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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem und ein Schutzverfahren für ein Photovoltaiksystem, welche das Photovoltaiksystem vor in diesem auftretenden parallelen Lichtbögen und seriellen Lichtbögen schützen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Herkömmlicherweise wird in einem Photovoltaiksystem der von den Photovoltaikmodulen erzeugte Strom über einen Power-Conditioner, der z.B. einen Aufwärtswandler und einen DC/AC-Wandler umfasst, in ein Stromversorgungsnetz gespeist. In einem solchen System können aufgrund von Defekten in der Schaltung des Systems und dergleichen Lichtbogenentladungen (im Folgenden auch einfach „Lichtbögen“ genannt) in der Schaltung auftreten. Wenn solche Lichtbögen auftreten, dann wird der Ort des Lichtbogens sehr heiß, und es besteht z.B. die Gefahr dass ein Feuer ausbricht. Daher sind Photovoltaiksysteme mit Schutzvorrichtungen zum Schutz des Systems vor Lichtbögen versehen.
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Es gibt serielle und parallele Lichtbogenentladungen, und je nach Art der Lichtbögen unterscheidet sich auch die geeignete Maßnahme, um den Lichtbogen zu löschen. Daher verfügen Schutzvorrichtungen über die Funktion, das Auftreten eines Lichtbogens zu erfassen, zu erkennen, ob es sich um einen seriellen oder einen parallelen Lichtbogen handelt und den seriellen bzw. parallelen Lichtbogen zu löschen. Als solche Schutzvorrichtungen sind die in Patentdokument 1 und Patentdokument 2 offenbarten Anordnungen bekannt.
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In der in Patentdokument 1 beschriebene Anordnung wird der von einem Photovoltaikmodul (einem Solarstromerzeuger) erzeugte Strom über einen Wechselrichter in ein Stromversorgungsnetz (Hochspannungsnetz) gespeist. In der Gleichstromleitung von dem Photovoltaikmodul zum Wechselrichter ist ein Leitungsschutzschalter vorgesehen, und parallel dazu ist ein Kondensator vorgesehen. Außerdem ist in der Gleichstromleitung hinter dem Leitungsschutzschalter ein Stromsensor vorgesehen, und hinter dem Stromsensor ist ein Kurzschlussschalter vorgesehen, der die positive Elektrode und die negative Elektrode des Photovoltaikmoduls kurzschließt.
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Falls in der Anordnung von Patentdokument 1 anhand des Ausgangssignal vom Stromsensor ein Wechselstromsignal erfasst wird, dann wird der Leitungsschutzschalter ausgeschaltet (bzw. in den unterbrechenden Zustand gesetzt), und wenn das über den Kondensator zur Wechselstromleitung fließende Wechselstromsignal kleiner wird, dann wird daraus geschlossen, dass ein serieller Lichtbogen aufgetreten ist. In diesem Fall wird der serielle Lichtbogen gelöscht, indem der Leitungsschutzschalter ausgeschaltet wird.
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Wenn dagegen das Wechselstromsignal nicht kleiner wird, dann wird daraus geschlossen, dass das Wechselstromsignal von einer Störquelle oder einem parallelen Lichtbogen herrührt. In diesem Fall wird der Schaltungsunterbrecher eingeschaltet (bzw. in den leitenden Zustand gesetzt), und der Kurzschlussschalter wird eingeschaltet (in den leitenden Zustand gesetzt). Somit wird bei einem kleiner werdenden Wechselstromsignal auf einen parallelen Lichtbogen geschlossen, und bei einem nicht kleiner werdenden Wechselstromsignal wird darauf geschlossen, dass das Wechselstromsignal von einer Störquelle herrührt. Falls ein paralleler Lichtbogen auftritt, kann er gelöscht werden, indem der Kurzschlussschalter eingeschaltet wird.
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In der Anordnung in Patentdokument 2 wird, wie im Falle des Patentdokuments 1, der vom Photovoltaikmodul (Solarstromerzeuger) erzeugte Strom über einen Wechselrichter in ein Stromversorgungsnetz gespeist. In der vom Photovoltaikmodul zum Wechselrichter führenden Gleichstromleitung sind ein Leitungsschutzschalter (Unterbrecher) und ein Lichtbogensensor vorgesehen, und zwischen dem Leitungsschutzschalter und dem Lichtbogensensor ist ein Kurzschlussschalter vorgesehen, der die positive und negative Elektrode des Photovoltaikmoduls kurzschließt. Der Lichtbogensensor ist mit einer Steuerung für die Leistungsanpassung (MPPT, Maximum Power Point Tracker) verbunden, die dem Wechselrichter zugeordnet ist.
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In der in Patentdokument 2 beschriebenen Anordnung wird das Vorliegen bzw. Auftreten eines Lichtbogens anhand eines vom Lichtbogensensor erfassten Detektionssignals beurteilt, eine Leistungsanpassung (MPP) durchgeführt, eine Energieänderung des Lichtbogens erfasst, und falls die elektrische Energie des Lichtbogens abnimmt, anhand der Richtung der Leistungsanpassung (MPP) beurteilt, ob der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen oder ein serieller Lichtbogen ist. Ferner wird, wie in Patentdokument 1, der Leitungsschutzschalter ausgeschaltet falls der Lichtbogen ein serieller Lichtbogen ist und der Kurzschlussschalter wird eingeschaltet, falls der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen ist.
