WO2014180757A1 - Energieerzeugungseinrichtung mit funktionssicherer potentialtrennung - Google Patents

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WO2014180757A1
WO2014180757A1 PCT/EP2014/059045 EP2014059045W WO2014180757A1 WO 2014180757 A1 WO2014180757 A1 WO 2014180757A1 EP 2014059045 W EP2014059045 W EP 2014059045W WO 2014180757 A1 WO2014180757 A1 WO 2014180757A1
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switch elements
energy
line
power converter
network
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PCT/EP2014/059045
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Inventor
Sebastian Rilling
Konstantin Ponjakin
Original Assignee
Refusol Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches
    • G01R31/3278—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches of relays, solenoids or reed switches
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/333—Testing of the switching capacity of high-voltage circuit-breakers ; Testing of breaking capacity or related variables, e.g. post arc current or transient recovery voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies

Definitions

  • the present invention relates to an energy generating device for generating electrical energy from an energy source, in particular a regenerative energy source, and for feeding the generated electrical energy into a network, in particular a
  • Power supply network comprising a separation device for isolating a power converter of the power generation device from the network and a method for verifying the
  • Power generation plants for example photovoltaic (PV) plants, wind turbines,
  • Fuel cell-based systems, etc. are usually connected via a separator, for example. To a power supply network, the potential separation of the
  • the separator contains controllable
  • electromagnetic switches such as, for example, contactors or relays, which can bring about galvanic isolation. Due to high currents during operation, environmental influences, corrosion and other factors, the switching contacts of such relays or contactors can stick together or clamp and then remain closed, even if they are controlled to open. Such a defect must be recognized and quickly eliminated because otherwise it would pose a danger, for example, to persons entrusted with the maintenance of the network. Therefore, usually two switch elements are arranged in series for safety in a disconnecting device in each connecting line, which can be controlled separately from each other for opening, so that in case of emergency redundancy is present.
  • the standard DIN EN 62109-2 stipulates that in the future inverters of a
  • Energy generating system must independently check the isolation of the independent separation device before they go into operation. Every single fault or defect, in particular a jamming or sticking of a contact of one of the switches of the disconnecting device, must be reliably detected and, in the event of a fault, a connection to the mains must be prevented.
  • Potential separation for example, an inverter from a power supply network that allows reliable detection of a defect of a switch element of the potential separation device.
  • safety relays or contactors could be used which have an integrated
  • Functional safety can provide self-diagnostic results.
  • safety relays or contactors are complex and expensive and, moreover, are usually not available in already existing power generation plants. Also for existing ones
  • Energy generation plant allows relatively little effort and can be implemented with little effort even in existing power generation plants.
  • Enable potential separation device as simple as possible. For this purpose, as far as possible used in power generation plants components should be used, so that a retrofitting of existing facilities should be possible with little installation effort.
  • the energy generating device for generating electrical energy from an energy source, in particular a regenerative energy source, and for feeding the generated electrical energy into a network, in particular a power supply network, has a power converter, at least one line, a separator, a suppression filter device, a measuring device and a control device on.
  • the power converter is designed to convert energy at its input into a grid-conforming energy at its output and can, depending on
  • An investment type for example, may be an inverter or an inverter.
  • the at least one line is provided for electrical connection of the output of the power converter with the network.
  • the Separator is used to isolate the potential of the converter from the network in case of error or need and has a arranged in the at least one line series input from at least two separately controllable switch elements.
  • the suppression filter device is provided for suppression measures and thus for electromagnetic compatibility and has at least one suppression filter element which is connected between the output of the power converter and the separating device to the at least one line to high-frequency interference signals against a reference point, such as device or protective earth or functional earth to derive.
  • the Measuring device is set up to detect leakage currents flowing through the noise filter element and to supply a leakage current signal characterizing a respective leakage current.
  • the control device is used to control the switch elements of the separator in order to control them for operation to close and in case of failure or need to open.
  • control device is furthermore set up to check the function of the separating device in order to optionally connect at least one of the switching elements of the at least one
