DE102013227174A1

DE102013227174A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102013227174A1
Application number: DE102013227174.3A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Oberzaucher; Gerhard Reiter
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: DE102013227174B4; US9869710B2; US20150185272A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes RISO einer Photovoltaikanlage (1) gegenüber Erdpotenzial (EP) mit einer DC/DC-Wandlereinheit (4), die eine durch den Photovoltaikgenerator (2) generierte erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelt, die an einen Zwischenkreis (5) angelegt wird, welcher die von dem Photovoltaikgenerator (2) gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit (6) zwischenspeichert, wobei der Zwischenkreis (5) einen Bezugsknoten (BK) enthält, der ein einstellbares Bezugspotenzial (BP) aufweist, einer Messeinheit (7), die Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial (BP) und dem Erdpotenzial (EP) bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen (BP) erfasst, und mit einer Auswerteeinheit (8), welche die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes des Photovoltaikgenerators (2) der Photovoltaikanlage (1) auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial.
Photovoltaikanlagen sind Solarstromanlagen, welche elektrische Energie aus Sonnenlicht erzeugen. In einer Photovoltaikanlage wird mittels Solarzellen ein Teil der auf die Solarzellen auftreffenden Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umgewandelt. Eine größere Solarstromanlage wird auch als Solarkraftwerk bezeichnet. Photovoltaikanlagen können an ein Stromnetz gekoppelt sein oder als netzautarke Solarstromanlagen arbeiten, wobei sie permanent oder temporär von einem öffentlichen Stromnetz getrennt sind. Eine an ein Netz gekoppelte Photovoltaikanlage besteht im Wesentlichen aus Photovoltaikmodulen, einem oder mehreren Wechselrichtern, einer Schutzeinrichtung zur automatischen Abschaltung bei Störungen in dem jeweiligen Stromnetz sowie einem Zähler zur Erfassung der durch die Photovoltaikanlage in das Stromnetz eingespeisten Strommenge. Zur Einspeisung der generierten Solarenergie in das Stromnetz ist eine Wandlung des von der Photovoltaikanlage bereitgestellten Gleichstroms in Wechselstrom erforderlich. Hierzu wandelt der Wechselrichter der Photovoltaikanlage den von den Photovoltaikmodulen bzw. Photovoltaikgenerator gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um, dessen Leistungs- und Spannungswerte auf das jeweilige Stromnetz abgestimmt werden. Bei netzgekoppelte Photovoltaikanlagen werden netzgeführte Wechselrichter eingesetzt, die eine Synchronisation des erzeugten Wechselstromes mit dem vorhandenen Stromnetz vornehmen. Die netzgeführten Wechselrichter übernehmen automatisch die Abstimmung an vorgegebene Parameter, insbesondere Spannungswerte des Stromnetzes.
Bevor ein Wechselrichter mit dem Einspeisebetrieb beginnt und ein zugehöriges Netzrelais schließt, wird der Photovoltaikgenerator auf einen eventuell vorhandenen Isolationsfehler hin geprüft.
Eine Photovoltaikanlage hat sowohl vor der Netzaufschaltung als auch im Einspeisebetrieb ein gegenüber Erdpotenzial verschiedenes Potenzial. Daher ist es notwendig, die Photovoltaikanlage bzw. den Photovoltaikgenerator gegenüber Erdpotenzial zu isolieren, damit elektrische Ströme, die aufgrund schlechter Isolierung von der Photovoltaikanlage über Erde abfließen, keine zusätzlichen elektrische Verluste bewirken. Ferner können derartige elektrische Ströme eine Gefahr bei Berühren darstellen. Der gesamte Erdstrom bzw. Leckstrom setzt sich aus Strombeiträgen aller Anlagenkomponenten der Photovoltaikanlage zusammen, insbesondere Photovoltaikmodulen, DC-Kabel sowie Wechselrichter. Bei gegebener Systemspannung lässt sich dieser Leckstrom in einen wirksamen Isolationswiderstand umrechnen, der auch als Isolationswiderstand bezeichnet wird. Bei einer Photovoltaikanlage bzw. Photovoltaikgenerator stellen die Isolationswiderstände aller Module eine Parallelschaltung gegenüber Erde dar. Bei Wechselrichtern ohne galvanische Trennung zwischen Netz und dem Photovoltaikgenerator ist eine Messung des generatorseitigen Isolationswiderstandes vor Aufschalten des Photovoltaikgenerators erforderlich. Mit zunehmender Größe der Photovoltaikanlage und damit einhergehender Parallelschaltung weiterer Photovoltaikmodule verringert sich der Isolationswiderstand des Photovoltaikgenerators. Weiterhin kann es zu Beschädigungen der Verkabelung kommen, insbesondere durch Verbiss der DC-Kabel und Leitungen durch Nagetiere. Die DC-Verkabelung kann auch in anderer Weise beschädigt werden, beispielsweise durch Quetschungen, Übertemperaturen oder Versprödung isolierender Kunststoffummantelungen.
