WO2011017721A1

WO2011017721A1 - Verfahren zur lichtbogendetektion in photovoltaikanlagen und eine solche photovoltaikanlage

Info

Publication number: WO2011017721A1
Application number: PCT/AT2010/000194
Authority: WO
Inventors: Andreas Pamer; Günter RITZBERGER; Friedrich Oberzaucher
Original assignee: Fronius International Gmbh
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-02-17
Also published as: AU2010282204A1; EP2464986B1; JP5393891B2; KR20120066636A; BR112012003368A2; CN102472789B; EP2464986A1; KR101354643B1; AU2010282204B2; BR112012003368B1; IN2012DN01351A; CN102472789A; AT509251A1; JP2013502054A; US8576520B2; US20120134058A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad einer Photovoltaikanlage, wobei Werte eines Stroms (I_DC) des Gleichstrompfads während eines sich wiederholenden Zeitfensters (7) erfasst und ein Mittelwert (8) gebildet wird, sowie eine solche Photovoltaikanlage. Zur sicheren Detektion von Lichtbögen mit einer Komponente der Photovoltaikanlage werden während der Zeitfenster (7) Werte einer Spannung (U_DC) des Gleichstrompfades erfasst und wird ein Mittelwert (8, 8') gebildet, und basierend auf den Mittelwerten (8, 8') für den Strom (I_DC) und die Spannung (U_DC) über ein Berechnungsverfahren zumindest ein Detektionssignal (9) und zumindest eine Detektionsschwelle (10) kontinuierlich berechnet.

Description

Verfahren zur Lichtboqendetektion in Photovoltaikanlagen und eine solche Photovoltaikanlaqe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad einer Photovoltaikanlage, wobei Werte eines Stroms des Gleichstrompfads während eines sich wiederholenden Zeitfensters erfasst und ein Mittelwert gebildet wird.

Ebenso betrifft die Erfindung eine Photovoltaikanlage mit Komponenten zum Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz, mit einem DC- DC-Wandler und einem DC-AC-Wandler zur Umwandlung der von zumindest einer Solarzelle erzeugten Gleichspannung mit zugehörigem Gleichstrom in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz, und einer Steuereinrichtung.

Gleichstromlichtbögen, wie Serienlichtbögen oder Parallellichtbögen, führen in Photovoltaikanlagen oft zu gefährlichen und teuren Bränden, weil sich das umliegende Material in kürzester Zeit entzündet. Da Gleichstromlichtbögen keinen Nulldurchgang besitzen, erlöschen diese nicht selbstständig. Daher ist eine Detektion von Lichtbögen erforderlich.

Aus der WO 95/25374 Al ist ein Detektionsverfahren für Serien- und Parallellichtbögen bekannt. Hierbei wird die Detektionsein- heit mit den Gleichstromhauptleitungen der Photovoltaikanlage verbunden, damit Spannungsänderungen und somit Lichtbögen detek- tiert werden können. Die Detektionseinheit ist dabei analog aufgebaut und umfasst insbesondere zwei induktiv gekoppelte

Schwingkreise, zwei Komparatoren und eine Verzögerungsstufe, so- dass ein DC-Trenner in der Gleichstromhauptleitung aktiviert und deaktiviert werden kann. Nachteilig ist hierbei, dass zusätzliche Hardwarekomponenten für das Detektionsverfahren in die Photovoltaikanlage integriert werden müssen, wodurch zusätzliche Kosten entstehen. Ebenso ist von Nachteil, dass im Wesentlichen keine nachträglichen Änderungen bzw. Anpassungen von Parametern des Detektionsverfahrens möglich sind.

Ein weiteres Detektionsverfahren für Serien- und Parallellicht- bögen ist aus der EP 1 796 238 A2 bekannt, welches mit einem Softwaremodul durchgeführt wird. Zur Detektion eines Serienlichtbogens wird in Zeitfenstern des Stromverlaufs der arithmetische Mittelwert gebildet. Überschreitet die Differenz der Mittelwerte während zweier aufeinanderfolgender Zeitfenster einen Schwellwert, wird ein Zähler erhöht. Bleibt die Differenz unter dem Schwellwert, wird der Zähler verringert. Ein Serienlichtbogen wird dann detektiert, wenn der Zählerstand einen gewissen Wert überschreitet. Zur Detektion eines

