können Parallel-Lichtbögen zwischen zwei Punkten des Stromkreises auftreten, an denen unterschiedliches Potenzial vorherrscht. Ein Parallel-Lichtbogen kann somit auch parallel zu einem Teil des PV-Generators 2 auftreten, also beispielsweise parallel zu einer PV-Modulgruppe, bestehend ggf. aus einem einzelnen PV-Modul. Ein solcher Lichtbogen ist in der 1 als Parallellichtbogen 8' parallel zu der PV-Modulgruppe 2b dargestellt.
Die Vorrichtung 10 zum Feststellen und Signalisieren des Lichtbogentyps umfasst ein Einkoppelmittel 11, über das ein Wechselspannungs-Testsignal auf eine der beiden Gleichstromleitungen 3, 4 zwischen dem PV-Generator 2 und dem Wechselrichter 5 aufgebracht werden kann. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Einkoppelmittel 11 ein Übertrager, der mit einer Sekundärwindung in die Gleichstromleitung 3 eingeschleift ist und mit einer Primärwicklung mit einem Signalgenerator 12 verbunden ist.
Weiterhin ist ein Auskoppelmittel 13 vorgesehen, das vorliegend ebenfalls als ein Übertrager ausgestaltet ist. Das Auskoppelmittel 13 ist mit einer Primärwicklung wiederum in eine der Gleichstromleitungen 3, 4, hier beispielhaft die Gleichstromleitung 3 eingeschleift, um ein Signal eines im Gleichstromkreis fließenden Wechselstroms I_AC zu bestimmen. Eine Sekundärwicklung des Auskoppelmittels 13 ist mit einem Signalverstärker 14 verbunden. Zudem ist eine Spannungsmesseinrichtung 15 zur Messung einer Wechselspannung U_AC zwischen den Gleichstromleitungen 3, 4 vorhanden.
Weiterhin ist eine Steuereinrichtung 16 vorgesehen, die zum einen den Signalgenerator 12 ansteuert und zum anderen ein Ausgangssignal des Signalverstärkers 14 und der Spannungsmesseinrichtung 15 zur Weiterverarbeitung entgegennimmt. Die Steuereinrichtung 16 weist zudem einen Signalisierungsausgang 17 auf, an dem als Ergebnis des anmeldungsgemäßen Verfahrens signalisiert wird, ob ein erkannter Lichtbogen ein Serienlichtbogen 7, 7' oder ein Parallellichtbogen 8, 8' ist. Der Signalisierungsausgang 17 ist mit einem Steuereingang des Wechselrichters 5 gekoppelt, so dass dieser abhängig vom Typ des Lichtbogens zielgerichtet eine geeignete Löschungsmaßnahme vornehmen kann.
Zur Unterscheidung zwischen Serien- und Parallellichtbögen werden von der Vorrichtung 10 Impedanzmessungen an dem PV-Generator 2 durchgeführt. Zu diesem Zweck wird ein von dem Signalgenerator 12 erzeugtes Wechselspannungssignal über die Einkoppelmittel 11 in den Gleichstromkreis der PV-Anlage 1 eingespeist. Das eingespeiste Wechselspannungssignal überlagert einen im Gleichstromkreis gegebenenfalls fließenden Gleichstrom. Von dem Auskoppelmittel 13 wird ein Messsignal ausgekoppelt, das von dem Signalverstärker 14 verstärkt und zur Auswertung an die Steuereinrichtung 16 weitergeleitet wird, und das mit dem Wechselstrom I_AC verknüpft ist. Zusammen mit dem Messignal der Wechselspannung U_AC, das von der Spannungsmesseinrichtung 15 bereitgestellt wird, kann eine frequenzabhängige Impedanz Z(f) im Gleichstromkreis bestimmt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird vom Einkoppelmittel 11 das Testsignal induktiv eingeprägt. Es versteht sich, dass alternativ das Testsignal auch kapazitiv ein- und/oder ausgekoppelt werden kann. Auch ist es denkbar, eine Aussage über die Impedanz Z(f) auch bei Messung nur einer der Größen Wechselstrom I_AC oder Wechselspannung U_AC zu machen, wenn die Übertragungscharakteristik des Einkoppelmittels 11 bekannt ist.