Eine Isolationsüberwachung der Photovoltaikanlage ist daher einerseits notwendig, um Sachschäden zu erkennen, und andererseits, um Personen zu schützen. Weiterhin ist zu beachten, dass jede Betriebsunterbrechung einer Photovoltaikanlage dazu führt, dass die Photovoltaikanlage keinen Strom generieren kann.
1 zeigt ein einfaches Blockschaltbild zur Darstellung einer herkömmlichen Photovoltaikanlage. Die dargestellte Photovoltaikanlage umfasst einen Photovoltaikgenerator PV, der eine Gleichspannung liefert, die durch eine DC/DC-Wandlereinheit gewandelt wird. Durch den Gleichspannungswandler bzw. die DC/DC-Wandlereinheit wird die Leistungsausbeute der Photovoltaikanlage erhöht. Die DC/DC-Wandlereinheit ist mit einem Zwischenkreis ZK verbunden, der die von dem Photovoltaikgenerator gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit zwischenspeichert.
Bei einer herkömmlichen Photovoltaikanlage wird der Isolationswiderstand des Photovoltaikgenerators gegen Erdpotenzial gemessen, wobei die in 2 exemplarisch dargestellte Messschaltung zum Einsatz kommt. Unterschreitet der durch die Messschaltung gemessene Isolationswiderstand R_ISO einen beispielsweise von einer Norm vorgeschriebenen Minimalwert, kann ein Warnsignal ausgegeben werden und es kommt zu keinem Einspeisebetrieb durch den Wechselrichter. Bei der in 2 dargestellten Schaltung liefert die Messspannung U_PE die Grundlage zur Bestimmung des Isolationswiderstandes R_ISO des Photovoltaikgenerators der Photovoltaikanlage. Ein Signalrelais S_R, welches in Serie zu einer Widerstandskette R_P verschaltet ist, dient zum Umschalten des Messpegels, um einen Isolationsfehler an demselben Potenzial wie dem Bezugspotenzial (Masse) zu erfassen. Die in 2 dargestellte herkömmliche Messschaltung benötigt somit zur Umschaltung des Messpegels eine dafür vorgesehene Widerstandskette und ein dafür vorgesehenes Signalrelais S_R.
Ein Nachteil der in 2 dargestellten Vorrichtung besteht somit darin, dass zusätzliche Komponenten bzw. Bauteile vorgesehen werden müssen, um die Isolationswiderstandsmessung durchzuführen, insbesondere eine Widerstandskette R_P und das Signalrelais S_R. Neben dem zusätzlichen technischen Aufwand stellen die zusätzlichen Komponenten, insbesondere die Widerstandskette R_P und das Signalrelais S_R, eine potenzielle Fehlerquelle dar. Fällt beispielsweise das Signalrelais S_R aus, kann keine Isolationswiderstandsmessung erfolgen und der Wechselrichter und somit die gesamte Photovoltaikanlage kann nicht in einen Einspeisebetrieb übergehen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes eines Photovoltaikgenerators einer Photovoltaikanlage zu schaffen, die mit geringem technischen Aufwand zuverlässig den Isolationswiderstand ermittelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial mit:
einer DC/DC-Wandlereinheit, die eine durch einen Photovoltaikgenerator generierte erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelt, die an einen Zwischenkreis angelegt wird, welcher die von dem Photovoltaikgenerator gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit zwischenspeichert,
wobei der Zwischenkreis einen Bezugsknoten enthält, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist,
einer Messeinheit, die Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial und dem Erdpotenzial bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen erfasst, und mit
einer Auswerteeinheit, welche die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes des Photovoltaikgenerators der Photovoltaikanlage auswertet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit eine Änderung des eingestellten Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises bei einem kurzgeschlossenen Photovoltaikgenerator.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit eine Änderung des eingestellten Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises bei einem abgetrennten Photovoltaikgenerator, insbesondere einem durch einen Trennschalter abgetrennten Photovoltaikgenerator.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die DC/DC-Wandlereinheit mindestens einen steuerbaren Boosterschalter auf, welcher zum Laden des Zwischenkreises getaktet betrieben wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der steuerbare Boosterschalter der DC/DC-Wandlereinheit zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit durch eine Ablaufsteuerung geschlossen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die DC/DC-Wandlereinheit einen zweipoligen Spannungseingang für die von dem Photovoltaikgenerator generierte Gleichspannung auf, die über eine Spule und eine Boosterdiode an den Zwischenkreis angelegt ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Zwischenkreis seriell an dem Bezugsknoten miteinander verschaltete Kondensatoren auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die an dem Bezugsknoten miteinander verschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises bei dem getakteten Betrieb des Boosterschalters der DC/DC-Wandlereinheit aufgeladen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Bezugspotenzial an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises durch eine an dem Zwischenkreis angeschlossene Entladeschaltung eingestellt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Entladeschaltung zu den Kondensatoren des Zwischenkreises jeweils parallel angeordnete Entladewiderstände auf, die seriell zu steuerbaren Entladeschaltern der Entladeschaltung verschaltet sind.