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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Die
WO 2011/017721 A1 beschreibt ein Verfahren zur Lichtbogendetektion in Fotovoltaikanlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei Kontaktproblemen aufgrund eines Fehlers im Gleichstromteil einer Fotovoltaikanlage kann es zu gefährlichen Störlichtbögen kommen, welche nicht von alleine erlöschen, da in Gegensatz zu Wechselstrom der Strom-Nulldurchang fehlt.
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Im Falle eines solchen, als Lichtbogenfehler bezeichneten Störlichtbogens ist es zur Vermeidung von Folgeschäden erforderlich, den Stromfluss sofort zu unterbrechen. Dazu kann eine automatische Detektion verwendet werden. Ein Lichtbogendetektor nutzt die Tatsache aus, dass ein Störlichtbogen ein breitbandiges Rauschen erzeugt, welches dem Gleichstrom überlagert ist und im gesamten Gleichstrompfad der Fotovoltaikanlage zu messen ist.
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Um sicherzugehen, dass tatsächlich das breitbandige Rauschen detektiert wird, können mehrere Teilabschnitte des Frequenzspektrums des Rauschens überwacht werden. Wenn auf allen Teilabschnitten erhöhte Signalpegel festgestellt werden, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Lichtbogen detektiert.
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Es wird ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen eines ersten Frequenzbands und zumindest eines zweiten Frequenzbands unter Verwendung zumindest eines Filters, wobei das erste Frequenzband einen ersten Ausschnitt eines Frequenzspektrums in einem Gleichstromteil der Fotovoltaikanlage repräsentiert und das zweite Frequenzband einen zweiten Ausschnitt des Frequenzspektrums repräsentiert; und
Auswerten des ersten Frequenzbands und des zweiten Frequenzbands, um einen Lichtbogen in der Fotovoltaikanlage zu erkennen.
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Wenn ein Lichtbogen erkannt wird, kann ein Alarmsignal zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
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Ein Frequenzband kann eine untere Grenzfrequenz, eine Mittenfrequenz und eine obere Grenzfrequenz aufweisen. Ein Ausschnitt umfasst alle Frequenzen zwischen der unteren Grenzfrequenz und der oberen Grenzfrequenz. Ein Frequenzband, beziehungsweise der zugehörige Ausschnitt, beinhalten eine durch Amplituden der beinhalteten Frequenzen repräsentierte Information. Im Schritt des Auswertens wird die Information ausgewertet.
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Ein Lichtbogen kann erkannt werden, wenn eine erste Amplitude des ersten Frequenzbands größer als ein erster Grenzwert ist und eine zweite Amplitude des zweiten Frequenzbands größer als ein zweiter Grenzwert ist. Eine Amplitude kann einen Mittenwert aller Amplituden der Frequenzen des Frequenzbands beziehungsweise des Ausschnitts repräsentieren. Wenn in mehreren Frequenzbändern gleichzeitig die Amplitude erhöht ist, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Lichtbogen erkannt.
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Der Lichtbogen kann erkannt werden, wenn die erste Amplitude und die zweite Amplitude länger als eine Zeitdauer größer als ihre zugehörigen Grenzwerte sind. Dadurch können selbstlöschende Funkenüberschläge von andauernden Störlichtbögen unterschieden werden. Es werden weniger Fehlalarme ausgegeben.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Gleichrichtens aufweisen, bei dem anschließend an den Schritt des Bestimmens das erste Frequenzband gleichgerichtet wird, um einen, die erste Amplitude repräsentierenden ersten Intensitätswert des ersten Frequenzbands zu erhalten, und bei dem das zweite Frequenzband gleichgerichtet wird, um einen, die zweite Amplitude repräsentierenden zweiten Intensitätswert des zweiten Frequenzbands zu erhalten. Dann können im Schritt des Auswertens der erste Intensitätswert und der zweite Intensitätswert ausgewertet werden. Gleichspannungssignale beziehungsweise Gleichstromsignale sind einfacher zu verarbeiten, als Wechselspannungssignale.