Zur Messung eines Impedanzverlaufs Z(f), also der Abhängigkeit der Impedanz Z von der Frequenz f eines Signals, kann beispielsweise der Signalgenerator 12 ein Testsignal ausgeben, dessen Frequenz beispielsweise mit der Zeit variiert wird. Das von dem Signalverstärker 14 und der Spannungsmesseinrichtung 15 gemessene Signal wird abhängig von der Frequenz des Signalgenerators 12 ausgewertet, beispielsweise im Hinblick auf seine jeweilige Amplitudenhöhe. Das Verhältnis der Beträge gibt dann den Betrag der Impedanz an. Zu diesem Zweck können der Signalverstärker 14 und die Spannungsmesseinrichtung 15 gleichrichtend sein und unmittelbar eine Signalamplitude bzw. ein Gleichspannungsäquivalent des Signals erfassen und weitergeben.
In einer alternativen Ausgestaltung ist es möglich, dass der Signalgenerator 12 ein breitbandiges Rauschsignal abgibt, das Frequenzkomponenten einer Vielzahl von Frequenzen enthält. Zur Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz wird dann mittels eines in der Steuereinrichtung 16 oder dem Signalverstärker 14 vorhandenen durchstimmbaren Bandpassfilters eine Signalamplitude in Abhängigkeit der Filterfrequenz erfasst, während die Filterfrequenz variiert wird.
Zudem ist als Teil der Vorrichtung 10 eine Einrichtung 18 zur Lichtbogendetektion vorgesehen, die an einem Signalausgang das Vorliegen eines Lichtbogens im Gleichstromkreis signalisiert. Dieses Signal wird ebenfalls der Steuereinrichtung 16 zugeführt. Das Signal zeigt das Vorliegen eines Lichtbogens unabhängig von seinem Typ an, es wird also nicht zwischen Parallel- und Serienlichtbögen unterschieden. Es wird angemerkt, dass die Einrichtung 18 zur Lichtbogendetektion nicht zwingend ein Teil der Vorrichtung 10 sein muss. Sie kann in einer alternativen Ausgestaltung auch extern angeordnet sein und nur über ihren Signalausgang mit der Steuereinrichtung 17 verbunden sein. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist es möglich, dass die Funktionalität der Einrichtung 18 von anderen Komponenten der Vorrichtung 10 erbracht wird. Beispielsweise können die Einrichtungen zur Messung des Wechselstroms I_AC, also das Auskoppelmittel 13, der Signalverstärker 14, zusammen mit einer in der Steuereinrichtung 16 vorgenommene Signalanalyse zur Lichtbogenerkennung anhand eines charakteristischen Emissionsspektrums des Lichtbogens zur Lichtbogenerkennung eingesetzt werden.
Eine weitere Mehrfachnutzung von Komponenten der Vorrichtung 10 kann erfolgen, indem die Komponenten zum Austausch von Signalen, z. B. Steuersignalen, mit entsprechenden generatornahen Transceivern über die Gleichstromleitungen 3, 4 verwendet werden. Eine solche Signalübertragung ist auch als „Power Line Communication” (PLC) bekannt. So können das Einkoppelmittel 11 und der Signalgenerator 12 für das Senden und das Auskoppelmittel 13 und der Signalverstärker 14 für das Empfangen von Signalen eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung 10 kann diese teilweise in dem Wechselrichter 5 integriert sein. Dieses betrifft insbesondere die Steuereinrichtung 16, den Signalgenerator 12, den Signalverstärker 14 und die Spannungsmesseinrichtung 15, gegebenenfalls aber auch das Einkoppelmittel 11 und das Auskoppelmittel 13.
Im Folgenden wird anhand der 2 bis 6 ein Verfahren zum Feststellen des Typs eines Lichtbogens in einem Stromkreis dargestellt, wie es beispielsweise von der in 1 gezeigten PV-Anlage ausgeführt werden kann. Die benutzten Bezugszeichen beziehen sich beispielhaft auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel.
