WO2012139678A1 - Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes netz einer photovoltaikanlage - Google Patents

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WO2012139678A1
WO2012139678A1 PCT/EP2012/000433 EP2012000433W WO2012139678A1 WO 2012139678 A1 WO2012139678 A1 WO 2012139678A1 EP 2012000433 W EP2012000433 W EP 2012000433W WO 2012139678 A1 WO2012139678 A1 WO 2012139678A1
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electrical
measuring
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photovoltaic system
monitoring device
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Wolfgang HÖFT
Andreas Senger
Christian Bacht
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Phoenix Contact Gmbh & Co Kg
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a monitoring device for an isolated network of a photovoltaic system.
  • Another advantage of an isolated network is the exhaustion of the full potential difference between the two electrical poles and thus the maximum power of the photovoltaic system.
  • Ground potential lead to false alarm. This is due to a fluctuating earth potential and possibly a weather-dependent coupling impedance of the network to the earth point. Furthermore, there are no "symmetrical"
  • Symmetrical isolation errors are errors that occur at both electrical poles of the
  • the invention is therefore based on the object to provide a monitoring device for photovoltaic systems, which eliminates the problems mentioned or at least reduces and also for large photovoltaic systems offers the possibility of an isolated structure
  • the photovoltaic system has an insulated electrical network with a first and a second electrical pole.
  • an isolated electrical network is usually no pole of the
  • a ground point can be any electrically conductive connection point that is connected to one pole of the photovoltaic system, such as a ground connection of a lightning arrester.
  • these are also connection points of other electrical networks, wherein a connection to another electrical network, such as the household power grid, can also be done indirectly, for example via electrical equipment or leakage currents.
  • an electrical measuring circuit is applied to the photovoltaic system
  • the measuring circuit conductors thus connect one to a first end
  • the short-circuit measuring circuit thus formed accordingly provides an additional device attached to the electrical network of the photovoltaic system to measure and
  • Both electrical measuring circuit conductors are connected at their opposite ends of the poles of the PV system with a reference point, which with the electrical failure of the photovoltaic system a has common reference potential.
  • This can be for example a ground point.
  • a reference point referred to below as the ground point is therefore a fault common to the photovoltaic system and the second ends of the measuring circuit conductors opposite the poles of the PV system are electrically connected
  • a ground fault is the electrical one
  • a first electronic component is connected between one of the measuring circuit conductor and the earth point.
  • the measuring device has in particular two
  • Amount of the parameter accordingly indicates a ground fault of the photovoltaic system.
  • the presence of a ground fault thus becomes non-zero in response to an amount of the electrical characteristic and / or a change in the magnitude of the electrical characteristic of the first
  • Monitoring device is the first component in the
  • the monitoring device has a second component, which is connected in the measuring circuit in the second measuring circuit conductor.
  • the measuring circuit conductors each connect an electrical pole on the other side
  • Such a monitoring device can at a
  • ground fault detect the fault so that the place can be limited to one of the two electrical poles of the photovoltaic system and the fault of the ground fault thus better detectable.
  • the measuring device the electrical characteristic of the first and second component.
  • the measuring device preferably has three channels in order to obtain the magnitude of the electrical parameter at measuring points in front of the first, between the first and the second and behind the second component, in particular by subtraction.
  • Characteristic of the two components are each used a separate circuit for measuring the electrical characteristic and the signal obtained are fed to a comparator circuit. This arrangement is also called a
  • the measuring device has a memory for storing parameters of the components to be measured, in particular the impedance and / or the temperature behavior of the impedance of the component or of the components.
  • the monitoring device preferably further comprises a comparator circuit for comparing the magnitude of the electrical characteristic of the first and the second component.
  • the comparator circuit is in particular an analogue
  • the comparator circuit is a
  • the microcontroller may deviate between the amounts of electrical
  • Microcontroller in case of deviations pass an information signal, so that further measures, e.g. a
  • the electrical parameter is, in particular, the electrical voltage dropping across the first or second component or the electrical current flowing through the first or second component.
  • the electronic components are in particular impedances, such as ohmic resistances.
  • impedances such as ohmic resistances.
  • Photovoltaic system is in particular realized in each case via a chain of series-connected protective impedances.
  • air and creepage distances for both poles of the photovoltaic system are hereby created so that a greater spatial distance is bridged. This is to separate the voltage from ground potential at the
  • a ground fault suitable signal and / or protective measures such as an optical or acoustic signaling or the
  • Photovoltaic system For the monitoring device, the signal and / or protective measures are therefore suitable to avert danger to humans and / or equipment.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Short circuit measuring circuit Fig. 2 An embodiment of the invention with a monitoring device for two electrical
  • Fig. 4 The imple mentation form as Fig. 3 with
  • Fig. 5 The embodiment as shown in FIG. 3 with
  • FIG. 6 The embodiment as shown in FIG. 2 with alternative
  • Figure 1 shows a first embodiment of a form
  • Insulated electrical network 2 of a photovoltaic system 4 according to the invention.
  • the network 2 is connected by means of a first and second electrical pole 8, 10 to a
  • Measuring circuit is by means of a first and second electrical measuring circuit conductor 12, 14 also with the connection terminal 6 and thus with the first and second pole of the
  • Photovoltaic system connected. To avoid high currents through the measuring circuit and high losses through the measuring circuit is in the first and second measuring circuit conductors 12, 14 of the measuring circuit depending on a protective component 13, in particular a
  • the protective impedances are ohmic resistors in the present example.
  • the electrical measuring circuit is connected at the other end to a ground point 20. Between the measuring circuit conductors 12, 14 and the earth point 20, a first component 16 is connected.