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DE 10 2011 008 140 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Schalten einer Photovoltaikanlage im Falle eines gleichstromseitig auftretenden Lichtbogens, bei dem der generierte Gleichstrom und die erzeugte Gleichspannung hinsichtlich einer Leistungsführung eingestellt werden. Im Falle eines sensorisch erfassten Lichtbogens wird die Leistungsführung verstellt und eine Leistungsänderung des Lichtbogens erfasst, wobei im Falle einer Leistungsabnahme des Lichtbogens in Abhängigkeit von der Verstellrichtung der Leistungsführung auf einen seriellen oder auf einen parallelen Lichtbogen erkannt wird. Bei einem seriellen Lichtbogen wird eine Gleichstromunterbrechung und bei einem parallelen Lichtbogen ein Kurzschlussstrom erzeugt.
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[0008b]
US 2013/ 0 094 112 A1 offenbart eine Photovoltaikanlage mit mehreren Photovoltaikmodulen, wobei jedes Photovoltaikmodul ein Elementfeld zur Erzeugung elektrischer Leistung sowie wenigstens eine steuerbare Schalteranordnung aufweist, welche zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzustand zwischen zwei Schalteranschlüssen umschaltbar ist, und mit einer Signalverbindung, welche die wenigstens eine Schalteranordnung des Photovoltaikmoduls mit einem von diesem entfernt angeordneten Freigabesignalgenerator koppelt, welcher zur Erzeugung eines Freigabesignals zur Ansteuerung der Schalteranordnung des Photovoltaikmoduls eingerichtet ist, wobei wenigstens ein Sensor vorhanden ist, welcher zur Detektion eines Störfalls eingerichtet ist und bei Detektion eines Störfalls die Abschaltung des Freigabesignals bewirkt, wobei der Sensor ein für Lichtbogenentladungen charakteristisches breitbandiges hochfrequentes Wechselspannungssignal auf den Verbindungsleitungen detektiert.
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VORVERÖFFENTLICHTE DOKUMENTE
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PATENTDOKUMENTE
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- Patentdokument 1: JP 2014-509396A (veröffentlicht am 17.4.2014)
- Patentdokument 2: JP 2013-542699A (veröffentlicht am 21.11.2013)
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ABRISS DER ERFINDUNG
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VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
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In der in Patentdokument 1 beschriebenen Anordnung sind, wie oben beschrieben, ein Leitungsschutzschalter und parallel dazu ein Kondensator vorgesehen, und wenn ein Wechselstromsignal erfasst wird, dann wird der Leitungsschutzschalter ausgeschaltet (in den unterbrechenden Zustand gesetzt). Falls dann das über den Kondensator in der Gleichstromleitung fließende Wechselstromsignal abnimmt, dann wird beurteilt, dass ein serieller Lichtbogen aufgetreten ist.
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Allerdings wird das Wechselstromsignal vom Stromsensor erfasst nachdem es den Kondensator passiert hat, weshalb es sich beim Passieren des Kondensators leicht abschwächt und das Risiko besteht, dass es nur schwer durch den Stromsensor zuverlässig erfasst werden kann. Des Weiteren besteht bei Kondensatoren als Komponenten das Problem ihrer Haltbarkeit, und sie neigen dazu, ursächlich für Defekte in Leistungsschaltungen mit hohen Anforderungen an die Durchschlagspannung zu sein. Aus diesem Grund besteht das Problem, dass die Verwendung eines Kondensators die Zuverlässigkeit der Schutzvorrichtung senkt.
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Ferner beurteilt bei der Anordnung in Patentdokument 2 der MPPT anhand des Detektionssignals vom Lichtbogensensor ob ein Lichtbogen vorliegt, führt eine Leistungsanpassung durch (MPP), und erfasst Änderungen in der Energie des Lichtbogens. Falls sich die Energie des Lichtbogens verringert, dann kann anhand der Richtung der Leistungsanpassung (MPP) der Lichtbogen als serieller oder paralleler Lichtbogen identifiziert werden. Somit besteht das Problem, dass die Anordnung zur Identifizierung des Lichtbogens als serieller oder paralleler Lichtbogen kompliziert ist.
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Daher setzt sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem und ein Schutzverfahren für ein Photovoltaiksystem bereitzustellen, mit denen das Entstehen bzw. Auftreten eines Lichtbogens im Photovoltaiksystem erkannt werden kann, der auftretende Lichtbogen als serieller oder paralleler Lichtbogen identifiziert werden kann, und Anordnung verwirklicht werden kann, mit der der Lichtbogen auf einfache Weise und zuverlässig gelöscht werden kann.
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MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
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Zur Lösung des oben genannten Problems umfasst eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem Folgendes:
- ein erstes Relais, das in einem ersten Strompfad vorgesehen ist, der den von einem Photovoltaikmodul erzeugten Strom ausgibt, und das diesen ersten Strompfad öffnet und schließt;
- ein zweites Relais, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen hinter dem ersten Relais in einem zweiten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen zweiten Strompfad öffnet und schließt;
- ein drittes Relais, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen vor dem ersten Relais in einem dritten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen dritten Strompfad öffnet und schließt;
- einen Lichtbogensignalerfassungsabschnitt zum Erfassen eines das Auftreten eines Lichtbogens anzeigendes Lichtbogensignals am ersten Strompfad;
- einen Lichtbogendetektionsabschnitt zum Detektieren des Vorliegens eines Lichtbogens anhand des Lichtbogensignals in einem Lichtbogendetektionszustand, in welchem das erste Relais geschlossen ist und das zweite und das dritte Relais geöffnet sind;
- einen Lichtbogenidentifizierungsabschnitt zum Beurteilen, ob der Lichtbogen ein paralleler oder ein serieller Lichtbogen ist, und zwar anhand des Lichtbogensignals in einem Lichtbogenidentifizierungszustand, in welchem das erste und das zweite Relais geschlossen sind und das dritte Relais geöffnet ist; und
- einen Steuerungsabschnitt, der das erste und das dritte Relais in den Lichtbogenidentifizierungszustand setzt falls der Lichtbogendetektionsabschnitt das Auftreten eines Lichtbogens erkennt, der das erste Relais vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus öffnet, falls der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt den Lichtbogen als seriellen Lichtbogen beurteilt, und der das dritte Relais vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus schließt, falls der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt den Lichtbogen als parallelen Lichtbogen beurteilt.