In 2 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum Feststellen des Typs eines Lichtbogens in einem Stromkreis gezeigt. Dabei wird zur Erklärung auf die 3 bis 5 und 6 verwiesen, die schematische (3 bis 5) und gemessene Impedanzkurven (6) von PV-Generatoren beim Vorliegen verschiedener Lichtbögen zeigen. In allen Fällen wird anstelle der im Allgemeinen komplexwertigen Impedanz Z lediglich der Betrag der komplexwertigen Impedanz Z betrachtet.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens gemäß 2 wird zur Initialisierung des Verfahrens eine Referenz-Impedanzmessung im Gleichstromkreis durchgeführt. Ergebnis der Referenz-Impedanzmessung ist der Betrag der Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz im Normalbetrieb ohne Lichtbogen, im Folgenden als Referenz-Impedanzverlauf |Z·(f)| bezeichnet. Referenz-Impedanzverläufe |Z·(f)| sind in den 3 bis 5 als schematische Referenz-Impedanzkurven 20 und in 6 als eine gemessene Referenz-Impedanzkurve 30 dargestellt. Die Referenz-Impedanzkurven 20, 30 weisen jeweils ein resonanzartiges Minimum auf, das bei einer Resonanzfrequenz f₀ lokalisiert ist und bei dem die Impedanz einen minimalen Wert annimmt, der im Rahmen der Anmeldung als Resonanzimpedanz |Z₀| bezeichnet wird. Der genaue Verlauf des Referenz-Impedanzverlaufs |Z·(f)| ist bei einem PV-Generator stark von den Einstrahlungsbedingungen und dem Arbeitspunkt abhängig. Im Rahmen des Verfahrens wird der Referenz-Impedanzverlauf |Z·(f)| bevorzugt beim Betrieb des PV-Generators im MPP-Arbeitspunkt und bei hoher Einstrahlungsintensität aufgenommen.
In einem nächsten Schritt S2 wird basierend auf den Ergebnissen der Referenz-Impedanzmessung ein für die Unterscheidung von Serien- und Parallellichtbögen geeigneter Frequenzbereich ausgewählt. Die Grundlagen dafür sind in den 3 bis 5 schematisch angegeben.
3 zeigt neben der schematischen Referenz-Impedanzkurve 20 eine Impedanzkurve 21, die sich beim Vorliegen eines Serienlichtbogens ergibt. Man beobachtet eine geringe Absenkung der Resonanzfrequenz bei der Impedanzkurve 21 gegenüber der Referenz-Impedanzkurve 20. Links von ihrem Resonanzminimum zeigt die Impedanzkurve 21 einen ausgeprägten Anstieg.
Die 4 und 5 zeigen neben der schematischen Referenz-Impedanzkurve 20 jeweils eine Impedanzkurve 22 bzw. 23, die sich beim Vorliegen eines Parallellichtbogens ergibt. 4 zeigt den Fall eines Parallellichtbogens parallel zum gesamten PV-Generator, also z. B. den Fall des Lichtbogens 8 aus 1. 5 gibt den Fall wieder, in dem ein Parallellichtbogens parallel zu einem Teil des PV-Generator vorliegt, also z. B. den Fall des Lichtbogens 8' aus 1. Die Impedanzkurven 22 und 23 der 4 und 5 verlaufen in dem gesamten dargestellten Frequenzbereich unterhalb der Referenz-Impedanzkurve 20. Besonders ausgeprägt ist der Unterschied zur Referenz-Impedanzkurve 20 unterhalb der Resonanzfrequenz f₀, da in diesem Bereich die Referenz-Impedanzkurve 20 zu niedrigeren Frequenzen hin ansteigt, wohingegen die Impedanzkurven 22 und 23 weiter abfallen. Tritt der Parallellichtbogen über dem gesamten PV-Generator auf, entspricht die resultierende Impedanz durch Brückung des gesamten PV-Generators dem ohmschen Widerstand des Lichtbogens zusammen mit der Induktivität der Gleichstromleitungen. Die Impedanzänderung ist bei einem Parallellichtbogen jedoch auch dann gut zu beobachten, wenn ein Parallelichtbogen nur über einem Teil eines PV-Generators auftritt und der PV-Generator eine Vielzahl von parallelen Teilgeneratoren, beispielsweise parallelen Strings, aufweist.