  • the first component 16 is in particular also a
  • Impedance e.g. an ohmic resistance, wherein the amount of resistance of the first component 16 does not have to correspond to the amount of resistance of the protective components 13.
  • the amount of resistance of the first component 16 is chosen to be much smaller than that of the protective components 13.
  • the amount of resistance of the first component 16 is less than the magnitude of the protective components 13 by an order of magnitude of 1000.
  • the protective components have an ohmic resistance in the
  • the first component 16 has an ohmic resistance in the range of kQ.
  • the electrical parameter provides the result of whether a fault condition of the network is present. If no or only a very small current flows out of the network or into the network via the first component 16 in the embodiment shown, then there is no ground fault.
  • the measured electrical characteristic here is the voltage drop across the resistor 16 from the voltage on the
  • Electric power can be closed.
  • the voltage at the first component 16 is measured by a respective tap before and after the first component 16 leads to the measuring and / or evaluation device 22.
  • Tapping in front of the first component 16 is referred to as CHI, channel 1, the tap after the first component 16 as CH2, channel 2.
  • the electrical voltage is converted directly by means of an analog-to-digital converter 24 (ADC 24) into a digital signal.
  • ADC 24 analog-to-digital converter 24
  • the further evaluation of the digital signal takes place via a microcontroller 26.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention, which comprises a second component 18 in addition to the first component 16. In doing so, the electrical
  • Characteristics of the first component 16 and the second component 18 are measured and evaluated by the measuring and / or evaluation device 22. Also, the amount of the ohmic resistance of the second component 18 is like the value of the first
  • the first component 16, the second component 18 and the compensating component 15 have
  • Resistors of the first and second components 16, 18 are so far different that the desired precision is not achieved, includes the measuring and / or
  • Evaluation device 22 a compensating calculation or an analog compensation of the resistors.
  • the microcontroller 26 comprises a memory in which the
  • Resistors of the components used are stored.
  • a multiplier for the amount of one of the digital signals obtained can be provided, whereby, in addition, an adaptation of the measuring and / or
  • CHI channel 1
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention in which a chain of protective components 13 is installed in both measuring circuit conductors 12, 14.
  • a chain of Protective components 13 protection and creepage distances are formed for high voltages, since only a part of the total voltage of the isolated electrical network 2 of the photovoltaic system 4 drops at each protection device 13.
  • Stringing together of the protective components 13 is ensured even at high operating voltages, in particular at 1000 V and above, a safe electrical separation of the electrical network 2 from the earth environment of the earth point 20.
  • the homogeneous current flow at Ii, 12 and 13 can be determined via CHI, CH2 and CH3 with the measuring and / or evaluation device. This represents the normal state, which can be monitored by means of the monitoring device shown.
  • Figure 4 shows the embodiment shown in Figure 3 form shown with a dashed line
  • electrical pole 8 of the photovoltaic system 4 represents an asymmetric error, it leads to a change in the flow of current in the monitoring device, as with the current flow S2 and the arrows Ii to 14 is shown symbolically.
  • the current flow is shown in the
  • the result of the measurement for the first potential difference U1 (CH3-CH2) is divided by the result of the second
  • further detection and / or protective measures can be initiated after detection of the error, such as For example, the activation of a warning lamp or a warning sound or the disconnection and / or short-circuiting of the entire electrical network 2 of the photovoltaic system 4 to protect the environment such as people and / or devices.
  • Figure 5 also shows the embodiment form of Figure 3 with another error case.
  • the fault case is a ground fault at the second electrical pole 10 of the photovoltaic system 4 and also represents an asymmetrical fault, which is due to an altered current flow in the
  • Monitoring device can be detected. As shown in Figure 5 with the current flow S3 and the arrows Ii to 14, the current from the second electrical pole 10 via a common reference potential connection (in this example, an undesirable ground connection) to the reference point 20 (in this example, earth point 20) and through the first electrical measuring circuit 12 again in the
  • Photovoltaic system 4 flow.
  • the electrical characteristic of the first component 16 has a different amount than that of the second component 18.
  • the characteristic is the voltage dropping across the resistor 16, from that to the through the resistor 16 flowing electricity is closed.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention.
  • FIG. 6 differs from FIG. 2 by one
  • the diode Vi disconnects the short-circuit measuring circuit from the earth point 20, the supply voltage vcc fed via the resistor R31 a defined voltage to the Equalize threshold voltage of the diode Vi.
  • the analog-to-digital converter 24 is in the illustrated embodiment directly connected to the earth point 20. The shown
  • Embodiment makes the measuring method shown
  • exemplary embodiment is thus only the measurement of positive voltages at the ADC 24 possible, the full voltage range of the ADC 24 is available.
  • an offset for the measurement on the first component 16 is furthermore predefined, so that a measurement is possible there with the circuit shown.
  • the measurement of the second component 18 allows in all embodiments shown forms with the help of a
  • microcontroller 26 Further processing in the microcontroller 26 also a

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Abstract

Eine Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz (2) einer Photovoltaikanlage (4) wird vorgestellt. Die Überwachungseinrichtung umfasst einen Kurzschlussmesskreis mit einem ersten elektrischen Messkreisleiter (12) zur Verbindung eines ersten elektrischen Pols (8) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit einem Bezugspunkt (20) sowie einen zweiten elektrischen Messkreisleiter (14) zur Verbindung eines zweiten elektrischen Pols (10) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein Schutzbauteil (13) mit dem Erdpunkt (20). Sie umfasst ferner ein erstes zwischen einem der Messkreisleiter (12, 14) und dem Bezugspunkt (20) geschaltetes Bauteil (16) sowie eine Messeinrichtung (22) zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16), wobei ein Betrag der Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des Betrags der Kenngröße einen elektrischen Schluss der Photovoltaikanlage (4) mit dem Bezugspunkt (20) aufzeigt.