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EFFEKT DER ERFINDUNG
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Gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Anordnung kom pakt und kostengünstig realisiert werden, mit der das Entstehen bzw. Auftreten eines Lichtbogens in einem Photovoltaiksystem erkannt werden kann, der auftretende Lichtbogen als serieller oder paralleler Lichtbogen identifiziert werden kann, und diese Lichtbögen auf einfache Weise und zuverlässig gelöscht werden können.
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Figurenliste
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1 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Photovoltaiksystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Zustand zeigt, in dem das System im regulären Betrieb ist.
- 2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Photovoltaiksystems in 1 zeigt.
- 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems in 1 zeigt, wenn das Auftreten eines Lichtbogens erkannt wurde.
- 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems in 1 zeigt, wenn der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen ist.
- 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems in 1 nach dem Anhalten zeigt, wenn ein paralleler Lichtbogen aufgetreten ist.
- 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems in 1 nach dem Anhalten zeigt, wenn ein serieller Lichtbogen aufgetreten ist.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Figuren erläutert. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Photovoltaiksystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Zustand zeigt, in dem das System im regulären Betrieb ist (Lichtbogendetektionszustand).
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Wie in 1 gezeigt, umfasst das Photovoltaiksystem 1 mehrere Photovoltaikmodule 11, eine Relaisschaltung 12, und ein Power-Conditioner-System (im Folgenden auch als „PCS“ bezeichnet) 13. Ferner umfasst es einen Stromumsetzer (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt) 21, eine Verstärkerschaltung (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt) 22, einen Filter (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt) 23, einen Lichtbogendetektionsabschnitt 24 zum Detektieren des Vorliegens eines Lichtbogens, einen Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 und einen Steuerungsabschnitt 26. Der Lichtbogendetektionsabschnitt 24, der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 und der Steuerungsabschnitt 26 können zum Beispiel durch einen Mikrocomputer implementiert werden. In der vorliegenden Ausführungsform, wird eine Schutzvorrichtung 5 durch die Relaisschaltung 12, den Stromumsetzer 21, die Verstärkerschaltung 22, den Filter 23, den Lichtbogendetektionsabschnitt 24, den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 und den Steuerungsabschnitt 26 gebildet.
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Die Relaisschaltung 12 ist auf einer Relaisplatine 14 vorgesehen und umfasst mehrere Relais. Die Relaisplatine 14 hat an ihrem einen Rand einen positiven Eingangsanschluss 31P und einen negativen Eingangsanschluss 31N, und an ihrem anderen Rand einen positiven Ausgangsanschluss 32P, einen negativen Ausgangsanschluss 32N, einen positiven Messanschluss 33P und einen negativen Messanschluss 33N. An den positiven Eingangsanschluss 31P und den negativen Eingangsanschluss 31N ist das Photovoltaikmodul 11 angeschlossen, und an den positiven Ausgangsanschluss 32P und den negativen Ausgangsanschluss 32N ist das PCS 13 angeschlossen. Zwischen dem positiven Ausgangsanschluss 32P und dem PCS 13 ist eine in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode 29 vorgesehen. Die Messanschlüsse 33P und 33N sind Anschlüsse zum Anschließen eines Messgeräts und werden im Betrieb der vorliegenden Ausführungsform nicht verwendet.
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Im P-seitigen ersten Strompfad 34P zwischen dem positiven Eingangsanschluss 31P und dem positiven Ausgangsanschluss 32P sind ein P-seitiges erstes Relais 41P und ein P-seitiges viertes Relais 44P in dieser Reihenfolge zwischen dem P-seitigen Eingangsanschluss 31P und dem P-seitigen Ausgangsanschluss 32P in Serie geschaltet. Ähnlich sind im N-seitigen ersten Strompfad 34N zwischen dem negativen Eingangsanschluss 31N und dem negativen Ausgangsanschluss 32N ein N-seitiges erstes Relais 41N und ein N-seitiges viertes Relais 44N in dieser Reihenfolge in Serie geschaltet.
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Der Knoten zwischen dem P-seitigen ersten Relais 41P und dem P-seitigen vierten Relais 44P im P-seitigen ersten Strompfad 34P sowie der Knoten zwischen dem N-seitigen ersten Relais 41N und dem N-seitigen vierten Relais 44N im N-seitigen ersten Strompfad 34N sind durch einen zweiten Strompfad 35 miteinander verbunden und in diesem zweiten Strompfad 35 ist ein zweites Relais 42 vorgesehen, welches den zweiten Strompfad 35 öffnet bzw. schließt.
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Der Knoten zwischen dem positiven Eingangsanschluss 31P und dem P-seitigen ersten Relais 41P im P-seitigen ersten Strompfad 34P sowie der Knoten zwischen dem negativen Eingangsanschluss 31N und dem N-seitigen ersten Relais 41N im N-seitigen ersten Strompfad 34N sind durch einen dritten Strompfad 36 miteinander verbunden und in diesem dritten Strompfad 36 sind ein P-seitiges drittes Relais 43P und ein N-seitiges drittes Relais 43N in Serie vorgesehen, welche den dritten Strompfad 36 öffnen bzw. schließen. Das P-seitige dritte Relais 43P und das N-seitige dritte Relais 43N sind Kipprelais (engl.: „latch relay“).