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Das erste Frequenzband kann unter Verwendung eines auf das erste Frequenzband abgestimmten Bandpassfilters aus dem Frequenzspektrum gefiltert werden. Das zweite Frequenzband kann unter Verwendung eines auf das zweite Frequenzband abgestimmten zweiten Bandpassfilters aus dem Frequenzspektrum gefiltert werden. Bandpassfilter können aus einfachen Bauteilen kostengünstig erstellt werden.
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Dem Frequenzspektrum kann eine auf das erste Frequenzband abgestimmte erste Mischfrequenz zugemischt werden, um ein erstes auf eine Zwischenfrequenz gehobenes Frequenzspektrum zu erhalten. Dabei kann das erste Frequenzspektrum unter Verwendung eines auf die Zwischenfrequenz abgestimmten ersten Bandpassfilters gefiltert werden. Dem Frequenzspektrum kann ferner eine auf das zweite Frequenzband abgestimmte zweite Mischfrequenz zugemischt werden, um ein zweites auf die Zwischenfrequenz gehobenes Frequenzspektrum zu erhalten. Dabei kann das zweite Frequenzspektrum ebenfalls unter Verwendung eines auf die Zwischenfrequenz abgestimmten zweiten Bandpassfilters gefiltert werden. Durch gleichartige Bandpassfilter kann der Detektor kostengünstiger hergestellt werden.
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Dem Frequenzspektrum kann eine auf das erste Frequenzband abgestimmte erste Mischfrequenz zugemischt werden, um ein erstes auf eine Zwischenfrequenz gehobenes Frequenzspektrum zu erhalten. Dem Frequenzspektrum kann eine auf das zweite Frequenzband abgestimmte zweite Mischfrequenz zugemischt werden, um ein zweites auf die Zwischenfrequenz gehobenes Frequenzspektrum zu erhalten. Die erste Mischfrequenz und die zweite Mischfrequenz können zyklisch zugemischt werden. Das erste Frequenzspektrum und das zweite Frequenzspektrum können unter Verwendung eines auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Bandpassfilters gefiltert werden. Durch das zyklische Zumischen können viele Bauteile eingespart werden.
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Das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband können zyklisch in einem Zyklus der Mischfrequenzen ausgewertet werden. Durch die zyklische Auswertung kann der hier vorgestellte Detektor miniaturisiert werden.
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Der Lichtbogen kann erkannt werden, wenn eine erste Amplitude des ersten Frequenzbands über eine vorbestimmte Anzahl an Zyklen größer als ein erster Grenzwert ist und eine zweite Amplitude des zweiten Frequenzbands über die vorbestimmte Anzahl an Zyklen größer als ein zweiter Grenzwert ist. Dadurch können selbstlöschende Funkenüberschläge von andauernden Störlichtbögen unterschieden werden. Es werden weniger Fehlalarme ausgegeben.