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zur Änderung des Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises Kondensatoren des Zwischenkreises über die zugehörigen Entladewiderstände durch Schließen der entsprechenden Entladeschalter der Entladeschaltung entladen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Ablaufsteuerung vorgesehen, welche den steuerbaren Boosterschalter der DC/DC-Wandlereinheit und/oder die Entladeschalter der Entladeschaltung ansteuert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Messeinheit einen Messoperationsverstärker mit einem zweipoligen Differenzspannungseingang zum Anlegen einer Differenzspannung und einen Ausgang zur Abgabe der erfassten Messspannung an die Auswerteeinheit auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ausgang des Messoperationsverstärkers über einen Rückkoppelwiderstand mit einem ersten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers verbunden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der erste Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers der Messeinheit über einen Messwiderstand an dem Erdpotenzial zur Erfassung einer Messspannung angeschlossen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt an dem zweiten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers der Messeinheit eine Referenzspannung an, die durch eine Referenzspannungsquelle erzeugt wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleicht die Auswerteeinheit den ermittelten Isolationswiderstand des Photovoltaikgenerators der Photovoltaikanlage mit einem vorgegebenen Schwellenwert und generiert ein Isolationsfehler-Warnsignal, wenn der ermittelte Isolationswiderstand des Photovoltaikgenerators den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die mit dem Zwischenkreis verbundene DC/AC-Wandlereinheit infolge eines von der Auswerteeinheit generierten Isolationsfehler-Warnsignals automatisch gesperrt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zur Erfassung mehrerer Messspannungen durch die Messeinheit sequenziell mehrere unterschiedliche Bezugspotenziale an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises durch Ansteuerung der Entladeschaltung eingestellt.
Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt eine Photovoltaikanlage mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial mit
einer DC/DC-Wandlereinheit, die eine durch einen Photovoltaikgenerator generierte erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelt, die an einen Zwischenkreis angelegt wird, welcher die von dem Photovoltaikgenerator gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit zwischenspeichert,
wobei der Zwischenkreis einen Bezugsknoten enthält, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist,
einer Messeinheit, die Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial und dem Erdpotenzial bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen erfasst, und mit
einer Auswerteeinheit, welche die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes des Photovoltaikgenerators der Photovoltaikanlage auswertet.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial mit den in Patentanspruch 20 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial mit den Schritten:
Anlegen einer von der Photovoltaikanlage gelieferten Gleichspannung an einen Zwischenkreis, welcher die von der Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Energie zwischenspeichert, wobei der Zwischenkreis einen Bezugsknoten besitzt, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist;
Erfassen von Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial und dem Erdpotenzial bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen; und
Auswerten der erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes der Photovoltaikanlage.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer herkömmlichen Photovoltaikanlage;
2 ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung einer herkömmlichen Messschaltung zur Messung eines Isolationswiderstandes einer Photovoltaikanlage;
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes;
4 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes;
5 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes.
Wie man in 3 erkennen kann, weist eine Photovoltaikanlage 1 mindestens einen Photovoltaikgenerator 2 auf, der an einen Wechselrichter 3 angeschlossen ist. Der Wechselrichter 3 enthält eine DC/DC-Wandlereinheit 4, die eingangsseitig mit dem Photovoltaikgenerator 2 verbunden ist. Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich zwischen dem Photovoltaikgenerator 2 und der DC/DC-Wandlereinheit 4 ein betätigbarer Trennschalter zum Abtrennen des Photovoltaikgenerators 2. Die DC/DC-Wandlereinheit 4 wandelt eine durch den Photovoltaikgenerator 2 generierte erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung um, die an einen Zwischenkreis 5 angelegt wird, welche die von dem Photovoltaikgenerator 2 gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit 6 des Wechselrichters 3 zwischenspeichert. Durch den Gleichspannungswandler bzw. die DC/DC-Wandlereinheit 4 wird die Leistungsausbeute des Photovoltaikgenerators 2 gesteigert. Der Zwischenkreis 5 enthält bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Bezugsknoten, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist.