Parallellichtbogens wird in einem Zeitfenster ein Maximum und ein Minimum des Stromverlaufs bestimmt und die Differenz davon berechnet. Ist die Differenz größer als ein bestimmter Schwellwert, wird ein weiterer Zähler erhöht. Bleibt die Differenz unter dem Schwellwert, wird dieser Zähler verringert. Ein

Parallellichtbogen wird dann detektiert, wenn der Zählerstand einen gewissen Wert überschreitet. Nachteilig ist hierbei, dass lediglich der Stromverlauf berücksichtigt wird. Ebenso wird erst nach mehreren Stromänderungen ein Lichtbogen detektiert, sodass bereits ein Schaden entstehen kann. Auch ist nachteilig, dass unterschiedliche Detektionsverfahren für Serienlichtbögen und Parallellichtbögen eingesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein oben genanntes Verfahren und eine oben genannte Photovoltaikanlage zu schaffen, mit der die Sicherheit der Photovoltaikanlagen mit einer Komponente der Photovoltaikanlage überwacht werden kann. Nachteile bekannter Systeme sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch gelöst, dass während der Zeitfenster Werte einer Spannung des Gleichstrompfads erfasst und ein Mittelwert gebildet wird, und dass basierend auf den Mittelwerten für den Strom und die Spannung über ein Berechnungsverfahren zumindest ein Detektions- signal und zumindest eine Detektionsschwelle kontinuierlich berechnet wird.

Ebenso wird die Aufgabe der Erfindung durch eine oben genannte Photovoltaikanlage gelöst, bei der eine Messeinrichtung zur Messung der Gleichspannung und des Gleichstromes vorgesehen ist, und dass die Steuereinrichtung zur Durchführungdes oben genannten Detektionsverfahrens ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist hierzu und zu den weiteren Ansprüchen, dass die Detektion immer im Verhältnis zur Ausgangsleistung des Wechselrichters durchgeführt wird, da Strom und Spannung erfasst werden. Dadurch kann das Detektionsverfahren zwischen Lichtbögen und Einstrahlungsänderungen unterscheiden. Somit werden auch Lichtbögen mit kleineren Leistungen erkannt, wodurch eine Früherkennung der Lichtbögen erfolgt. Von Vorteil ist auch, dass die Empfindlichkeit des Verfahrens über Korrekturfaktoren einstellbar ist und mit einer Komponente der Photovoltaikanlage, beispielsweise mit der Steuereinrichtung des Wechselrichters, durchführbar ist. Somit kann das in vorteilhafter Weise digital ausgebildete Verfahren durch ein Softwareupdate implementiert werden. Daher wird auch eine einfache Umrüstung bzw. Integration in zumindest eine bestehende Komponente der Photovoltaikanlage erreicht. Vorteilhaft ist des Weiteren, dass das Detektionsver- fahren auch mit einer geringen Abtastrate (bis in den Hundert-Hz-Bereich) durchgeführt werden kann. Dadurch müssen entsprechend weniger Werte verarbeitet werden, sodass vorhandene Ressourcen verwendet bzw. die Bauteilkosten gering gehalten werden können.

Weitere Vorteile können der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen übertragen werden können. Weiters können auch Einzelmerkmale aus dem gezeigten Ausführungsbeispiel bzw. aus den gezeigten Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Photovoltaikanlage;

Fig. 2 schematische zeitliche Verläufe von Strom und Spannung einer Photovoltaikanlage zur Ermittlung der jeweiligen Mittelwerte;

Fig. 3 einen schematischen zeitlichen Verlauf des Mittelwerts und des Langzeitmittelwerts der Spannung bis zum Auftreten eines Lichtbogens sowie das resultierende Detektionssignal;

Fig. 4 einen schematischen zeitlichen Verlauf des Mittelwerts und des Langzeitmittelwerts des Stroms bis zum Auftreten eines Lichtbogens sowie das resultierende Detektionssignal;

Fig. 5 schematisch einen Zeitverlauf während der Detektion eines Serienlichtbogens ;

Fig. 6 schematisch einen Zeitverlauf während der Detektion eines Parallellichtbogens; und

Fig. 7 schematisch die bei einem Lichtbogen resultierenden Arbeitspunkte des Wechselrichters einer Photovoltaikanlage.

Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile des Ausführungsbeispiels mit gleichen Bezugszeichen versehen werden.

Anhand der Fig. 1 bis 7 wird ein Verfahren zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad einer Photovoltaikanlage beschrieben.

Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Wechselrichters 1 einer Photovoltaikanlage zum Einspeisen einer von zumindest einer Solarzelle 2 erzeugten Eingangsgleichspannung U_DC mit zugehörigem Eingangsgleichstrom I_DC in eine Wechselspannung O_hCf welche in ein Wechselspannungsnetz 3 eingespeist wird oder einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. Die Photovoltaikanlage kann neben dem Wechselrichter 1 weitere Komponenten, wie zum Beispiel eine Anschlussbox und/oder Ähnliches (nicht dargestellt) aufweisen. Der Wechselrichter 1 beinhaltet einen DC-D- C-Wandler 4, welcher die Eingangsgleichspannung U_DC in eine für den nachfolgenden DC-AC-Wandler 5 des Wechselrichters 1 geeignete Gleichspannung U_DC' umwandelt. Durch den DC-AC-Wandler 5 und eine entsprechende Steuereinrichtung 6 wird die Gleichspannung U_DC' in die Wechselspannung U_AC umgewandelt. Entsprechend befindet sich zwischen der Solarzelle 2 und dem Wechselrichter 1 (strich- liert dargestellt) der Gleichstrompfad. Dieser fasst im Wesentlichen alle parallel und in Serie geschalteten Solarzellen 2 beispielsweise in einer Anschlussbox zusammen, welche mit dem Wechselrichter 1 verbunden ist. Demzufolge umfasst der Gleichstrompfad mehrere Leitungen und Kontaktstellen, wobei der Übersicht halber nur eine Leitung dargestellt ist.

Die Kontaktstellen können dabei beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Alterung, Installationsmängel und/oder schlechter Verschraubung/Klemmung gelockert werden, und dadurch sogenannte Serienlichtbögen entstehen. Im Gegensatz dazu resultieren Parallellichtbögen hauptsächlich aufgrund von Mängeln bzw. Beschädigungen der Isolation, wenn die Leitungen nebeneinander geführt sind. Die Lichtbögen entstehen während des Betriebs des Wechselrichters 1 aufgrund des im Gleichstrompfad fließenden Stroms I_DC und können zu gefährlichen Bränden führen. Um dies zu verhindern, werden Verfahren zur Detektion solcher Lichtbögen eingesetzt. Dabei werden Werte des Stroms I_DC des Gleichstrompfads während eines sich wiederholenden Zeitfensters 7 erfasst und daraus pro Zeitfenster 7 ein Mittelwert 8, 8' gebildet, wie dies in Fig. 2 ersichtlich ist. Der aktuelle Mittelwert 8, 8' bzw. der Mittelwert 8, 8¹ des letzten Zeitfensters 7 wird dann mit dem Mittelwert 8, 8' des vorhergehenden Zeitfensters 7 verglichen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass während der Zeitfenster 7 Werte der Spannung U_DC und des Stroms I_DC des

Gleichstrompfads erfasst und jeweils ein Mittelwert 8, 8' gebildet wird, und basierend auf den Mittelwerten 8, 8' für Strom I_DC und Spannung U_DC über ein Berechnungsverfahren ein Detektionssi- gnal 9 und eine Detektionsschwelle 10 kontinuierlich berechnet wird. Durch Vergleichen des Detektionssignals 9 mit der Detektionsschwelle 10 wird ein Serien- und/oder Parallellichtbogen erkannt .

Als Grundlage für das Detektionsverfahren dienen die kontinuierlich am Eingang der Komponente der Photovoltaikanlage - wie dem Wechselrichter 1 - mit einer Messeinrichtung erfassten Werte für die Spannung U_DC und den Strom I_DC des Gleichstrompfads. Diese gemessenen Werte werden dem Berechnungsverfahren zur Verfügung ge- stellt, welches beispielsweise mit der Steuereinrichtung 6 des Wechselrichters 1 durchgeführt wird. Grundsätzlich kann die Berechnung für die Spannung U_DC und den Strom I_DC in gleicher Weise durchgeführt werden. Wesentlich für das Detektionsverfahren ist auch, dass eine Änderung der Lichteinstrahlung nicht als Lichtbogen detektiert wird. Ein Lichtbogen verursacht eine einmalige, schnelle Änderung des Stroms I_DC und der Spannung U_DC, wohingegen Änderungen der Einstrahlung im Vergleich dazu langsam und kontinuierlich erfolgen.

