-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung einer Schaltungsanordnung, insbesondere für einen Umrichter, Wechselrichter oder Photovoltaik-Wechselrichter, und Unterstützung bei der Lokalisierung eines Isolationsfehlers.
-
Zum Schutz von Personen vor Stromschlägen und auch zum Schutz gegen eine mögliche Selbstzerstörung ist bei elektrischen Anlagen wie Wechselrichter-Schaltungsanordnungen und dergleichen eine Isolationsüberwachung erforderlich. Dies gilt insbesondere auch für Wechselrichter-Schaltungsanordnungen in Photovoltaikanlagen oder (Motor-)Umrichtern, bei denen eine Isolationsüberwachung zum Teil auch normativ gefordert wird.
-
In herkömmlichen Wechselrichter-Schaltungsanordnungen werden zur Isolationsüberwachung häufig die Potenziale des positiven und des negativen Zweiges des Zwischenkreises gegenüber Masse, Erde oder dem Neutralleiter erfasst, um aus diesen Messwerten auf das Vorhandensein eines Isolationsfehlers der Schaltungsanordnung zu schließen (vgl. z.B.
EP 1 909 368 A2 ).
-
Die
DE 10 2010 030 079 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstandes in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei die Schaltungsanordnung wenigstens zwei Gleichspannung-Eingangsanschlüsse, an welche eine Batterie angeschlossen ist, einen mit den Gleichspannung-Eingangsanschlüssen verbundenen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator und einen mit dem Zwischenkreis verbundenen Pulswechselrichter aufweist. Ein Isolationsfehler, d.h. eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes, wird durch Messen der Spannungen der Gleichspannung-Eingangsanschlüsse gegenüber einem Bezugspotenzial und der Zwischenkreisspannung, Berechnen einer Summenspannung aus diesen Spannungen und Auswerten einer Spektralamplitude dieser Summenspannung erkannt.
-
Die
DE 10 2011 007 222 A1 beschreibt eine Wechselrichterschaltung, welche eine mit einem Zwischenkreis verbundene Brückenschaltung und eine Isolationsüberwachungsschaltung aufweist, wobei die Isolationsüberwachungsschaltung eine Ist-Spannung in Form einer Potenzialdifferenz eines Zwischenkreispotenzials gegenüber einem Bezugspotenzial erfasst und mit einer entsprechenden Soll-Spannung vergleicht.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Isolationsüberwachung zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Isolationsüberwachung einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Isolationsüberwachung einer Schaltungsanordnung, wobei die Schaltungsanordnung wenigstens zwei Gleichspannung-Eingangsanschlüsse, an welche wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, einen Zwischenkreis, welcher mit den zwei Gleichspannung-Eingangsanschlüssen verbunden ist und wenigstens einen Zwischenkreiskondensator aufweist, und wenigstens zwei Gleichspannung-Ausgangsanschlüsse, welche mit dem Zwischenkreis verbunden sind und an welche wenigstens ein Umrichter anschließbar ist, aufweist, enthält die Schritte des Erfassens der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen mindestens eines der Gleichspannungsanschlüsse gegen Erde oder Neutralleiter und zwischen den Gleichspannungsanschlüssen in einem ersten Betriebszustand; des Veränderns der Zwischenkreisspannung und/oder der Eingangsspannung zum Erzeugen eines zweiten Betriebszustandes; des Erfassens der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen mindestens eines der Gleichspannungsanschlüsse gegen Erde oder Neutralleiter und zwischen den Gleichspannungsanschlüssen im zweiten Betriebszustand; des Erfassens von Veränderungen der erfassten Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand; und des Ermittelns eines Fehlerwiderstandes und/oder eines Potenzials bzw. einer Potenzialdifferenz eines Isolationsfehlers auf Basis der erfassten Veränderungen der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen.
-
Es ist mit diesem Verfahren auf einfache Weise und ohne zusätzliche Komponenten, welche nicht ohnehin in der Schaltungsanordnung vorgesehen sind, möglich, einen Isolationsfehler zu erfassen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Isolationsüberwachung insbesondere Messpfade verwendet, welche in der Schaltungsanordnung bereits für andere Funktionen benötigt werden. Die verbesserte Isolationsüberwachung der Erfindung basiert auf einer Messung verschiedener Parameter (Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen der Gleichspannungsanschlüsse) für unterschiedliche Betriebssituationen (Veränderung der Eingangsspannungen und/oder der Zwischenkreisspannungen).