Wie in 3 dargestellt, enthält die Vorrichtung 1 zur Ermittlung des Isolationswiderstandes der Photovoltaikanlage 1 ferner eine Messeinheit 7, die Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 und dem Erdpotenzial bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen erfasst. Die Messeinheit 7 ist mit einer Auswerteeinheit 8 verbunden, welche die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes R_ISO der Photovoltaikanlage 1 auswertet. Bei einer möglichen Ausführungsform vergleicht die Auswerteeinheit 8 den ermittelten Isolationswiderstand R_ISO mit einem vorgegebenen Schwellenwert und generiert ein Isolationsfehler-Warnsignal, falls der ermittelte Isolationswiderstand der Photovoltaikanlage 1 diesen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Das Isolationsfehler-Warnsignal kann über eine Leitung 9 der DC/AC-Wandlereinheit 6 zugeführt werden, wobei die DC/AC-Wandlereinheit 6 infolge des von der Auswerteeinheit 8 erhaltenen Isolationsfehler-Warnsignals automatisch gesperrt wird. Die DC/AC-Wandlereinheit 6 ist bei einer möglichen Ausführungsform mit einem Stromnetz verbunden und speist den generierten Wechselstrom in das Stromnetz ein.
Zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit 7 erfolgt vorzugsweise eine Änderung des eingestellten Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 bei kurzgeschlossenem Photovoltaikeingang. Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit 7 eine Änderung des eingestellten Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 bei abgetrenntem Photovoltaikgenerator 2, wobei dies vorzugsweise geschieht, indem ein zwischen dem Photovoltaikgenerator 2 und der DC/DC-Wandlereinheit 4 vorgesehener Trennschalter geöffnet wird. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt das Öffnen des Trennschalters durch eine in dem Wechselrichter 3 vorgesehene Ablaufsteuerung 10. Die Ablaufsteuerung 10 kann sich innerhalb eines Controllers des Wechselrichters 3 befinden. Bei einer möglichen Ausführungsform führt ein Mikroprozessor ein entsprechendes Ablaufsteuerungsprogramm aus.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist die DC/DC-Wandlereinheit 4 mindestens einen steuerbaren Boosterschalter auf, welcher zum Laden des Zwischenkreises 5 getaktet betrieben wird. Der steuerbare Boosterschalter der DC/DC-Wandlereinheit 4 wird zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit 7 gesteuert durch die Ablaufsteuerung 10 geschlossen. Die DC/DC-Wandlereinheit 4 besitzt einen zweipoligen Spannungseingang für die von dem Photovoltaikgenerator 2 generierte Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird vorzugsweise über eine Spule und eine Boosterdiode an den Zwischenkreis 5 angelegt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der steuerbare Boosterschalter der DC/DC-Wandlereinheit 4 parallel zu dem zweipoligen Spannungseingang der DC/DC-Wandlereinheit 4 verschaltet und wird durch die Ablaufsteuerung 10 angesteuert. Der Zwischenkreis 5 weist seriell an dem Bezugsknoten miteinander verschaltete Kondensatoren zur Energiespeicherung auf, welche bei dem getakteten Betrieb des Boosterschalters der DC/DC-Wandlereinheit 4 aufgeladen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform wird das Bezugspotenzial an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 durch eine an dem Zwischenkreis angeschlossene Entladeschaltung 11 eingestellt. Diese Entladeschaltung 11 weist zu den Kondensatoren des Zwischenkreises 5 jeweils parallel angeordnete Entladewiderstände auf. Diese Entladewiderstände sind vorzugsweise seriell zu steuerbaren Entladeschaltern der Entladeschaltung 11 verschaltet. Zur Änderung des Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 werden die Kondensatoren des Zwischenkreises 5 über die zugehörigen Entladewiderstände durch Schließen der entsprechenden Entladeschalter der Entladeschaltung 11 entladen. Der steuerbare Boosterschalter der DC/DC-Wandlereinheit 4 und die Entladeschalter der Entladeschaltung 11 werden durch die Ablaufsteuerung 10 angesteuert. Bei einer möglichen Ausführungsform zur Erfassung mehrerer Messspannungen durch die Messeinheit 7 werden sequentiell mehrere unterschiedliche Bezugspotenziale an dem Bezugsknoten des Zwischenkreises 5 durch Ansteuerung der Entladeschaltung 11 eingestellt.
