DE102013104629A1

DE102013104629A1 - Energieerzeugungseinrichtung mit funktionssicherer Potentialtrennung

Info

Publication number: DE102013104629A1
Application number: DE102013104629.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Rilling; Konstantin Ponjakin
Original assignee: Refusol GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06
Also published as: US20160099569A1; WO2014180757A1; EP2994767A1

Abstract

Eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere aus regenerativer Energie, zur Einspeisung in ein Netz (17) weist einen Stromrichter (3), wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Stromrichters (3) mit dem Netz (17), eine Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung (18–20, 26) angeordnete Reihenschaltung (37–40) aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen (S11...S43) aufweist, eine Entstörfiltereinrichtung (31), die wenigstens ein zwischen dem Ausgang (11) des Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung (18–20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, eine Messeinrichtung (33) zur Erfassung von über das Entstörfilterelement (34) fließenden Ableitströmen und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Ableitstromsignale und eine Steuereinrichtung (41) zur Ansteuerung der Schalterelemente (S11...S43) der Trenneinrichtung (32) auf. Um die Schalterelemente auf Funktionssicherheit zu überprüfen, ist die Steuereinrichtung (41) eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente (S11...S43) einer Reihenschaltung (37–40) zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung (33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente in der Reihenschaltung zu erkennen. Ferner ist ein Verfahren zur Prüfung der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung geschaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, mit einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung eines Stromrichters der Energieerzeugungseinrichtung von dem Netz sowie ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer derartigen Potentialtrenneinrichtung.
Energieerzeugungsanlagen, bspw. Photovoltaik(PV)-Anlagen, Windkraftanlagen, brennstoffzellenbasierte Anlagen, etc., werden meist über eine Trenneinrichtung bspw. an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen, die bei Bedarf eine Potentialtrennung der Energieerzeugungsanlage von dem Netz ermöglicht. So ist es z.B. vorgeschrieben, dass Wechselrichter von Energieerzeugungsanlagen bei einem Netzausfall oder einer Freischaltung eines Netzes zu Wartungszwecken oder bei Auftreten gefährlicher Fehler- bzw. Leckströme am Wechselrichter oder Generator selbsttätig und automatisch abschalten und eine Trennung vom Netz herbeiführen. Mit der Trenneinrichtung sollen alle geerdeten und ungeerdeten stromführenden Leiter der Energieerzeugungsanlage vom Netz getrennt werden.
Es ist wichtig, dass die Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungsanlage sicher und zuverlässig funktioniert. Im Allgemeinen enthält die Trenneinrichtung ansteuerbare elektromagnetische Schalter, wie bspw. Schütze oder Relais, die eine galvanische Trennung herbeiführen können. Bedingt durch hohe Ströme im Betrieb, Umgebungseinflüsse, Korrosion und weitere Faktoren können die Schaltkontakte derartiger Relais bzw. Schütze verkleben oder klemmen und dann geschlossen bleiben, selbst wenn sie zum Öffnen angesteuert werden. Ein derartiger Defekt muss erkannt und schnell beseitigt werden, weil er ansonsten eine Gefahr bspw. für Personen, die mit der Wartung des Netzes betraut sind, darstellen würde. Deshalb werden zur Sicherheit in einer Trenneinrichtung in jeder Anschlussleitung meist zwei Schalterelemente in Reihe angeordnet, die gesondert voneinander zum Öffnen angesteuert werden können, damit im Notfall eine Redundanz vorhanden ist.
Die Norm DIN EN 62109-2 schreibt vor, dass künftig Wechselrichter einer Energieerzeugungsanlage die Isolation der selbstständigen Trenneinrichtung eigenständig überprüfen müssen, bevor sie in Betrieb gehen. Es muss jeder Einzelfehler oder -defekt, insbesondere ein Klemmen oder Kleben eines Kontaktes einer der Schalter der Trenneinrichtung sicher erkannt und im Fehlerfalle eine Verbindung mit dem Netz verhindert werden.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Funktionssicherheitsüberprüfung zur Überprüfung der Potentialtrennung bspw. eines Wechselrichters von einem Stromversorgungsnetz, die eine sichere Erkennung eines Defektes eines Schalterelementes der Potentialtrenneinrichtung ermöglicht.
Hierzu könnten Sicherheitsrelais oder -schütze verwendet werden, die eine integrierte Selbstüberwachungs- und Diagnosefunktion aufweisen und über Rückmeldeausgänge ihre Funktionssicherheit betreffende Selbstdiagnoseergebnisse bereitstellen können. Derartige Sicherheitsrelais bzw. -schütze sind jedoch aufwendig und teuer und außerdem in bereits existierenden Energieerzeugungsanlagen meist nicht vorhanden. Auch für existierende Energieerzeugungsanlagen wäre eine Funktionssicherheitsüberprüfung der Potentialtrenneinrichtung erwünscht.
Aus der Praxis sind ferner Lösungen bekannt, die zusätzliche Messeinrichtungen am Ausgang des Wechselrichters vorsehen, um bspw. Potentiale an diversen Stellen der Anschlussleitungen, z.B. direkt an den Schalterelementen der Trenneinrichtung zu messen und daraus einen Schalterdefekt zu erkennen. Diese Messeinrichtungen erhöhen ebenfalls die Komplexität und den Realisierungsaufwand für die Stromrichter und lassen sich auch nicht oder praktisch kaum in bereits existierenden Energieerzeugungsanlagen nachrüsten.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zu finden, die eine Überprüfung der Funktionssicherheit einer Trenneinrichtung einer Energieerzeugungsanlage mit relativ geringem Aufwand ermöglicht und die auch in bereits existierende Energieerzeugungsanlagen aufwandsarm implementiert werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieerzeugungsanlage mit einem Stromrichter und einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung des Stromrichters von einem Netz sowie ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit der Potentialtrenneinrichtung zu schaffen, die eine Funktionsprüfung insbesondere der ansteuerbarer Schaltelemente der Potentialtrenneinrichtung auf möglichst einfache Weise ermöglichen. Hierzu sollten möglichst bei Energieerzeugungsanlagen üblicherweise verwendete Komponenten genutzt werden, so dass auch eine Nachrüstung von existierenden Anlagen mit geringem Installationsaufwand ermöglicht sein sollte.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Energieerzeugungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, weist einen Stromrichter, wenigstens eine Leitung, eine Trenneinrichtung, eine Entstörfiltereinrichtung, eine Messeinrichtung und eine Steuereinrichtung auf. Der Stromrichter ist zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang eingerichtet und kann je nach Anlagetyp bspw. ein Umrichter oder ein Wechselrichter sein. Die wenigstens eine Leitung ist zur elektrischen Verbindung des Ausgangs des Stromrichters mit dem Netz vorgesehen. Die Trenneinrichtung dient der Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz im Fehler- oder Bedarfsfall und weist eine in der wenigstens einen Leitung angeordnete Reiheinschaltung aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen auf. Die Entstörfiltereinrichtung ist für Entstörmaßnahmen und somit zur elektromagnetischen Verträglichkeit vorgesehen und weist wenigstens ein Entstörfilterelement auf, das zwischen dem Ausgang des Stromrichters und der Trenneinrichtung an die wenigstens eine Leitung angeschlossen ist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt, wie Geräte- bzw. Schutzerde oder Funktionserde, abzuleiten. Die Messeinrichtung ist zur Erfassung von über das Entstörfilterelement fließenden Ableitströmen und zur Lieferung eines einen jeweiligen Ableitstrom kennzeichnenden Ableitstromsignals eingerichtet. Die Steuereinrichtung dient der Ansteuerung der Schalterelemente der Trenneinrichtung, um diese für den Betrieb zum Schließen und im Fehler- oder Bedarfsfalle zum Öffnen anzusteuern. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung ferner zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung ein Ableitstromsignal als Reaktion auf das Schließen des Schalters zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung der Trenneinrichtung zu erkennen.
Gemäß der Erfindung wird ein Defekt eines der Schalterelemente der Trenneinrichtung durch das Schließen des wenigstens einen anderen Schalterelementes der Trenneinrichtung und eine Beobachtung der Reaktion eines durch das wenigstens eine Entstörfilterelement der Entstörfiltereinrichtung hervorgerufenen Ausgleichstromes, der Rückschlüsse auf einen vorliegenden Schalterdefekt ermöglicht, festgestellt. Unter einem Defekt ist hier insbesondere die Fehlfunktion zu verstehen, dass das betreffende Schalterelement trotz einer Ansteuerung zum Öffnen geschlossen bleibt, weil z.B. bei Schaltern zur galvanischen Trennung ein Kontakt klemmt oder kleben bleibt.