-
Außerdem bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, nicht nur das Vorhandensein von Isolationsfehlern zu erfassen, sondern diese auch innerhalb einer Reihe von Gleichspannungsquellen (z.B. in einem String von Photovoltaik-Modulen) im Rahmen der Messtoleranzen zumindest grob zu lokalisieren und/oder den Isolationsfehlerwiderstand genauer zu erfassen.
-
Die Isolationsüberwachung der Erfindung berücksichtigt dabei optional auch variable interne Fehlerströme, welche zwar normale Isolationsfehlermessungen beeinflussen können, aber für externe Isolationsfehler unkritisch sind, sofern diese durch bereits vorhandene oder zusätzliche Messeinrichtungen direkt oder indirekt bestimmbar sind.
-
Des Weiteren berücksichtigt die erfindungsgemäße Isolationsüberwachung auch verschiedene Eingangsspannungen von einem oder mehreren Eingängen, welche einen Einfluss auf die herkömmliche Erfassung von Isolationsfehlern haben können, insbesondere wenn diese unterschiedlich sind.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, wahlweise den Isolationsfehler auf einen bestimmten Eingang zu beziehen und/oder den geringsten Isolationswiderstand (Worst Case) der verschiedenen Eingänge zu bestimmen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise in Zusammenhang mit Schaltungsanordnungen, an deren Gleichspannung-Ausgangsanschlüsse Photovoltaik-Wechselrichter angeschlossen sind, einsetzbar. Die Gleichspannungsquelle(n) ist/sind in diesem Fall vorzugsweise mindestens ein Photovoltaik-Generator, bevorzugt ein oder mehrere Strings aus mehreren Photovoltaik-Modulen.
-
Bei einer ersten Messvorrichtung zum Erfassen des Potenzials und/oder der Potenzialdifferenz zwischen den Gleichspannungsanschlüssen und einer zweiten Messvorrichtung zum Erfassen der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen mindestens eines der Gleichspannungsanschlüsse gegen Erde oder Neutralleiter handelt es sich jeweils um eine Messvorrichtung beliebiger Konstruktion, welche geeignet ist, eine elektrische Spannung (= Potenzialdifferenz) bzw. ein elektrisches Potenzial gegenüber einem Bezugspotenzial zu erfassen. Zur Auswertung der Messsignale der Messvorrichtungen enthält die Messeinrichtung zur Isolationsüberwachung vorzugsweise einen oder mehrere Mikrocontroller oder andere, typischerweise integrierte Schaltkreise (zum Beispiel Field Programmable Gate Arrays FPGA oder digitale Signalprozessoren DSP) oder ist die Messeinrichtung zur Isolationsüberwachung vorzugsweise Teil einer digitalen und/oder analogen Signalerfassung und/oder -steuerung bzw. -regelung des angeschlossenen Umrichters / Wechselrichters.
-
Gemäß der Erfindung werden auf Basis der erfassten Veränderungen der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen, welche durch eine Veränderung der Zwischenkreisspannung und/oder der Eingangsspannung verursacht werden, ein Fehlerwiderstand und/oder ein Potenzial bzw. eine Potenzialdifferenz eines Isolationsfehlers ermittelt. Der Wert des Fehlerwiderstandes und das Potenzial eines Isolationsfehlers stellen genauere Informationen dar, die über das bloße Erkennen des Vorhandenseins eines Isolationsfehlers hinausgehen und so in einem nächsten Schritt die Fehlersuche und Beseitigung eines erkannten Isolationsfehlers wesentlich vereinfachen, da sie den zu überprüfenden Bereich erheblich einschränken und damit Wartungszeit und -kosten einsparen können.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können ein oder mehrere Gleichspannung-Eingangsanschlüsse mit den Gleichspannung-Ausgangsanschlüssen des Zwischenkreises zusammenfallen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen die Gleichspannung-Eingangsanschlüsse und den Zwischenkreis ein DC/DC-Umrichter geschaltet. Mit Hilfe dieses DC/DC-Umrichters kann die Eingangsspannung, d.h. die Potenzialdifferenz zwischen den Gleichspannung-Eingangsanschlüssen, hochgesetzt oder tiefgesetzt werden, um die Zwischenkreisspannung (gezielt) zu verändern und/oder die Änderung der Eingangsspannung(en) auszugleichen.