4 zeigt ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes R_ISO einer Photovoltaikanlage 1. Wie man in 4 erkennen kann, weist die DC/DC-Wandlereinheit 4 des Wechselrichters 3 einen zweipoligen Spannungseingang für die von dem Photovoltaikgenerator 2 generierte Gleichspannung U_PV auf. Diese Gleichspannung wird über eine Spule 4-1 und eine Boosterdiode 4-2 der DC/DC-Wandlereinheit 4 an den Zwischenkreis 5 angelegt. Wie man in 4 erkennen kann, verfügt die DC/DC-Wandlereinheit 4 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen steuerbaren Boosterschalter 4-3, der über eine Steuerleitung 12 durch die Ablaufsteuerung 10 angesteuert wird. Der steuerbare Boosterschalter 4-3 der DC/DC-Wandlereinheit 4 wird zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit 7 durch die Ablaufsteuerung 10 geschlossen. Der Boosterschalter 4-3 der DC/DC-Wandlereinheit 4 ist parallel zu dem zweipoligen Spannungseingang der DC/DC-Wandlereinheit 4 verschaltet. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Boosterschalter 4-3 ein Boosttransistor, welcher durch die Ablaufsteuerung 10 angesteuert wird. Durch Änderung der Zwischenkreisspannung bei kurzgeschlossenem Photovoltaikeingang sind höhere Werte der Messwertänderung zu erzielen.
Wie man in 4 erkennen kann, enthält der Zwischenkreis 5 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Kondensatoren 5-1, 5-2, welche bei einem getakteten Betrieb des Boosterschalters 4-3 der DC/DC-Wandlereinheit 4 aufgeladen werden und somit die von dem Photovoltaikgenerator 2 gelieferte elektrische Energie für eine an dem Zwischenkreis 5 angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit 6 zwischenspeichert. Die beiden Kondensatoren 5-1, 5-2 des Zwischenkreises 5 sind an einem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 miteinander verbunden, wie in 4 dargestellt.
Das an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 anliegende elektrische Potenzial ist ein einstellbares Bezugspotenzial BP. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Bezugspotenzial BP an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 durch eine an dem Zwischenkreis 5 angeschlossene Entladeschaltung 11 eingestellt. Die Entladeschaltung 11 weist zu den Kondensatoren 5-1, 5-2 des Zwischenkreises 5 jeweils parallel angeordnete Entladewiderstände 11-1, 11-2 auf. Seriell zu den Entladewiderständen 11-1, 11-2 sind steuerbare Entladeschalter 11-3, 11-4 vorgesehen. Diese steuerbaren Entladeschalter 11-3, 11-4 werden über Steuerleitungen 13 durch die Ablaufsteuerung 10 angesteuert. Zur Änderung des Bezugspotenzials BP an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 werden die Kondensatoren 5-1, 5-2 des Zwischenkreises 5 über die zugehörigen Entladewiderstände 11-1, 11-2 der Entladeschaltung 11 durch Schließen der entsprechenden Entladeschalter 11-3, 11-4 teilweise entladen. An dem Entladewiderstand 11-1 und dem zugehörigen Entladeschalter 11-3 liegt eine erste Zwischenkreisspannung UZK+ an. An dem Entladewiderstand 11-2 und dem zugehörigen seriell verschalteten Entladeschalter 11-4 liegt eine weitere Zwischenkreisspannung UZK– an. Durch Entladen eines der beiden Kondensatoren 5-1, 5-2 wird das Potenzial an dem Bezugsknoten BK verändert bzw. auf einen anderen Pegel gesetzt. Die Messeinheit 7 des Wechselrichters 3 erfasst Messspannungen zwischen dem eingestellten Bezugspotenzial BP an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 an dem Erdpotenzial EP, wie in 4 dargestellt. Der Spannungsunterschied zwischen dem Bezugspotenzial BP und dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 und dem Erdpotenzial EP der Masse/Erde ist in 4 mit U_PE bezeichnet.
Die Messeinheit 7 enthält einen Messoperationsverstärker 7-1 mit einem zweipoligen Differenzspannungseingang zum Anlegen einer Differenzspannung und mit einem Ausgang zur Abgabe der erfassten Messspannung U_M an die Auswerteeinheit 8. Der Ausgang des Messoperationsverstärkers 7-1 ist über einen Rückkoppelwiderstand 7-2 mit einem ersten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers 7-1 verbunden. Der erste Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers 7-1 der Messeinheit 7 ist über einen Messwiderstand 7-3 an das Erdpotenzial EP zur Erfassung einer elektrischen Spannung U_PE angeschlossen. Der durch die Vorrichtung zu erfassende Isolationswiderstand R_ISO ist in 4 symbolisch angedeutet. An einem zweiten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers 7-1 der Messeinheit 7 wird eine Referenzspannung angelegt, die durch eine Referenzspannungsquelle erzeugt wird. Die Referenzspannungsquelle enthält einen Operationsverstärker 7-4, der an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, welcher zwei Widerstände 7-5, 7-6 enthält. Die Messeinheit 7 enthält einen weiteren Messoperationsverstärker 7-7, dessen Ausgang mit der Auswerteeinheit 8 verbunden ist, wie in 4 dargestellt. Der Ausgang des Messoperationsverstärkers 7-7 ist über einen Widerstand 7-8 an einen ersten Pol des Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers 7-7 rückgekoppelt. Der zweite Pol des Differenzspannungseingangs des Operationsverstärkers 7-7 ist direkt mit dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 verbunden, wie in 4 dargestellt. Der erste Pol des Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers 7-7 ist über einen Widerstand 7-9 mit einem Pol des dem PV-Eingangs verbunden.
