DE102013219566A1

DE102013219566A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit und Erzeugereinheit

Info

Publication number: DE102013219566A1
Application number: DE201310219566
Authority: DE
Inventors: Mark Wege; Andre Meissner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-09-28
Also published as: WO2015043812A1; DE102013219566B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (500) zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinrichtung, wobei das Verfahren (500) einen Schritt des Kurzschließens (510) eines Wechselrichtereingangs des Wechselrichters, einen Schritt des Bestimmens (520) eines Stroms an dem Wechselrichtereingang, einen Schritt des Vergleichens (530) des Stroms mit einer vordefinierten Stromstärke, sowie einen Schritt des Ausgebens (540) eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung, wenn der bestimmte Strom höchstens die vordefinierte Stromstärke erreicht, umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit, auf eine entsprechende Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit, eine entsprechende Erzeugereinheit mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Bevor trafolose Wechselrichter auf das öffentliche Netz schalten dürfen, müssen sie gewisse normenabhängige, automatische Prüfungen durchführen. Eine dieser Prüfungen ist die Isolationswiderstandsmessung zwischen Photovoltaik-Generator und Schutzleiter bzw. PE. Derartige Verfahren beziehen sich im Allgemeinen auf den Tagbetrieb, da die Wechselrichter meist nur über die Photovoltaik versorgt und somit inaktiv werden, sobald die Leistung des Photovoltaik-Generators nicht ausreichend ist.
Auch trafolose Hybrid-Wechselrichter müssen den genannten Vorschriften entsprechen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Unter einem Hybrid-Wechselrichter wird ein „normaler“ Wechselrichter verstanden, der in einer Hybrid-Einheit installiert ist. Diese Hybrid Einheit enthält einen sehr großen Energiespeicher und weitere Komponenten zum Betrieb, wobei es der Anlage möglich ist, auch ohne Sonneneinstrahlung über einen gewissen Zeitraum den Betrieb fortzuführen. Der Energiespeicher wird beispielsweise durch eine Batterie gestellt. Hybrid-Wechselrichter können aufgrund des Energiespeichers auch nachts in das öffentliche Netz einspeisen, um zum Beispiel den Leistungsbedarf der Verbraucher am Abend oder in der Nacht zu decken. Die Messung des Isolationswiderstandes ohne bzw. mit sehr schwachem Photovoltaik-Generator zieht einige Herausforderungen mit sich. Die herkömmlichen im Wechselrichter integrierten Verfahren arbeiten nicht mit aktiv einzuprägenden Testströmen, sondern schalten meist Testwiderstände in das auszumessende System und errechnen dann durch diese Änderung ihre Zielgrößen. Diese Verfahren sind sehr stark von den äußeren Bedingungen abhängig und werden leicht durch Spannungsänderungen des Wechselrichtereingangs oder Leckströme und die daraus folgende Aufladung der Eingangskondensatoren verfälscht.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle, weiterhin eine Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle, das dieses Verfahren verwendet, weiterhin eine Erzeugereinheit, welche diese Vorrichtung verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Durch Kurzschließen des Eingangs eines Wechselrichters kann die Stabilität einer Isolationswiderstandsmessung auf einfache Weise verbessert werden. Durch den Kurzschluss kann die Eingangsspannung auf nahezu Null Volt gebracht werden und somit Schwankungen der Eingangsspannung vermieden werden. Weiterhin kann erreicht werden, dass Leckströme während des Kurzschlusses quasi keinen Einfluss auf einen Eingangskondensator des Wechselrichters und folgend auf die Messung haben. Somit kann die Stabilität der Isolationswiderstandsmessung erheblich verbessert werden.
Es wird ein Verfahren zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Kurzschließen eines Generators und gleichzeitig oder alternativ eines Wechselrichtereingangs des Wechselrichters;
Bestimmen eines Stroms an dem Wechselrichtereingang, wobei bei einem Überschreiten eines vordefinierten Schwellwerts für den Strom der Kurzschluss aufgehoben wird, um den Wechselrichter zu schützen;
Vergleichen des Stroms mit einer vordefinierten Stromstärke während des Kurzschlusses, um einen Systemzustand für die Stabilitätsverbesserung bei der Isolationswiderstandsmessung zu erkennen; und
Ausgeben eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung, wenn der bestimmte Gleichstrom höchstens die vordefinierte Stromstärke erreicht und gleichzeitig oder alternativ, wenn der Kurzschluss erfolgreich angefahren werden konnte.