Das Detektionsverfahren wird nach einem Startvorgang des Wechselrichters 1 gestartet, wobei die Werte des Detektionsverfah- rens mit dem Startvorgang vorzugsweise rückgesetzt werden. Die Messeinrichtung liefert die kontinuierlich gemessenen Werte, welche vom Berechnungsverfahren in gleich große Zeitfenster 7 unterteilt werden. In jedem Zeitfenster 7 werden die Werte für den Strom I_DC und die Spannung U_DC mit einer Abtastfrequenz er- fasst, wobei die Zeitfenster 7 eine definierte Dauer von beispielsweise 50 ms aufweisen. Nach einem Zeitfenster 7 werden aus den im Zeitfenster 7 erfassten Werten der aktuelle Mittelwert 8 des Stroms I_DC und der aktuelle Mittelwert 8¹ der Spannung U_DC gebildet, wie in den Diagrammen in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die Berechnung der Mittelwerte 8, 8¹ werden sporadische Änderungen entsprechend ausgeglichen. Die Mittelwerte 8, 8' des Stromes I_De und der Spannung U_DC sind innerhalb der Zeitfenster 7 strich- liert eingezeichnet. Der zeitliche Verlauf dieser einzelnen Mittelwerte 8, 8' ist anhand eines Beispiels in den Fig. 3 und 4 dargestellt .

Im nächsten Schritt wird mit dem Berechnungsverfahren jeweils aus den aktuellen Mittelwerten 8, 8' und den Mittelwerten 8, 8¹ des vorhergehenden Zeitfensters 7, also aus zwei aufeinander folgenden Mittelwerten 8, 8', ein Differenzmittelwert berechnet. Somit können schnelle Änderungen zwischen zwei Zeitfenstern 7 erkannt werden.

Auch werden die aktuellen Mittelwerte 8, 8¹ zur Berechnung der jeweiligen aktuellen Langzeitmittelwerte 11 herangezogen, welche kontinuierlich aktualisiert werden. Der Verlauf der Langzeitmittelwerte 11, 11' ist ebenfalls in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Langzeitmittelwerte 11, II¹ werden aus den aktuellen Mittelwerten 8, 8' mittels einer digitalen Tiefpassfilterung berechnet, sodass der Einfluss des aktuellen Mittelwerts 8, 8' auf den aktuellen Langzeitmittelwert 11, II¹ gering ist. Mit geeignet gewählten Zeitkonstanten bzw. Filterkoeffizienten kann damit gewährleistet werden, dass Lichtbögen von Einstrahlungsänderungen unterschieden werden können. Der aktuelle Langzeitmittelwert 11, 11' ändert sich demnach im Vergleich zur schnellen Änderung des Mittelwerts 8, 8' im Wesentlichen nur langsam.

Nach demselben Prinzip werden auch die jeweiligen Langzeitdifferenzmittelwerte durch digitale Tiefpassfilterung mit den gleichen Filterkoeffizienten aus den jeweiligen aktuellen

Differenzmittelwerten berechnet. Entsprechend ist auch hier der Einfluss des jeweiligen Differenzmittelwerts gering. Somit verhält sich der Langzeitdifferenzmittelwert wie ein Verzögerungsglied, sodass sich dieser langsamer als der Differenzmittelwert ändert. Demzufolge dienen die Langzeitdifferenzmittelwerte als Maß für die Einstrahlungsstärke, wodurch Lichtbögen von Einstrahlungsänderungen unterschieden werden können.

Anhand der Differenzmittelwerte, der Langzeitmittelwerte 11, 11' und der Langzeitdifferenzmittelwerte - welche entsprechend auf Basis der Mittelwerte 8, 8' berechnet wurden - kann nun sowohl das Detektionssignal 9 als auch die Detektionsschwelle 10 berechnet werden.