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Im Schritt des Bestimmens kann zumindest ein weiteres Frequenzband unter Verwendung des zumindest einen Filters bestimmt werden. Das weitere Frequenzband kann einen weiteren Ausschnitt des Frequenzspektrums repräsentieren. Im Schritt des Auswertens können das erste Frequenzband, das zweite Frequenzband und das weitere Frequenzband ausgewertet werden, um den Lichtbogen in der Fotovoltaikanlage zu erkennen. Bei der Überwachung einer Vielzahl von Frequenzbändern kann eine Erkennungssicherheit verbessert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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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.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens mit verschiedenen Bandpassfiltern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens mit Mischern und gleichartigen Bandpassfiltern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens mit einem gesteuerten Mischer und einem Bandpassfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 einen Ablaufplan zum zyklischen Auswerten von Frequenzbändern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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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.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Bestimmungseinrichtung 102 zum Bestimmen und eine Auswerteeinrichtung 104 zum Auswerten auf. Die Bestimmungseinrichtung 102 ist dazu ausgebildet, ein erstes Frequenzband 106 und zumindest ein zweites Frequenzband 108 unter Verwendung zumindest eines Filters 110 zu bestimmen. Das erste Frequenzband 106 repräsentiert einen ersten Ausschnitt eines Frequenzspektrums 112 in einem Gleichstromteil 114 der Fotovoltaikanlage. Das zweite Frequenzband 108 repräsentiert einen zweiten Ausschnitt des Frequenzspektrums 112. Die Auswerteeinrichtung 104 ist dazu ausgebildet, das erste Frequenzband 106 und zumindest das zweite Frequenzband auszuwerten, um einen Lichtbogen in der Fotovoltaikanlage zu erkennen. Wenn die Auswerteeinrichtung 104 einen Lichtbogen erkennt, wird ein Alarmsignal 116 bereitgestellt. Daraufhin kann beispielsweise ein Stromfluss in dem Gleichstromteil 114 unterbrochen werden, um den Lichtbogen zu löschen und einen Schaden an der Fotovoltaikanlage zu vermeiden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird weitgehend auf digitale Signalverarbeitung verzichtet. Dadurch kann die entsprechende Infrastruktur wie DAC, DSP und Speicher entfallen und es ergibt sich ein Einsparpotenzial. Durch die Überwachung mehrerer Frequenzbänder kann ein großer Ausschnitt des breitbandigen Störsignals überwacht werden. Dadurch ergibt sich eine geringe Wahrscheinlichkeit für Fehlauslösungen bei Einkopplung von Fremdstörern. Ein einzelnes Frequenzband kann auch durch einen Schwingkreis überwacht werden, welcher über induktive Kopplung durch das Lichtbogensignal zum Aufschwingen angeregt wird.
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Die hier vorgestellte Schaltung 100 detektiert einen im System 114 auftretenden Lichtbogenfehler anhand der dabei entstehenden Störsignale. Im Falle eines Lichtbogens gibt die Schaltung 100 ein Alarmsignal 116 aus.
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Diese Schaltung 100 kommt mit günstigen Standard-Bauteilen aus und kann mit analoger Schaltungstechnik realisiert werden.
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Auf eine digitale Signalverarbeitung (Filterung, FFT) wird verzichtet, wodurch der Bedarf an Speicher und Rechenkapazität minimiert und somit Kosten reduziert werden.
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Durch die insbesondere parallele Überwachung von mehreren Frequenzbändern 106, 108 in einem weiten Bereich von mehr als einer Dekade wird nur ein breitbandiges Störsignal als Lichtbogen detektiert, eine Fehlauslösung durch Schmalbandstörer ist ausgeschlossen.
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In einem Ausführungsbeispiel überlappen sich die Frequenzbänder 106, 108 nicht.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann auf einer Vorrichtung zum Erkennen, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Bestimmens und einen Schritt 204 des Auswertens auf. Im Schritt 202 des Bestimmens werden ein erstes Frequenzband und zumindest ein zweites Frequenzband unter Verwendung zumindest eines Filters bestimmt. Dabei repräsentiert das erste Frequenzband einen ersten Ausschnitt eines Frequenzspektrums in einem Gleichstromteil der Fotovoltaikanlage. Das zweite Frequenzband repräsentiert einen zweiten Ausschnitt des Frequenzspektrums. Im Schritt 204 des Auswertens werden das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband ausgewertet, um einen Lichtbogen in der Fotovoltaikanlage zu erkennen.
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3 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens mit verschiedenen Bandpassfiltern 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung in 1. Zusätzlich sind die Einrichtungen 102, 104 hier durch elektronische Bauteile ausgestaltet. Wie in 1 ist die Vorrichtung 100 mit einem Gleichstromteil 114 einer Fotovoltaikanlage 300 beziehungsweise PV-System 300 unter Verwendung eines Kopplers gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Vorrichtung 100 und dem Gleichstromteil 114 ein Verstärker 302 angeordnet, um das aus dem Gleichstromteil 114 abgegriffene Signal mit dem Frequenzspektrum des Gleichstromteils 114 zu verstärken.