Unter einer Isolationswiderstandsmessung kann auch eine Ableitwiderstandsmessung verstanden werden. Unter einer Erzeugereinheit kann eine Primärenergiequelle, insbesondere eine regenerative Primärenergiequelle, verstanden werden. So kann unter einer Erzeugereinheit ein System verstanden werden, welches aus Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie oder mittels einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt. Allgemein kann unter einer Erzeugereinheit ein Generatortyp verstanden werden, der elektrische Energie bereitstellt. Beispielsweise kann unter einer Erzeugereinheit ein Photovoltaik-System verstanden werden. Unter einem Photovoltaik-System kann eine Photovoltaik-Anlage verstanden werden. Ein Photovoltaik-System kann ausgebildet sein, Licht, insbesondere Sonnenenergie, in elektrischen Strom zu wandeln. Ein Photovoltaik-System kann einen Solargenerator oder eine Solarzelle sowie einen Wechselrichter umfassen. Der Solargenerator kann elektrische Energie in Form von Strom beziehungsweise Gleichstrom bereitstellen. Der Wechselrichter kann ausgebildet sein, den vom Solargenerator bereitgestellten Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Unter dem Wechselrichter kann ein Hybrid-Wechselrichter verstanden werden. Unter einem Hybrid-Wechselrichter kann ein Wechselrichter verstanden werden, der in einer Hybrid-Einheit installiert ist. Diese Hybrid-Einheit kann einen sehr großen Energiespeicher und weitere Komponenten zum Betrieb enthalten, wobei es der Anlage möglich ist, auch ohne Sonneneinstrahlung beziehungsweise von einem Generator oder einer Primärenergiequelle bereitgestellte elektrische Energie über einen gewissen Zeitraum den Betrieb fortzuführen. Der Energiespeicher kann beispielsweise durch eine Batterie oder einen Akkumulator bereitgestellt werden. Ein Wechselrichter kann auch als ein Inverter bezeichnet werden. Ein Hybrid-Wechselrichter kann als ein Hybrid-Inverter bezeichnet werden. Der Wechselrichter und alternativ oder ergänzend der Hybrid-Wechselrichter kann einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie bzw. einen Akkumulator, aufweisen. Der Wechselrichter kann einen Wechselrichtereingang aufweisen. Dabei kann der Wechselrichtereingang zumindest zwei Anschlüsse umfassen. Unter einem Kurzschließen des Wechselrichtereingangs kann ein elektrisches Verbinden der zumindest zwei Anschlüsse des Wechselrichtereingangs verstanden werden. Der Wechselrichter kann einen Wechselrichterausgang mit zumindest zwei Anschlüssen umfassen. Der Wechselrichterausgang kann mit zumindest einem Stromnetz verbunden oder verbindbar sein. Der Wechselrichter kann, wenn kein Versorgungsnetz zur Verfügung steht, ein eigenes Netz aufbauen. Durch einen Kurzschluss kann eine Schutzfunktion für den Wechselrichter und/oder die Erzeugereinheit aufgebaut werden, indem Gerätegrenzen nicht überschritten werden. Weiterhin kann erkannt werden, ob der Wechselrichter sich gerade in einem schwachen Leistungsangebotsbereich befindet.
Ferner kann im Schritt des Kurzschließens eine Stellervorrichtung des Wechselrichters einen Kurzschluss anfahren und/oder einstellen. Die Stellervorrichtung kann von einer Steuervorrichtung angesteuert werden, um den Wechselrichtereingang definiert in einen Kurzschluss zu überführen. Unter einer Stellervorrichtung kann ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller, eine andere Stellerart oder eine andere Vorrichtung zum Kurzschließen verstanden werden. Unter einer Stellervorrichtung kann eine analoge Schaltung zum Erzeugen des Kurzschlusses verstanden werden.
In einer Ausführungsform kann es sich im Schritt des Kurzschließens bei der Stellervorrichtung um einen oder mehrere aktive Halbleiter handeln und gleichzeitig oder alternativ angesteuert werden. Die Stellervorrichtung kann als ein Halbleiterbauelement ausgebildet sein. Für eingangsspannungs- oder eingangsstrom- wandlerfreie Geräte kann der DC-Kurzschluss auch von den Halbleitern der AC-Endstufe oder gesonderten Hardwareeinrichtungen erzeugt werden.