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Das P-seitige vierte Relais 44P umfasst einen beweglichen Kontakt 44Pa, einen festen Kontakt 44Pb und einen festen Kontakt 44Pc. Demensprechend umfasst das N-seitige vierte Relais 44N einen beweglichen Kontakt 44Na, einen festen Kontakt 44Nb und einen festen Kontakt 44Nc.
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Der bewegliche Kontakt 44Pa ist mit dem anderen Anschluss des P-seitigen ersten Relais 41P und dem einen Anschluss des zweiten Relais 42 verbunden. Der feste Kontakt 44Pb ist mit dem positiven Ausgangsanschluss 32P, und der feste Kontakt 44Pc ist mit dem positiven Messanschluss 33P verbunden. Demensprechend ist der bewegliche Kontakt 44Na mit dem anderen Anschluss des N-seitigen ersten Relais 41N und dem anderen Anschluss des zweiten Relais 42 verbunden. Der feste Kontakt 44Nb ist mit dem negativen Ausgangsanschluss 32N, und der feste Kontakt 44Nc ist mit dem negativen Messanschluss 33N verbunden.
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Der Stromumsetzer 21 ist im P-seitigen ersten Strompfad 34P vorgesehen und erfasst ein Wechselstromsignal, das durch den P-seitigen ersten Strompfad 34P fließt. Falls in dem Photovoltaiksystem 1 ein Lichtbogen auftritt, dann umfasst dieses Wechselstromsignal Lichtbogenrauschen (ein Lichtbogensignal) aufgrund des Lichtbogens. Der Stromumsetzer 21 kann auch im N-seitigen ersten Strompfad 34N vorgesehen sein.
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Die Verstärkerschaltung 22 verstärkt das vom Stromumsetzer 21 erfasste Wechselstromsignal. Der Filter 23 entnimmt diesem Wechselstromsignal ein Signal mit einer bestimmten Frequenz, welches dem Lichtbogenrauschen entspricht. Der Lichtbogendetektionsabschnitt 24 beurteilt anhand des vom Filter 23 ausgegebenen Signals, ob ein Lichtbogen vorliegt oder nicht. Falls der Lichtbogendetektionsabschnitt 24 auf das Vorliegen eines Lichtbogens geurteilt hat, identifiziert der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 denselben als seriellen Lichtbogen oder parallelen Lichtbogen, und zwar anhand der Änderung des Lichtbogenrauschens bei einer Steuerung des zweiten Relais 42 mit dem Steuerungsabschnitt 26.
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Der Steuerungsabschnitt 26 steuert das Umschalten des P-seitigen vierten Relais 44P und des N-seitigen vierten Relais 44N. Abhängig vom Ergebnis der Detektion (des Beurteilungsergebnisses) durch den Lichtbogendetektionsabschnitt 24 und dem Ergebnis der Identifizierung des Lichtbogens durch den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25, werden das P-seitige erste Relais 41P, das N-seitige erste Relais 41N, das zweite Relais 42, das P-seitige dritte Relais 43P und das N-seitige dritte Relais 43N ein- bzw. ausgeschaltet.
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Im Folgenden wird der Betrieb des Photovoltaiksystems 1 mit dieser Anordnung erläutert. 2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Photovoltaiksystems 1 zeigt.
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Falls in 2 das Photovoltaiksystem 1 im Normalbetrieb ist (S11), dann schaltet der Steuerungsabschnitt 26, wie in 1 gezeigt, das P-seitige dritte Relais 43P aus (in den offenen Zustand), das P-seitige erste Relais 41P ein (in den geschlossenen Zustand), und im P-seitigen vierten Relais 44P wird der bewegliche Kontakt 44Pa auf den festen Kontakt 44Pb geschaltet. Ferner schaltet der Steuerungsabschnitt 26 das N-seitige dritte Relais 43N aus (in den offenen Zustand), das N-seitige erste Relais 41N ein (in den geschlossenen Zustand), und im N-seitigen vierten Relais 44N wird der bewegliche Kontakt 44Na auf den festen Kontakt 44Nb geschaltet. Dieser Zustand ist der Lichtbogendetektionszustand. In diesem Zustand wird der von dem Photovoltaikmodul 11 erzeugte Strom durch die P-seitigen und N-seitigen ersten Strompfade 34P und 34N in das PCS 13 gespeist.
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Wenn in diesem Zustand durch den P-seitigen ersten Strompfad 34P ein Wechselstromsignal fließt, dann wird dieses Wechselstromsignal vom Stromumsetzer 21 erfasst, und von der Verstärkerschaltung 22 verstärkt. Und wenn dieses Wechselstromsignal Lichtbogenrauschen enthält, dann wird dieses Lichtbogenrauschen vom Filter 23 entnommen und in den Lichtbogendetektionsabschnitt 24 gegeben (Lichtbogensignaldetektionsschritt). Der Lichtbogendetektionsabschnitt 24 überwacht anhand des vom Filter 23 ausgegebenen Signals, ob im Photovoltaiksystem 1 ein Lichtbogen (Lichtbogenrauschen) vorliegt oder nicht (S12, Lichtbogendetektionsschritt).