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In der hier dargestellten Vorrichtung 100 werden die Frequenzbänder parallel in mehreren Ästen verarbeitet. Dazu sind die Bandpassfilter 110 beziehungsweise Bandpässe 110 jeweils auf unterschiedliche Frequenzbänder abgestimmt.
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Insbesondere überlappen sich die Frequenzbänder dabei nicht. Es ist eine Mehrzahl verschiedener Bandpassfilter 110 von eins bis n gezeigt. Nach den Bandpassfiltern 110 ist pro Ast je ein eigener Gleichrichter 304 angeordnet. Die Gleichrichter 304 wandeln den Wechselstrom beziehungsweise die Wechselspannung je eines Frequenzbands in einen Gleichstrom beziehungsweise eine Gleichspannung, deren Wert ein Maß für eine Schwingungsamplitude des Frequenzbands ist. Nach den Gleichrichtern 304 ist pro Ast hier je ein Komparator 306 angeordnet. Der Komparator 306 vergleicht den Spannungswert beziehungsweise den Stromwert in dem Ast mit einem, dem Frequenzband zugeordneten Schwellenwert. Nach dem Komparator 306 liegt auf dem jeweiligen Ast ein Signal mit zwei möglichen Zuständen an. Dabei repräsentiert der erste Zustand, dass die Amplitude in dem jeweiligen Frequenzband kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, während der zweite Zustand repräsentiert, dass die Amplitude größer als der Wert ist.
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Nach den Komparatoren 306 werden die Äste durch eine erste logische UND Verknüpfung 308 wieder zusammengeführt. Wenn in allen Ästen die Amplitude des jeweiligen Frequenzbands größer als der für ihn vorbestimmter Wert ist, wird ein Lichtbogen erkannt.
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Um eine Fehlauslösung des Alarmsignals zu vermeiden, ist der ersten UND Verknüpfung 308 eine weitere Verzweigung in zwei parallele Äste nachgeschaltet. Dabei ist in einem der Äste ein Zeitverzögerungsglied 310 angeordnet, das ein Eingangssignal erst nach einer vorbestimmten Wartezeit unverändert als Ausgangssignal bereitstellt. Dadurch kann unter Verwendung einer zweiten logischen UND Verknüpfung 312 der beiden Äste sichergestellt werden, dass das Alarmsignal nur bereitgestellt wird, wenn länger als die vorbestimmte Wartezeit der Lichtbogen erkannt wird.
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Mit anderen Worten zeigt 3 einen Lichtbogendetektor 100 für DC-Systeme 114 durch parallele Bandpassfilterung.
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Das von einem Störlichtbogen erzeugte breitbandige Störsignal wird zunächst aus dem DC-System 300 ausgekoppelt. Dies kann induktiv geschehen, allerdings kann auch ein Shunt-Widerstand verwendet werden, da ein solcher bereits zur Strommessung in Wechselrichtern eingebaut sein kann. Die Auskopplung des Signals sollte eine untere Grenzfrequenz von mehr als 100 Hz aufweisen, da die doppelte Netzfrequenz im PV-System 300 eine hohe Amplitude aufweisen kann und den Detektor 100 stören kann.
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Durch das Auskoppeln wird ein HF-Signal des PV-Stroms oder der PV-Spannung erzeugt. Das HF-Signal aus der Spannung kann typischerweise am Eingang des Wechselrichters ausgekoppelt werden.
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Da das ausgekoppelte Signal sehr schwach ist, wird es zunächst verstärkt, bevor es von mehreren Bandpässen 110 parallel gefiltert wird. Die Mittenfrequenz, Bandbreite und Anzahl der Bandpässe 110 ist insbesondere so gewählt, dass mindestens eine viertel Dekade des Störsignals im Frequenzbereich überwacht wird. Die Verstärkung kann auch durch aktive Bandpassfilter oder danach vorgenommen werden.