Günstig ist es auch, wenn der Schritt des Kurzschließens und zugleich oder alternativ der Schritt des Bestimmens und zugleich oder alternativ der Schritt des Vergleichens parallel und/oder zeitgleich ausgeführt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Kurzschließen eines Wechselrichtereingangs des Wechselrichters;
eine Einrichtung zum Bestimmen eines Stromes an dem Wechselrichtereingang;
eine Einrichtung zum Vergleichen des Stromes mit einer vordefinierten Stromstärke, um einen Systemzustand für die Stabilitätsverbesserung bei der Isolationswiderstandsmessung zu erkennen; und
eine Einrichtung zum Ausgeben eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung, wenn der bestimmte Strom höchstens die vordefinierte Stromstärke erreicht.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Einrichtung zum Kurzschließen kann ausgebildet sein, einen/mehrere Stellervorrichtungen des Wechselrichters anzusteuern, um einen Kurzschluss anzufahren. Die Stellervorrichtung kann bereits ein/mehrere Element(e) des Wechselrichters sein, welches durch die Vorrichtung bzw. ein Steuergerät des Wechselrichters entsprechend angesteuert wird, um den Wechselrichtereingang in einen Kurzschluss zu überführen. In der Stellervorrichtung können Halbleiterbauelemente oder andere Bauelemente verwendet werden. Das Halbleiterbauelement kann z.B. ein MOSFET, ein IGBT, ein Thyristor, ein Relais, ein anderer FET-Typ oder eine weitere Variante sein.
Ferner kann die Vorrichtung in ein Steuergerät des Wechselrichters integriert sein. Durch die Integration der Vorrichtung in ein Steuergerät des Wechselrichters kann eine kostengünstige und effiziente Lösung geschaffen werden.
Es wird eine Erzeugereinheit mit einer Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter vorgestellt. Insbesondere wird ein Photovoltaik-System mit einer Vorrichtung zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter vorgestellt. Bei dem Wechselrichter kann es sich um einen Hybrid-Wechselrichter bzw. um einen Hybrid-Inverter handeln.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Idee ermöglicht eine Erkennung, ob der Wechselrichter eine ausreichende Leistung vom Photovoltaik-Generator oder allgemein von der Erzeugereinheit beziehen kann. Vorteilhaft kann dabei eine Messung der Leerlaufspannung und/oder Messung des Kurzschlussstroms sein. Durch den Kurzschluss am Eingang des Wechselrichters werden die Störeinwirkungen stark reduziert und somit ist die Isolationsmessung schneller abgeschlossen. So können lange Wartezeiten zum Einschwingen wegfallen; weil Spannungsschwankungen am Eingang nicht zur Wiederholung der Messung führen müssen. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Idee kann eine Vereinfachung der Berechnungen des elektrischen Netzwerkes erfolgen. Der Wechselrichter beziehungsweise der Hybridwechselrichter kann somit in der Nacht sowie bei schwierigen Tagesbedingungen eine sichere Messung durchführen und möglichst schnell auf das öffentliche Netz schalten. So kann der Kunde eines solchen Systems eine optimale Systemverfügbarkeit erhalten. Auch bei allen ähnlichen Messverfahren kann die vorgestellte Idee angewendet werden.