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Wenn hierbei der Lichtbogendetektionsabschnitt 24 ein Lichtbogenrauschen detektiert und feststellt, dass ein Lichtbogen vorliegt (S13), dann schaltet der Steuerungsabschnitt 26, wie in 3 dargestellt, das zweite Relais 42 ein (S14). Hierdurch wird eine Kurzschlussschaltung (Pfad des Stroms I) vom positiven Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 über den positiven Eingangsanschluss 31P, das P-seitige dritte Relais 43 P, das P-seitige erste Relais 41P, das zweite Relais 42, das N-seitige erste Relais 41N, das N-seitige dritte Relais 43N und den N-seitigen Eingangsanschluss 31N zum negativen Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 gebildet. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems 1 wenn das Auftreten eines Lichtbogens erkannt wurde (Lichtbogenidentifizierungszustand) zeigt.
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Als nächstes beurteilt der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25, ob das Lichtbogenrauschen durch Einschalten des zweiten Relais 42 abgenommen hat oder nicht (S15). Wenn das Ergebnis dieser Beurteilung ist, dass das Lichtrauschen abgenommen hat, dann wird der Lichtbogen als paralleler Lichtbogen identifiziert (S16, Lichtbogenidentifikationsschritt). Um zuverlässig zu erkennen, ob es ein paralleler Lichtbogen ist oder nicht, können die Schritte S14 und S15 auch mehrfach durchgeführt werden.
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Falls der Lichtbogen mit dem Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 als paralleler Lichtbogen identifiziert wurde, dann schaltet der Steuerungsabschnitt 26, wie in 4 gezeigt, das P-seitige dritte Relais 43P und das N-seitige dritte Relais 43N ein (S17, Unterbindung eines parallelen Lichtbogens). Hierdurch wird wie in 4 gezeigt eine Kurzschlussschaltung (Pfad des Stroms I) vom positiven Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 über den positiven Eingangsanschluss 31P, den dritten Strompfad 36 (P-seitiges drittes Relais 43P und N-seitiges drittes Relais 43N) und den N-seitigen Eingangsanschluss 31N zum negativen Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 gebildet. 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems 1 zeigt, wenn der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen ist. Wie oben erläutert wird der parallele Lichtbogen gelöscht, indem der positive Anschluss und der negative Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 kurzgeschlossen werden.
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Danach schaltet der Steuerungsabschnitt 26, wie in 5 gezeigt, das P-seitige erste Relais 41P und das N-seitige erste Relais 41N sowie das zweite Relais 42 aus (in den offenen Zustand), wodurch das Photovoltaiksystem 1 angehalten wird (S18). 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems 1 nach dem Anhalten zeigt, wenn ein paralleler Lichtbogen aufgetreten ist. In diesem Fall werden der positive Anschluss und der negative Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 im kurzgeschlossenen Zustand gehalten, und die P-seitigen und N-seitigen ersten Strompfade 34P und 34N zwischen dem Photovoltaikmodul 11 und dem PCS 13 werden geöffnet. Da der positive Anschluss und der negative Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 kurzgeschlossen bleiben, wird der Zustand des Löschens des parallelen Lichtbogens gehalten.
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Wenn dagegen das Ergebnis der Beurteilung durch den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 in S15 ist, dass sich das Lichtbogenrauschen nicht verringert, oder dass es zunimmt, dann wird der Lichtbogen als serieller Lichtbogen identifiziert (S19, Lichtbogenidentifizierungsschritt).
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Wenn der Lichtbogen durch den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 als serieller Lichtbogen identifiziert wird, dann schaltet der Steuerungsabschnitt 26, wie in 6 dargestellt, vom Zustand in 3 das P-seitige erste Relais 41P und das N-seitige erste Relais 41N aus (in den geöffneten Zustand) (Unterbindung eines seriellen Lichtbogens), schaltet das zweite Relais 42 aus (in den geöffneten Zustand) (S20) und hält so das Photovoltaiksystem 1 an. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Zustand des Photovoltaiksystems 1 nach dem Anhalten zeigt, wenn ein serieller Lichtbogen aufgetreten ist. In diesem Fall sind die P-seitigen und N-seitigen ersten Strompfade 34P, 34N zwischen dem Photovoltaikmodul 11 und dem PCS 13 geöffnet. Es besteht kein geschlossener Strompfad zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des Photovoltaikmoduls 11.
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Falls, wie oben beschrieben, im Betrieb des Photovoltaiksystem 1 gemäß dieser Ausführungsform (in einem Zustand in dem der von dem Photovoltaikmodul 11 erzeugte Strom ausgegeben wird) anhand des vom Stromumsetzer 21 erfasste Wechselstromsignal (Lichtbogenrauschen) das Auftreten eines Lichtbogens erkannt wurde, dann nimmt das Photovoltaiksystem 1 dieser Ausführungsform zunächst an, dass der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen ist, schaltet das zweite Relais 42, das als Relais zur Identifizierung der Art des Lichtbogens dient, ein, und beurteilt dann, ob das Lichtbogenrauschen abnimmt oder nicht. Falls das Ergebnis dieser Beurteilung ist, dass das Lichtbogenrauschen abnimmt, dann wird der Lichtbogen als paralleler Lichtbogen identifiziert. Falls dagegen das Lichtbogenrauschen nicht abnimmt oder sogar zunimmt, dann wird der Lichtbogen als serieller Lichtbogen identifiziert, die P-seitigen und N-seitigen ersten Relais 41P, 41N werden ausgeschaltet und die P-seitigen und N-seitigen ersten Strompfade 34P, 34N von dem Photovoltaikmodul 11 werden unterbrochen.
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Folglich kann die Identifizierung, ob der Lichtbogen ein serieller oder ein paralleler Lichtbogen ist, mit einer einfachen Anordnung durchgeführt werden. Ferner sind in der Relaisschaltung 12 von dem Photovoltaikmodul 11 zum PCS 13 kein leicht defektes bzw. leicht Wechselstromsignale (Lichtbogenrauschen) abschwächendes Element, wie z.B. ein Kondensator, notwendig, so dass anhand des erfassten Signals leicht und zuverlässig erkannt werden kann, dass ein Lichtbogen vorliegt und genau beurteilt werden kann, ob es sich dabei um einen seriellen oder einen parallelen Lichtbogen handelt.