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Die Ausgangssignale der Bandpässe (ZF-Filter) 110 werden gleichgerichtet und somit stellen die Gleichrichtwerte ein Maß für die Rauschleistung im entsprechenden Frequenzband dar.
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Für jedes Frequenzband wird ein Grenzwert festgelegt, ab welcher Signalhöhe ein Störsignal als Lichtbogen zu interpretieren ist. Dieser Grenzwert wird dem jeweiligen Komparator 306 zugeführt und im Falle eines Überschreitens der Komparatorspannungen werden die entsprechenden Ausgänge aktiv. Wenn alle Komparatorspannungen überschritten werden, so ist dies auf ein breitbandiges Lichtbogensignal zurückzuführen und das erste UND-Gatter 308 schaltet seinen Ausgang aktiv.
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Damit ein ungefährlicher Schaltlichtbogen von einem Störlichtbogen unterschieden werden kann, ist eine Detektion des Störsignals ununterbrochen über eine gewisse Mindestzeit erforderlich.
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4 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens mit Mischern 400 und gleichartigen Bandpassfiltern 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung in 3. Im Gegensatz dazu ist hier in jedem Ast zwischen dem Verstärker 302 und dem Bandpassfilter 110 je ein Mischer 400 angeordnet. Durch den Mischer 400 wird auf das aus der Fotovoltaikanlage 300 beziehungsweise dem DC-Netz 300 ausgekoppelte Signal eine Mischfrequenz 402 aufgemischt, um das Signal mit dem Frequenzspektrum 112 in den Bereich einer Zwischenfrequenz zu heben. Dadurch resultiert ein verschobenes Frequenzspektrum 404. Die Mischfrequenz 402 ist in jedem Ast unterschiedlich. Dabei sind die Mischfrequenzen 402 auf das jeweilige Frequenzband des Asts abgestimmt. Die Bandpassfilter 110 sind alle auf die Zwischenfrequenz abgestimmt. Der Bandpassfilter 110 eines Asts lässt also die Zwischenfrequenz und das durch die Verschiebung dorthin verschobene, gewünschte Frequenzband des Asts durch.
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In den Gleichrichtern 304 werden die Ausschnitte um die Zwischenfrequenz gleichgerichtet. Der resultierende Signalpegel ist gegenüber dem Signalpegel in 3 um einen bekannten, durch die Mischfrequenz 402 verursachten Betrag erhöht. Änderungen des Signalpegels sind damit nur abhängig von der Amplitude in dem jeweiligen Frequenzband des Asts.
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Mit anderen Worten zeigt 4 einen Lichtbogendetektor 100 für DC-Systeme durch parallele Mischer 400.
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Mit einem Mischer 400 kann das Signal auf eine Zwischenfrequenz von beispielsweise 450 kHz hochgesetzt werden.
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Ebenso kann das Signal mit mehreren Mischern 400 auf eine Zwischenfrequenz von beispielsweise 450 kHz hochgesetzt werden. Dabei sind die Mischerfrequenzen 402 (f lo) für jeden Mischer 400 eine andere feste Frequenz und werden so ausgewählt, dass die gewünschten Frequenzbänder in das Zwischenfrequenzband (ZF-Band) fallen.
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In den 3 und 4 ist je eine analoge Schaltung 100 zur Detektion von Störlichtbögen in Fotovoltaikanlagen 300 mit Bandpassfiltern 110 dargestellt.
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5 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens mit einem gesteuerten Mischer 400 und einem Bandpassfilter 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung in 4. Im Gegensatz dazu weist die Vorrichtung 100 lediglich einen Ast auf. In dem Ast sind wie in 4 ein Mischer 400, ein Bandpassfilter 110 und ein Gleichrichter 304 hintereinander angeordnet. Der Mischer 400 erhält hier eine veränderbare Mischfrequenz 402, die von einem variablen Oszillator 500 bereitgestellt wird. Damit kann über die veränderbare Mischfrequenz 402 beeinflusst werden, welches Frequenzband des Frequenzspektrums 112 den Bandpassfilter 110 passieren kann.