Der unterschiedliche Verlauf bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz besteht auch zwischen den Impedanzkurven 21 beim Vorliegen eines Serienlichtbogens und den Impedanzkurven 22, 23 beim Vorliegen eines Parallellichtbogens. 6 belegt das beschriebene Verhalten mit einer gemessenen Impedanzkurve 31 beim Vorliegen eines Serienlichtbogens und einer gemessenen Impedanzkurve 32 beim Vorliegen eines Parallellichtbogens im Vergleich zur gemessenen Referenz-Impedanzkurve 30 im Normalbetrieb. Der beobachtete Unterschied wird im anmeldungsgemäßen Verfahren zur Unterscheidung der Lichtbögen herangezogen.
Die Festlegung des für das weitere Verfahren relevanten Frequenzbereichs im Schritt S2 orientiert sich folglich an der Resonanzfrequenz f₀. Es kann beispielsweise eine einzelne Messfrequenz f_mess festgelegt werden, die unterhalb der Resonanzfrequenz f₀ liegt, wobei ein bestimmter Frequenzabstand zur Resonanzfrequenz f₀ oder ein bestimmter Faktor zwischen der Messfrequenz f_mess und der Resonanzfrequenz f₀ vorgegeben sein kann. Je niedriger die Messfrequenz f_mess ist, umso größer sind die Unterschiede in der Impedanz beim Auftreten eines Serien- bzw. Parallellichtbogens. Andererseits sind das galvanisch trennende Einkoppelmittel 11 und das Auskoppelmittel 13 für niedrigere Frequenzen aufwändiger zu realisieren. Es ist daher u. U. angebracht, eine Abwägung für den günstigsten Bereich vorzunehmen aus dem die Messfrequenz f_mess ausgewählt wird. Eine einzelne Messfrequenz f_mess ist in der 6 beispielhaft eingezeichnet. Anstelle einer einzelne Messfrequenz f_mess kann auch ein Messfrequenzbereich festgelegt werden.
In einem nächsten Schritt S3 wird ein Schwellenwert Z_S bestimmt und gespeichert, der im weiteren Verlauf zur Diskriminierung zwischen einem Serien- und einem Parallellichtbogen verwendet wird. Ein geeigneter Schwellenwert Z_S ist in der 6 wiederum beispielhaft eingezeichnet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann der Wert des Resonanzimpedanz |Z₀| als Schwellenwert Z_S angesetzt werden. Es kann aber auch ein geeigneter Impedanzabstand (Offset) zwischen Resonanzimpedanz |Z₀| und dem Schwellenwert Z_S vorgesehen sein. Neben einem konstanten Schwellenwert Z_S kann auch ein frequenzabhängiger Schwellenwert Z_S(f) festgelegt werden. Der frequenzabhängige Schwellenwert Z_S(f) kann in Form einer parametrisierten Funktion, beispielsweise in Form einer zu kleineren Frequenzen hin ansteigenden Kurve, oder auch in Form einer Tabelle mit einer vorgegebenen Anzahl von Stützpunkten angegeben werden.
Mit den Schritten S1 bis S3 ist die Initialisierung des Verfahrens abgeschlossen. In einem nächsten Schritt S4 wird auf das Auftreten eines Lichtbogens im Gleichstromkreis gewartet. Beim Ausführungsbeispiel der 1 wird beispielsweise der Ausgang der Lichtbogendetektionseinheit 17 wiederholt überwacht, wobei das Verfahren nur dann mit einem nächsten Schritt S5 fortgesetzt wird, wenn die Lichtbogendetektionseinheit 17 das Auftreten eines Lichtbogens anzeigt.
In dem Schritt S5 wird eine weitere Impedanzmessung durchgeführt. Das Ergebnis dieser Impedanzmessung wird nachfolgend als Impedanzverlauf |Z_mess(f)| bezeichnet. Diese Impedanzmessung kann über den gesamten zur Verfügung stehenden Messbereich ausgeführt werden, oder aber auch auf den im Schritt S2 ermittelten relevanten Frequenzbereich beschränkt sein.
In einem nachfolgenden Schritt S6 wird analysiert, ob der Betrag |Z| der Impedanz Z bei der Messfrequenz f_mess kleiner ist als der entsprechende Wert aus der Referenz-Impedanzmessung aus dem Schritt S1. Wenn die Bedingung im Schritt S6 nicht erfüllt ist, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S7, in dem ein Serienlichtbogen festgestellt und signalisiert wird. Ist die Bedingung aus dem Schritt S6 dagegen erfüllt, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S8, in dem ein Parallellichtbogen festgestellt und signalisiert wird.