Wichtig ist dabei, dass das wenigstens eine Entstörfilterelement der Entstörfiltereinrichtung vom Netz aus gesehen hinter oder stromabwärts (im normalen Betrieb der Energieerzeugungseinrichtung vor oder stromaufwärts) der Trenneinrichtung angeordnet ist, damit im Fehlerfalle ein Ableit- bzw. Ausgleichstrom vom Netz über die Trenneinrichtung und das Entstörfilterelement zu dem Bezugspunkt, insbesondere der Geräte- oder Funktionserde, abfließen kann. Dies ist im Allgemeinen bei Energieerzeugungsanlagen bspw. mit Wechselrichtern vorgesehen, so dass vorteilhafterweise hier bereits vorhandene Anlagenkomponenten genutzt werden können. Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung kann mit relativ geringem Aufwand implementiert werden und benötigt hierzu nur wenige oder keine zusätzliche Bauelemente. Jedenfalls ist die Komplexität gering, was auch den Installationsaufwand verringert. Im einfachsten Fall kann die Lösung zur Funktionsüberprüfung rein softwaretechnisch implementiert werden, so dass bereits existierende Anlagen ohne weiteres, z.B. durch Fernwartung nachgerüstet werden können. Jedenfalls ermöglicht die erfindungsgemäße Methode eine effektive und zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit der Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung ist vorzugsweise eine Photovoltaikeinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer durch einen Photovoltaikgenerator gelieferten Energie mittels eines vorzugsweise transformatorlosen Photovoltaikwechselrichters. Bei solchen Wechselrichtern ist eine funktionssichere Isolierung oder Trennung des Wechselrichters von dem Netz bspw. zur Instandhaltung des Netzes unbedingt erforderlich, um Arbeiter am Netz vor elektrischen Schlägen zu schützen, insbesondere wenn kein zusätzlicher Trenntransformator vorgesehen ist. Die Energieerzeugungseinrichtung kann aber auch für Windkraftanlagen, auf Brennstoffzellen basierende Energieerzeugungsanlagen oder dgl. verwendet werden. Die Energieerzeugungsanlage kann auch zur Speisung eines Verbrauchers verwendet werden, wenn dieser auch in der Lage ist, elektrische Energie zurück in die Energieerzeugungsanlage zu speisen. Dies kann bspw. bei einem elektrischen Antriebssystem der Fall sein, das einen Motor-Generator aufweist, der in einem Motorbetrieb durch die Energieerzeugungseinrichtung gespeist wird und der in einem Generatorbetrieb Strom zurück zu der Energieerzeugungseinrichtung liefern kann. Insofern ist unter einem „Netz“ hier auch ein derartiger Verbraucher zu verstehen, der Strom von der Energieerzeugungseinrichtung empfangen und zu dieser liefern kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung, insbesondere für Photovoltaikanwendungen, ist der Stromrichter durch einen ein- oder mehrphasigen Wechselrichter, insbesondere einen Photovoltaikwechselrichter, gebildet, der eingangsseitige Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umrichtet und dessen Ausgang wenigstens einen ersten Phasenanschluss und einen Neutralanschluss aufweist. Die wenigstens eine Leitung weist dann wenigstens einen ersten Phasenleiter, der an den ersten Phasenanschluss angeschlossen ist, und einen Neutralleiter auf, der an den Neutralanschluss angeschlossen ist. Zusätzliche ist eine Geräteerdung oder eine Funktionserdung vorgesehen. Die Trenneinrichtung weist eine erste Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Schalterelement auf, die in dem ersten Phasenleiter angeordnet sind. Die Trenneinrichtung kann ferner eine weitere Reihenschaltung aus wenigstens einem weiteren ersten und zweiten Schalterelement aufweisen, die in dem Neutralleiter angeordnet sind. Damit können normgemäß alle geerdeten und ungeerdeten stromführenden Leiter vom Netz getrennt werden.
In dem hierin verwendeten Sinne umfasst die „wenigstens eine Leitung“ eine Leitung, zwei Leitungen oder drei und mehr Leitungen. Je nach Anwendungsfall kann die wenigstens eine Leitung ausschließlich Leitungen mit Potentialtrennung oder auch Leitungen mit und Leitungen ohne Potentialtrennung enthalten. Im Falle eines Wechselspannungsnetzes ist die wenigstens eine Leitung z.B. ein Neutralleiter und wenigstens ein Phasenleiter.
Die Energieerzeugungseinrichtung kann auch für ein mehrphasiges Wechselspannungsnetz vorgesehen sein und bspw. einen dreiphasigen Wechselrichter mit drei Phasenanschlüssen, einem Neutralanschluss und einer Erdung an dessen Ausgang, drei Phasenleiter, einen Neutralleiter und eine Erdungsverbindung aufweisen, die jeweils zwischen einem der Phasenanschlüsse bzw. dem Neutralanschluss oder der Erdung des Wechselrichterausgangs und einem zugehörigen netzseitigen Anschluss verlaufen. In jedem Phasenleiter sowie in dem Neutralleiter kann dann jeweils eine Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Schalterelement der Trenneinrichtung vorgesehen sein. Natürlich ist auch eine zweiphasige Ausführung möglich.
Zur höheren Sicherheit kann die Trenneinrichtung mehr als zwei gesondert ansteuerbare Schalterelemente in jeder Reihenschaltung der wenigstens einen Leitung aufweisen. Dadurch lassen sich bessere Isolationen durch größere Gesamtluftstrecken aller Schalterelemente einer Reihenschaltung erreichen. Auch in dem Falle, dass eines der Schalterelemente ausfällt und an den anderen Schalterelementen bereits durch Korrosion, Verschmutzung oder dgl. die Lufttrennstrecke etwas verringert ist, kann eine hinreichende gesamte Lufttrennstrecke sichergestellt werden. Zur Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung ist die Steuereinrichtung in diesem Fall vorzugsweise eingerichtet, um wahlweise gleichzeitig alle bis auf ein einzelnes der Schalterelemente jeder Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung als Reaktion ein Ableit- bzw. Ausgleichsstromsignal zu erhalten und anhand des Stromsignals einen Defekt des einen einzelnen Schalterelementes der jeweiligen Reihenschaltung zu erkennen.
Als steuerbare Schalterelemente für die Trenneinrichtung werden vorzugsweise elektromagnetische Schalter, insbesondere Schütze oder Relais eingesetzt. Diese sind einfach steuerbar und für die bspw. in Photovoltaikanlagen oder dgl. vorgesehenen Leistungen geeignet. Alternativ oder zusätzlich können je nach Anwendung auch Halbleiterschalterelemente, wie bipolare Leistungstransistoren, MOSFET-Leistungstransistoren, IGBTs oder dgl., verwendet werden. Im normalen Betrieb werden alle Schalterelemente aller Reihenschaltungen der Trenneinrichtung von der Steuereinrichtung geschlossen. Soll eine Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz bewirkt werden, so werden alle Schalterelemente zum Öffnen angesteuert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jedes Schütz oder Relais zwei oder mehrere gleichartige Schaltkontakte auf, die in unterschiedlichen Leitern der wenigstens einen Leitung, bspw. in unterschiedlichen Phasenleitern oder in einem Neutralleiter und einem oder mehreren unterschiedlichen Phasenleitern, angeordnet sind und gemeinsam über einen einzigen Steuerkreis angesteuert werden können. Dadurch kann der Aufwand bei der Steuerung und Funktionssicherheitsüberprüfung der Schalterelemente reduziert werden.
Die Entstörfiltereinrichtung kann unterschiedliche Filterkomponenten zur Verringerung von Gleichtakt- oder Gegentaktstörsignalen aufweisen, die insbesondere durch den Stromrichter hervorgerufen werden. Diese Komponenten können verteilt zwischen dem stromrichterseitigen Ausgang und dem netzseitigen Ausgang in allen Leitern der wenigstens einen Leitung angeordnet sein. Hierzu gehören insbesondere vorzugsweise auch Netzfilter, die als Tief- oder Bandpässe ausgebildet sind und vorzugsweise zwischen der Trenneinrichtung und dem netzseitigen Anschluss eingefügt sind. Das wenigstens eine Entstörfilterelement, das im Fehlerfalle der Trenneinrichtung bei der Funktionsprüfung aufgrund von Ausgleichsvorgängen den Ableitstrom hervorruft, ist jedoch zwischen dem stromrichterseitigen Ausgang und der Trenneinrichtung untergebracht.
In einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Entstörfilterelement einfach ein Entstörkondensator, der zwischen einem Phasenleiter der wenigstens einen Leitung und einer Erde, Geräteerde (Schutzerde, PE) oder Funktionserde (FE), angeschossen ist. Pro Phasenleiter ist wenigstens ein derartiger Entstörkondensator vorgesehen. Solche Entstörkondensatoren sind üblicherweise in Stromrichtern von Energieerzeugungsanlagen, insbesondere PV-Wechselrichtern, bereits vorhanden. Insofern können bereits vorhandene Bauteile für die Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung genutzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet die Messeinrichtung einen Teil einer allstromsensitiven Fehlerstromüberwachungseinheit. Derartige allstromsensitive Fehlerstromüberwachungseinheiten sind bei modernen transformatorlosen Wechselrichtern integriert, um alle Arten von Fehler- bzw. Leckströmen gegen die Erde, wie Gleich-, Wechsel- und Pulsströme, zu erfassen. Die allstromsensitive Fehlerstromüberwachungseinheit kann dann bei der Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung auch einen gegebenenfalls auftretenden Ausgleichstrom erfassen und ein zugehöriges Stromsignal an die Steuereinrichtung liefern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Messeinrichtung einen Messstromwandler in Form eines Differenzstromsensors auf, durch den alle zwischen den stromseitigen Anschlüssen und den netzseitigen Anschlüssen verlaufenden Leiter der wenigstens einen Leitung, also alle Phasenleiter und der Neutralleiter, hindurchgeschleift sind und der zur Erfassung der Differenz bzw. Summe aller Ströme, die in den Leitern fließen, eingerichtet ist. Der Differenzstromsensor kann insbesondere Teil der allstromsensitiven Fehlerstromüberwachungseinheit sein, so dass auch auf ohnehin vorhandene Bauteile bereits existierender Energieerzeugungsanlagen zurückgegriffen werden kann.