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Der Komparator und die logischen Verknüpfungen sind hier durch einen Mikrokontroller 502 mit einem Analog-Digitalwandler 504 als Eingang von dem Gleichrichter 304 und einem Digital-Analogwandler 506 als Ausgang zum Ansteuern des variablen Oszillators 500 ersetzt. Dabei das gleichgerichtete Signal des Gleichrichters 304 am Eingang 504 digitalisiert. Am Ausgang 506 wird eine elektrische Spannung beziehungsweise ein elektrischer Strom bereitgestellt, um den variablen Oszillator 500 anzusteuern.
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Um die verschiedenen Frequenzbänder auszuwerten, wird die Mischfrequenz 402 zyklisch variiert. Damit können jeweils unterschiedliche Frequenzbänder den Bandpassfilter 110 passieren und durch den Mikrokontroller 502 ausgewertet werden. Wenn in einem Zyklus mehrere Frequenzbänder eine erhöhte Amplitude aufweisen und dies über eine vorbestimmte Zeitdauer andauert, wird das Alarmsignal von dem Mikrokontroller 502 an einer Schnittstelle beziehungsweise dem Detektor Ausgang bereitgestellt.
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Bei der in 5 vorgestellten, teilweise digitalen Ausführung können ADC und DAC langsam und gering auflösend sein.
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Das Signal 402 (f lo) des Lokaloszillators 500 wird von einem VCO 500 (Voltage Controlled Oscillator) bereitgestellt. Die Frequenz ist abhängig von einer analogen Spannung, welche vom Mikrokontroller 502 durch einen internen oder externen DAC 506 (Digital Analog Converter) erzeugt wird.
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Der Mikrokontroller 502 steuert also die Lokaloszillatorfrequenz 402 und damit das Frequenzband, welches durch den Mischer 400 auf die Zwischenfrequenz hochgesetzt wird.
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Die Breite der bei jedem Frequenzstep zu überwachenden Frequenzbänder wird über die Breite des ZF-Filters 110 (Bandpass) eingestellt.
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Es ist sinnvoll, die Frequenzbänder beziehungsweise den Bereich der Oszillatorfrequenz so zu definieren, dass eventuelle Störfrequenzen außerhalb der Bänder liegen, beziehungsweise niemals auf die Zwischenfrequenz gemischt werden und dass mehr als eine Dekade überwacht wird und dass sie schrittweise in die Zwischenfrequenz gemischt werden kann. Außerdem sollten die Frequenzbänder nicht harmonisch voneinander abhängig sein.
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Beim Einsatz des hier vorgestellten Ansatzes in einer Fotovoltaikanlage kann die Breite des ZF-Filters 110 auf beispielsweise 5 kHz festgelegt werden. Also wird bei jedem Frequenzstep ein 5 kHz breites Frequenzband überwacht. Wenn die Zwischenfrequenz 450 kHz beträgt, so können die Oszillatorfrequenzen wie folgt festgelegt sein.
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Für ein erstes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 446,5 kHz kann 1 kHz die untere Bandgrenze, 3,5 kHz die Mittenfrequenz und 6 kHz die obere Bandgrenze sein.
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Für ein zweites Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 440,5 kHz kann 7 kHz die untere Bandgrenze, 9,5 kHz die Mittenfrequenz und die obere Bandgrenze 12 kHz sein.
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Für ein drittes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 387,5 kHz kann 60 kHz die untere Bandgrenze, 62,5 kHz die Mittenfrequenz und 65 kHz die obere Bandgrenze sein.
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Für ein viertes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 362,5 kHz kann 85 kHz die untere Bandgrenze, 87,5 kHz die Mittenfrequenz und die obere Bandgrenze 90 kHz sein.