Die Lösung kann durch Software oder Hardware umgesetzt werden, weshalb eine Messung der anliegenden Photovoltaik-Spannung am Eingang des Gerätes nötig sein kann. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Idee zur Verbesserung der Photovoltaik-Isolationswiderstandsmessung während des Nachtbetriebs vorteilhaft angewandt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Photovoltaik-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a ein Schaltplan eines Hybridsystems mit einem Hybrid-Wechselrichter mit Isolationsüberwachungskomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b einen schematischer Schaltplan eines Hybridsystems mit einem Hybrid-Wechselrichter mit Isolationsüberwachungskomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a bis 3e je ein Schaltplan eines Hybridsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a bis 4e je ein Ersatzschaltplan eines Hybridsystems mit in einen Kurzschluss gefahrenen Wechselrichtereingang gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Photovoltaik-Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Photovoltaik-System 100, bzw. die Photovoltaikanlage 100, umfasst einen Solargenerator 102 und einen Wechselrichter 104. Das Photovoltaik-System steht hier als ein generisches Ausführungsbeispiel für eine Erzeugereinheit 100. Bei den Elementen des Photovoltaik-Systems 100 handelt es sich um einen Ersatzschaltplan. Der Solargenerator 102 ist ein Beispiel für eine primäre Energiequelle 102 oder Energieerzeugereinheit 102, insbesondere eine regenerative Energiequelle. Der Solargenerator 102, auch als Photovoltaik-Generator 102 bezeichnet, wandelt Licht- beziehungsweise Sonnenenergie in elektrische Energie, in Form von Gleichstrom, um. Der Solargenerator 102 ist über zwei Leitungen 106, 108 mit dem Wechselrichter 104 verbunden. Über die Leitungen 106, 108 wird ein Gleichstrom dem Wechselrichter 104 zugeführt. Es können auch mehr als zwei Leitungen sein. Der Solargenerator 102 ist über einen Isolationswiderstand R_iso mit der Erde verbunden, es kann auch mehr als ein Photovoltaikgenerator angeschlossen sein. Bei dem Isolationswiderstand R_iso handelt es sich um die eigentliche Zielgröße des Isolationsmessungsverfahrens, welche durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stabilisierte Eingangsdaten erhalten soll. Der Isolationswiderstand R_iso ist kein konzentriertes Bauteil. Der Gesamtwiderstand R_iso ergibt sich über eine „Parallelschaltung“ der Widerstände von Generatoren, Leitungen, Anschlüssen sowie Wechselrichter. Der Wechselrichter 104 ist über einen Nullleiter N und einen Leiter Ln über eine beliebige Phase n mit dem Netz 110 verbunden. Bei dem Netz 110 kann es sich je nach Ausführungsbeispiel um ein Hausnetz 110 oder ein öffentliches Stromnetz 110 handeln. Das Netz 110 kann in einem Ausführungsbeispiel auch die Kombination aus dem Hausnetz 110 und dem öffentlichen Stromnetz 110 sein, sodass überschüssige Energie in das Stromnetz eingespeist werden kann. Der Wechselrichter 104 wandelt den von dem Solargenerator 102 bereitgestellten Gleichstrom in Wechselstrom um und leitet diesen über die Leiter L, N in das Netz 110 ein. Der hier vorgestellte Ansatz gilt auch für Geräte die mit mehr als einem Leiter mit dem Netz verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen Wechselrichter 104 und dem Netz ein- oder mehrphasigen erfolgen kann. Das Netz 110 kann über einen Schutzleiter beziehungsweise PE-Leiter mit der Erde verbunden. Das Netz 110 steht dabei für ein beliebiges Netz, wie beispielsweise TN- oder TT-Netz.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Photovoltaik-System 100 eine Vorrichtung 112 zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei dem Wechselrichter 104 auf. Die Vorrichtung 112 ist in einem Ausführungsbeispiel Bestandteil des Wechselrichters 104. Ferner ist die Vorrichtung 112 in einem Ausführungsbeispiel mit dem Wechselrichter 104 verbunden.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Photovoltaik-System 100 einen Hybrid-Wechselrichter 104 auf. In diesem Fall kann das Photovoltaik-System 100 auch als ein Hybridsystem 100 bezeichnet werden.
2a zeigt einen Schaltplan eines Hybridsystems 100 mit einem Hybrid-Wechselrichter 104 mit Isolationsüberwachungskomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Schaltplan kann es sich um einen Ersatzschaltplan handeln. Bei dem Hybridsystem 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel des in 1 beschriebenen Photovoltaik-Systems 100 handeln. Das Hybridsystem 100 umfasst einen Photovoltaik-Generator 102, der auch als Solargenerator 102 bezeichnet werden kann, der mit dem Hybrid-Wechselrichter 104 verbunden ist. Der Energiespeicher sowie die Wechselstromseite des Hybrid-Wechselrichters 104 sind als ein Block 214 zusammengefasst. Der Hybrid-Wechselrichter 104 weist einen Wechselrichtereingang 216 auf. Der Wechselrichtereingang 216 ist aus zwei Anschlüssen, einem Minus-Pol und einem Plus-Pol, aufgebaut. Das vorgestellte Verfahren gilt auch für Geräte mit mehreren Anschlüssen, um den Solargenerator 102 oder mehrere Solargeneratoren anzuschließen. Zwischen den zwei Anschlüssen des Wechselrichtereingangs 216 kann ein Kondensator 218 angeordnet sein. Zwischen einem Anschluss des Blocks 214 und dem Minus-Pol ist eine Diode 218 sowie eine Spule 220 angeordnet. Parallel zur Diode 220 und Spule 222 ist eine weitere Diode 224 angeordnet. Die beiden Dioden 220, 224 sperren in Richtung des Anschlusses des Blocks 214 und leiten dementsprechend den Strom in Richtung des Minus-Pols. Die Verbindung der ersten Diode 220 und der Spule 222 ist über einen Hochsetzsteller 226 oder allgemein eine Stellvorrichtung 226 mit der Verbindung zwischen einem weiteren Eingang des Blocks 214 und dem Plus-Pol verbunden. Die beiden Eingänge des Blocks 214 sind über einen zweiten Kondensator 228 und einem zu diesem in Reihe geschalteten dritten Kondensator 230 miteinander verbunden.