Description

Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes Netz einer Photovoltaikanlage
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für ein isoliert aufgebautes Netz einer Photovoltaikanlage.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Netze einer Photovoltaikanlage werden bei kleinen und mittleren Netzgrößen häufig aus
Praktikabilitätsgründen isoliert aufgebaut. Dies hat den
Vorteil, dass beispielsweise bei einem Erdschluss von einem der elektrischen Pole lediglich das Potential dieses Poles auf das Erdpotential verschoben wird. Das elektrische Netz ist damit „Einfehlersicher" , da ein einzelner Erdschluss keine bzw. kaum Beeinträchtigungen im Betrieb zeigt.
Ein weiterer Vorteil eines isoliert aufgebauten Netzes ist die Ausschöpfung der vollen Potentialdifferenz zwischen den beiden elektrischen Polen und damit der maximalen Leistung der Photovoltaikanlage.
Bei kleineren und mittleren Anlagen ist ein solcher Aufbau möglich, wenn diese Anlagen von einem äußeren Blitzschutz, beispielsweise dem Hausblitzableiter, geschützt sind. Bei Großanlagen ist der Blitzschutz schwieriger zu realisieren, weshalb diese typischerweise einseitig geerdet sind.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Damit wird aber eine höhere Fehleranfälligkeit in Kauf genommen, da das Netz nicht mehr einfehlersicher aufgebaut ist. Zudem kann es unter Umständen vorkommen, dass auf einen gewissen Teil der erzeugbaren Leistung verzichtet wird. Dies liegt daran, da das Erdpotential regelmäßig höher liegen kann bzw. einen von Null verschiedenen Wert aufweist .
Ein weiterer Grund für die Erdung des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes ist die hohe Betriebsspannung von großen Photovoltaikanlagen, die bis in den Bereich von mehreren 1000 Volt gehen kann, wobei derzeit ein Bereich bis zu 1000 Volt üblich ist. Gewöhnliche Erdschlusswächter werden für
Niederspannungsstromnetze zwischen Netz und einem Erdpunkt verbaut. Bei einer solchen Installation ist nachteilig, dass eine kapazitive Erdung nicht messbar ist. Darüber hinaus kann eine „Falschbewertung" einer
Verlagerungsspannung zwischen Netzankopplung und
Erdpotential zu Fehlalarm führen. Dies hat seine Ursache in einem schwankenden Erdpotential und einer möglicherweise Witterungsabhängigen Ankopplungsimpedanz des Netzes mit dem Erdpunkt. Des Weiteren sind keine „symmetrischen"
Isolationsfehler erkennbar. Symmetrische Isolationsfehler sind Fehler, die an beiden elektrischen Polen des
elektrischen Netzes auftreten. Schließlich werden für solche gewöhnlichen Erdschlusswächter für sensitive
Messungen keine passiven Erdschlusswächter verwendet, sondern es müssen aktive Erdschlusswächter Verwendung finden. Dies ist mit üblicherweise verwendeten Netzwechselrichtern bei Photovoltaikanlagen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Überwachungseinrichtung für Photovoltaikanlagen bereit zu stellen, welche die genannten Probleme beseitigt oder zumindest mindert und auch für große Photovoltaikanlagen die Möglichkeit bietet, ein isoliert aufgebautes
elektrisches Netz mit hohem Sicherheitsstandard zu
verwenden .
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird eine Überwachungseinrichtung
vorgestellt, die in der Lage ist, einen möglichen
Erdschluss von zumindest einem elektrischen Pol der
Photovoltaikanlage zu detektieren.
Die Photovoltaikanlage weist ein isoliert aufgebautes elektrisches Netz mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Pol auf. Bei einem isoliert aufgebauten elektrischen Netz ist normalerweise kein Pol der
Photovoltaikanlage mit einem Erdpunkt verbunden. Eine
Verbindung mit einem Erdpunkt kommt nur zu Stande, wenn ein Fehlerfall, wie ein Kurzschluss eines der elektrischen Pole in Form einer der elektrischen Leitungen innerhalb der Photovoltaikanlage mit einem Erdpunkt, vorliegt. Ein Erdpunkt kann dabei im Fehlerfall jeder elektrisch leitende Verbindungspunkt sein, der mit einem Pol der Photovoltaikanlage verbunden wird, wie beispielsweise eine Erdverbindung eines Blitzableiters. Insbesondere sind dies auch Verbindungspunkte anderer elektrischer Netze, wobei eine Verbindung mit einem anderen elektrischen Netz, beispielsweise dem Haushaltsstromnetz, auch mittelbar beispielsweise über elektrische Geräte oder Kriechströme erfolgen kann.
Zur Überwachung eines Erdschlusses oder ganz allgemein eines elektrischen Fehlerfalls wird erfindungsgemäß ein elektrischer Messkreis an die Photovoltaikanlage
angeschlossen, wobei ein erster elektrischer
Messkreisleiter mit dem ersten elektrischen Pol der
Photovoltaikanlage sowie ein zweiter elektrischer
Messkreisleiter mit dem zweiten elektrischen Pol der
Photovoltaikanlage verbunden wird. Die Messkreisleiter konnektieren also mit einem ersten Ende je einen
elektrischen Pol der Photovoltaikanlage. Die beiden
elektrischen Messkreisleiter bilden einen
Kurzschlussstromkreis des isoliert aufgebauten Netzes der Photovoltaikanlage, wobei zur Begrenzung des von der
Photovoltaikanlage durch die Messkreisleiter fließenden Stromes beide Messkreisleiter bevorzugt hochohmig
ausgeführt sind. Der so gebildete Kurzschlussmesskreis stellt demgemäß eine zusätzlich an das elektrische Netz der Photovoltaikanlage angebaute Einrichtung zu Mess- und
Überwachungszwecken dar. Beide elektrischen Messkreisleiter sind an ihren den Polen der PV-Anlage gegenüberliegenden zweiten Enden mit einem Bezugspunkt verbunden, der mit dem elektrischen Fehlerfall der Photovoltaikanlage ein gemeinsames Bezugspotential aufweist. Dies kann beispielsweise ein Erdpunkt sein.