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Zum Identifizieren der Art des Lichtbogens wird zunächst das zweite Relais 42, das als Relais zur Identifizierung des Lichtbogens dient, eingeschaltet, und der positive Anschluss und der negative Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 werden durch den zweiten Strompfad 35 kurzgeschlossen. Falls in diesem Zustand der Lichtbogen als serieller Lichtbogen identifiziert wird, dann werden die P-seitigen und N-seitigen dritten Relais 43P, 43N, die zum Löschen von parallelen Lichtbögen dienen, eingeschaltet, und der positive Anschluss und der negative Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 werden mit dem dritten Strompfad 36 kurzgeschlossen.
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Falls dabei der Lichtbogen ein paralleler Lichtbogen ist, dann nimmt der Lichtbogen durch das Einschalten des zweiten Relais 42 ab. Folglich kann das Einschalten der P-seitigen und N-seitigen dritten Relais 43P und 43N einfach durchgeführt werden, nachdem der Lichtbogen durch den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 als paralleler Lichtbogen identifiziert wurde bzw. nachdem der Lichtbogen durch den Lichtbogenidentifizierungsabschnitt 25 als paralleler Lichtbogen identifiziert wurde und festgestellt wurde, dass das Lichtbogensignal (der parallele Lichtbogen) abgenommen hat. Somit können für die P-seitigen und N-seitigen dritten Relais 43P und 43N kleine und günstige Relais mit geringen Anforderungen an die Durchschlagspannung verwendet werden.
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Da die P-seitigen und N-seitigen dritten Relais 43P und 43N, die mit dem dritten Strompfad 36 den positiven Anschluss und den negativen Anschluss des Photovoltaikmoduls 11 kurz schließen, Kipprelais sind, kann der kurzgeschlossene Zustand des positiven und negativen Anschlusses des Photovoltaikmoduls 11 aufrecht erhalten werden, selbst wenn die Stromquelle zum Schalten der P-seitigen und N-seitigen dritten Relais 43P und 43N einem Defekt oder Fehler oder dergl. unterliegt. Somit kann die Zuverlässigkeit der Funktionalität zum Löschen von parallelen Lichtbögen noch weiter erhöht werden.
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Ferner sind in dem Photovoltaiksystem 1 im dritten Strompfad 36 das P-seitige dritte Relais 43P und das N-seitige dritte Relais 43N vorgesehen, im P-seitigen ersten Strompfad 34P sind das P-seitige erste Relais 41P und das P-seitige vierte Relais 44P vorgesehen, und im N-seitigen ersten Strompfad 34N sind das N-seitige erste Relais 41N und das N-seitige vierte Relais 44N vorgesehen. Folglich können die erforderlichen Durchschlagspannungen der einzelnen Relais niedrig gehalten werden. Allerdings gibt es keine Beschränkung hierauf, und es ist auch möglich, dass im dritten Strompfad 36 nur ein Relais vorgesehen ist, und dass im P-seitigen ersten Strompfad 34P und im N-seitigen ersten Strompfad 34N jeweils nur ein Relais vorgesehen ist. Das heißt, es ist auch eine Anordnung möglich, in nur der das P-seitige dritte Relais 43P im dritten Strompfad 36 vorgesehen ist, und das P-seitige erste Relais 41P und das P-seitige vierte Relais 44P im P-seitigen ersten Strompfad 34P vorgesehen sind, und es ist auch eine Anordnung möglich, in der nur das N-seitige dritte Relais 43N im dritten Strompfad 36 vorgesehen ist, und das N-seitige erste Relais 41N und das N-seitige vierte Relais 44N im N-seitigen ersten Strompfad 34N vorgesehen sind.
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Im Photovoltaiksystem 1 mit der oben beschriebenen Anordnung werden die positive und die negative Elektrode des Photovoltaikmoduls 11 kurzgeschlossen wenn ein Lichtbogen als paralleler Lichtbogen oder serieller Lichtbogen identifiziert wird und wenn der parallele Lichtbogen gelöscht wird, und diese Anordnung ist im Prinzip auch auf andere Systeme als Photovoltaiksysteme anwendbar. Allerdings kann diese Anordnung aus den folgenden zwei Gründen nur auf Photovoltaiksysteme angewendet werden.
- (1) Wenn bei gewöhnlichen Stromversorgungssystemen oder Generatoren außer Photovoltaiksystemen die positive und die negative Elektrode kurzgeschlossen werden, dann entsteht ein gigantischer Stromstoß von mehreren tausend oder zehntausend Ampere. Daher werden auch im Falle von parallelen Lichtbögen die positive und die negative Elektrode nicht kurz geschlossen. Es sollte beachtet werden, dass im Falle von Photovoltaikmodulen, der Stromstoß bei kurzgeschlossener positiver und negativer Elektrode pro Paneel etwa 10 Ampere beträgt.
- 2) In Stromversorgungssystemen außer Photovoltaiksystemen gibt es verschiedene Wege um die Energie zu unterbrechen, so dass es nicht notwendig ist, die oben beschriebene Anordnung des Photovoltaiksystems 1 zu verwenden. Beispiele für solche verschiedenen Wege sind im Falle von Batterien z.B. die Verwendung spezieller Unterbrecher-Relais, und bei Generatoren das Unterbrechen einer Kupplung oder dergleichen. Dagegen wird bei Photovoltaiksystemen Strom erzeugt solange die Sonne darauf scheint, so dass die Wege zur Unterbrechung von parallelen Lichtbögen begrenzt sind.