Die Steuereinrichtung und die Messeinrichtung sind vorzugsweise eingerichtet, um die Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung durchzuführen, bevor der Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, in Betrieb geht. Bspw. kann der Stromrichter, insbesondere ein PV-Wechselrichter, komplett durch die Gleichspannung eines Generators, insbesondere eines PV-Generators, versorgt sein. Sobald bspw. in den frühen Morgenstunden eine hinreichend große Gleichspannung an dem PV-Wechselrichter anliegt, sorgt dieser für eine Gleichspannung, die über der Netzscheitelspannung liegt. Der PV-Wechselrichter führt zunächst eine Vorsteuerungsroutine zur Synchronisation mit dem Netz aus und verbindet sich mit dem Netz, sobald er netzsynchron ist. Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung wird vor der Vorsteuerungsroutine durchgeführt, um im Defektfalle eine Betriebaufnahme des Wechselrichters zu verhindern.
Zur Auswertung eines von der Messeinrichtung empfangenen Ableitstromsignals bei der Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung kann die Steuereinrichtung eine Vergleichereinrichtung aufweisen, die das empfangene Ableitstromsignal mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und bei Überschreitung des Schwellenwertes einen Defekt der Trenneinrichtung feststellt. Ein Schwellenwert kann basierend auf den Parametern des Netzes, der Entstörfiltereinrichtung, der Impedanz der wenigstens einen Leitung und dgl. geeignet festgelegt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um wenigstens zwei erste bzw. zweite Schalterelemente in unterschiedlichen Phasenleitern oder in einem Phasenleiter und einem Neutralleiter gleichzeitig zum Öffnen oder zum Schließen anzusteuern. Dies ist insbesondere in Kombination mit Schützen oder Relais nützlich, die wenigstens zwei gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte aufweisen. Der Realisierungsaufwand und der erforderliche Platz für die Bauelemente können verringert werden. Die Ansteuerung wird vereinfacht. Auch die Überprüfung der Funktionssicherheit der Trenneinrichtung gestaltet sich einfacher und schneller, da zeitgleich Defekte in unterschiedlichen einzelnen Leitern und gleichzeitige Fehler in zwei Leitern erkannt werden können. Im letzten Fall eines Zweifachfehlers ist der erfasste Ausgleichstrom, bspw. der durch den Differenzstromsensor erfasste Differenz- bzw. Summenstrom, noch ausgeprägter, was eine noch genauere, sicherere und schnellere Erfassung ermöglicht.
Zusätzlich zu der durch zwei Schalterelemente pro Leiter geschaffenen Redundanz kann auch die Steuereinrichtung redundant ausgeführt sein, um die Funktionssicherheit weiter zu verbessern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung zwei gesonderte Steuereinheiten, bspw. Prozessoren, Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder dgl., aufweisen. Eine erste Steuereinheit kann bspw. zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente aller Reihenschaltungen dienen, während eine zweite Steuereinheit zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente aller Reihenschaltungen vorgesehen sein kann. Damit wird auch die Funktionssicherheitsüberprüfung durch unterschiedliche Steuer- bzw. Prozessoreinheiten vorgenommen, so dass auch Einzelfehler bei diesen berücksichtigt werden, um die erforderliche Fehlertoleranz der selbsttätigen Trenneinrichtung zu erreichen. In jedem Einzelfehlerfall-Szenario, das eine Ansteuerung oder ein Schalterelement einbezieht, verbleibt noch wenigstens eine Steuereinheit und ein Schalterelement im Neutralleiter und in einem Phasenleiter, die eine sachgerechte Trennung des Stromrichters vom Netz sicherstellen.
Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung ist im Allgemeinen auf die in den Phasenleitern enthaltenen Schalterelemente der Trenneinrichtung beschränkt. Da der Neutralleiter meist netzseitig mit dem Schutzleiter (PE-Leiter) verbunden ist, liegt im Idealfall zwischen dem Neutralleiter und dem PE-Leiter keine Spannungsdifferenz vor. Somit findet auch kein Ausgleichsvorgang statt, wenn eines der Schalterelemente der Trenneinrichtung in dem Neutralleiter klemmt und das andere geschlossen wird. Um auch eine zuverlässige Funktionssicherheitsüberprüfung der Schalterelemente in dem Neutralleiter zu ermöglichen, bezieht die erfindungsgemäße Steuereinrichtung hierfür vorzugsweise zusätzlich eine Isolationsmessung des Stromrichters mit ein.
Insbesondere weist die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung vorzugsweise ferner eine Isolationsmesseinrichtung zur Bestimmung eines Isolationswiderstandes des Stromrichters auf. Eine derartige Isolationsmesseinrichtung ist üblicherweise in Stromrichtern, insbesondere Wechselrichtern, von Energieerzeugungsanlagen für die Isolationsfehlerdetektion vorhanden und wird hier erfindungsgemäß zusätzlich für die Funktionsprüfung der Trenneinrichtung herangezogen. Hierzu steuert die Steuereinrichtung eines der Schalterelemente in dem Neutralleiter zum Schließen an und stellt einen Defekt des anderen der Schalterelemente in dem Neutralleiter anhand des von der Isolationsmesseinrichtung ermittelten Isolationswiderstandes fest. Bei einem fehlerhaften Klemmen oder Kleben des Schaltkontaktes des anderen Schalterelementes ist der Stromrichter, je nach Netzform, galvanisch mit dem Netz verbunden und dadurch eine Isolation nicht mehr gewährleistet. Ein äußerst geringer Isolationswiderstand deutet somit auf einen derartigen Defekt des anderen Schalterelementes hin.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, geschaffen. Die Energieerzeugungseinrichtung weist einen Stromrichter zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang, wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Ausgangs des Stromrichters mit dem Netz, die Trenneinrichtung zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung eine in der wenigstens einen Leitung angeordnete Reihenschaltung aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen aufweist, die vorzugsweise zur galvanischen Trennung eingerichtet sind, und eine Entstörfiltereinrichtung auf, die wenigstens ein zwischen dem Ausgang des Stromrichters und der Trenneinrichtung an die wenigstens eine Leitung angeschlossenes Entstörfilterelement aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt, insbesondere gegen Masse oder einen Neutralleiter, abzuleiten. Erfindungsgemäß wird bei dem Funktionssicherheitsprüfverfahren, das vorzugsweise durchgeführt wird, bevor der Stromrichter, insbesondere ein Wechselrichter, in Betrieb geht und mit dem Netz verbunden wird, zunächst eines der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung angesteuert, um es zu schließen, woraufhin ein als Reaktion darauf durch das wenigstens eine Entstörfilterelement hervorgerufener Ausgleichstrom gemessen und ein Defekt, ein Kleben oder Klemmen eines Kontaktes, wenigstens eines anderen der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung anhand des gemessenen Ausgleichstroms festgestellt wird.
Die vorstehenden Verfahrensschritte werden für alle Schalterelemente der Trenneinrichtung wiederholt. Damit können Einzeldefekte an allen Schalterelementen der Trenneinrichtung, insbesondere in allen Phasenleitern sicher erkannt werden. Das Verfahren ist einfach und schnell durchführbar. Im Übrigen entsprechen die Aspekte, Vorteile, Ausführungsformen und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens denjenigen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieerzeugungseinrichtung erläutert sind.
Vorzugsweise wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Energieerzeugungseinrichtung verwendet, wie sie vorstehend näher beschrieben ist.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnungen, der Beschreibung oder der Unteransprüche. In der Zeichnung sind nicht beschränkende Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer Energieerzeugungsanlage zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in einem Netz mit einer Einrichtung zur Funktionsüberprüfung einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung der Anlage von dem Netz gemäß Aspekten der Erfindung, in stark vereinfachter Darstellung;
2 eine bevorzugte Ausführungsform der Energieerzeugungsanlage nach 1 in vereinfachter, gegenüber 1 detaillierter Darstellung;
3 ein Flussdiagramm zur Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung der Energieerzeugungsanlage nach 1 oder 2, in vereinfachter Darstellung;
4 eine modifizierte Ausführungsform der Energieerzeugungsanlage nach 1 oder 2 in stark vereinfachter Darstellung; und
5 ein verallgemeinertes Flussdiagramm zur Funktionsüberprüfung einer Trenneinrichtung bspw. der Energieerzeugungsanlage nach 4, in vereinfachter Darstellung.