Ein im Folgenden als Erdpunkt bezeichneter Bezugspunkt ist daher ein den Fehlerfall der Photovoltaikanlage und die den Polen der PV-Anlage gegenüberliegenden zweiten Enden der Messkreisleiter elektrisch verbindendes gemeinsames
Bezugspotential. Ein Erdschluss ist die elektrische
Verbindung an dieses gemeinsame Bezugspotential .
Zwischen einen der Messkreisleiter und den Erdpunkt ist ein erstes elektronisches Bauteil geschaltet. Die
Überwachungseinrichtung umfasst ferner eine Messeinrichtung zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten
Bauteils. Die Messeinrichtung weist insbesondere zwei
Eingangs1eitungen, sog. Kanäle, auf um an Messstellen vor und hinter dem ersten Bauteil insbesondere durch
Differenzbildung den Betrag der elektrischen Kenngröße zu erhalten.
Im dem Fall, dass kein Erdschluss oder Fehlerfall in der Photovoltaikanlage vorliegt, fließt durch das elektronische Bauteil kein oder nur ein geringer Strom an den Erdpunkt oder vom Erdpunkt weg. Ein Betrag der elektrischen
Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des
Betrags der Kenngröße zeigt demgemäß einen Erdschluss der Photovoltaikanlage an. Das Vorliegen eines Erdschlusses wird somit in Ansprechen auf einen Betrag der elektrischen Kenngröße ungleich Null und/oder auf eine Veränderung des Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten
elektronischen Bauteils detektiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Überwachungseinrichtung ist das erste Bauteil in den
Messkreis, und dort in den ersten Messkreisleiter,
geschaltet. Weiterhin weist die Überwachungseinrichtung ein zweites Bauteil auf, welches in den Messkreis in den zweiten Messkreisleiter geschaltet ist. Die beiden
elektrischen Messkreisleiter sind auch in dieser
Ausführungsform der Überwachungseinrichtung mit einem
Erdpunkt verbunden. Die Messkreisleiter konnektieren auf der anderen Seite je einen elektrischen Pol der
Photovoltaikanlage .
Eine solche Überwachungseinrichtung kann bei einem
möglichen Erdschluss die Fehlerstelle derart detektieren, dass der Ort auf einen der beiden elektrischen Pole der Photovoltaikanlage eingrenzbar und die Fehlerstelle des Erdschlusses somit besser detektierbar ist.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform misst die
Messeinrichtung die elektrische Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils. Bevorzugt weist die Messeinrichtung hierfür drei Kanäle auf, um an Messstellen vor dem ersten, zwischen dem ersten und dem zweiten sowie hinter dem zweiten Bauteil insbesondere durch Differenzbildung den Betrag der elektrischen Kenngröße zu erhalten.
Gegebenenfalls kann für die Messung der elektrischen
Kenngröße der beiden Bauteile je eine getrennte Schaltung zur Messung der elektrischen Kenngröße verwendet werden und das erhaltene Signal einer Komparatorschaltung zugeführt werden. Diese Anordnung wird ebenfalls als eine
Messeinrichtung verstanden. Gegebenenfalls weist die Messeinrichtung einen Speicher auf zur Speicherung von Parametern der zu messenden Bauteile, insbesondere der Impedanz und/oder des Temperaturverhaltens der Impedanz des Bauteils bzw. der Bauteile.
Die Überwachungseinrichtung weist ferner vorzugsweise eine Komparatorschaltung auf zum Vergleich des Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils. Die Komparatorschaltung ist insbesondere ein analoger
Komparator. Bevorzugt ist die Komparatorschaltung ein
Analog-Digital-Wandler mit nachgeschaltetem
Mikrocontroller, so dass die Beträge der elektrischen
Kenngrößen in Digitalsignale gewandelt und diese
insbesondere direkt im nachgeschalteten Mikrocontroller verglichen werden. Der Mikrocontroller kann insbesondere Abweichungen zwischen den Beträgen der elektrischen
Kenngrößen der Bauteile berechnen. Bevorzugt kann der
Mikrocontroller bei Abweichungen ein Informationssignal weitergeben, so dass weitere Maßnahmen, z.B. eine
Fehleranzeige oder Schutzmaßnahmen ermöglicht sind.
Die elektrische Kenngröße ist insbesondere die an dem ersten bzw. zweiten Bauteil abfallende elektrische Spannung oder der durch das erste bzw. zweite Bauteil fließende elektrische Strom.
Die elektronischen Bauteile sind insbesondere Impedanzen, wie ohmsche Widerstände. Die hochohmige Verbindung der elektrischen Pole der
Photovoltaikanlage ist insbesondere jeweils über eine Kette aus seriell geschalteten Schutzimpedanzen realisiert. In vorteilhafter Weise werden hiermit Luft- und Kriechstrecken für beide Pole der Photovoltaikanlage geschaffen, so dass eine größere räumliche Distanz überbrückt wird. Dies ist zur Trennung der Spannung vom Erdpotential bei der
Verwendung einer Spannung über 400 V vorteilhaft.