An dem Kondensator 228 liegt die Spannung V_ZKN und an dem Kondensator 230 die Spannung V_ZKP an.
In dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein erster Eingang des Blocks 214 über einen ersten Schalter S_P und einen ersten Messwiderstand R_TP mit der Erde verbunden werden. Ein zweiter Eingang des Blocks 214 kann über einen zweiten Schalter S_N und einen zweiten Messwiderstand R_TN mit der Erde verbunden werden.
Bei der Stellvorrichtung 226 kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um ein Halbleiterbauelemente handeln. Die Stellvorrichtung 226 kann angesteuert werden, um den Wechselrichtereingang 216 kurzzuschließen.
Der Solargenerator 102 weist eine mehrere (oder im Spezialfall auch keine) Solarzelle 228 auf, an der eine Spannung V_SG abgegriffen werden kann. Die Spannung liegt an den mit dem Wechselrichtereingang 216 verbundenen Anschlüssen des Solargenerators 102 an. Der eine Anschluss der Solarzelle 228 ist über einen ersten Widerstand R_ISOP und der zweite Anschluss der Solarzelle 228 ist über einen zweiten Widerstand R_ISON jeweils mit der Erde verbunden. Die Widerstände R_ISOP und R_ISON sind dabei als ein Ersatzschaltbild zu betrachten. So handelt es sich bei den Widerständen R_ISOP und R_ISON um Widerstandszusammenfassungen.
Der Wechselrichter 104, bzw. der Hybrid-Wechselrichter 104, ist über mindestens zwei Leitern L1, N mit einem Netz 110 verbunden.
Bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Hybridsystem 110 mit Isolationsüberwachungskomponenten. Hierzu gehören die zuschaltbaren Messwiderstände R_TP und R_TN.
2b zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems mit einem Hybrid-Wechselrichter mit Isolationsüberwachungskomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Wechselrichter 104 inklusive DC- und/oder AC-Stellervorrichtungen sowie einem Zwischenkreis und oder Pufferkondensatoren und beispielsweise durch die Hardware bedingte Leckströme und/oder durch äußere Einwirkung bedingte Messwertschwankungen ist über eine Leitung mit einem Netz 110 verbunden. Weiterhin hin eine Erzeugereinheit 102 mit dem Wechselrichter 104 über den Wechselrichtereingang 216 verbunden. Die Erzeugereinheit ist über einen Isolationswiderstand R_ISO mit Masse beziehungsweise Erde verbunden. Dabei besteht eine Verbindung über einen positiven Isolationswiderstand R_ISOP und eine Verbindung über einen negativen Isolationswiderstand R_ISON. Eine Messvorrichtung 232 einer herkömmlichen Isolationswiderstandsmessung ist mit dem Wechselrichter 104 verbunden. Je nach Ausführungsbeispiel ist die Messvorrichtung 232 in den Wechselrichter 104 integriert oder auch arbeitet als externe Einheit.
Die Messvorrichtung 232 kann integriert sein, oder auch als externe Einheit arbeiten. Somit kann der Wechselrichter 104 die Messvorrichtung 232 umfassen. Die Messvorrichtung ist in einem Ausführungsbeispiel extern zu dem Wechselrichter 104 angeordnet.