In 1 ist in einer stark schematisierten, zum Teil blockschaltbildlichen Darstellung eine Energieerzeugungsanlage 1 zur Umwandlung einer eingangsseitig bereitgestellten elektrischen Gleichstromes aus einem Generator 2 in einen ausgangsseitigen Wechselstrom veranschaulicht. Die Energieerzeugungsanlage 1 weist den Generator 2 und einen hier dreiphasigen Stromrichter 3 auf, der je nach Anforderung auch ein einphasiger Stromrichter sein könnte. Als Stromrichter ist hier eine beliebige Einrichtung gemeint, die elektrische Energie einer Art in elektrische Energie einer anderen Art umwandeln kann. Es kann bspw. ein Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom, ein Umrichter zur Änderung der Frequenz eines Wechselstroms oder ein Wechselrichter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energieerzeugungsanlage eine Photovoltaik(PV)-Anlage oder eine Windkraftanlage oder eine auf Brennstoffzellen basierende Anlage, so dass der Generator 2 eine regenerative Energiequelle, bspw. einen PV-Generator bildet, der ein oder mehrere hier nicht im Einzelnen dargestellte PV-Module aufweist, die miteinander verbunden sind, um an dem Ausgang des PV-Generators eine Gleichspannung zu erzeugen und einen Gleichstrom bereitzustellen. Der Stromrichter 3 bildet dann einen Wechselrichter, der die an seinem Eingang bereitgestellten Gleichstrom in einen hier bspw. dreiphasigen Wechselstrom an seinem Ausgang wandelt.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 sind die Ausgangspole des Generators 2 hier mit 4, 5 bezeichnet, an die der Eingang 7 des Stromrichters 3 angeschlossen ist. Insbesondere ist ein positiver Eingangsanschluss 8 und ein negativer Eingangsanschluss 9 des Stromrichters 3 mit dem positiven bzw. negativen Pol 4, 5 des Generators 2 verbunden. Der Stromrichter weist ferner einen hier fünfpoligen Ausgang 11 auf, zu dem die drei Ausgangsanschlüsse (L1, L2, L3) 12, 13, 14, die die einzelnen Phasen der ausgangsseitigen Wechselspannung des Stromrichters 3 führen, ein Neutralausgangsanschluss (N) 16 und ein Erdungsausgangsanschluss (PE bzw. FE) 15 des Stromrichters 3 gehören.
Der Stromrichter 3, insbesondere Wechselrichter, kann von beliebiger vorzugsweise transformatorloser Bauart sein, die die Stromum- bzw. -wechselrichtung ermöglicht. Bevorzugterweise weist der Stromrichter 3 eine hier nicht näher darstellte Stromrichterschaltung auf, die in bekannter Weise eine Parallelschaltung von hier bspw. drei im Wesentlichen identischen Halb- oder Vollbrücken mit jeweils in Reihen verbundenen Schaltern aufweisen kann, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz nach vorgegebenen Mustern geschaltet werden, um aus der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom eine passende, insbesondere netzkonforme Wechselspannung und einen passenden Wechselstrom an dem Ausgang 11 zu erzeugen. Der am Ausgang 11 des Stromrichters 3 gelieferte Wechselstrom wird zu Einspeisung in ein Netz 17 verwendet, wobei der Begriff „Netz“ hierin im erweiterten Sinne auch elektrische Verbraucher, wie bspw. elektrische Motor-Generator-Antriebe umfassen kann, die sowohl durch die Energieerzeugungsanlage 1 gespeist werden als auch Strom in diese zurückspeisen können. Ansonsten ist das Netz vorzugsweise ein Stromversorgungsnetz, bspw. ein öffentliches Netz eines Energieversorgers. In der dargestellten Ausführungsform weist der in das Netz 17 eingespeiste dreiphasige Wechselstrom drei im Wesentlichen betragsgleiche, jeweils um 120 Grad zueinander phasenverschobene Ausgangsströme auf.
Die drei Ausgangsanschlüsse 12–14 des Stromrichters 3 sind über jeweilige Phasenleiter 18, 19 bzw. 20 mit Phasenanschlüssen 22, 23 bzw. 24 verbunden, die die Ausgangsanschlüsse der insgesamt mit 21 bezeichneten Energieerzeugungseinrichtung bzw. gesamten Strom-/Wechselrichteranordnung zwischen dem Generator 2 und dem Netz 17 bzw. die Eingangsanschlüsse des Netzes 17 bilden. Ferner ist der Neutralausgangsanschluss 16 des Stromrichters 3 über einen Neutralleiter (N-Leiter) 26 mit einem Neutralanschluss 27 als Ausgangsanschluss der Energieerzeugungseinrichtung 21 bzw. Eingangsanschluss des Netzes 17 verbunden. Außerdem ist an den Erdungsausgangsanschluss 15 des Stromrichters 3 bzw. den zugehörigen Ausgangsanschluss 25 der Energieerzeugungseinrichtung 21 ein zum Schutz gegen elektrischen Schlag bestimmter Schutzleiter (PE-Leiter) oder ein Funktionserdungsleiter (FE-Leiter) 28 zur Ableitung von Ausgleichs- und Störströmen vorgesehen, der, wie mit dem Erdungssymbol 29 angedeutet, geerdet ist und mit dem vorzugsweise auf der Netzseite auch der Neutralleiter 26 verbunden ist. Ein PE-Leiter 28 kann sich über die gesamte Anlage hinweg erstrecken, und an ihm ist vorzugsweise auch das Gehäuse des Generators 3 und des Stromrichters 3 angeschlossen.
Wie ferner aus 1 ersichtlich, sind in den Phasenleitern 18–20 und dem Neutralleiter 26 weitere Komponenten der Ausgangsseite des Stromrichters 3 angeordnet. Hierzu gehören insbesondere eine Entstörfiltereinrichtung 31, eine Trenneinrichtung 32 und eine Stromsensoreinrichtung 33.
Die Entstörfiltereinrichtung 31 ist zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen auf der Ausgangsseite des Stromrichters 3 vorgesehen. Insbesondere weist die Entstörfiltereinrichtung 31 in der hier dargestellten Ausführungsform wenigstens ein erstes und ein zweites Entstörfilterelement 34 bzw. 36 auf, die zur Filterung insbesondere asymmetrischer Störspannungen bzw. -ströme, so genannter Gleichtaktstörungen, die bspw. durch das hochfrequente Schalten der Schaltereinheiten des Strom- bzw. Wechselrichters 3 hervorgerufen werden, dienen. Insbesondere ist in jedem Phasenleiter 18–20 jeweils ein erstes Entstörfilterelement 34 und ein zweites Entstörfilterelement 36 angeordnet.
Das erste Entstörfilterelement 34 ist jeweils zwischen dem jeweiligen Phasenausgangsanschluss 12, 13, bzw. 14 des Stromrichters 3 und der Trenneinrichtung 32 eingefügt und zusätzlich mit dem Schutzleiter (PE) 28 unmittelbar verbunden, um Fehler- und Störströme gegen die Erde 29 als Bezugspunkt abzuleiten. Alternativ könnte jedes erste Entstörfilterelement 34 mit einer Funktionserde (FE) verbunden sein, wie sie in Wechselrichteranordnungen häufig für EMV-Filter vorgesehen ist. Für die Funktionsweise der Erfindung ist die Schutzfunktion eines Schutzleiters nicht von Bedeutung. Vielmehr kommt es auf die Möglichkeit der Ableitung von Ausgleichsströmen an.
Das zweite Entstörfilterelement 36 ist in jedem Phasenleiter 18, 19 bzw. 20 jeweils zwischen der Trenneinrichtung 32 und dem netzseitigen Phasenanschluss 22, 23 bzw. 24 eingefügt und im Allgemeinen durch ein Netzfilter, bspw. ein LC-Bandpass- oder LC-Tiefpassfilter gebildet, wie dies in der Technik allgemein bekannt ist. Das erste Störfilterelement 34, das zweite Störfilterelement 36 und ein optionaler Ferritkern zur Unterdrückung höherfrequenter Störanteile bilden zusammen die Entstörfiltereinrichtung 31, die zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit vorgesehen sind.
Die Trenneinrichtung 32 ist zur Potentialtrennung des Stromrichters 3 von dem Netz 17 im Falle einer Störung vorgesehen. Hierzu weist die Trenneinrichtung 32 in jedem Phasenleiter 18, 19 und 20 sowie in dem Neutralleiter 26 jeweils eine Reihenschaltung 37, 38, 39 bzw. 40 aus einem ersten ansteuerbaren Schalterelement Si1 und einem zweiten ansteuerbaren Element Si2 (i = 1 bis 4) auf, die hier in der bevorzugten Ausführungsform zur galvanischen Trennung der jeweiligen Leitung eingerichtet sind. Genauer gesagt, ist eine erste Reihenschaltung 37 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S11 und S12 in dem L1-Phasenleiter 18 angeordnet, während eine zweite Reihenschaltung 38 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S21, S22 in dem L2-Phasenleiter 19 angeordnet ist, eine dritte Reihenschaltung 39 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S31, S32 in dem L3-Phasenleiter 20 angeordnet ist und eine vierte Reihenschaltung 40 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S41, S42 in dem Neutralleiter 26 angeordnet ist.
Als ansteuerbare Schalterelemente S11...S42 werden vorzugsweise Relais oder Schütze eingesetzt, die sich zum Schalten bei den großen elektrischen Leistungen eignen, wie sie bei den vorliegenden Anwendungen vorkommen. Für andere Anwendungen könnten alternativ oder zusätzlich auch Halbleiterschalter, wie bipolare Leistungstransistoren, MOSFET-Leistungstransistoren, IGBTs und dgl., verwendet werden.
Im normalen Einspeisebetrieb des Stromrichters werden alle hier acht Schalterelemente S11...S42 von einer hier nur schematisiert dargestellten Steuereinrichtung 42 zum Schließen angesteuert. Im Falle einer Störung oder Wartung des Netzes 17 können alle Schalterelemente S11...S42 von der Steuereinrichtung 42 zum Öffnen angesteuert werden, um die Verbindung zwischen dem Stromrichter 3 und dem Netz 17 über die Phasenleiter 18–20 und den Neutralleiter 26 zu unterbrechen, um die erforderliche Potentialtrennung zu bewirken.