Gegebenenfalls löst die Überwachungseinrichtung in
Ansprechen auf das Detektieren eines Erdschlusses geeignete Signal- und/oder Schutzmaßnahmen aus, wie beispielsweise eine optische oder akustische Signalisierung oder die
Abtrennung des elektrischen Netzes von weiteren
Einrichtungen, wie beispielsweise Wechselrichtern, oder ein Kurzschließen des elektrischen Netzes der
Photovoltaikanlage. Für die Überwachungseinrichtung sind die Signal- und/oder Schutzmaßnahmen demnach geeignet, Gefahr für Mensch und/oder Gerät abzuwenden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 Eine erste Ausführungsform der Erfindung mit
einer Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Messkreisleiter eines
Kurzschlussmesskreises Fig. 2 Eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Überwachungseinrichtung für zwei elektrische
Messkreisleiter
Fig. 3 Eine Ausführungsform der Erfindung mit
Kette von Schutzimpedanzen
Fig. 4 Die Aus führungsform wie Fig. 3 mit
eingezeichnetem Fehlerfall
Fig. 5 Die Ausführungsform wie Fig. 3 mit
eingezeichnetem alternativen Fehlerfall
Fig. 6 Die Ausführungsform wie Fig. 2 mit alternativer
Verbindung zum Erdpunkt
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungs form eines
erfindungsgemäßen isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 einer Photovoltaikanlage 4. Das Netz 2 ist mittels eines ersten und zweiten elektrischen Pols 8, 10 an ein
Anschlussterminal 6 angeschlossen. Ein elektrischer
Messkreis ist mittels einem ersten und zweiten elektrischen Messkreisleiter 12, 14 ebenfalls mit dem Anschlussterminal 6 und somit mit dem ersten bzw. zweiten Pol der
Photovoltaikanlage verbunden. Zur Vermeidung hoher Ströme durch den Messkreis und hoher Verluste über den Messkreis ist in den ersten und zweiten Messkreisleiter 12, 14 des Messkreises je ein Schutzbauteil 13, insbesondere eine
Schutzimpedanz, geschaltet. Die Schutzimpedanzen sind im vorliegenden Beispiel ohmsche Widerstände. Sollen
elektrische Wechselfelder gemessen werden, sind die
Schutzbauteile 13 Kondensatoren.
Der elektrische Messkreis ist am weiteren Ende mit einem Erdpunkt 20 verbunden. Zwischen den Messkreisleitern 12, 14 und dem Erdpunkt 20 ist ein erstes Bauteil 16 geschaltet. Das erste Bauteil 16 ist insbesondere ebenfalls eine
Impedanz, z.B. ein ohmscher Widerstand, wobei der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 nicht dem Betrag des Widerstands der Schutzbauteile 13 entsprechen muss .
Um den Spannungsabfall an dem ersten Bauteil 16 im
Vergleich zu den Schutzbauteilen 13 niedrig zu halten, wird der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 deutlich kleiner als derjenige der Schutzbauteile 13 gewählt.
Insbesondere ist der Betrag des Widerstands des ersten Bauteils 16 um eine Größenordnung von 1000 kleiner als der Betrag der Schutzbauteile 13. In den gezeigten Beispielen haben die Schutzbauteile einen ohmschen Widerstand im
Bereich von ΜΩ, das erste Bauteil 16 hat einen ohmschen Widerstand im Bereich von kQ.
Ist das isoliert aufgebaute elektrische Netz 2 fehlerfrei, also insbesondere ohne eine falsche, d.h. unerwünschte, Erdverbindung, entsteht zwischen dem Anschlussterminal 6 über den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 und den zweiten elektrischen Messkreisleiter 14 ein geschlossener Stromkreis, wobei die Schutzbauteile 13 so gewählt sind, dass die dort herrschende Stromstärke sehr klein ist.
Bei einer Messung der elektrischen Kenngröße am ersten Bauteil 16 mittels der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 liefert die elektrische Kenngröße das Resultat, ob ein Fehlerzustand des Netzes vorliegt. Fließt über das erste Bauteil 16 in der gezeigten Ausführungsform kein oder nur ein sehr geringer Strom aus dem Netz ab bzw. in das Netz hinein, so liegt kein Erdschluss vor. Die gemessene elektrische Kenngröße ist hier die an dem Widerstand 16 abfallende elektrische Spannung aus der auf den
elektrischen Strom geschlossen werden kann. Bevorzugt wird die Spannung am ersten Bauteil 16 gemessen, indem je ein Abgriff vor und nach dem ersten Bauteil 16 zu der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 führt. Der
Abgriff vor dem ersten Bauteil 16 wird als CHI, Kanal 1, der Abgriff nach dem ersten Bauteil 16 als CH2 , Kanal 2, bezeichnet. Der Betrag der gemessenen elektrischen
Kenngröße, für die gezeigte Ausführungsform die elektrische Spannung, wird direkt mittels eines Analog-Digital- Konverters 24 (ADC 24) in ein Digitalsignal gewandelt. Die weitere Auswertung des Digitalsignals erfolgt über einen Mikrocontroller 26.
Bei einem Fehlerfall, also einer unerwünschten
Erdverbindung eines der Pole 8, 10 des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 wird
entweder ein Stromfluss in den Messkreis zwischen erstem und zweitem Messkreisleiter 12, 14 auftreten und durch das erste Bauteil 16 fließen, oder es wird ein Stromfluss aus dem Messkreis heraus auftreten und ebenfalls durch das erste Bauteil 16 fließen. In beiden Fällen, also sowohl bei einem Fehlerfall am ersten elektrischen Pol 8 als auch bei einem Fehlerfall am zweiten elektrischen Pol 10 wird der Fehler mittels des ersten Bauteils 16 detektiert werden. Der Fehlerfall wird festgestellt, wenn ein vorbestimmter Schwellwert des Betrags der elektrischen Kenngröße an dem ersten Bauteil 16, in diesem Beispiel der an dem Bauteil 16 abfallenden Spannung, überschritten wird. Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche zusätzlich zu dem ersten Bauteil 16 ein zweites Bauteil 18 umfasst. Dabei werden die elektrischen
Kenngrößen des ersten Bauteils 16 und des zweiten Bauteils 18 von der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 gemessen und ausgewertet. Auch der Betrag des ohmschen Widerstands des zweiten Bauteils 18 wird wie der Wert des ersten
Bauteils 16 kleiner gewählt als die Werte der
Schutzbauteile 13, um den Spannungsabfall am ADC 24 zu reduzieren.