Zur Berechnung des Detektionssignals 9 wird ein Wert aus dem Langzeitdifferenzmittelwert und dem Differenzmittelwert der Spannung U_DC gebildet - welcher einem Detektionssignal 9u für die Spannung U_DC entspricht - und mit einem aus dem Langzeitdifferenzmittelwert und dem Differenzmittelwert des Stroms I_DC gebildeten Wert - welcher einem Detektionssignal 9i für den Strom I_DC entspricht - multipliziert. Dabei sind die Werte jeweils die Differenz zwischen dem Langzeitdifferenzmittelwert und dem Differenzmittelwert, welche zum gleichen Zeitpunkt berechnet wurden. Demnach resultiert eine größere Differenz bei schnellen Änderungen der Spannung U_DC bzw. des Stroms I_DC. Dies deshalb, da sich schnelle Änderungen im Differenzmittelwert viel deutlicher auswirken als im Langzeitdifferenzmittelwert. Auch ist dadurch sichergestellt, dass es sich um kurze, schnelle Änderungen handelt, wie dies beim Zünden eines Lichtbogens der Fall ist. Handelt es sich um Änderungen aufgrund der Einstrahlungsstärke, hat dies gleiche Auswirkungen auf den Langzeitmittelwert 11, 11' und den Mittelwert 8, 8', da solche Änderungen über einen längeren Zeitraum erfolgen, sodass die Differenz im Wesentlichen Null ist.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist eine schnelle Änderung zum Zeitpunkt 12 anhand der Mittelwerte 8, 8' und Langzeitmittelwerte 11, 11' dargestellt, aus welchen die entsprechenden Detektionssignale 9u bzw. 9i resultieren. Entsprechend resultiert bei langsamen Ände^¬ rungen kein Detektionssignal 9u bzw. 9i.

Durch Multiplikation dieser beiden Differenzen bzw. der Detektionssignale 9u und 9i von Strom I_DC und Spannung U_DC wird die Änderung entsprechend verstärkt, sodass ein Lichtbogen schnell erkannt wird. Aus einer derartigen Berechnung resultiert, dass das Detektionssignal 9 im Wesentlichen Null ist, solange keine schnellen Änderungen der Spannung U_DC und des Stroms I_DC zeitgleich auftreten. Das heißt also, dass sich bei langsamen Änderungen der Langzeitdifferenzmittelwert und der

Differenzmittelwert gleich verhalten, sodass deren Differenz und entsprechend das Detektionssignal 9 Null ist. Resultiert allerdings durch einen auftretenden Lichtbogen eine schnelle, zeitgleiche Änderung, ändert sich auch das Detektionssignal 9 deutlich. Somit spiegelt das Detektionssignal 9 im Wesentlichen die Leistungsänderung wieder, welche den Leistungsverlust aufgrund des Lichtbogens beschreibt.

Zur Berechnung der Detektionsschwelle 10 werden hingegen die zum gleichen Zeitpunkt berechneten Langzeitmittelwerte 11 von Strom I_DC und Spannung U_DC multipliziert. Somit entspricht die Detektionsschwelle 10 im Wesentlichen der aktuellen Leistung.

Durch eine derartige Berechnung des Detektionssignals 9 und der Detektionsschwelle 10 sind diese immer an die Ausgangsleistung des Wechselrichters 1 angepasst, da diese kontinuierlich basierend auf der Spannung U_DC und des Stroms I_DC berechnet werden.

Damit in weiterer Folge ein Lichtbogen detektiert werden kann, muss das Detektionssignal 9 die Detektionsschwelle 10 überschreiten, wie zum Zeitpunkt 12 gemäß Fig. 5 und 6 ersichtlich. Um einen Lichtbogen zu detektieren müsste die Leistungsänderung die aktuelle Leistung überschreiten. Da dies nicht möglich ist, wird zumindest zur Berechnung der Detektionsschwelle 10 oder des Detektionssignals 9 ein Korrekturfaktor eingesetzt. Selbstverständlich kann sowohl zur Berechnung der Detektionsschwelle 10 als auch zur Berechnung des Detektionssignals 9 jeweils ein Korrekturfaktor multiplikativ eingesetzt werden. Dabei weist der Korrekturfaktor für das Detektionssignal 9 einen Wert größer Eins und der Korrekturfaktor für die Detektionsschwelle 10 einen Wert kleiner Eins auf. Somit ist gewährleistet, dass auch Lichtbögen mit geringer Leistung - also mit kurzer Lichtbogenlänge - erkannt werden können. Aufgrund dieser Berechnungen wird die Detektionsschwelle 10 an langsame Änderungen des Stroms I_DC und der Spannung U_DC angepasst. Da die Detektionsschwelle 10 der aktuellen Leistung entspricht und die Leistung wiederum von der Einstrahlungsstärke abhängt, ist die Detektionsschwelle 10