Die Stromsensoreinrichtung 33 ist hier Teil einer sogenannten allstromsensitiven Fehlerstromüberwachungseinheit 42, die manchmal auch als RCMU (Residual Count Monitoring Unit) bezeichnet wird und insbesondere bei transformatorlosen PV-Wechselrichtern zur Realisierung eines allstromsensitiven Fehlerstrom-Schutzschalters (AFI-Moduls) üblicherweise integriert ist. Die allstromsensitive Fehlerstrom-Überwachungseinheit 42 dient dem Anlagen- und Personenschutz und erkennt Fehler- bzw. Leckströme in Form von Gleich-, Wechsel- und/oder Pulsströmen, die insbesondere in einem Wechselrichter, bei den PV-Modulen oder in der Verkabelung der PV-Module entstehen können. Wird ein derartiger Fehler- bzw. Leckstrom erfasst, der einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so dass er eine Gefahr für Menschen darstellen könnte, wird eine automatische Abschaltung des Stromrichters 3 über die Trenneinrichtung 32 bewirkt. Hierzu ist kein externer Fehlerstromschalter erforderlich. Die Überwachungs- und Auswertelogik der allstromsensitiven Überwachungseinheit 42 kann Teil einer Steuerungslogik der Steuereinrichtung 41 zur Steuerung des Stromrichters 3 sein.
Die Stromsensoreinrichtung 33 selbst ist in der bevorzugten Ausführungsform als ein Differenzstromsensor beschaffen, durch den alle Phasenleiter 18–20, die den Betriebsstrom von dem Stromrichter-Ausgang 11 zu dem Netz 17 führen, und der Neutralleiter 26 als Primärleiter hindurchgeschleift sind, so dass der Differenzstromsensor 33 die Differenz bzw. Summe der durch die Primärleiter fließenden Wechselströme erfasst. Hierzu gehören insbesondere kapazitive Ableitströme, die durch bspw. einen PV-Generator 2 systematisch erzeugt werden, mögliche ohmsche Fehlerströme, die z.B. durch eine schadhafte Isolierung einer PV-Anlage erzeugt werden, sowie Ableit- bzw. Ausgleichströme, die bei der nachstehend beschriebenen Prüfprozedur zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung 32 gegebenenfalls hervorgerufen werden. All diese Ableit- bzw. Fehlerströme können sicher erkannt und unterschieden werden, woraufhin eine Potentialtrennung mittels der Trenneinrichtung 32 erzwungen werden kann.
Bezugnehmend auf 2 sind weitere Einzelheiten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage 1 veranschaulicht. Wie zu ersehen, ist das erste Entstörfilterelement 34 der Entstörfiltereinrichtung 31 hier jeweils durch einen Entstörfilterkondensator (C1) 43, 44, bzw. 45, gebildet, der jeweils einerseits an einer Stelle eines jeweiligen Phasenleiters 18, 19 bzw. 20 zwischen dem Stromrichterausgang 11 und der Trenneinrichtung 32 und andererseits an den Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 angeschlossen ist. Die Entstörfilterkondensatoren 43–45 leiten hochfrequente Störsignale, die bspw. durch das Betreiben elektronischer Schalter des Stromrichters 3 hervorgerufen werden, hier gegen die Schutzerde bzw. Funktionserde 29 ab.
In 2 ist ferner eine mögliche Realisierungsform für das zweite Entstörfilterelement 36 der Entstörfiltereinrichtung 31 schematisiert veranschaulicht. Das zweite Entstörfilterelement 34 weist zur Unterdrückung höherer Störfrequenzen geeignete Tiefpassglieder auf, die hier durch LC-Glieder mit in den Phasenleitern 18–20 und dem Neutralleiter 26 jeweils eingefügten Induktivitäten (L) 47 und an deren Ausgang zwischen den Leitern 18–20 bzw. 26 und Masse 29 jeweils angeschlossenen Kondensatoren (C2) 48 gebildet sind. Als die Induktivitäten 47 wird hier, wie durch den gekoppelten Kern angedeutet, eine stromkompensierte Drossel 49 eingesetzt, die, wie allgemein und üblich, dazu beitragen kann, sogenannte Gleichtaktstörungen, die gleichsinnig, mit gleicher Amplitude und Phase in den Leitern auftreten, wirksam zu dämpfen.
Die Steuereinrichtung 42 ist zur Ansteuerung der Schalterelemente S11...S42 der Trenneinrichtung 32 eingerichtet. Die Steuereinrichtung 41 kann Teil der Steuerung sein, die den Betrieb des Stromrichters 3 steuert. Sie kann insbesondere gemeinsam mit dieser in Soft- bzw. Firmware implementiert sein, die auf einem gemeinsamen Prozessor abläuft. Die Steuereinrichtung 42 kann jedoch von der Steuerung des Stromrichters auch gesondert implementiert sein. Jedenfalls ist die Steuereinrichtung 42 vorzugsweise gemeinsam mit der Logik der allstromsensitiven Überwachungseinheit 42 implementiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in der 2 veranschaulicht ist, weist die Steuereinrichtung 41 eine erste Steuereinheit 51 zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente S11, S21, S31, S41 aller Reihenschaltungen 37–40 in den Leitern 18–20 und 26 sowie eine zweite gesonderte Steuereinheit 52 auf, die zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente S12, S22, S32, S42 in den Leitern 18–20 und 26 vorgesehen ist. Die erste und die zweite Steuereinheit 51 und 52 sind vorzugsweise auf unterschiedlichen Prozessoren implementiert, um eine gewünschte Redundanz zu schaffen, die die gewünschte Einfehlertoleranz ermöglicht. Somit kann auch bei einem Defekt einer der Steuereinheiten 51 bzw. 52 sichergestellt werden, dass die andere Steuereinheit über die ihr zugeordneten Schalterelemente eine Potentialtrennung in allen Leitern 18–20 und 26 bewirken kann.
Die erste Steuereinheit 51 ist über Steuerleitungen 53–56 mit den ersten Schalterelementen S11, S21, S31, S41 betriebsmäßig verbunden, während die zweite Steuereinheit 52 mit den zweiten Schalterelementen S12, S22, S32 und S42 über entsprechende zweite Steuerleitungen 58–61 betriebsmäßig verbunden ist. Wie ferner aus 2 hervorgeht, weist jede von der ersten und zweiten Steuereinheit 51, 52 eine Auswerteeinheit 63 bzw. 64 auf, die die von der Stromsensoreinrichtung 33 gelieferten Signale empfängt, mit vorgegebenen Grenzwerten vergleicht und bspw. bei Überschreiten der Grenzwerte eine Fehlermeldung ausgibt und die zugehörige Steuereinheit 51 bzw. 52 anweist, die zugehörigen Schalterelemente S11...S42 zum Öffnen anzusteuern. Dies kann sowohl im Betrieb bei Feststellung von Fehlerströmen als auch bei der erfindungsgemäßen Prüfprozedur zur Überprüfung der Trenneinrichtung 32 erfolgen.
Es muss sichergestellt werden, dass die Potentialtrenneinrichtung 32 bei Bedarf sicher funktioniert. Insofern schreibt die Norm DIN EN 62109-2 vor, dass die Isolation der selbstständigen Trenneinrichtung eigenständig überprüft werden muss, bevor ein Wechselrichter in Betrieb geht. Ist eine Trenneinrichtung beschädigt, so dass bspw. einzelne Schaltkontakte auch dann geschlossen sind, wenn das Schalterelement zum Öffnen angesteuert wird, so muss dieser Defekt sicher erkannt und daraufhin verhindert werden, dass der Wechselrichter in Betrieb geht bzw. einen Betrieb wiederaufnimmt.
Um dies sicherzustellen, ist erfindungsgemäß eine Prüfprozedur vorgesehen, die die Steuereinrichtung 41 durchführt, bevor der Stromrichter 3 in Betrieb geht, um eine fehlerfreie Funktionsweise der Trenneinrichtung 32 sicherzustellen. Diese Prüfprozedur soll nun anhand der 3 erläutert werden.
Es wird angenommen, dass der Stromrichter 3, bspw. einen PV-Wechselrichter, durch die Generatorgleichspannung versorgt ist. Sobald der Generator 2, insbesondere PV-Generator 2 genug Gleichspannung liefert, wird für eine hinreichend hohe Eingangsspannung gesorgt, die über der Netzscheitelspannung liegt, damit der Stromrichter eine passende Spannung erzeugen und elektrischen Strom in das Netz 17 einspeisen kann. Der Stromrichter 3 führt dann als Teil einer sogenannten Vorsteuerungsroutine seine Filter dem Netz 17 nach, um sich mit diesem zu synchronisieren, und verbindet sich mit dem Netz 17, sobald er netzsynchron ist. Vor der Vorsteuerungsroutine führt der Stromrichter 3 die in 3 veranschaulichte Prüfroutine durch.
Wie in 3 veranschaulicht, wird zunächst im Schritt S101 der den Leiter kennzeichnende Index i zu 1 gesetzt. Dies bedeutet, dass der erste Phasenleiter 18 (L1) betrachtet wird. Außerdem wird der Index für den Schalter j ebenfalls zu 1 gesetzt.
Anschließend wird im Schritt S102 der Schalter Sij zum Schießen angesteuert. Dies heißt beim ersten Durchlauf der Routine, dass der erste Schalter S11 in dem ersten Phasenleiter 18 geschlossen angesteuert wird.