-
Eine andere Möglichkeit der Veränderung der Zwischenkreisspannung besteht in einer Veränderung der Eingangsspannung (= Potenzialdifferenz zwischen den Gleichspannung-Eingangsanschlüssen) zum Beispiel durch eine Veränderung des einfallenden Lichts auf die angeschlossenen Photovoltaik-Module, wie sie beispielsweise in der Morgen- oder Abenddämmerung automatisch geschieht, oder auch der Belastung und damit Ausgangsleistung der Photovoltaik-Module.
-
Eine solche Veränderung der Eingangsspannung wird durch die zweite Messvorrichtung erfasst.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können mit dem Zwischenkreis mehrere Paare von Gleichspannung-Eingangsanschlüssen verbunden werden, an welche jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist. Es können vorzugsweise mehrere Photovoltaik-Generatoren mit einem gemeinsamen Wechselrichter verbunden werden. Bei dieser Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besonders von Vorteil, da ein etwaiger Isolationsfehler aufgrund der möglichen Erfassung oder zumindest Eingrenzung seines Potenzials genauer lokalisiert werden kann und der Benutzer auf diese Weise zumindest den fehlerhaften Photovoltaik-Generator bestimmen kann.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auf Basis der erfassten Veränderungen der Potenziale und/oder Potenzialdifferenzen eine Fehlerstromveränderung ermittelt und dann der Fehlerwiderstand eines Isolationsfehlers auf Basis dieser ermittelten Fehlerstromveränderung ermittelt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Potenzialdifferenz zwischen den Gleichspannungsanschlüssen erfasst, um eine Veränderung der Zwischenkreisspannung zu ermitteln.
-
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
-
Die Schaltungsanordnung weist zwei Gleichspannung-Eingangsanschlüsse 12, 14 auf, die mit einem positiven Zweig bzw. einem negativen Zweig der Schaltungsanordnung verbunden sind. An diese Gleichspannung-Eingangsanschlüsse 12, 14 kann wenigstens eine Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen werden. In dem Ausführungsbeispiel von 1 handelt es sich bei dieser wenigstens einen Gleichspannungsquelle 10 um einen Photovoltaik-Generator, gebildet aus mindestens einem String von typischerweise mehreren Photovoltaik-Modulen.
-
Mit den beiden Gleichspannung-Eingangsanschlüssen 12, 14 ist optional eine Puffer- und/oder Filterschaltung 16 mit wenigstens einem Pufferkondensator C3 verbunden. Diese Pufferschaltung 16 dient beispielsweise dem Puffern von Rippleströmen, welche zum Beispiel bei Photovoltaik-Generatoren als Gleichspannungsquelle 10 in der Regel unvermeidbar sind.
-
Dieser Pufferschaltung 16 nachgeschaltet ist meist ein DC/DC-Umsetzer 18. Der DC/DC-Umsetzer 18 ist zum Beispiel als ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller oder ein variabler Hoch/Tiefsetzsteller ausgebildet. Mit Hilfe dieses DC/DC-Umsetzers 18 kann das Spannungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wenn nötig gezielt verändert werden.
-
Am Ausgang des DC/DC-Umsetzers 18 ist ein Zwischenkreis 20 vorgesehen. Dieser Zwischenkreis 20 enthält vorzugsweise mehrere Zwischenkreiskondensatoren C1, C2. Dabei kann der Zwischenkreis 20 durch eine entsprechende Kapazitätswahl der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 wahlweise symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein.
-
In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ohne integrierenden DC/DC-Umsetzer kann die Pufferschaltung 16 auch mit dem Zwischenkreis 20 zusammenfallen.
-
Mit diesem Zwischenkreis 20 ist ein Wechselrichter 28 verbunden. Bei dem Wechselrichter 28 handelt es sich zum Beispiel um einen Photovoltaik-Wechselrichter zur Einspeisung der von den Photovoltaik-Generatoren 10 erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, ein Inselnetz, einen (Motor-)Umrichter oder einen beliebigen anderen Verbraucher 30 beliebiger Nennspannung, -form und -frequenz.
-
Zudem ist an mindestens einen Gleichspannung-Ausgangsanschluss 24 des Zwischenkreises 20 wenigstens eine Messvorrichtung 38 zur Erfassung des Potenzials oder der Potenzialdifferenz dieses Ausgangsanschlusses 24 gegenüber Erde 32 oder dem Neutralleiter angeschlossen. In 1 ist diese Messvorrichtung 38 durch den Messspannungsteiler R3 / R4 mit dem Messpunkt M2 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich sind an den Gleichspannung-Ausgangsanschluss 22 und/oder den Gleichspannung-Ausgangsanschluss 26 des Zwischenkreises 20 eine Messvorrichtung 39 bzw. 40 angeschlossen. Diese Messvorrichtungen 39, 40 sind in 1 durch die Messspannungsteiler R5 / R6 bzw. R7 / R8 mit den Messpunkten M3 bzw. M4 dargestellt.