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Zusammenfassung
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Eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem weist Folgendes auf:
- ein erstes Relais, das in einem ersten Strompfad vorgesehen ist, der den von einem Photovoltaikmodul erzeugten Strom ausgibt, und das diesen ersten Strompfad öffnet und schließt;
- ein zweites Relais, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen hinter dem ersten Relais in einem zweiten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen zweiten Strompfad öffnet und schließt;
- ein drittes Relais, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen vor dem ersten Relais in einem dritten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen dritten Strompfad öffnet und schließt;
- einen Lichtbogensignalerfassungsabschnitt zum Erfassen eines das Auftreten eines Lichtbogens anzeigendes Lichtbogensignals am ersten Strompfad;
- einen Lichtbogendetektionsabschnitt zum Detektieren des Vorliegens eines Lichtbogens anhand des Lichtbogensignals in einem Lichtbogendetektionszustand, in welchem das erste Relais geschlossen ist und das zweite und das dritte Relais geöffnet sind;
- einen Lichtbogenidentifizierungsabschnitt zum Beurteilen, ob der Lichtbogen ein paralleler oder ein serieller Lichtbogen ist, und zwar anhand des Lichtbogensignals in einem Lichtbogenidentifizierungszustand, in welchem das erste und das zweite Relais geschlossen sind und das dritte Relais geöffnet ist; und
- einen Steuerungsabschnitt, der das erste und das dritte Relais in den Lichtbogenidentifizierungszustand setzt falls der Lichtbogendetektionsabschnitt das Auftreten eines Lichtbogens erkennt, der das erste Relais vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus öffnet, falls der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt den Lichtbogen als seriellen Lichtbogen beurteilt, und der das dritte Relais vom Lichtbogen Lichtbogenidentifizierungszustand aus öffnet, falls der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt den Lichtbogen als parallelen Lichtbogen beurteilt.
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Mit der obigen Anordnung ist das Photovoltaiksystem in einem regulären Zustand ohne Auftreten eines Lichtbogens in einem Lichtbogendetektionszustand, in dem das erste Relais geschlossen und das zweite und das dritte Relais geöffnet sind. In diesem Lichtbogendetektionszustand beurteilt der Lichtbogendetektionsabschnitt anhand des vom Lichtbogensignalerfassungsabschnitt erfassten Lichtbogensignals, ob ein Lichtbogen vorliegt oder nicht. Wenn beurteilt wird, dass ein Lichtbogen vorliegt, dann versetzt der Steuerungsbaschnitt das erste und das zweite Relais in den geschlossenen Zustand und das dritte Relais in den geöffneten Zustand.
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Als nächstes beurteilt der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt im Lichtbogenidentifizierungszustand anhand des Lichtbogensignals, ob der Lichtbogen ein serieller oder ein paralleler Lichtbogen ist. Wenn das Ergebnis dieser Beurteilung ist, dass der Lichtbogen eine serieller Lichtbogen ist, dann versetzt der Steuerungsabschnitt das erste Relais in den geöffneten Zustand. Somit kann der serielle Lichtbogen gelöscht werden.
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Wenn dagegen das Ergebnis dieser Beurteilung ist, dass der Lichtbogen eine paralleler Lichtbogen ist, dann wird der Lichtbogen verringert, indem das erste Relais und das zweite Relais in den geöffneten Zustand versetzt werden. Dabei versetzt der Steuerungsabschnitt das dritte Relais in den geschlossenen Zustand. Somit kann der parallele Lichtbogen gelöscht werden.
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Folglich kann mit der obigen Anordnung die Beurteilung, ob der Lichtbogen ein serieller oder ein paralleler Lichtbogen ist, mit einer einfachen Anordnung erfolgen. Ferner ist im ersten Strompfad und im zweiten Strompfad kein Element vorgesehen, bei welchen sich das Lichtbogensignal, welches ein Wechselstromsignal ist, leicht abschwächt oder welches leicht defekt ist, wie das z.B. bei einem Kondensator der Fall ist, so dass anhand des Lichtbogensignals die Beurteilung, dass ein Lichtbogen vorliegt ebenso wie die Identifizierung des Lichtbogens als paralleler Lichtbogen oder serieller Lichtbogen präzise durchgeführt werden kann und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden kann.
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Falls ein paralleler Lichtbogen auftritt, dann wird das dritte Relais geschlossen und die positiven und negativen Ausgänge des Photovoltaikmoduls werden mit dem dritten Strompfad kurzgeschlossen, wobei das Schließen des dritten Relais in einem Zustand erfolgen kann, in dem das Lichtbogensignal verringert wurde, also in einem Zustand, in dem der parallele Lichtbogen verringert wurde. Folglich kann für das dritte Relais ein kompaktes und kostengünstiges Relais verwendet werden, bei dem die erforderliche Durchschlagspannung gering ist.
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In der obigen Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem kann vorgesehen sein, dass der Steuerungsabschnitt das dritte Relais vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus schließt, falls der Lichtbogenidentifizierungsabschnitt den Lichtbogen als parallelen Lichtbogen identifiziert und der Lichtbogendetektionsabschnitt erkennt, dass das Lichtbogensignal abnimmt.
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Mit dieser Anordnung wird, nachdem der Lichtbogen als serieller Lichtbogen beurteilt wurde, das Umschalten des dritten Relais vom Lichtbogenidentifizierungszustand in den geschlossenen Zustand in einem Zustand durchgeführt, in dem das Lichtbogensignal abgenommen hat, also in einem Zustand, in dem der serielle Lichtbogen abgenommen hat.