Im anschließenden Schritt S103 wird überprüft, ob die Leitung i der Neutralleiter ist. Wenn die Leitung i der Neutralleiter ist, wird anschließend mit Schritt S110 fortgefahren, der nachstehend näher erläutert ist. Wenn die Leitung i nicht der Neutralleiter ist, wie dies bspw. für die Phasenleiter 18, 19 und 20 der Fall ist, wird mit Schritt S104 fortgefahren.
Im Schritt S104 werden eventuelle Ausgleichströme erfasst, die durch Schließen des Schalters Sij hervorgerufen werden. Wenn bspw. in dem vorliegenden Beispiel, in dem der Schalter S11 geschlossen wird, der zweite Schalter S12 der Reihenschaltung 37 defekt ist und geschlossen bleibt, obwohl er offen angesteuert ist, wird durch das Schließen des Schalters S11 ein Strom hervorgerufen, der von dem Netz 17 über den ersten Phasenleiter 18, das Netzfilter 36 der Entstörfiltereinrichtung 31 und die geschlossenen Schalter S11, S12 fließt und über den Entstörfilterkondensator (C1) 43 zum Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 abgeleitet wird. Dieser Ableitstrom wird durch den Differenzstromsensor 33 als ein von dem Netz 17 in die Entstörfiltereinrichtung 31 eingespeister Ausgleichstrom bzw. Differenzstrom erfasst oder registriert. Da der Ausgleichsstrom über den Phasenleiter 18 in die Entstörfiltereinrichtung 34 hinein und über den Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 zur Erde 29 abfließt, ist die Summe bzw. Differenz aller Ströme durch den Differenzstromsensor 33 ungleich Null.
In der bevorzugten Ausführungsform mit zwei getrennten Steuereinheiten 51, 52 wird, wenn einer der ersten Schalter S11, S21, S31 oder S41 geschlossen angesteuert wird, das den Ausgleichstrom kennzeichnende Signal der ersten Auswerteeinheit 63 der ersten Steuereinheit 51 zur Auswertung zugeführt. In dem Fall, wenn ein zweiter Schalter S12, S22, S32 bzw. S42 geschlossen angesteuert wird, wird das Ausgleichstromsignal der zweiten Auswerteeinheit 64 der zweiten Steuereinheit 52 zur Auswertung zugeführt. Alternativ kann das Ausgleichstromsignal beiden Steuereinheiten 51, 52 zur Verfügung gestellt und die Auswertung bzw. Überwachung von beiden Steuereinheiten 51, 52 parallel vorgenommen werden, um eine höhere Redundanz und Sicherheit zu schaffen.
Im Schritt S105 überprüft die jeweilige Auswerteeinheit 63 bzw. 64, ob ein bemerkbarer Ausgleichstrom vorliegt. Hierzu kann die Auswerteeinheit 63 bzw. 64 das den Ausgleichstrom kennzeichnende Signal, das sie von der Messeinrichtung 33 erhält, bspw. mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleichen. Es könnten aber auch andere Kriterien, die z.B. die erwartete Signalform des Ausgleichstroms betreffen können, herangezogen werden.
Wird anhand des Ausgleichstromsignals erkannt, dass ein Ausgleichstrom vorliegt, z.B. die Intensität des Ausgleichsstroms größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass der andere Schalter Sik (mit k ≠ j) in der Leitung i defekt ist (Schritt S106). Wenn bspw. einer der ersten Schalter S11, S21 bzw. S31 einer jeweiligen Reihenschaltung 37–39 geschlossen angesteuert wird, so ist bei Erfassung von Ausgleichströmen der jeweilige zweite Schalter S12, S22 bzw. S32 als defekt anzusehen. In diesem Fall wird, wie im Schritt S107 dargestellt, der Fehler an eine übergeordnete Instanz gemeldet und gegebenenfalls an dem Stromrichter 3 angezeigt, und ein Stromrichterbetrieb wird verhindert.
Im anderen Fall, wenn kein hinreichender Ausgleichstrom festgestellt wird, wird im anschließenden Schritt S108 der Schalter Sij geöffnet, und der Index i für die Leitung wird um 1 inkrementiert (Schritt S9), um die nächste Leitung zu überprüfen. Im nächsten Iterationsschritt werden dann die Schritte S102 bis S109 und gegebenenfalls S110, S111 wiederholt.
Ein Klemmen oder Kleben eines Kontaktes in einem Schalter S41, S42 in dem Neutralleiter 26 ist nicht in der vorstehend beschriebenen Weise feststellbar, weil im Idealfall zwischen dem Neutralleiter 26 und dem Schutzleiter 28 keine Spannungsdifferenz vorliegt und somit auch kein Ausgleichsvorgang stattfindet. Im Allgemeinen fehlt auch ein Entstörfilterkondensator C1, der vom Netz 17 aus betrachtet hinter der Trenneinrichtung 32 angeordnet wäre und einen entsprechenden Ausgleichsstrom hervorrufen könnte. Für diesen Fall wird eine Isolationsmessung an dem Stromrichter 3 vorgenommen. Derartige Isolationsmessroutinen sind in Steuerungen für Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern vorgeschrieben und stets vorhanden und in verschiedenen Formen allgemein bekannt. Im allgemeinen wird mittels eines Schalters einer integrierten Messschaltung einer der Eingangsanschlüsse 8, 9 des Stromrichters 3 über einen Messwiderstand mit der Masse verbunden, so dass Strom über den jeweiligen Isolationswiderstand an dem anderen Stromrichtereingangsanschluss 9 bzw. 8 und den Messwiderstand zur Masse abfließen kann. Über den Spannungsabfall an dem Messwiderstand lässt sich dann der Isolationswiderstand an dem jeweiligen Eingangsanschluss 9 bzw. 8 bestimmen. Die Messung kann dann für den anderen Eingangsanschluss 8 bzw. 9 wiederholt werden, um den Isolationswiderstand an diesem zu bestimmen.
Bei der Routine zur Prüfung der Funktionssicherheit der Trenneinrichtung 32 wird die Isolationsmessung im Schritt S110 zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Schalter S41 und S42 in dem Neutralleiter 26 durchgeführt. Wird dabei bei geschlossenem Schalter S41 (bzw. S42) im Schritt S111 festgestellt, dass ein Isolationsfehler vorliegt, so zeigt dies an, dass ein Defekt an dem anderen Schalter S42 (bzw. S41) in dem Neutralleiter 26 vorliegt, weil der Stromrichter 3 nun galvanisch, je nach Netzform, mit dem Netz 17 verbunden ist und dadurch die Isolation nicht mehr gewährleistet ist. Folglich wird in diesem Fall im Schritt S106 der Schalter S42 (bzw. S41) als defekt erklärt, woraufhin der Fehler im Schritt S107 gemeldet und der Stromrichterbetrieb verhindert wird.
Es sollte beachtet werden, dass außer der vorstehend erläuterten speziellen Methode zur Bestimmung der Isolationswiderstände in der Technik zahlreiche andere Isolationsmessmethoden allgemein bekannt, die hier alternativ auch verwendet werden könnten, um auch einen Defekt eines Kontaktes eines Schalters S41, S42 in dem Neutralleiter 26 zu erkennen.
Falls im Schritt S111 kein Isolationsfehler erfasst wird, wird anschließend im Schritt S112 überprüft, ob j = 2, ob also bereits alle Schalter S11 bis S42 für die Überprüfung herangezogen worden sind. Falls dies nicht der Fall ist, wird anschließend im Schritt S113 der Leitungsindex i = 1 gesetzt und der Schalterelementeindex j um 1 inkrementiert, hier also auf 2 gesetzt, um die Funktionsüberprüfung aufeinanderfolgend mittels der zweiten Schalterelemente S12, S22, S32, S42 in den Leitern 18–20 und 26 fortzusetzen. Die Routine kehrt dann zum Schritt S102 zurück, um iterativ die Schritte S102 bis S109 und gegebenenfalls S110, S111 für die nächst zu schließenden zweiten Schalterelemente S12, S22, S32 bzw. S42 durchzuführen.
Falls alle Schalter S11...S42 bereits herangezogen worden sind (ja im Schritt S112), wird anschließend im Schritt S114 die Vorsteuerungsroutine angestoßen. Im Rahmen der Vorsteuerungsroutine wird der Stromrichter 3 mit dem Netz 17 synchronisiert, wonach alle Schalterelemente S11...S42 der Trenneinrichtung 32 geschlossen werden, um den Stromrichter 3 an das Netz 17 anzuschließen und diesen in Betrieb zu nehmen. Die Netzsynchronisation erfolgt nach einer Überprüfung der Isolation des Stromrichters 3, wobei die Isolationsüberprüfung auch vor oder während der Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 vorgenommen werden kann. Solange im anschließenden Einspeisebetrieb kein Fehler auftritt, der ein Abschalten des Stromrichters 3 erfordert, bleiben alle Schalter S11...S42 geschlossen.
Die erfindungsgemäße Prüfmethode weist viele Vorteile auf. Die Prüfeinrichtung und das Prüfverfahren lassen sich relativ leicht implementieren und ermöglichen bei geringer Komplexität eine effektive und zuverlässige Überwachung der Funktionssicherheit der Potentialtrennung der Energieerzeugungsanlage. Insbesondere können die steuerbaren Schalterelemente S11...S42 der Trenneinrichtung 32 selbsttätig, schnell und zuverlässig überprüft werden.