Zum Ausgleich der durch das erste Bauteil 16 auf den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 ausgeübten Einfluss, beispielsweise einer Änderung des Gesamtwiderstandes, ist in den zweiten Messkreisleiter 14 ein ausgleichendes
Bauteil 15 eingebaut. Das erste Bauteil 16, das zweite Bauteil 18 sowie das ausgleichende Bauteil 15 haben
idealerweise denselben ohmschen Widerstand. Wenn die
Widerstände des ersten und zweiten Bauteils 16, 18 soweit verschieden sind, dass die gewünschte Präzision nicht erreicht wird, umfasst die Mess- und/oder
Auswerteeinrichtung 22 eine kompensierende Berechnung oder eine analoge Kompensation der Widerstände. Hierfür umfasst der Mikrocontroller 26 einen Speicher, in welchem die
Widerstände der verwendeten Bauteile gespeichert sind.
Beispielsweise kann dann bei einer Berechnung mittels des Mikrocontrollers 26 ein Multiplikator für den Betrag eines der erhaltenen Digitalsignale vorgesehen sein, womit darüber hinaus auch eine Anpassung der Mess- und/oder
Auswerteelektronik an die verwendeten Bauteile 16, 18 ermöglicht ist, z.B. wenn die Bauteile ausgetauscht werden. Zur Messung der elektrischen Kenngröße, hier der
elektrischen Spannung an den beiden Bauteilen 16, 18 wird ein Abgriff an drei Punkten genommen: vor dem zweiten
Bauteil 18, in Figur 2 bezeichnet als CHI (Kanal 1), zwischen den beiden Bauteilen 16, 18, in Figur 2 bezeichnet als CH2, sowie nach dem ersten Bauteil 16, in Figur 2 bezeichnet als CH3.
Die vorbezeichnete Art der Verschaltung mit dem Abgriff an den drei Punkten (CHI, CH2 , CH3 ) ermöglicht es, bei einer
Messung der elektrischen Kenngröße an zwei Bauteilen 16, 18 trotzdem lediglich mit drei Messpunkten auszukommen. So kann die Potentialdifferenz zwischen CHI und CH2 sowie zwischen CH2 und CH3 gemessen werden. Die gemessenen
Potentiale werden mittels eines Analog-Digital-Konverters
24 in Digitalsignale gewandelt. Mittels einfacher digitaler Differenzenbildung wird der Betrag der Potentialdifferenz am zweiten Bauteil 18 nach U2=CH1-CH2, der Betrag der
Potentialdifferenz am ersten Bauteil 16 nach Ul=CH2-CH3 ermittelt.
Der in Figur 2 gezeigte Anschluss des ADC 24 an einen
Erdpunkt mittels Spannungsteiler (U+ und U-) ermöglicht die Messung sowohl positiver als auch negativer Spannungen, wobei nur noch jeweils der halbe mögliche Spannungsbereich des ADC verwendet werden kann. Je nach Anwendungsfall wird diese oder eine mit Figur 6 gezeigte Anschlussmöglichkeit verwendet . Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in beide Messkreisleiter 12, 14 je eine Kette von Schutzbauteilen 13 eingebaut ist. Mittels der Kette von Schutzbauteilen 13 werden Schutz- und Kriechstrecken für hohe Spannungen gebildet, da an jedem Schutzbauteil 13 nur ein Teil der GesamtSpannung des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 abfällt. Damit und durch die Abstandsbildung mittels der
Aneinanderreihung der Schutzbauteile 13 ist auch bei hohen Betriebsspannungen, insbesondere bei 1000 V und darüber, eine sichere elektrische Trennung des elektrischen Netzes 2 von der Erdumgebung des Erdpunkts 20 gewährleistet.
Es ist ersichtlich, dass auch die in Figur 1 gezeigte
Aus führungs form eine solche Kette von Schutzbauteilen 13 aufweisen kann . In Figur 3 ist weiterhin mit Sl der Stromfluss für den fehlerfreien Fall gezeigt. Die Pfeile II bis 14
symbolisieren die erwarteten Ströme. Für den in Figur 3 dargestellten fehlerfreien Fall gilt im gezeigten
Ausführungsbeispiel Ii = 12 = 13; 14 = 0. Es fließt also kein Strom an den Erdpunkt ab oder vom Erdpunkt ins Netz. Der homogene Stromfluss bei Ii, 12 und 13 kann über CHI, CH2 und CH3 mit der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung festgestellt werden. Dies stellt den Normalzustand dar, welcher mittels der gezeigten Überwachungseinrichtung überwacht werden kann.