Durch den ersten Messoperationsverstärker 7-1 der Messeinheit 7 werden sequenziell mehrere Messspannungen U_M1, U_M2 ... U_Mn sequenziell für unterschiedliche Bezugspotenziale BP an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 gemessen. Zur Erfassung mehrerer Messspannungen durch die Messeinheit 7 können bei einer möglichen Ausführungsform sequenziell mehrere unterschiedliche Bezugspotenziale BP an dem Bezugsknoten BK des Zwischenkreises 5 durch entsprechende Ansteuerung der Entladeschaltung 11 eingestellt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform wird durch die Auswerteeinheit 8 für jede Messspannung U_Mi ein zugehöriger Isolationswiderstand R_ISOi berechnet. Bei einer möglichen Ausführungsform liefert die Messeinheit 7 n verschiedene Messspannungen U_M1, U_M2 ... U_Mn. Dementsprechend berechnet die Auswerteeinheit 8 n zugehörige Isolationswiderstände R_ISO1, R_ISO2 ... I_ISOn für die verschiedenen Messspannungen und berechnet in deren Abhängigkeit den Isolationswiderstand R_ISO der Photovoltaikanlage 1 gegenüber Erdpotenzial EP. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 führt die Messeinheit 7 mindestens zwei Messungen zur Erfassung zweier unterschiedlicher Messspannungen U_M bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen BP an dem Bezugsknoten BK durch. Die Variation des Bezugspotenzials an dem Bezugsknoten BK kann erhöht werden, indem während der Messung der Photovoltaikeingang mittels des Boosterschalters 4-3 kurzgeschlossen wird. Hierdurch ist die Zwischenkreisspannung wählbar und es erhöht sich die Auflösung der Messung. Alternativ kann der Photovoltaikgenerator 2 auch durch Öffnen eines Trennschalters abgetrennt werden.
Wie man durch Vergleich der Schaltungen in den 2, 4 erkennen kann, benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Ermittlung des Isolationswiderstandes R_ISO des Photovoltaikgenerators 2 kein Signalrelais S_R mit zugehöriger Widerstandskette R_P. Diese beiden Bauteile werden somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eingespart. Hierdurch besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine höhere Zuverlässigkeit, da keine Gefahr besteht, dass ein Signalrelais ausfällt bzw. fehlerhaft funktioniert. Weiterhin wird damit der Platz für ein Signalrelais auf einer Schaltplatine des Wechselrichters 3 eingespart. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist somit robuster gegenüber externen Einflüssen bei gleichzeitig geringerem schaltungstechnischem Aufwand. Bei einer möglichen Ausführungsform kann zur Vermeidung von Fehlmessungen, insbesondere bei Einstrahlungsänderungen, zusätzlich ein Photovoltaikstrom auf Konstanz geprüft werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des Isolationswiderstandes R_ISO vor dem Einschalten des Einspeisebetriebes, in welchem der Wechselrichter 3 Strom in ein Stromnetz einspeist. Fällt der Widerstandswert des ermittelten Isolationswiderstandes R_ISO unter einen vorgegebenen Schwellenwert, wird die DC/AC-Wandlereinheit 6 und somit der Wechselrichter 3 vorzugsweise automatisch gesperrt. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt eine laufende Überwachung des Isolationswiderstandes auch während des Einspeisebetriebes des Wechselrichters 3. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Ermittlung des Isolationswiderstandes in regelmäßigen Zeitabständen oder bei Auftreten bestimmter Ereignisse. Sinkt der Widerstandswert des Isolationswiderstandes während des Einspeisebetriebes unter einen einstellbaren Schwellenwert ab, erfolgt automatisch eine Abschaltung des Wechselrichters 3.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes R_ISO bei einer Photovoltaikanlage gegenüber Erdpotenzial.