Der Wechselrichter 104 umfasst als Ersatzschaltplan DC- und/oder AC-Stellervorrichtungen sowie einem Zwischenkreis und/oder Pufferkondensatoren und beispielsweise durch die Hardware bedingte Leckströme und/oder durch äußere Einwirkung bedingte Messwertschwankungen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel Ist mit dem Wechselrichter 104 eine sekundäre Energiequelle 202 verbunden. Die sekundäre Energiequelle 202 kann über einen separaten Wechselrichtereingang 216 mit dem Wechselrichter verbunden sein.
3a zeigt ein Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Schaltplan entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Schaltplan, wobei die Stellervorrichtung 226 in einen Kurzschluss gefahrenen ist, das heißt, am Eingang des Wechselrichters 104 liegt ein Kurzschluss vor. Mit anderen Worten ist der Wechselrichter 104 in einen Kurzschluss gefahren worden. Das sich daraus ergebende Ersatzschaltbild bzw. der sich daraus ergebende Ersatzschaltplan ist in 4 gezeigt.
Wenn bei der in 2 gezeigten Schaltung die Stellervorrichtung 226 nicht in den Kurzschluss gefahren wird, können sich die verändernden Umgebungsbedingungen negativ auf die Messung und auch auf das Messergebnis auswirken. Um die Stabilität während der Messung zu gewährleisten, wird eine Reduzierung des Einflusses der Leckströme und der Eingangsspannungsschwankungen angestrebt. Hierzu führt man einen neuen Betriebsmodus in der Regelungsstrategie ein, die den Wechselrichtereingang 216 definiert in einen Kurzschluss überführt. Hierzu nutzt die Regelung die Stellervorrichtung 226 des Wechselrichters 104. Während die Stellervorrichtung 226 den Kurzschluss anfährt, wird der aktuelle Gleichstrom gemessen. Überschreitet dieser nun eine festgelegte Stromstärke nicht, so ist der Schalter der Stellervorrichtung 226 in einen für das Gerät in den Gerätegrenzen erlaubten sicheren Kurzschluss geführt worden und gleichzeitig kann die Notwendigkeit der Anwendung des Verfahrens in der Systemsituation erkannt werden. Durch den Kurzschluss entsteht das in der 4 gezeigte Netzwerk. Es ist gut erkennbar, dass die Eingangsspannung des Wechselrichters 104 nahezu 0V ist und die Leckströme keinen Einfluss auf den Eingangskondensator 218 ausüben. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel können eine Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee und deren Beitrag zur Vereinfachung der Berechnungen des elektrischen Netzwerkes gezeigt werden.
3b zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3a gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Im Unterschied zu dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter 104 genauer ausgeführt oder ausgebildet. Der Wechselrichter umfasst eine DC-Stellvorrichtung 226.a einen Kondensator 318 sowie eine AC-Stellvorrichtung 226.b. Zwischen zwei Wechselrichtereingängen 216 ist die DC-Stellvorrichtung 226.a, der Kondensator 318 sowie die AC-Stellvorrichtung 226.b angeordnet. Bei den gezeigten Komponenten handelt es sich um eine schematische Darstellung mit vereinfachten Ersatzschaltbildern. Die DC-Stellvorrichtung 226.a ist kurzgeschlossen. Der Kurzschluss wird durch einen Pfeil hervorgehoben.
3c zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3b gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Im Unterschied zu dem in 3b gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen der DC-Stellvorrichtung 226a und dem Kondensator 318 weitere Energiewandlerkomponenten 334 wie beispielsweise Drosseln und Dioden eines Stellers angeordnet. 3c zeigt die DC Stellvorrichtung 226.a kurzgeschlossen mit Entkopplung des Zwischenkreises.
3d zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3c gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Im Unterschied zu dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Darstellung innerhalb des Wechselrichters 104 andere Komponenten 336 sowie die AC-Stellvorrichtung 226.b, die, durch einen Pfeil hervorgehoben, in dem Ausführungsbeispiel in einem kurzgeschlossenen Zustand dargestellt ist.
In den Zeichnungen sind meist ein oder mehrere Kondensatoren als Zwischenkreis (Spannungszwischenkreis) dargestellt. Dieser Kondensator kann auch durch einen Stromzwischenkreis (also durch „andere Komponenten“ siehe 336) ersetzt sein.
3e zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3d gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Im Unterschied zu dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel ist sowohl die DC-Stellvorrichtung 226.a als auch die DC-Stellvorrichtung 226.b kurzgeschlossen.