-
Wie in 1 angedeutet, können der Zwischenkreis 20 und damit der Wechselrichter 28 von mehreren Gleichspannungsquellen 10 gespeist werden. Diese mehreren Gleichspannungsquellen 10 sind typischerweise parallel geschaltet und mit dem Zwischenkreis 20 jeweils über eine eigene Pufferschaltung 16 und einen eigenen DC/DC-Umsetzer 18, 42 verbunden. Sie können aber auch in Reihe an den Zwischenkreis 20 angeschlossen sein und/oder jeweils wenigstens einen der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 versorgen.
-
In ähnlicher Weise können auch mehrere Wechselrichter 28 an den Zwischenkreis 20 angeschlossen werden. Dies kann ebenfalls in Form einer Parallelschaltung oder einer Reihenschaltung der Wechselrichter 28 erfolgen. Außerdem können der oder die Wechselrichter 28 grundsätzlich an beliebige Gleichspannung-Ausgangsanschlüsse 22..26 angeschlossen werden.
-
Die beschriebene Schaltungsanordnung ist zudem zur Isolationsüberwachung, d.h. zum Erkennen eines Isolationsfehlers in der Schaltungsanordnung selbst oder in den angeschlossenen Gleichspannungsquellen 10 ausgebildet.
-
Zu diesem Zweck weist die Schaltungsanordnung wenigstens zwei Messvorrichtungen auf.
-
Die erste Messvorrichtung 36 weist typischerweise einen Mikrocontroller (nicht dargestellt) oder einen anderen, typischerweise integrierten Schaltkreis wie beispielsweise ein FPGA oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) auf, der auf einem der Eingangs-, Ausgangs- oder Zwischenkreispotenziale sitzt. In 1 ist einer dieser Messpfade der ersten Messvorrichtung 36 durch die entsprechende Messanordnung M1, R1, R2 dargestellt. Ein solcher Messpfad kann ggf. für jede von mehreren, parallel oder in Serie geschalteten Gleichspannungsquellen 10 vorhanden sein.
-
Die zweiten Messvorrichtungen 38, 39, 40 mit hier dargestellten insgesamt drei Messpfaden M2, R3, R4 bzw. M3, R5, R6 bzw. M4, R7, R8 sitzen in diesem Ausführungsbeispiel auf Neutralleiter- oder Erdpotenzial. Sie können aber ebenso auf einem der Eingangs-, Ausgangs- oder Zwischenkreispotenziale sitzen.
-
Bei diesen ersten und zweiten Messvorrichtungen 36, 38..40 kann es sich jeweils um Spannungsteiler in Verbindung mit einem Mikrocontroller oder einem anderen integrierten Schaltkreis handeln, wie in 1 veranschaulicht. Dabei kann für jede der Messvorrichtungen eine eigene Auswerteeinheit vorgesehen sein oder es können zum Teil oder vollständig von mehreren Messvorrichtungen gemeinsam genutzte Auswerteeinheit vorgesehen sein.
-
In 1 ist zudem ein Fehlerwiderstand R9 eines Isolationsfehlers dargestellt, welcher innerhalb des Photovoltaik-Generators 10 vorhanden ist. Der Isolationsfehler tritt dabei innerhalb des Strings der mehreren Photovoltaik-Module auf und liegt zum Beispiel auf einem Potenzial, welches durch die Teilspannungen V1 und V2 der beiden Teilstrings vor und nach dem Isolationsfehler bestimmt wird.
-
Die Ermittlung dieses Isolationsfehlers durch die Schaltungsanordnung erfolgt beispielsweise folgendermaßen.
-
In einem ersten Betriebszustand, der durch eine Zwischenkreisspannung UZK zu einem ersten Zeitpunkt bestimmt ist, werden durch die zweiten Messvorrichtungen 38, 39, 40 die Potenziale der drei Gleichspannung-Ausgangsanschlüsse 22, 24, 26 erfasst. Die Eingangsspannung wird durch die erste Messvorrichtung 36 erfasst, die Zwischenkreisspannung UZK kann dabei u.a. durch das Übersetzungsverhältnis des DC/DC-Umsetzers 18 und/oder die Differenzspannung der zweiten Messvorrichtungen 39, 40 bestimmt werden.