automatisch an die aktuellen Gegebenheiten angepasst. Zusätzlich kann durch die jeweiligen Korrekturfaktoren die Empfindlichkeit der Detektion der Lichtbögen angepasst werden, indem der Korrekturfaktor für die Detektionsschwelle 10 und der Korrekturfaktor für das Detektionssignal 9 aufeinander entsprechend abgestimmt werden.

Grundsätzlich wird für einen Serienlichtbogen und einen Parallellichtbogen ein unterschiedlicher Korrekturfaktor zur Berechnung der jeweiligen Detektionsschwelle 10 verwendet, sodass eine Detektionsschwelle 10s für einen Serienlichtbogen und eine Detektionsschwelle 10p für einen Parallellichtbogen resultiert. Zur Detektion eines Lichtbogens wird dabei das gemeinsame Detektionssignal 9 verwendet. Somit kann zum Einen ein gemeinsames Detektionsverfahren für beide Arten von Lichtbögen verwendet werden und zum Anderen auch eine Erkennung der Art des auftretenden Lichtbogens ermöglicht werden. Zurückzuführen ist dies auf ein unterschiedliches Verhalten der Photovoltaikanlage bei einem Serienlichtbogen und bei einem Parallellichtbogen, wodurch der Wechselrichter 1 den Arbeitspunkt AP ändert, wie in Fig. 7 dargestellt. Tritt in der Photovoltaikanlage ein Serienlichtbogen auf, verringert sich die Eingangsgleichspannung U_DC durch den Lichtbogenspannungsabfall, wodurch der Wechselrichter 1 seinen

Arbeitspunkt AP auf einen Arbeitspunkt AP₃ aufgrund des Serienlichtbogens verändert. Dadurch sinkt zwar die Ausgangsleistung, aber der Betrieb des Wechselrichters 1 ist weiterhin möglich. Im Gegensatz zu einer geringfügigen Änderung des Arbeitspunktes AP bei einem Serienlichtbogen ändert sich der Arbeitspunkt AP im Falle eines Parallellichtbogens erheblich. Da der Parallellichtbogen parallel zum Eingang des Wechselrichters 1 mit einer gewissen geringen Lichtbogenspannung brennt und einen gegenüber dem Wechselrichterwiderstand niederohmigen Lichtbogenwiderstand aufweist, fließt nur ein sehr geringer Teil des Stroms I_DC zum Wechselrichter 1. Demzufolge verändert sich der Arbeitspunkt AP gemäß Fig. 7 deutlich, sodass ein Arbeitspunkt AP_P aufgrund des Parallellichtbogens resultiert. Mit einem derartigen Arbeitspunkt AP_p ist ein sinnvoller Betrieb des Wechselrichters 1 nicht mehr möglich.

^■Die Spannungsänderung und Stromänderung ist also bei einem Parallellichtbogen viel größer als bei einem Serienlichtbogen. Demzufolge ist die Detektionsschwelle 10p für einen

Parallellichtbogen auch höher als die Detektionsschwelle 10s für einen Serienlichtbogen. Überschreitet das Detektionssignal 9 die Detektionsschwelle 10s für den Serienlichtbogen und nicht für die Detektionsschwelle 10p für den Parallellichtbogen gemäß Fig. 5, wird ein Serienlichtbogen detektiert. Werden vom Detektionssignal 9 beide Detektionsschwellen 10s und 10p gemäß Fig. 6 überschritten, wird hingegen ein Parallellichtbogen detektiert. Das Detektionssignal 9 wird gemäß dem Berechnungsverfahren bei schnellen Änderungen von Strom und/oder Spannung bzw. des Arbeitspunktes AP gebildet, wobei bei langsamen Änderungen des Arbeitspunktes AP aufgrund von Änderungen der Einstrahlungsstärke im Wesentlichen kein Detektionssignal 9 gebildet wird.