Die entsprechend signalisierte Information über den Lichtbogentyp kann von einem Wechselrichter oder einem anderen Schutzorgan der PV-Anlage eingesetzt werden, um eine gezielte Löschungsmaßnahme vorzunehmen, beispielsweise einen Kurzschluss des PV-Generators am Gleichstromeingang des Wechselrichters, falls ein Parallellichtbogen im Schritt S8 erkannt wurde, oder ein Hochohmigschalten des Gleichstromeingangs des Wechselrichters, falls ein Serienlichtbogen im Schritt S7 erkannt und signalisiert wurde.
Das Verfahren kann danach solange ausgesetzt werden, bis die PV-Anlage nach dem Löschen des Lichtbogens automatisch oder manuell ihren Normalbetrieb wieder aufnimmt. Mit Aufnahme des Normalbetriebs der PV-Anlage kann auch das Verfahren erneut beginnend mit dem Schritt S1 aufgenommen werden.
Im Flussdiagramm der 2 werden die Schritte S1 bis S3 nur einmalig beim Start des Verfahrens ausgeführt. Es kann alternativ jedoch vorgesehen sein, die Schritte S1 bis S3 wiederholt in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen, um regelmäßig aktuelle Werte für die in den Schritten S2 und S3 extrahierten Parameter vorliegen zu haben. Auf diese Weise können langsame Änderungen in der Impedanz des PV-Generators, beispielsweise aufgrund von sich ändernden Temperaturen, berücksichtigt werden. Dabei ist denkbar, die Referenz-Impedanzmessung derart auszugestalten, dass das Minimum der Resonanzkurve in einem Nachführverfahren kontinuierlich nachverfolgt wird. Aus dem dann kontinuierlich vorliegenden Wertepaar der Resonanzfrequenz f₀ und der Resonanzimpedanz |Z₀| kann die Messfrequenz f_mess bzw. ein Messfrequenzbereich und der Schwellenwert Z_S bzw. eine Schwellenwertfunktion Z_S(f) ständig an geänderte Impedanzbedingungen des PV-Generators angepasst werden. Alternativ kann der kontinuierlich nachgeführten Wert der Resonanzfrequenz f₀ selbst zur Unterscheidung des Lichtbogenstyps herangezogen werden. Bei Vorliegen eines Parallellichtbogens driftet die Resonanzfrequenz f₀ zu kleinen Frequenzen, ggf. bis an das niederfrequente Ende des zugänglichen Messbereichs. Es kann ein Schwellenwert für die Resonanzfrequenz f₀ definiert werden, bei dessen Unterschreitung ein erkannter Lichtbogen als Parallellichtbogen signalisiert wird. Liegt die nachgeführte oder anderweitig bestimmte Resonanzfrequenz dagegen oberhalb des Schwellenwertes, wird ein erkannter Lichtbogen als Serienlichtbogen signalisiert,
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann in dem Schritt S5 nach der Detektion eines Lichtbogens eine besonders schnelle Impedanzmessung erfolgen, indem das Emissionsspektrum des Lichtbogens selbst als Testsignal angesehen wird. Qualitativ entspricht das inverse Spektrum der Impedanz. Es braucht keine aktive Einkopplung des Testsignals über den Signalgenerator 12 und das Einkoppelmittel 11 gemäß 1 erfolgen.
Bei dem im Zusammenhang mit dem Flussdiagramm der 2 beschriebenen Verfahren beruht die Unterscheidung zwischen dem Vorliegen eines Serienlichtbogens und einem Parallellichtbogen auf der Auswertung des Betrags |Z| der Impedanz.
Alternativ oder zusätzlich können andere Eigenschaften der Impedanz ausgewertet werden, beispielsweise die Änderung Δ|Z| des Betrags |Z| bei Änderung Δf der Frequenz f. Diese Größe wird auch als Ableitung des Betrags |Z| nach der Frequenz f oder als Steigung Δ|Z|/Δf der Impedanzkurve bezeichnet. Sie kann bei einer Messfrequenz f_mess oder gemittelt über einen Messfrequenzbereich bestimmt werden. Wie beispielsweise der Verlauf der Impedanzkurven 31 und 32 der 6 zeigt, ist für Messfrequenzen f_mess unterhalb der Resonanzfrequenz f₀ die Steigung Δ|Z|/Δf der Impedanzkurve 31 bei Vorliegen eines Serienlichtbogens kleiner als null und die Steigung Δ|Z|/Δf der Impedanzkurve 32 bei Vorliegen eines Parallellichtbogens größer als null.