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Für ein fünftes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 347,5 kHz kann 100 kHz die untere Bandgrenze, 102,5 kHz die Mittenfrequenz und 105 kHz die obere Bandgrenze sein.
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Für ein sechstes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 317,5 kHz kann 130 kHz die untere Bandgrenze, 132,5 kHz die Mittenfrequenz und die obere Bandgrenze 135 kHz sein.
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Für ein siebtes Frequenzband bei einer Lokaloszillatorfrequenz von 302,5 kHz kann 145 kHz die untere Bandgrenze, die 147,5 kHz Mittenfrequenz und 150 kHz die obere Bandgrenze sein.
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Das Ausgangssignal des ZF-Filters 110 wird gleichgerichtet und somit stellt der Gleichrichtwert ein Maß für die Rauschleistung im entsprechenden Frequenzband dar.
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Für jedes Frequenzband wird ein Grenzwert festgelegt, ab welcher Signalhöhe ein Störsignal als Lichtbogen zu interpretieren ist. Dieser Grenzwert wird durch einen Komparator im Mikrokontroller 502 mit dem Gleichrichtwert verglichen. Im Falle eines Überschreitens des Grenzwertes wird im Mikrokontroller 502 ein Flag gesetzt. Wird der Grenzwert für einen Frequenzstep nicht überschritten, so wird das Flag gelöscht.
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Wie hier dargestellt können Teile der Schaltung 100 auch in Software abgebildet werden, beispielsweise kann die Zeitverzögerung oder sogar alles nach den Komparatoren und/oder Gleichrichtern 304 von einem Prozessor 502 übernommen werden. Auch ist es möglich, die Komparatorspannungen automatisch (prozessorgesteuert) an die jeweilige EMV-Umgebung anzupassen.
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In den 4 und 5 wird das Frequenzspektrum 112 durch die zugemischte Mischfrequenz 402 verschoben. Dabei wird das Frequenzspektrum 112 pro Ast oder Zyklus um jeweils einen anderen vorbestimmten Betrag verschoben. Damit wird durch den auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Bandpassfilter 110 jeweils ein anderer Ausschnitt aus dem verschobenen Frequenzspektrum 404 herausgetrennt. Im originalen Frequenzspektrum 112 entsprechen die Ausschnitte damit den Frequenzbändern, die zur Lichtbogendetektion überwacht werden.
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6 zeigt einen Ablaufplan 600 zum zyklischen Auswerten von Frequenzbändern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zyklische Auswerten ist dabei ein Ausführungsbeispiel des in 2 beschriebenen Verfahrens. Das zyklische Auswerten kann auf einer Vorrichtung, wie sie in 5 beschrieben ist, ausgeführt werden. Der Ablaufplan 600 beschreibt dabei eine Detektionsroutine, bei der ansprechend auf einen Start 602 der Routine in einem Initialisierungsschritt 604 ein Zeitnehmer beziehungsweise ein Timer angehalten beziehungsweise in einen Stoppmodus, sowie ein Zähler, der Zeitnehmer, und eine Fehlermarkierung beziehungsweise ein Fehlerflag (Ff) zurückgesetzt wird. Beim Zurücksetzen wird ein Zählerwert des Zählers beispielsweise auf eins gesetzt, x = 1, während ein Zeitwert des Zeitnehmers und/oder ein Fehlerwert der Fehlermarkierung beispielsweise auf null gesetzt werden.
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Anschließend wird im Schritt 202 des Bestimmens ein dem Zählerwert zugeordneter Frequenzschritt (Frequenzstep x) angefahren. Dabei wird durch den variablen Oszillator eine Mischfrequenz bereitgestellt, die auf den Bandpassfilter sowie auf das, dem Zählerwert zugeordneten Frequenzband abgestimmt ist. Die Mischfrequenz wird über den Mischer auf das Frequenzspektrum aufgemischt, um das Frequenzband auf die Zwischenfrequenz zu heben beziehungsweise das Frequenzspektrum in den Bereich der Zwischenfrequenz zu verschieben. Da der Bandpassfilter auf die Zwischenfrequenz abgestimmt ist, wird das dem Zählerwert zugeordnete Frequenzband aus dem Frequenzspektrum ausgefiltert.