-
Dann wird die Zwischenkreisspannung UZK und/oder die Eingangsspannung UIN verändert. Dies geschieht zum Beispiel durch eine Veränderung des Umsetzverhältnisses des DC/DC-Umsetzers 18 und/oder durch eine Veränderung der Eingangsspannung (z.B. aufgrund veränderter Lichtverhältnisse bei den Photovoltaik-Modulen des Photovoltaik-Generators 10). Die Veränderung der Zwischenkreisspannung UZK kann dabei ggf. wieder anhand der durch die erste Messvorrichtung 36 erfassten Eingangsspannung UIN und dem ggf. veränderten Umsetzverhältnis des DC/DC-Umsetzers 18 und/oder der Differenzspannungen der zweiten Messvorrichtungen bestimmt werden.
-
In einem zweiten Betriebszustand, der zum Beispiel durch die veränderte Zwischenkreisspannung UZK' zu einem zweiten Zeitpunkt bestimmt ist, werden durch die zweiten Messvorrichtungen 38, 39, 40 die aufgrund der Veränderung der Zwischenkreisspannung UZK veränderten Potenziale der Gleichspannungsanschlüsse 12, 14, 22, 24, 26 gegenüber Erde 34, 36 erfasst.
-
Nun wird für jeden Betriebszustand bzw. jede Potenzialmessung der zweiten Messvorrichtungen ein Fehlerstrom Ierror berechnet. Diese Berechnung des Fehlerstroms Ierror kann zum Beispiel durch vorzeichenrichtiges / vorzeichenbehaftetes Aufsummieren aller Ströme der zu den drei Gleichspannung-Ausgangsanschlüssen 22, 24, 26 führenden Zweige (Iist=Ii+I2+I3), welche aus den vom Mikrocontroller der ersten Messvorrichtung abgegriffenen Spannungen und den jeweiligen Spannungsteilerwiderständen R1/R2, R3/R4, R5/R6 berechnet werden können, und/oder Vergleichen mit dem theoretisch erwarteten Stromwert (Ierror=Isoll-Iist), welcher aus dem bekannten Aufbau der Schaltungsanordnung ermittelt werden kann, durchgeführt werden.
-
Sind beispielsweise nur die Widerstände R5 bis R8 der zweiten Messvorrichtungen 39 und 40 vorhanden und existiert kein Isolationsfehler (d.h. R9 gegen Unendlich) und gilt R5=R7 bzw. R6=R8, so würde die vorzeichenrichtige Stromaddierung direkt den Fehlerstrom Ierror von in diesem Fall Null ergeben. Falls ein Isolationsfehlerwiderstand R9 existiert, so würde direkt der durch diesen Fehlerwiderstand R9 fließende Fehlerstrom Ierror berechnet werden. Interne Leckstrompfade (in diesem Beispiel könnten diese beispielsweise durch R1 und R2 dargestellt sein) können somit herausgerechnet werden.
-
Da diese Fehlerstromberechnung für beide Betriebszustände durchgeführt wird, kann auch eine Veränderung des Fehlerstroms ΔIerror=Ierror'-Ierror bestimmt werden. Unter der Annahme, dass sich der Isolationsfehler in der Zwischenzeit, d.h. zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand nicht verändert hat, wird dann aus dieser Veränderung des Fehlerstroms ΔIerror und der Veränderung der Zwischenkreisspannung ΔUZK sowie den bekannten Systemparametern der Schaltungsanordnung der Fehlerwiderstand R9 des Isolationsfehlers bestimmt oder zumindest abgeschätzt.
-
Weiter kann dann aus dem so bestimmten Fehlerwiderstand R9 und dem gemessenen Strom das Potenzial des Isolationsfehlers abgeschätzt und damit der Isolationsfehler zumindest grob innerhalb des Strings von Photovoltaik-modulen des Photovoltaik-Generators 10 lokalisiert werden. Sind mehrere parallel geschaltete Photovoltaik-Generatoren 10 mit der Schaltungsanordnung verbunden, so können der fehlerhafte Photovoltaik-Generator 10 bestimmt und der Isolationsfehler darin zumindest grob lokalisiert werden. Diese Lokalisierung ist nicht zuletzt deshalb möglich, da alle Potenzialmessungen gegenüber einem vorbestimmten Potenzial (z.B. Masse oder negativer Zweig) durchgeführt werden und deshalb auch die Potenzialbestimmung des Isolationsfehlers gegenüber diesem vorbestimmten Potenzial erfolgt.