Figur 4 zeigt die in Figur 3 dargestellte Ausführungs form mit einem mit einer gestrichelten Linie gezeigten
Fehlerfall. Der Fehlerfall (Erdschluss) am ersten
elektrischen Pol 8 der Photovoltaikanlage 4 stellt einen asymmetrischen Fehler dar, er führt zu einer Veränderung des Stromflusses in der Überwachungseinrichtung, wie mit dem Stromfluss S2 und den Pfeilen Ii bis 14 symbolisch dargestellt ist. Der Stromfluss wird im gezeigten
Fehlerfall vom zweiten elektrischen Pol 10 an den Erdpunkt 20 und über eine gemeinsame Bezugspotentialverbindung an den Pol 8 führen. Demgemäß kommt es beim Fehlerfall zu einem unterschiedlichen Stromfluss zwischen dem ersten Bauteil 16 und dem zweiten Bauteil 18, was mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung 22 festgestellt werden kann. Bei einem vollständigen, widerstandslosen Schluss des ersten elektrischen Pols 8 mit dem gemeinsamen
Bezugspotentialpunkt 20 wird der Stromfluss durch den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 verschwinden, d.h. auf 13 = 0 A absinken, wie in Figur 4 verdeutlicht. Der hier gezeigte Fehler kann also detektiert werden, indem der Stromfluss durch das erste Bauteil 16 mit dem durch das zweite Bauteil 18 verglichen wird. Bei ungefähr gleichem Betrag des Stromflusses ist das Netz als fehlerfrei
anzunehmen. Bei einem deutlichen, durch Schwellwerte definierten Unterschied zwischen den beiden Stromflüssen durch das erste Bauteil 16 bzw. das zweite Bauteil 18 liegt ein Fehlerfall vor.
Im MikroController wird im einfachsten Fall das Ergebnis der Messung für die erste Potentialdifferenz Ul (CH3-CH2) dividiert durch das Ergebnis der zweiten
Potentialdifferenzmessung U2 (CH2-CH1) . Eine Abweichung vom Ergebnis Ul/U2=l über definierte Schwellwerte hinaus liefert als Ergebnis einen Hinweis auf einen vorliegenden Fehlerfall.
Gegebenenfalls können nach Detektion des Fehlers weitere Anzeige- und/oder Schutzmaßnahmen eingeleitet werden, wie beispielsweise die Aktivierung einer Warnlampe oder eines Warntons oder auch das Trennen und/oder Kurzschließen des gesamten elektrischen Netzes 2 der Photovoltaikanlage 4 zum Schutz der Umgebung wie Personen und/oder Geräten.
Figur 5 zeigt ebenfalls die Ausführungs form aus Figur 3 mit einem anderen Fehlerfall. Der Fehlerfall ist ein Erdschluss an dem zweiten elektrischen Pol 10 der Photovoltaikanlage 4 und stellt ebenfalls einen asymmetrischen Fehlerfall dar, der über einen veränderten Stromfluss in der
Überwachungseinrichtung festgestellt werden kann. Wie in Figur 5 mit dem Stromfluss S3 sowie den Pfeilen Ii bis 14 gezeigt ist, wird der Strom vom zweiten elektrischen Pol 10 über eine gemeinsame Bezugspotentialverbindung (in diesem Beispiel eine unerwünschte Erdverbindung) zum Bezugspunkt 20 (in diesem Beispiel Erdpunkt 20) und durch den ersten elektrischen Messkreisleiter 12 wieder in die
Photovoltaikanlage 4 fließen. Wie in der Ausführungsform der Figur 4 weist die elektrische Kenngröße des ersten Bauteils 16 einen anderen Betrag auf als diejenige des zweiten Bauteils 18. Im gezeigten Fall der Figur 5 ist die Kenngröße die an dem Widerstand 16 abfallende Spannung, aus der auf den durch den Widerstand 16 fließenden Strom geschlossen wird.
Figur 6 zeigt eine weitere Aus führungsform der Erfindung. Figur 6 unterscheidet sich von Figur 2 durch einen
alternativen Aufbau der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung 22 sowie durch einen gemeinsam ausgeführten Erdpunkt 20. Die Diode Vi koppelt den Kurzschlussmesskreis vom Erdpunkt 20 ab, die Versorgungsspannung vcc speist dabei über den Widerstand R31 eine definierte Spannung ein, um die SchwellSpannung der Diode Vi auszugleichen. Der Analog- Digital-Konverter 24 ist in der gezeigten Aus führungsform direkt mit dem Erdpunkt 20 verbunden. Die gezeigte
Ausführungsform macht das gezeigte Messverfahren,
insbesondere den Kurzschlussmesskreis , unempfindlicher gegen Erdpotentialschwankungen, da das mit Figuren 2 bis 6 gezeigte Messverfahren mit einem direkten
Potentialvergleich der beiden Messkreisleiter auskommt und der Stromfluss gegenüber dem Bezugspunkt 20 nicht
notwendigerweise gemessen werden braucht. In dieser
beispielhaften Ausführung ist damit nur die Messung von positiven Spannungen am ADC 24 möglich, wobei der volle Spannungsbereich des ADC 24 zur Verfügung steht. Mittels Vi wird dabei ferner ein offset für die Messung am ersten Bauteil 16 vorgegeben, so dass eine Messung dort mit der gezeigten Schaltung ermöglicht ist.