Weiterhin können aus der Impedanz abgeleitete Größen zur Unterscheidung zwischen einem Serien- und einem Parallellichtbogen herangezogen werden, beispielsweise der ohmschen Parallelwiderstand des PV-Generators im Gleichstromfall. Dieser ergibt sich beispielsweise aus einer Extrapolation des Verlaufs der Impedanzkurve gegen eine Frequenz von null oder aus einer Anpassung eines modellierten Impedanzverlaufs des PV-Generators, z. B. gebildet anhand eines Ersatzschaltbildes, an den gemessenen Impedanzverlauf. Der Parallelwiderstand ist klein, wenn ein Parallellichtbogen vorliegt und groß, wenn ein Serienlichtlichtbogen vorliegt. Es kann entsprechend auch hier ein Schwellenwert für den Parallelwiderstand festgelegt werden, bei dessen Unterschreitung ein Parallellichtbogen und andernfalls ein Serienlichtbogen signalisiert wird.
Bezugszeichenliste

1: PV-Anlage
2: PV-Generator
2a–d: PV-Modulgruppe
3, 4: Gleichstromleitung (DC-Leitung)
5: Wechselrichter
6: Energieversorgungsnetz
7, 7': Serienlichtbogen
8, 8': Parallellichtbogen
10: Vorrichtung zum Feststellen eines Lichtbogentyps
11: Einkoppelmittel
12: Signalgenerator
13: Auskoppelmittel
14: Signalverstärker
15: Spannungsmesseinrichtung
16: Steuereinrichtung
17: Signalisierungsausgang
18: Lichtbogendetektionseinheit
20: schematische Referenz-Impedanzkurve
21: schematische Impedanzkurve bei Vorliegen eines Serienlichtbogens
22, 23: schematische Impedanzkurve bei Vorliegen eines Parallellichtbogens
30: gemessene Referenz-Impedanzkurve
31: gemessene Impedanzkurve bei Vorliegen eines Serienlichtbogens
32: gemessene Impedanzkurve bei Vorliegen eines Parallellichtbogens
f: Frequenz
^fmess: Messfrequenz
f₀: Resonanzfreqeunz
Z: Impedanz
Z₀: Resonanzimpedanz
Z(f): Impedanzverlauf
Z·(f): Referenz-Impedanzverlauf

Claims

Verfahren zum Feststellen eines Typs eines in einer PV-Anlage (1) mit mindestens einem PV-Generator (2) vorliegenden Lichtbogens mit den folgenden Schritten: – Durchführen einer Impedanzmessung an dem PV-Generator (2) zur Messung einer Impedanz (Z) bei mindestens einer Messfrequenz (f_mess); – Auswerten der gemessenen Impedanz (Z) zur Unterscheidung, ob der vorliegende Lichtbogen ein Serienlichtbogen (7, 7') oder ein Parallellichtbogen (8, 8') ist und – Feststellen und signalisieren des Typs des Lichtbogens abhängig von einem Ergebnis der Auswertung der gemessenen Impedanz (Z).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Betrag (|Z|) der gemessenen Impedanz (Z) oder eine Abhängigkeit des Betrags (|Z|) von der mindestens einen Messfrequenz (f_mess) zur Unterscheidung des Typs des Lichtbogens ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, mit den folgenden weiteren Schritten: – Vergleichen des Betrags (|Z|) der gemessenen Impedanz (Z) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (Z_S) und – Feststellen und signalisieren eines Serienlichtbogens (7), wenn der Betrags (|Z|) größer als der vorgegebene Schwellenwert (Z_S) ist und andernfalls – Feststellen und signalisieren eines Parallellichtbogens (8, 8').
Verfahren nach Anspruch 2, mit den folgenden weiteren Schritten: – Bestimmen einer Steigung (Δ|Z|/Δf) des Betrags (|Z|) der gemessenen Impedanz (Z) bei einer Variation der Frequenz (f) und – Feststellen und signalisieren eines Serienlichtbogens (7), wenn die Steigung (Δ|Z|/Δf) negativ ist und andernfalls – Feststellen und signalisieren eines Parallellichtbogens (8, 8').