In einem ersten Schritt S1 wird eine von der Photovoltaikanlage 1 gelieferte Gleichspannung an einen Zwischenkreis 5 angelegt, welcher die von der Photovoltaikanlage 1 erzeugte elektrische Energie zwischenspeichert, wobei der Zwischenkreis 5 einen Bezugsknoten BK besitzt, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist.
In einem weiteren Schritt S2 werden Messspannungen U_M zwischen dem Bezugspotenzial BP und dem Erdpotenzial EP bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen erfasst.
In einem dritten Schritt S3 werden die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes R_ISO der Photovoltaikanlage bzw. des Photovoltaikgenerators ausgewertet.
Das in 5 dargestellte Verfahren kann durch ein Steuerprogramm ausgeführt werden, das beispielsweise durch einen Prozessor bzw. Controller innerhalb des Wechselrichters 3 bzw. einer Ablaufsteuerung 10 ausgeführt wird. Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich dieses Steuerprogramm in einem Programmspeicher. Bei einer möglichen Ausführungsform wird das Steuerprogramm über eine Schnittstelle des Wechselrichters 3 über eine Netzwerkverbindung von einer Datenbank geladen. Bei einer möglichen Ausführungsform sind für verschiedene Wechselrichtertypen unterschiedliche Steuerprogramme vorhanden, welche von der Datenbasis heruntergeladen werden können. Die Steuerprogramme können für unterschiedliche Photovoltaikgeneratoren 2 vorgesehen sein.
Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Auswerteeinheit 8 und die Ablaufsteuerung 10 in einem Controller des Wechselrichters 3 integriert. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Schwellenwerte für den Isolationswiderstand R_ISO der Photovoltaikanlage 1 programmierbar. Bei dieser Ausführungsform sind somit die Schwellenwerte des Steuerprogramms für den Isolationswiderstand für unterschiedliche Photovoltaikgeneratoren 2 unterschiedlich. Bei einer möglichen Ausführungsform weist der Wechselrichter 3 ein Nutzerinterface auf, über die Parameter der Photovoltaikanlage 1, insbesondere des Photovoltaikgenerators 2, eingegeben werden können. Aus diesen Parametern kann bei einer möglichen Ausführungsform ein Soll-Isolationswiderstand R_ISO-SOLL der Photovoltaikanlage 1 berechnet werden. Dieser Soll-Isolationswiderstand der Photovoltaikanlage 1 wird bei einer möglichen Ausführungsform mit dem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelten Isolationswiderstand R_ISO-IST der Photovoltaikanlage 1 verglichen. Übersteigt die Abweichung ∆R zwischen dem Soll-Isolationswiderstand R_ISO-SOLL der Photovoltaikanlage 1 und dem gemessenen Isolationswiderstand R_ISO-IST der Photovoltaikanlage 1 eine maximal zulässige Abweichung, kann durch den Steuercontroller des Wechselrichters 3 festgestellt werden, dass die angeschlossene Photovoltaikanlage 1 fehlerhaft ist oder versehentlich ein Photovoltaikgenerator 2 des falschen Typs an den Wechselrichter 3 angeschlossen worden ist. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform erkennt die Ablaufsteuerung 10 bzw. der Wechselrichter-Controller den Typ des angeschlossenen Photovoltaikgenerators 2 automatisch durch Auslesen einer Typ-ID aus einem an dem Photovoltaikgenerator 2 angebrachten Datenspeicher.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage
2: Photovoltaikgenerator
3: Wechselrichter
4: DC/DC-Wandlereinheit
5: Zwischenkreis
6: DC/AC-Wandlereinheit
7: Messeinheit
8: Auswerteeinheit
9: Steuerleitung
10: Ablaufsteuerung
11: Entladeschaltung
12: Steuerleitung
13: Steuerleitung

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes (R_ISO) einer Photovoltaikanlage (1) gegenüber Erdpotenzial (EP) mit: einer DC/DC-Wandlereinheit (4), die eine durch einen Photovoltaikgenerator (2) generierte erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelt, die an einen Zwischenkreis (5) angelegt wird, welcher die von dem Photovoltaikgenerator (2) gelieferte elektrische Energie für eine daran angeschlossene DC/AC-Wandlereinheit (6) zwischenspeichert, wobei der Zwischenkreis (5) einen Bezugsknoten (BK) enthält, der ein einstellbares Bezugspotenzial (BP) aufweist, einer Messeinheit (7), die Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial (BP) und dem Erdpotenzial (EP) bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen (BP) erfasst, und mit einer Auswerteeinheit (8), welche die erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes des Photovoltaikgenerators (2) der Photovoltaikanlage (1) auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit (7) eine Änderung des eingestellten Bezugspotenzials (BP) an dem Bezugsknoten (BK) des Zwischenkreises (5) bei kurzgeschlossenem Photovoltaikgenerator (2) oder abgetrenntem