Nachdem mit dem Berechnungsverfahren das Detektionssignal 9 und die Detektionsschwellen 10s und 10p berechnet wurden, werden gemäß dem Detektionsverfahren das Detektionssignal 9 und die Detektionsschwellen 10s/10p miteinander verglichen. Überschreitet dabei das Detektionssignal 9 zumindest eine der Detektions- schwellen 10s/10p, ist ein Lichtbogen aufgetreten. Das heißt, dass entweder ein Serienlichtbogen oder ein Parallellichtbogen detektiert wurde. Eine Unterscheidung der Lichtbogenart ist erforderlich, da nach einer Detektion auch unterschiedliche Maßnahmen erforderlich sind.

Wird das Detektionsverfahren in einer anderen Komponente der Photovoltaikanlage als dem Wechselrichter 1 (wie beschrieben) durchgeführt, erfolgt eine entsprechende Kommunikation dieser anderen Komponente mit dem Wechselrichter 1. Die Kommunikation kann beispielsweise drahtlos oder drahtgebunden erfolgen (eigenes Bussystem, aufmoduliert auf den Gleichstrompfad, usw.) .

Bei Detektion eines Serienlichtbogens wird der Wechselrichter derart in einen sicheren Zustand gebracht, indem im Wesentlichen kein Wechselstrom mehr erzeugt wird. Demnach wird der Stromfluss im Gleichstrompfad unterbrochen und der Lichtbogen erlischt. Wird hingegen ein Parallellichtbogen detektiert, wird der

Gleichstrompfad durch einen Schalter kurzgeschlossen. Dadurch wird die Lichtbogenspannung im Wesentlichen Null, sodass der Lichtbogen erlischt. Als Schalter kann dabei der DC-DC-Wandler 4 verwendet werden oder aber auch ein eigener, zum Wechselrichter 1 parallel geschalteter Schalter.

Das beschriebene Detektionsverfahren kann auch mit einer frequenzselektiven Auswertung (z.B. durch digitale Filter) und/oder mit einer Auswertung im Frequenzbereich (z.B. Fast Fourier

Transformation) kombiniert werden. Dabei wird aufgrund der Höhe der Spektralanteile im Verlauf der Spannung U_DC und/oder des Stroms I_DC ein zusätzliches Detektionssignal 9 und eine zusätzliche Detektionsschwelle 10 erzeugt, welche mit den Ergebnissen des Berechnungsverfahrens entsprechend kombiniert werden können. Somit wird die Zuverlässigkeit weiter erhöht.

Auch kann eine Alarmmeldung generiert werden, welche über das Internet, Mobilfunk oder dergleichen versendet wird.

Wird kein Lichtbogen detektiert, bleibt also das Detektionssignal 9 unter der Detektionsschwelle 10, läuft das Detektionsver- fahren weiter. Im Allgemeinen wird das Detektionsverfahren während des Betriebs des Wechselrichters 1 durchgeführt. Gestartet wird das Detektionsverfahren nach einem Startvorgang des Wechselrichters 1, sodass stabile Werte am Eingang des Wechselrichters 1 zur Verfügung stehen.

In definierten Abständen kann auch ein Testlauf des Detektionsverfahrens durchgeführt werden. Dabei wird die Funktion des Detektionsverfahrens überprüft. Beispielsweise erfolgt dies direkt vom Wechselrichter 1 oder durch ein externes Gerät, wobei dies in einem Ruhezustand der Photovoltaikanlage erfolgt. Der Testlauf erfolgt beispielsweise derart, dass am Eingang des Wechselrichters 1 sich unterschiedlich schnell ändernde Spannungs- und/oder Stromverläufe angelegt werden, welche beispielsweise von einem Impulsgenerator, Signalgenerator oder dergleichen erzeugt werden. Ebenso können diese Spannungs- und/oder Stromverläufe auch durch bestimmte Werte simuliert werden. Diese Werte werden entsprechend dem Detektionsverfahren anstelle der kontinuierlich gemessenen Werte von Strom I_DC und Spannung U_DC verwendet. Die Amplituden dieser Verläufe sind an die Ausgangsleistung des Wechselrichters 1 entsprechend angepasst. Die Verläufe werden mit einer entsprechenden Frequenz verändert, sodass sowohl langsame als auch schnelle Änderungen simuliert werden können. Demnach darf bei geringen Frequenzen der Verläufe kein Lichtbogen detektiert werden - da dies einer Änderung der Einstrahlungsstärke entspricht, wobei bei höheren Frequenzen ein