Auch in bereits bestehenden Energieerzeugungsanlagen, bspw. in PV-Wechselrichtern, lässt sich die erfindungsgemäße Prüfmethode verhältnismäßig aufwandsarm, vorzugsweise allein durch eine zusätzliche softwarebasierte Steuerlogik der Steuereinrichtung 41, die aktualisiert werden kann, nachrüsten. Im Allgemeinen ist ein Entstörfilterkondensator, wie bspw. C1 (43–45) in 2, bereits in PV-Wechselrichterschaltungen für Entstörmaßnahmen vorgesehen. Falls dies nicht der Fall ist, kann dieser ohne Schwierigkeiten hinzugefügt werden. Außerdem ist auch im Allgemeinen eine Messeinrichtung in Form eines allstromsensitiven Differenzstromsensors 33 (vgl. 1 und 2) bereits in existierenden PV-Wechselrichtern vorhanden. Gleiches gilt auch für eine Isolationsmessroutine, die für Wechselrichter dringend vorgeschrieben ist. Somit werden keine oder nur wenige zusätzliche Bauelemente benötigt.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Wie bereits erwähnt, kann die Energieerzeugungseinrichtung, wie sie in den 1 und 2 zwischen dem Generator 3 und dem Netz 17 eingefügt ist, für unterschiedliche Anwendungen, einschließlich Energieerzeugung aus Photovoltaik, Windkraft oder Brennstoffzellen, zur Erzeugung von Wechselstrom oder Gleichstrom, zur Speisung elektromotorischer Antriebe, etc. verwendet werden. Im Falle einer Wechselstromerzeugung kann die Energieerzeugungseinrichtung ein-, zwei- oder dreiphasig ausgeführt sein. Die Entstörfiltereinrichtung kann unterschiedliche allgemein bekannte Konfigurationen einnehmen. Insbesondere kann das erste Entstörfilterelement außer einem Entstörfilterkondensator (C1) 42–45 einen parallel geschalteten Ableitwiderstand aufweisen oder auch durch eine andere RLC-Schaltung realisiert sein. Wichtig ist, dass ein Ableit- oder Ausgleichsstromfluss bei der Funktionsprüfung der Trenneinrichtung 32 ermöglicht ist. Statt des Differenzstromsensors 33 könnte auch eine gesonderte Messeinrichtung diesen Ausgleichsstrom erfassen, wobei jedoch die Verwendung des Differenzstromsensors 33 von Vorteil ist, weil dann die allstromsensitive Überwachungseinheit 42 für unterschiedliche Aufgaben genutzt werden kann. Prinzipiell ist die redundante Ausführung der Steuereinrichtung 41 mit den zwei unabhängigen Steuereinheiten 51 und 52 nicht zwingend erforderlich, aus sicherheitstechnischen Aspekten jedoch vorteilhaft und ratsam.
In 4 sind weitere Modifikationen der Erfindung dargestellt. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird zur Vermeidung von Wiederholungen unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit den 1–3 verwiesen.
Die in 4 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten zunächst durch die Ausbildung der Trenneinrichtung 32. Diese weist hier Schütze (bzw. Relais) als Schalterelemente S11...S42 auf, die jeweils zwei gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte aufweisen, die in unterschiedlichen Leitern 18–20 und 26 angeordnet sind. Bspw. weist ein erstes Schütz die Schaltkontakte S11, S12 auf, die in dem ersten Phasenleiter (L1) 18 und dem zweiten Phasenleiter (L2) 19 angeordnet sind und gemeinsam hier von der ersten Steuereinheit 51 über eine erste Störleitung 53’ angesteuert werden. Ferner weist ein zweites Schütz zwei Schaltkontakte S31 und S41, die in dem dritten Phasenleiter (L3) 20 und dem Neutralleiter 26 angeordnet sind und gemeinsam hier von der ersten Steuereinheit 51 über eine weitere erste Steuerleitung 54’ angesteuert werden. Ein drittes Schütz weist die Schaltkontakte S12 und S22 in dem ersten und zweiten Phasenleiter 18, 20 auf, die gemeinsam von der zweiten Steuereinheit 52 über eine zweite Steuerleitung 60’ angesteuert werden können. Ein viertes Schütz oder Relais weist die Schaltkontakte S32 und S42 auf, die in dem dritten Phasenleiter 20 und dem Neutralleiter 26 angeordnet sind und gemeinsam von der zweiten Steuereinheit 52 über die gemeinsame weitere zweite Steuerleitung 59’ angesteuert werden können.
Durch diese Konfiguration kann die Anzahl der Bauelemente, insbesondere Schütze oder Relais, der Ansteuerungsleitungen für diese und der hierzu benötigte Platzbedarf reduziert werden. Die Ansteuerungslogik der Steuereinrichtung 41 und die Logik für die Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 sind vereinfacht.
Zur Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 kann in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, zunächst das Schütz (bzw. Relais) mit den Schalterelementen bzw. -kontakten S11 und S21 zum Schließen angesteuert werden. Treten Ausgleichsströme auf, ist unter Vernachlässigung der zusätzlichen Schalterelemente S13, S23, S33 und S43, die weiter nachstehend beschrieben sind, davon auszugehen, dass das Schütz mit den Kontakten S12 und S22 defekt ist.
Wird von der ersten Steuereinheit 51 das Schütz mit den Schalterelementen S31 und S41 zum Schließen angesteuert und treten Ausgleichsströme auf, so ist das Schütz mit den Schalterelementen S32 und S42 defekt.
Ein Kleben bzw. Klemmen des Schalterelementes S42 in dem Neutralleiter 26 wird wiederum anhand einer Isolationsmessung überprüft. Wird ein Isolationsfehler erkannt, so ist das Schalterelement S42 defekt.
Die Prozedur wird anschließend mit den weiteren Schützen wiederholt, indem alle Schütze zum Öffnen angesteuert werden und anschließend das Schütz mit den Kontakten S12 und S22 zum Schließen angesteuert wird. Treten Ausgleichsströme auf, so ist das Schütz mit den Kontakten S11 und S21 defekt.
Anschließend wird das Schütz mit den Schalterelementen S32 und S42 zum Schließen angesteuert und das Schütz mit den Kontakten S31 und S41 als defekt angesehen, wenn hier Ausgleichsströme fließen.
Ein Kleben bzw. Klemmen des Kontaktes S41 in dem Neutralleiter 26 wird anhand einer Isolationsmessung überprüft und dieses als defekt angesehen, wenn ein Isolationsfehler festgestellt wird.
4 zeigt eine weitere Modifikation, die zusätzlich oder alternativ an der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung 32 vorgenommen werden kann. Wie aus 4 ersichtlich, ist die Trenneinrichtung 32 hier veranschaulicht, wie sie in jedem Leiter 18–20 und 26 zwischen dem Ausgang 1 des Stromrichters 3 und den netzseitigen Anschlüssen 22–24 und 27 jeweils ein zusätzliches drittes Schalterelement aufweist. Ein Schalterelement S13 ist in Reihe zu den Schalterelementen S11 und S12 angeordnet, ein weiteres drittes Schalterelement S23 ist in Reihe zu den Schalterelementen S21 und S22 angeordnet, ein weiteres drittes Schalterelement S33 ist in Reihe zu den Schalterelementen S31 und S32 angeordnet, und ein weiteres drittes Schalterelement S43 ist in Reihe zu den Schalterelementen S41 und S42 angeordnet. Durch das Vorsehen der zusätzlichen dritten Schalterelemente S13, S23, S33 und S43 in der Trenneinrichtung 32 wird eine zusätzliche Sicherheit in Bezug auf eine ausreichende galvanische Trennung erzielt. Die drei Schalterelemente pro Reihenschaltung 37–40 ergeben einen größeren Lufttrennabstand, der auch ausreichen kann, wenn eines der Schalterelemente defekt ist, also klebt oder klemmt, oder die anderen Schalterelemente bereits durch Alterung, Korrosion und Verschmutzung leicht beeinträchtigt sind. Wartungs- bzw. Austauschmaßnahmen können auf ein Minimum reduziert werden.
In 4 sind die dritten Schalterelemente S13, S23, S33 und S43 veranschaulicht, wie sie von der zweiten Steuereinheit 52 über Steuerleitungen 60’ und 61’ ansteuerbar sind. Alternativ könnten sie aber auch von der ersten Steuereinheit 51 oder von einer gesonderten, zusätzlichen (hier nicht näher veranschaulichten) Steuereinheit der Steuereinrichtung 41 ansteuerbar sein.
Ferner können die Paare von Schalterelementen S13, S23 bzw. S33, S43 jeweils gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte eines einzelnen Schützes bilden, wie dies im Zusammenhang mit den Schaltkontakten S11...S42 in der Ausführungsform nach 4 vorstehend beschrieben sind. Es können auch weitere Schalterelemente in jeder Reihenschaltung 37–40 vorgesehen sein, um die Sicherheit weiter zu erhöhen, oder es können auch Schütze bzw. Relais mit mehr als zwei gemeinsam ansteuerbaren Schaltkontakten eingesetzt werden.
Allgemein entspricht die Funktionsprüfung im Falle wenigstens dreier Schalterelemente pro Phasenleiter 18–20 und Neutralleiter 26 der Methode, wie sie im Zusammenhang mit 3 vorstehend erläutert ist. 5 zeigt ein Flussdiagramm, das den allgemeinen Fall betrifft, das maxj Schalter (maxj = 3, wie in 4 veranschaulicht, oder mehr) in jeder Reihenschaltung 37–40 der Trenneinrichtung 32 verwendet werden. Das Flussdiagramm nach 5 entspricht weitgehend dem nach 3, so dass, um Wiederholungen zu vermeiden, grundsätzlich auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird und hier lediglich die Unterschiede dargelegt werden.