Photovoltaikgenerator (2) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die DC/DC-Wandlereinheit (4) mindestens einen steuerbaren Boosterschalter (4-3) aufweist, welcher zum Laden des Zwischenkreises (5) getaktet betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der steuerbare Boosterschalter (4-3) der DC/DC-Wandlereinheit (4) zur Erfassung einer Messspannung durch die Messeinheit (7) durch eine Ablaufsteuerung (10) geschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die DC/DC-Wandlereinheit (4) einen zweipoligen Spannungseingang für die von dem Photovoltaikgenerator (2) generierte Gleichspannung aufweist, die über eine Spule (4-1) und eine Boosterdiode (4-2) an den Zwischenkreis (5) angelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zwischenkreis (5) seriell an dem Bezugsknoten (BK) miteinander verschaltete Kondensatoren (5-1, 5-2) aufweist, welche bei dem getakteten Betrieb des Boosterschalters (4-3) der DC/DC-Wandlereinheit (4) aufgeladen werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bezugspotenzial (BP) an dem Bezugsknoten (BK) des Zwischenkreises (5) durch eine an dem Zwischenkreis (5) angeschlossene Entladeschaltung (11) eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Entladeschaltung (11) zu den Kondensatoren (5-1, 5-2) des Zwischenkreises (5) jeweils parallel angeordnete Entladewiderstände (11-1, 11-2) aufweist, die seriell zu steuerbaren Entladeschaltern (11-3, 11-4) der Entladeschaltung (11) verschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zur Änderung des Bezugspotenzials (BP) an dem Bezugsknoten (BK) des Zwischenkreises (5) Kondensatoren (5-1, 5-2) des Zwischenkreises (5) über die zugehörigen Entladewiderstände (11-1, 11-2) durch Schließen der entsprechenden Entladeschalter (11-3, 11-4) der Entladeschaltung (11) entladbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 9, wobei eine Ablaufsteuerung (10) vorgesehen ist, welche den steuerbaren Boosterschalter (4-3) der DC/DC-Wandlereinheit (4) und/oder die Entladeschalter (11-3, 11-4) der Entladeschaltung (11) ansteuert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei die Messeinheit (7) einen Messoperationsverstärker (7-1) mit einem zweipoligen Differenzspannungseingang zum Anlegen einer Differenzspannung und einen Ausgang zur Abgabe der erfassten Messspannung an die Auswerteeinheit (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Ausgang des Messoperationsverstärkers (7-1) über einen Rückkoppelwiderstand (7-2) mit einem ersten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers (7-1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der erste Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers (7-1) der Messeinheit (7) über einen Messwiderstand (7-3) an dem Erdpotenzial (EP) zur Erfassung einer Messspannung angeschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei an dem zweiten Pol des zweipoligen Differenzspannungseingangs des Messoperationsverstärkers (7-1) der Messeinheit (7) eine Referenzspannung anliegt, die durch eine Referenzspannungsquelle erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei die Auswerteeinheit (8) den ermittelten Isolationswiderstand (R_ISO) der Photovoltaikanlage (1) mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und ein Isolationsfehler-Warnsignal generiert, wenn der ermittelte Isolationswiderstand (R_ISO) der Photovoltaikanlage (1) den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die mit dem Zwischenkreis (5) verbundene DC/AC-Wandlereinheit (6) infolge eines von der Auswerteeinheit (8) generierten Isolationsfehler-Warnsignals automatisch gesperrt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 16, wobei zur Erfassung mehrerer Messspannungen durch die Messeinheit (7) sequenziell mehrere unterschiedliche Bezugspotenziale (BP) an dem Bezugsknoten (BK) des Zwischenkreises (5) durch Ansteuerung der Entladeschaltung (11) eingestellt werden.
Photovoltaikanlage (1) mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 17.
Verfahren zum Ermitteln eines Isolationswiderstandes (R_ISO) einer Photovoltaikanlage (1) gegenüber Erdpotenzial (EP) mit den Schritten: (a) Anlegen (S1) einer von der Photovoltaikanlage (1) gelieferten Gleichspannung an einen Zwischenkreis, welcher die von der Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Energie zwischenspeichert, wobei der Zwischenkreis einen Bezugsknoten besitzt, der ein einstellbares Bezugspotenzial aufweist; (b) Erfassen (S2) von Messspannungen zwischen dem Bezugspotenzial (BP) und dem Erdpotenzial (EP) bei unterschiedlich eingestellten Bezugspotenzialen; und (c) Auswerten (S3) der erfassten Messspannungen zur Ermittlung des Isolationswiderstandes (R_ISO) der Photovoltaikanlage (1).