Lichtbogen detektiert werden sollte. Durch geeignete Wahl der Amplitude kann auch überprüft werden, ob das Detektionsverfahren zwischen Serienlichtbögen und Parallellichtbögen unterscheiden kann.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad einer Photovoltaikanlage, wobei Werte eines Stroms (I_DC) des Gleichstrompfads während eines sich wiederholenden Zeitfensters (7) erfasst und ein Mittelwert (8) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitfenster (7) Werte einer Spannung (U_DC) des Gleichstrompfads erfasst und ein Mittelwert (8') gebildet wird, und dass basierend auf den Mittelwerten

(8, 8¹) für den Strom (I_Dc) und die Spannung (U_DC) über ein Berechnungsverfahren zumindest ein Detektionssignal (9) und zumindest eine Detektionsschwelle (10) kontinuierlich berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des zumindest einen Detektionssignals (9) aus den jeweiligen Mittelwerten (8, 8') Differenzmittelwerte berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des zumindest einen Detektionssignals (9) und der zumindest einen Detektionsschwelle (10) aus den jeweiligen Mittelwerten (8, 8') Langzeitmittelwerte (11, II¹) durch digitale Tiefpassfilterung berechnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des zumindest einen Detektionssignals (9) aus den jeweiligen Differenzmittelwerten Langzeitdifferenzmittelwerte durch digitale Tiefpassfilterung berechnet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Zeitfenster (7) das Detektionssignal (9) und die Detektionsschwelle (10) anhand eines Differenzmittelwerts, eines Langzeitmittelwerts (11, 11') und eines Langzeitdifferenzmittelwerts jeweils des Stroms (I_Dc) und der

Spannung (U_DC) berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert aus dem Langzeitdifferenzmittelwert und dem Differenzmittelwert der Spannung (U_DC) gebildet wird und mit einem aus dem Langzeitdifferenzmittelwert und dem Differenzmit- telwert des Stroms (I_DC) gebildeten Wert zur Bildung des Detekti- onssignals (9) multipliziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Detektionssignals (9) mit einem Korrekturfaktor größer 1 multipliziert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Langzeitmittelwerte (11, 11') des Stroms (I_Dc) und der Spannung (U_DC) zur Bildung der Detektionsschwelle (10) multipliziert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschwelle (10) für die Erkennung eines Serienlichtbogens mit einem Korrekturfaktor kleiner 1 multipliziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschwelle (10) für die Erkennung eines Parallellichtbogens mit einem Korrekturfaktor kleiner 1 multipliziert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtbogen detektiert wird, wenn die Detektionsschwelle (10) vom Detektionssignals (9) überschritten wird, und zwischen einem Serienlichtbogen und einem Parallellichtbogen unterschieden wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Detektion eines Lichtbogens dieser gelöscht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Löschung des Parallellichtbogens der Gleichstrompfad mit einem Schalter kurzgeschlossen wird und zur Löschung des Serienlichtbogens der Stromfluss im Gleichstrompfad unterbrochen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Detektionsverfahrens mit einem Testlauf überprüft wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Detektionsverfahren nach einem Startvorgang der Photovoltaikanlage aktiviert wird.

16. Photovoltaikanlage mit Komponenten zum Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz (3), mit einem DC-DC-Wandler (4) und einem DC-AC-Wandler (5) zur Umwandlung der von zumindest einer Solarzelle (2) erzeugten Gleichspannung (U_DC) mit zugehörigem Gleichstrom (I_Dc) in eine Wechselspannung (U_AC) zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz (3), und einer Steuereinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zur Messung der Gleichspannung (U_DC) und des Gleichstromes (I_Dc) vorgesehen ist, und dass die Steuereinrichtung (6) zur Durchführung des Verfahrens zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad der Photovoltaikanlage gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 ausgebildet ist.