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Im Schritt 204 des Auswertens wird das Frequenzband gleichgerichtet und der resultierende Gleichrichterwert (Uglx) gemessen. Der Gleichrichterwert wird mit einer dem Zählerwert zugeordneten Schwellenspannung (Uthx) verglichen.
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Wenn im Schritt 204 des Auswertens die Schwellenspannung größer als der Gleichrichterwert ist, wird in einem ersten Schritt 606 des Überprüfens der Zählerwert überprüft. Wenn der Zählerwert kleiner als sein maximaler Wert ist, wird der Zählerwert erhöht (x = x + 1). Beispielsweise wird der Wert um eins erhöht. Wenn der Zählerwert seinen Maximalwert erreicht hat (x = x_max), wird der Zähler zurückgesetzt. Analog zum Initialisierungsschritt 604 wird der Zählerwert beispielsweise auf eins gesetzt (x = 1).
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Anschließend wird der Schritt 202 des Bestimmens mit dem neuen Zählerwert erneut ausgeführt.
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Wenn im Schritt 204 des Auswertens der Gleichrichterwert größer als die Schwellenspannung ist (Uthx < Uglx), wird in einem zweiten Schritt 608 des Überprüfens der Fehlerwert überprüft. Wenn der Fehlerwert dem Ausgangswert, also beispielsweise null entspricht (Ff = 0), werden der Zeitnehmer gestartet und die Fehlermarkierung auf beispielsweise eins gesetzt. Anschließend wird im ersten Schritt 606 des Überprüfens wie oben beschrieben der Zählerwert überprüft.
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Wenn im zweiten Schritt 608 des Überprüfens der Fehlerwert aufgrund einer zurückliegenden Überschreitung der Schwellenspannung ungleich null ist, wird in einem dritten Schritt 610 des Überprüfens der Zeitwert des Zeitnehmers überprüft. Wenn der Zeitwert kleiner als eine maximale Dauer des Auswertens ist, beziehungsweise wenn die maximale Dauer noch nicht abgelaufen ist, wird wie oben beschrieben im ersten Schritt 606 des Überprüfens der Zählerwert überprüft.
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Wenn im dritten Schritt 610 des Überprüfens der Zeitwert größer als die maximale Dauer ist, wird ein in Lichtbogen detektiert und in einem darauffolgenden Schritt 612 des Bereitstellens das Alarmsignal bereitgestellt.
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Mit anderen Worten zeigt 6 die Detektion von Störlichtbögen im DC-System durch variable Mischung.
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Beim erstmaligen Einschalten wird das Fehlerflag und der Timer zu null gesetzt und der Timer in Stopp-Modus versetzt.
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Der Detektor fährt den ersten Frequenzstep an und wartet eine definierte Zeit, bis der Gleichrichter eingeschwungen ist. Dann misst er das Ausgangssignal und vergleicht den Wert mit dem jeweiligen Grenzwert. Wenn der Grenzwert unterschritten wird, so werden Fehlerflag und Timer zu null gesetzt und der Timer in Stopp-Modus versetzt.
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Wird der Grenzwert überschritten, und das Fehlerflag ist null so startet der Timer und das Fehlerflag wird zu eins gesetzt.
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Wird der Grenzwert überschritten und das Fehlerflag ist eins, so läuft der Timer weiter und das Fehlerflag bleibt bei eins.
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Der nächste Frequenzstep wird angefahren und die Prozedur wiederholt. Wenn der Timer eine bestimmte Zeit erreicht hat, die länger ist als die Existenz eines Schaltlichtbogens beispielsweise 100 ms, dann wird am Detektorausgang ein Alarmsignal ausgegeben, beispielsweise der Ausgang auf „Logisch High" gesetzt.
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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.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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