Im modifizierten Schritt S102’ wird nun der Schalter Sij, also der Schalter j in der Leitung i, zum Öffnen angesteuert, während alle anderen Schalter Sik (k ≠ j) zum Schließen angesteuert werden. Wenn im Schritt S105 Ausgleichströme erfasst werden, so ist in diesem Fall im modifizierten Schritt S106’ festzustellen, dass der Schalter Sij defekt ist. Außerdem ist der Schritt S108’ insofern zu modifizieren, als nun alle Schalter Sik (k ≠ j) zum Öffnen angesteuert werden, um den nächsten Schalter Sij zu überprüfen. Im Schritt S112’ wird überprüft, ob alle Schalterelemente j (j = 1 bis maxj) in allen Leitern 18–20 und 26 überprüft worden sind.
Es ist verständlich, dass in dem Prüfverfahren nach 3 oder 5 die Reihenfolge der Schritte, insbesondere die Prüfreihenfolge der Leitungen i und/oder der Schalterelemente j geändert werden kann, ohne dass von dem Rahmen der Erfindung abgewichen wird.
Eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere aus regenerativer Energie, zur Einspeisung in ein Netz 17 weist einen Stromrichter 3, wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Stromrichters 3 mit dem Netz 17, eine Trenneinrichtung 32 zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung 32 eine in der wenigstens einen Leitung 18–20, 26 angeordnete Reihenschaltung 37–40 aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen S11...S43 aufweist, eine Entstörfiltereinrichtung 31, die wenigstens ein zwischen dem Ausgang 11 des Stromrichters 3 und der Trenneinrichtung 32 an die wenigstens eine Leitung 18–20 angeschlossenes Entstörfilterelement 34 aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, eine Messeinrichtung 33 zur Erfassung von über das Entstörfilterelement 34 fließenden Ableitströmen und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Ableitstromsignale und eine Steuereinrichtung 41 zur Ansteuerung der Schalterelemente S11...S43 der Trenneinrichtung 32 auf. Um die Schalterelemente auf Funktionssicherheit zu überprüfen, ist die Steuereinrichtung 41 eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente S11...S43 einer Reihenschaltung 37–40 zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung 33 ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente in der Reihenschaltung zu erkennen. Ferner ist ein Verfahren zur Prüfung der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung geschaffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN 62109-2 [0004]
Norm DIN EN 62109-2 [0058]

Claims

Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle (2), insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz (17), insbesondere ein Stromversorgungsnetz, mit einem Stromrichter (3) zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang (7) in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang (11); mit wenigstens einer Leitung (18–20, 26) zur elektrischen Verbindung des Ausgangs (11) des Stromrichters (3) mit dem Netz (17); mit einer Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters (3) von dem Netz (17), wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung (18–20, 26) angeordnete Reihenschaltung (37–40) aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen (S11...S43) aufweist; mit einer Entstörfiltereinrichtung (31), die wenigstens ein zwischen dem Ausgang (11) des Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung (18–20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten; eine Messeinrichtung (33) zur Erfassung über das Entstörfilterelement (34) fließenden Ableitströmen und zur Lieferung eines einen jeweiligen Ableitstrom kennzeichnenden Ableitstromsignals; und mit einer Steuereinrichtung (41) zur Ansteuerung der Schalterelemente (S11...S43) der Trenneinrichtung (32), wobei die Steuereinrichtung (42) zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung (32) eingerichtet ist, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente (S11...S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37–40) zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung (33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente (S11...S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37–40) zu erkennen.
Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Photovoltaikeinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer durch einen Photovoltaikgenerator (2) gelieferten Energie mittels eines vorzugsweise transformatorlosen Photovoltaikwechselrichters (3) ist.
Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (3) durch einen ein- oder mehrphasigen Wechselrichter gebildet ist, der eingangsseitige Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umrichtet und dessen Ausgang (11) wenigstens einen ersten Phasenanschluss (12) und einen Neutralanschluss (16) aufweist; die wenigstens eine Leitung wenigstens einen ersten Phasenleiter (18), der an den ersten Phasenanschluss (12) angeschlossen ist, und einen Neutralleiter (26) aufweist, der an den Neutralanschluss (16) angeschlossen ist; und die Trenneinrichtung (32) wenigstens eine erste Reihenschaltung (37) aus wenigstens einem ersten und zweiten Schalterelement (S11, S12), die in dem ersten Phasenleiter (18) angeordnet sind, und eine weitere Reihenschaltung (40) aus wenigstens einem weiteren ersten und zweiten Schalterelement (S41, S42) aufweist, die in dem Neutralleiter (26) angeordnet sind.
Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dreiphasigen Wechselrichter (3) mit drei Phasenanschlüssen (12–14) und einem Neutralanschluss (16) an dessen Ausgang (11), drei Phasenleitern (18–20) und einem Neutralleiter (26), die jeweils zwischen einem der Phasenanschlüsse (12–14) bzw. dem Neutralanschluss (16) des Wechselrichterausgangs (11) und einem zugehörigen netzseitigen Anschluss (22–24, 27) verlaufen, und in jedem Phasenleiter (18–20) und dem Neutralleiter (26) jeweils eine Reihenschaltung (37–40) aus wenigstens einem ersten und zweiten Schalterelement (S11...S43) der Trenneinrichtung (32) aufweist.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (32) mehr als zwei gesondert ansteuerbare Schalterelemente (S11...S43) in jeder Reihenschaltung (37–40) der wenigstens einen Leitung aufweist und die Steuereinrichtung (41) eingerichtet ist, um wahlweise gleichzeitig alle bis auf ein einzelnes der Schalterelemente der Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung (33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt des einen einzelnen Schalterelementes der Reihenschaltung zu erkennen.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (S11...S43) der Trenneinrichtung (32) durch Schütze oder Relais gebildet sind, wobei jedes Schütz oder Relais vorzugsweise zwei oder mehrere gleichartige, gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte (S11...S43) aufweist, die in unterschiedlichen Leitern (18–20, 26) der wenigstens einen Leitung angeordnet sind.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Entstörfilterelement (34) ein Entstörfilterkondensator (43–45) ist, der vorzugsweise zwischen einem Phasenleiter (18–20) der wenigstens einen Leitung und einer Schutzerde (29) oder Funktionserde angeschlossen ist.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (33) einen Teil einer allstromsensitiven Fehlerstromüberwachungseinheit (42) bildet.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (33) einen Messstromwandler in Form eines Differenzstromsensors aufweist, durch den alle zwischen den stromrichterseitigen Ausgangsanschlüssen (12–14, 16) und den netzseitigen Anschlüssen (22–24, 27) verlaufenden Leiter (18–20, 26) hindurchgeschleift sind und der zur Erfassung der Stromdifferenz eingerichtet ist.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41) und die Messeinrichtung (33) eingerichtet sind, um die Funktionsprüfung der Trenneinrichtung (32) durchzuführen, bevor der Stromrichter (3), insbesondere Wechselrichter, in Betrieb geht.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41) eine Vergleichereinrichtung (63, 64) aufweist, um das von der Messeinrichtung (33) empfangene Ableitstromsignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Überschreitung des Schwellenwertes einen Defekt der Trenneinrichtung (32) festzustellen.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41) eingerichtet ist, um wenigstens zwei erste (S11, S21, S31, S41) bzw. zweite (S12, S22, S32, S42) Schalterelemente in unterschiedlichen Phasenleitern (18, 19) oder in einem Phasenleiter (20) und einem Neutralleiter (26) der wenigstens einen Leitung gleichzeitig offen oder geschlossen anzusteuern.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41) eine erste Steuereinheit (51) zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente (S11, S21, S31, S41) aller Reihenschaltungen (37–40) der wenigstens eine zweite Steuereinheit (52) zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente (S12, S22, S32, S42) aller Reihenschaltungen (37–40) der wenigstens einen Leitung aufweist.
Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Isolationsmesseinrichtung zur Bestimmung eines Isolationswiderstands des Stromrichters (3) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (41) eingerichtet ist, um einen Defekt eines der Schalterelemente (S41, S42, S43) in einem Neutralleiter (26) der wenigstens einen Leitung anhand eines von der Isolationsmesseinrichtung bestimmten Isolationswiderstandes festzustellen, während sie den wenigstens einen anderen der Schalterelement zum Schließen ansteuert.
Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung (32) einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, wobei die Energieerzeugungseinrichtung einen Stromrichter (3) zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang (7) in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang (11), wenigstens eine Leitung (18–20, 26) zur elektrischen Verbindung des Ausgangs (11) des Stromrichters (3) mit dem Netz (17), die Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters (3) von dem Netz (17), wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung (18–20, 26) angeordnete Reihenschaltung (37–40) aus wenigstens zwei ansteuerbaren Schalterelementen (S11...S43) aufweist, und eine Entstörfiltereinrichtung (31) aufweist, die wenigstens ein zwischen dem Ausgang (11) des Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung (18–20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ansteuern wenigstens eines der Schalterelemente (S11...S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37–40), um es zu schließen, Messen eines als Reaktion auf das Schließen des wenigstens einen Schalterelementes (S11...S43) durch das Entstörfilterelement (34) hervorgerufenen Ausgleichstroms; und Erkennen eines Defektes eines anderen der Schalterelemente (S11...S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37–40) anhand des gemessenen Ausgleichstroms.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Energieerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.