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Somit kann die für das dritte Relais geforderte Durchschlagspannung zuverlässig verringert werden.
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In der obigen Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem kann vorgesehen sein, dass das dritte Relais ein Kipprelais ist.
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Mit dieser Anordnung wird das Umschalten des dritten Relais in den geschlossenen Zustand in einem Zustand durchgeführt, in dem das Lichtbogensignal abgenommen hat, also in einem Zustand, in dem der serielle Lichtbogen abgenommen hat, so dass für das dritte Relais allgemein ein Kipprelais mit niedriger Durchschlagspannung verwendet werden kann.
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Ferner können durch Verwendung eines Kipprelais für das dritte Relais, welches die positiven und negativen Anschlüsse des Photovoltaikmoduls kurzschließt, die positiven und negativen Ausgänge des Photovoltaikmoduls im kurzgeschlossenen Zustand gehalten werden, selbst wenn die Stromquelle zum Schalten des dritten Relais einem Defekt oder Fehler oder dergl. unterliegt. Und da das Kurzschließen der positiven und negativen Anschlüsse des Photovoltaikmoduls mit einem Kipprelais erfolgt, kann das Schalten in diesen Zustand schnell erfolgen. Somit kann die Zuverlässigkeit der Funktion zum Löschen von parallelen Lichtbögen noch weiter gesteigert werden.
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In der obigen Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem kann vorgesehen sein, dass das dritte Relais von dem ersten bis dritten Relais am nächsten zum Photovoltaikmodul vorgesehen ist, das erste Relais hinter dem dritten Relais vorgesehen ist, und das zweite Relais hinter dem ersten Relais vorgesehen ist.
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Mit dieser Anordnung kann jedes Relais optimal angeordnet werden. Wenn zum Beispiel ein serieller Lichtbogen auftritt, dann können, unabhängig vom Zustand des ersten Relais, die positiven und negativen Anschlüsse des Photovoltaikmoduls mit dem dritten Relais kurzgeschlossen werden. Ferner kann bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens der erste Strompfad, durch den der Strom des Photovoltaikmoduls ausgegeben wird, zuverlässig unterbrochen werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schutz eines Photovoltaiksystems weist Folgendes auf:
- einen Lichtbogensignalerfassungsschritt, in welchem an einem ersten Strompfad, der den von einem Photovoltaikmodul erzeugten Strom ausgibt, ein Lichtbogensignal erfasst wird, das das Auftreten eines Lichtbogens anzeigt;
- einen Lichtbogendetektionsschritt, in welchem das Auftreten eines Lichtbogens anhand des Lichtbogensignals erkannt wird, und zwar in einem Lichtbogendetektionszustand, in welchem
- ein erstes Relais geschlossen ist, das den ersten Strompfad öffnet und schließt,
- ein zweites Relais geöffnet ist, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen hinter dem ersten Relais in einem zweiten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen zweiten Strompfad öffnet und schließt, und
- ein drittes Relais geöffnet ist, das von dem Photovoltaikmodul aus gesehen vor dem ersten Relais in einem dritten Strompfad vorgesehen ist, der einen positiven und einen negative Ausgang des Photovoltaikmoduls kurzschließt, und das diesen dritten Strompfad öffnet und schließt;
- einen Lichtbogenidentifizierungschritt, in welchem beurteilt wird, ob der Lichtbogen ein paralleler oder ein serieller Lichtbogen ist, und zwar anhand des Lichtbogensignals in einem Lichtbogenidentifizierungszustand, in welchem das erste und das zweite Relais geschlossen sind und das dritte Relais geöffnet ist; und
- Schritt zur Unterbindung eines seriellenLichtbogens, in welchem, falls im Lichtbogenidentifizierungschritt ein serieller Lichtbogen erkannt wird, vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus das erste Relais geöffnet wird; und
- Schritt zur Unterbindung eines parallelen Lichtbogens, in welchem, falls im Lichtbogenidentifizierungschritt ein parallelen Lichtbogen erkannt wird, vom Lichtbogenidentifizierungszustand aus das dritte Relais geschlossen wird.
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Mit dieser Anordnung können dieselben vorteilhaften Effekte wie mit der oben beschriebenen Schutzvorrichtung für ein Photovoltaiksystem erzielt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der Patentansprüche variiert werden. Die in den Ausführungsformen offenbarten technischen Mittel können in geeigneter Weise kombiniert werden und auch die somit erhaltenen Ausführungsformen sind vom technischen Umfang der Erfindung umfasst.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung kann in geeigneter Weise als Schutzvorrichtung für ein ein Photovoltaikmodul verwendendes Stromerzeugungssystem verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photovoltaiksystem
- 5
- Schutzvorrichtung
- 11
- Photovoltaikmodul
- 12
- Relaisschaltung
- 13
- Power-Conditioner-System
- 14
- Relaisplatine
- 21
- Stromumsetzer (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt)
- 22
- Verstärkerschaltung (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt)
- 23
- Filter (Lichtbogensignalerfassungsabschnitt)
- 24
- Lichtbogendetektionsabschnitt
- 25
- Lichtbogenidentifizierungsabschnitt
- 26
- Steuerungsabschnitt
- 34P
- P-seitiger erster Strompfad
- 34N
- N-seitiger erster Strompfad
- 35
- zweiter Strompfad
- 36
- dritter Strompfad
- 41P
- P-seitiges erstes Relais
- 41N
- N-seitiges erstes Relais
- 42
- zweites Relais
- 43P
- P-seitiges drittes Relais
- 43N
- N-seitiges drittes Relais
- 44P
- P-seitiges viertes Relais
- 44N
- N-seitiges viertes Relais