Die Messung des zweiten Bauteils 18 ermöglicht in allen gezeigten Ausführungs formen mit Hilfe einer
Weiterverarbeitung im MikroController 26 auch einen
Rückschluss auf die Gesamtanlagenspannung der PV-Anlage.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungs formen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung
definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. Bezugszeichenliste
2 Isoliert aufgebautes elektrisches Netz der
Photovo11aikanlage
4 Photovoltaikanlage
6 Anschlussterminal
8 Erster elektrischer Pol der Photovoltaikanlage 10 Zweiter elektrischer Pol der Photovoltaikanlage
12 Erster elektrischer Messkreisleiter des
Kurzschlussmesskreises
13 Schutzbauteil
14 Zweiter elektrischer Messkreisleiter des
Kurzschlussmesskreises
15 Ausgleichendes Bauteil
16 Erstes Bauteil
18 Zweites Bauteil
20 Bezugspunkt
22 Mess- und/oder Auswerteeinrichtung
24 Analog-Digital-Konverter
26 Mikrocontroller

Claims

Überwachungseinrichtung für ein isoliert
aufgebautes elektrisches Netz (2) einer
Photovoltaikanlage (4) , mit
einem Kurzschlussmesskreis umfassend einen ersten elektrischen Messkreisleiter (12) zur Verbindung eines ersten elektrischen Pols (8) der
Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein
Schutzbauteil (13) mit einem Bezugspunkt (20) und einen zweiten elektrischen Messkreisleiter (14) zur Verbindung eines zweiten elektrischen Pols (10) der Photovoltaikanlage (4) über zumindest ein
Schutzbauteil (13) mit dem Bezugspunkt (20) , wobei die beiden Messkreisleiter (12, 14) gemeinsam einen Kurzschluss zwischen den beiden elektrischen Polen (8, 10) der Photovoltaikanlage bilden,
einem ersten zwischen einem der Messkreisleiter (12, 14) und dem Bezugspunkt (20) geschalteten
Bauteil (16) und
einer Messeinrichtung (22) zur Messung einer elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16) , wobei in Ansprechen auf einen Betrag der Kenngröße ungleich Null und/oder eine Veränderung des Betrags der Kenngröße ein elektrischer Schluss der
Photovoltaikanlage (4) mit dem Bezugspunkt (20) detektierbar ist.
Überwachungseinrichtung nach vorstehendem
Anspruch,
ferner mit einem zweiten in den zweiten
Messkreisleiter (14) des Kurzschlussmesskreises eingesetzten Bauteil (18),
wobei das erste Bauteil (16) zur Messung einer elektrischen Kenngröße im ersten elektrischen
Messkreisleiter (12) in den Kurzschlussmesskreis eingesetzt ist.
Überwachungseinrichtung nach vorstehendem
Anspruch,
wobei die Messeinrichtung (22) zur Messung der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) ausgebildet ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3 ,
wobei die Messeinrichtung (22) eine
Komparatorschaltung (24, 26) zum Vergleich des
Betrags der elektrischen Kenngröße des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) umfasst,
wobei die Komparatorschaltung (24, 26) bei unterschiedlichem Betrag der elektrischen Kenngröße einen elektrischen Schluss des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes (2) mit dem Bezugspunkt (20) erkennt .
Überwachungseinrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Kenngröße die an dem ersten bzw. zweiten Bauteil (16, 18) abfallende elektrische Spannung oder der durch das erste bzw. zweite Bauteil (16, 18) fließende elektrische Strom ist. Überwachungseinrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
wobei das erste und/oder zweite Bauteil (16, 18) je eine Impedanz ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
wobei die Verbindung mit dem Bezugspunkt (20) jeweils über eine Kette aus seriell geschalteten Schutzimpedanzen (13) zur Überbrückung von Luft- und/oder Kriechstrecken realisiert ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
wobei in der Komparatorschaltung (24, 26) ein Analog-Digital-Wandler (24) zur Wandlung der
elektrischen Kenngröße in ein Digitalsignal sowie ein MikroController (26) zum Vergleich der
Digitalsignale und/oder zum Berechnen von
Abweichungen umfasst ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
wobei die Mess- und Auswerteeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines Fehlerfalls und/oder eine Schutzeinrichtung zum Kurzschließen oder Abschalten des isoliert aufgebauten elektrischen Netzes (2) umfasst, um eine mögliche Gefahr für Mensch und Gerät abzuwenden. Photovoltaikanlage (4) , umfassend
zumindest ein Photovoltaikmodul zur Erzeugung von elektrischem Strom, wobei das elektrische Netz (2) der Photovoltaikanlage (4) als isoliert aufgebautes elektrisches Netz (2) ausgebildet ist und
die Überwachungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum sicheren Betrieb einer
Photovoltaikanlage (4) mit einem isoliert aufgebauten elektrischen Netz (2), insbesondere mit einer
Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:
Messen der elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16) mittels der Mess- und
Auswerteeinrichtung (22),
Auswerten der elektrischen Kenngröße des ersten Bauteils (16) mittels der Mess- und
Auswerteeinrichtung (22) zum Bestimmen des Vorliegens eines Fehlerfalls des isoliert aufgebauten
elektrischen Netzes (2) der Photovoltaikanlage (4) .
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, ferner umfassend die Schritte:
Messen der elektrischen Kenngröße des zweiten Bauteils (18) mittels der Mess- und
Auswerteeinrichtung (22), um damit auf den Stromfluss durch den zweiten Messkreisleiter (14) zu schließen,
Auswerten der elektrischen Kenngröße des zweiten Bauteils (18) mittels der Mess- und
Auswerteeinrichtung (22) ,
Vergleichen der erhaltenen elektrischen Kenngrößen des ersten und des zweiten Bauteils (16, 18) mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung (22 ) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, ferner umfassend die Schritte:
Digitalisierung der elektrischen Kenngröße mittels des Analog-Digital- andlers (24) ,
Verarbeitung der Digitalsignale mittels des
Mikrocontrollers (26) zum Vergleich und/oder zum Berechnen von Abweichungen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
ferner umfassend die Schritte:
Anzeigen eines Fehlerfalls mittels der Anzeigeeinrichtung und/oder Schützen der
Photovoltaikanlage (4) mittels der Schutzeinrichtung, indem das Netz (2) in Ansprechen auf einen einen Fehlerfall anzeigenden Betrag der elektrischen
Kenngröße kurzgeschlossen oder abgeschaltet wird.
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