4a zeigt einen Ersatzschaltplan eines Hybridsystems 100 mit in einen Kurzschluss gefahrenen Wechselrichtereingang 216 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem 100 kann es sich um das in 2 oder 3 gezeigte Hybridsystem 100 handeln. Dadurch, dass der in den vorgenannten Figuren gezeigte Wechselrichter 226 in einen Kurzschluss gefahren ist, ergibt sich auch eine (oder mehrere) kurzgeschlossene Solarzelle(n), sodass sich das Ersatzschaltbild des Solargenerators 102 im Vergleich zu dem in 2 beschriebenen Schaltplan ändert. Die beiden Ausgänge des Solargenerators 102 sind kurzgeschlossenen und über einen Widerstand R_ISO mit der Erde verbunden. Der zum Wechselrichtereingang 216 parallel geschaltete Kondensator 218 sowie die erste Diode 220 sowie die Spule 222 sind durch den Kurzschluss wirkungslos und können im Ersatzschaltplan entfallen.
4b zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 4a gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Im Unterschied zu dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine stark vereinfachte Darstellung gewählt worden. Dadurch, dass der in den vorgenannten Figuren gezeigte Wechselrichter 226 beziehungsweise 226.a in einen Kurzschluss gefahren ist, ergibt sich auch eine (oder mehrere) kurzgeschlossene Solarzelle(n), sodass sich das Ersatzschaltbild der Erzeugereinheit 102 oder beispielsweise des Solargenerators 102 im Vergleich zu dem in 2 beschriebenen Schaltplan ändert. Die beiden Ausgänge des Solargenerators 102 sind kurzgeschlossenen und über einen Widerstand R_ISO mit der Erde verbunden. Die DC-Stellvorrichtung 226.a ist kurzgeschlossen, die AC-Stellvorrichtung 226.b wird nicht weiter ausgeführt beziehungsweise bleibt unverändert. Im Vergleich zu dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel entfällt der Kondensator 318, da er durch den Kurzschluss bedingt, wirkungslos ist.
4c zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 4b gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Das in 4c gezeigte Ausführungsbeispiel kann zusammen mit dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel betrachtet werden. Im Unterschied zu dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel vereinfacht sich die Darstellung der primären Energiequelle 102 oder des Solargenerators 102, da die Solarzellen faktisch kurzgeschlossen sind.
4d zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 4c gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Das in 4d gezeigte Ausführungsbeispiel kann zusammen mit dem in 3d gezeigten Ausführungsbeispiel betrachtet werden. Im Unterschied zu dem in 3d gezeigten Ausführungsbeispiel vereinfacht sich, wie bereits in 4c beschrieben, die Darstellung der primären Energiequelle 102 oder des Solargenerators 102, da die Solarzellen faktisch kurzgeschlossen sind. Weiterhin entfallen im Vergleich zu 3d die anderen Komponenten 336.
4e zeigt einen schematischen Schaltplan eines Hybridsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hybridsystem kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 4d gezeigten Hybridsystems 100 handeln. Das in 4e gezeigte Ausführungsbeispiel kann zusammen mit dem in 3e gezeigten Ausführungsbeispiel betrachtet werden. Im Unterschied zu dem in 3e gezeigten Ausführungsbeispiel vereinfacht sich, wie bereits in 4c beschrieben, die Darstellung der primären Energiequelle 102 oder des Solargenerators 102, da die Solarzellen faktisch kurzgeschlossen sind. Weiterhin entfällt im Vergleich zu 3e der Kondensator 318.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für ein Photovoltaik-System kann in Verbindung mit einem in den vorangegangenen Figuren 1 bis 4 gezeigten Photovoltaik-System 100 ausgeführt werden. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 510 des Kurzschließens eines Wechselrichtereingangs des Wechselrichters, einen Schritt 520 des Bestimmens eines Gleichstroms an dem Wechselrichtereingang, einen Schritt 530 des Vergleichens des Gleichstroms mit einer vordefinierten Stromstärke, sowie einen Schritt 540 des Ausgebens eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung.
In einem Ausführungsbeispiel fährt im Schritt des Kurzschließens eine Schaltervorrichtung beziehungsweise eine Stellervorrichtung den Kurzschluss an. Dabei kann je nach Ausführungsbeispiel als Halbleiterbauelement z. B. ein MOSFET und/oder ein IGBT und/oder ein Thyristor eingesetzt und/oder angesteuert werden.