Verfahren nach Anspruch 2, mit den folgenden weiteren Schritten: – Ermitteln einer Resonanzfrequenz (f₀) aus dem Betrag (|Z|) der gemessenen Impedanz (Z), – Vergleichen der Resonanzfrequenz (f₀) mit einem vorgegebenen Schwellenwert und – Feststellen und signalisieren eines Serienlichtbogens (7), wenn die Resonanzfrequenz (f₀) größer als der Schwellenwert ist und andernfalls – Feststellen und signalisieren eines Parallellichtbogens (8, 8').
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Bestimmung der mindestens einen Messfrequenz (f_mess) zusätzlich die folgenden Schritte zumindest einmal vorab durchgeführt werden: – Durchführen einer Referenz-Impedanzmessung an dem PV-Generator (2) zur Bestimmung eines Referenz-Impedanzverlaufs (Z·(f)); – Ermitteln einer Resonanzfrequenz (f₀) aus dem Referenz-Impedanzverlauf (Z·(f)) und – Bestimmen der mindestens einen Messfrequenz (f_mess) abhängig von und unterhalb der Resonanzfrequenz (f₀).
Verfahren nach Anspruch 6, mit den zusätzlichen Schritten: – Ermitteln einer Resonanzimpedanz (Z₀) aus dem Referenz-Impedanzverlauf (Z·(f)) und – Bestimmen mindestens eines Schwellenwerts (Z_S) abhängig von der Resonanzimpedanz (Z₀).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Referenz-Impedanzmessung an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung des PV-Generators (2) bei beleuchtetem PV-Generator (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Referenz-Impedanzmessung, die Ermittlung der Resonanzfrequenz (f₀) und die Bestimmung der mindestens einen Messfrequenz (f_mess) und/oder des mindestens einen Schwellenwerts (Z_S) wiederholt in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Ermittlung der Resonanzfrequenz (f₀) kontinuierlich in einem Nachführverfahren vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, rückbezogen auf Anspruch 3, bei dem ein Bereich von Messfrequenzen (f_mess) festgelegt wird und bei dem der Vergleich der gemessenen Impedanz (Z) mit dem mindestens einen Schwellenwert (Z_S) über den Bereich der Messfrequenzen (f_mess) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, rückbezogen auf Anspruch 3, bei dem der mindestens eine Schwellenwert (Z_S) ein frequenzabhängiger Schwellenwert (Z_S(f)) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, rückbezogen auf Anspruch 3, bei dem die Schritte des Durchführens der Impedanzmessung und gegebenenfalls des Vergleichens der gemessenen Impedanz (Z) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (Z_S) durchgeführt werden, nachdem ein Vorliegen des Lichtbogens (7, 7', 8, 8') detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zur Durchführung der Impedanzmessung ein Wechselspannungs-Testsignal in einen Gleichstromkreis, der den PV-Generator (2) umfasst, eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, bei dem zur Durchführung der Referenz-Impedanzmessung ein Wechselspannungs-Testsignal in einen Gleichstromkreis, der den PV-Generator (2) umfasst, eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Impedanzmessung anhand eines vom Lichtbogen (7, 8, 8') selbst ausgegebenen Testsignals mit einem charakteristischen Emissionsspektrum des Lichtbogens (7, 8, 8') durchgeführt wird.
Vorrichtung (10) zum Feststellen eines Lichtbogenstyps in einer PV-Anlage (1) mit mindestens einem PV-Generator (2), aufweisend Mittel zur Durchführung einer Impedanzmessung an dem mindestens einen PV-Generator (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 17, umfassend mindestens ein Einkoppelmittel (11) für ein Wechselspannungs-Testsignal in den PV-Generator (2), ein Auskoppelmittel (13) zum Auskoppeln eines Wechselstromsignals (I_AC) und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (15) zur Bestimmung eines Wechselspannungssignals (U_AC) aus dem PV-Generator (2) und eine Steuereinrichtung (16) zur Steuerung der Durchführung und Auswertung der Impedanzmessung.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 18, bei der zumindest die Steuereinrichtung (16) in einem Wechselrichter (5) der PV-Anlage (1) angeordnet ist.