6 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 6 gezeigte Verfahren 500 weist die gleichen Schritte 510, 520, 530, 540 wie das in 5 gezeigte Verfahren auf, wobei der Schritt 510 des Kurzschließens, der Schritt 520 des Bestimmens und der Schritt 530 des Vergleichens parallel ausgeführt werden.
Das in 5 und in 6 gezeigte Verfahren kann in einem Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens 500 umgesetzt werden. Das Programmprodukt kann auf einer Vorrichtung 112 wie diese in 7 gezeigt ist, ausgeführt werden. Alternativ kann das in 5 und in 6 gezeigte Verfahren in einer Vorrichtung, wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4e ausgeführt werden.
7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Vorrichtung 112 zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter für eine Erzeugereinheit kann es sich um die in 1 gezeigte Vorrichtung 112 handeln. Die Vorrichtung 112 umfasst eine Einrichtung 710 zum Kurzschließen eines Wechselrichtereingangs eines Wechselrichters, eine Einrichtung 720 zum Bestimmen eines Gleichstroms an dem Wechselrichtereingang, eine Einrichtung 730 zum Vergleichen des Gleichstroms mit einer vordefinierten Stromstärke sowie eine Einrichtung 740 zum Ausgeben eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 710 zum Kurzschließen ausgebildet, eine Stellvorrichtung, insbesondere einen Hochsetzsteller des Wechselrichters anzusteuern, um einen Kurzschluss anzufahren.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 112 in ein Steuergerät des Wechselrichters integriert.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (500) zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter (104) für eine Erzeugereinheit (100) mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle, wobei das Verfahren (500) die folgenden Schritte aufweist: Kurzschließen (510) eines Generators und/oder Wechselrichtereingangs (216) des Wechselrichters (104); Bestimmen (520) eines Stroms an dem Wechselrichtereingang (216) wobei bei einem Überschreiten eines vordefinierten Schwellwerts für den Strom der Kurzschluss aufgehoben wird, um den Wechselrichter zu schützen,; Vergleichen (530) des Stroms mit einer vordefinierten Stromstärke während des Kurzschlusses, um einen Systemzustand für die Stabilitätsverbesserung bei der Isolationswiderstandsmessung zu erkennen; und Ausgeben (540) eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung, wenn der bestimmte Gleichstrom höchstens die vordefinierte Stromstärke erreicht.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (510) des Kurzschließens eine Stellervorrichtung (226) des Wechselrichters (104) einen Kurzschluss anfährt und/oder einstellt.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (510) des Kurzschließens als Stellervorrichtung (226) ein MOSFET und/oder ein IGBT und/oder ein Thyristor und/oder ein/mehrere andere Schalter eingesetzt und/oder angesteuert wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Schritt (510) des Kurzschließens und/oder der Schritt (520) des Bestimmens und/oder der Schritt (530) des Vergleichens parallel und/oder zeitgleich ausgeführt werden.
Vorrichtung (112) zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter (104) für eine Erzeugereinheit (100), wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Einrichtung (710) zum Kurzschließen eines Wechselrichtereingangs (216) eines Wechselrichters (104); eine Einrichtung (720) zum Bestimmen eines Stroms an dem Wechselrichtereingang (216); eine Einrichtung (730) zum Vergleichen des Stroms mit einer vordefinierten Stromstärke, um einen Systemzustand für die Stabilitätsverbesserung bei der Isolationswiderstandsmessung zu erkennen; und eine Einrichtung (740) zum Ausgeben eines Startsignals für die Isolationswiderstandsmessung, wenn der bestimmte Strom höchstens die vordefinierte Stromstärke erreicht.
Vorrichtung (112) gemäß Anspruch 5, bei der die Einrichtung (710) zum Kurzschließen ausgebildet ist, eine Stellervorrichtung (226) des Wechselrichters (104) anzusteuern, um einen Kurzschluss anzufahren.
Vorrichtung (112) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Vorrichtung (112) in ein Steuergerät des Wechselrichters (104) integriert ist.
Vorrichtung (112) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Wechselrichter (104) als ein Hybrid-Wechselrichter (104) ausgebildet ist.
Erzeugereinheit (100) mit einer, insbesondere regenerativen, Primärenergiequelle und mit einer Vorrichtung (112) zur Stabilitätsverbesserung bei einer Isolationswiderstandsmessung bei einem Wechselrichter (104) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung (112) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ausgeführt wird.