  • To drive series circuit for closing to receive from the measuring device, a leakage current signal in response to the closing of the switch and to detect a defect of at least one other of the switch elements of the at least one series connection of the separator on the basis of the leakage current signal.
  • a defect of one of the switch elements of the separator is made by closing the at least one other switch element of the separator and observing the response of a through the at least one noise filter element
  • Noise suppression filter caused compensation current, which allows conclusions about a present switch defect detected.
  • a defect is to be understood in particular as the malfunction that the relevant switch element remains closed despite being actuated to open, because e.g. In the case of switches for galvanic isolation, a contact sticks or sticks.
  • Energy generating device upstream or upstream) of the separator is arranged so that in case of failure, a leakage or compensation current from the network via the separator and the noise filter element to the reference point, in particular the device or functional earth, can flow.
  • This is generally provided in power generation plants, for example, with inverters, so that advantageously already existing plant components can be used.
  • the functional check according to the invention can be implemented with relatively little effort and requires only a few or no additional components for this purpose.
  • the complexity is low, which also reduces installation costs.
  • the solution for functional testing can be implemented purely by software, so that already existing systems can easily be retrofitted, eg by remote maintenance.
  • the method according to the invention makes an effective and reliable Monitoring the functionality of the potential separator of a
  • the energy generating device according to the invention is preferably a
  • Photovoltaic device for .Ergneung of electrical energy from a through a
  • Photovoltaic generator supplied energy by means of a preferably transformerless photovoltaic Inverter.
  • a functionally safe isolation or disconnection of the inverter from the network, for example, to maintain the network is essential to protect workers on the network from electrical shock, especially if no additional isolation transformer is provided.
  • the power generation device can also for
  • Wind turbines, fuel cell based power generation plants or the like Wind turbines, fuel cell based power generation plants or the like.
  • the power generation plant can also be used to power a consumer, if this is also able to return electrical energy to the consumer
  • Power generating device is powered and can supply in a generator mode power back to the power generation device.
  • a “network” here also means such a consumer that can receive and deliver power to the power generation device.
  • the power converter is by a single- or multi-phase inverter, in particular a
  • Photovoltaic inverter formed, the input side DC power in
  • the separator comprises a first series connection of at least a first and a second switch element, which are arranged in the first phase conductor.
  • the separator may further include another
  • the "at least one line” comprises one line, two lines or three or more lines Depending on the application, the at least one line may contain only lines with potential separation or also lines with and lines without potential isolation the at least one line, for example, a neutral conductor and at least one phase conductor.
  • the power generating device may also be provided for a multi-phase alternating voltage network and, for example, have a three-phase inverter with three phase terminals, a neutral terminal and a ground at the output, three phase conductors, a neutral conductor and a ground connection, which [eweils between one of the phase terminals and the neutral terminal or the grounding of the inverter output and an associated line-side connection.
  • a three-phase inverter with three phase terminals, a neutral terminal and a ground at the output, three phase conductors, a neutral conductor and a ground connection, which [eweils between one of the phase terminals and the neutral terminal or the grounding of the inverter output and an associated line-side connection.
  • the separator can more than two separately controllable
  • control device is preferably set up in this case, to all at the same time all but one of the
  • controllable switch elements for the separator are preferably
  • electromagnetic switches in particular contactors or relays used. These are easy controllable and suitable for, for example, in photovoltaic systems or the like.
  • semiconductor switch elements such as bipolar power transistors, MOSFET power transistors, IGBTs or the like may also be used. In normal operation, all the switch elements of all series circuits of the separator are closed by the controller. If a potential separation of the converter from the network to be effected, all switch elements are driven to open.
  • each contactor or relay two or more similar switching contacts which are arranged in different conductors of at least one line, for example.
  • different phase conductors or in a neutral conductor and one or more different phase conductors and jointly controlled via a single control circuit can be.
  • the suppression filter device may have different filter components for reducing
  • Common mode or push-pull interference signals which are caused in particular by the power converter.
  • These components may be distributed between the converter side output and the line side output in all conductors of the at least one line.
  • These include, in particular, preferably also line filters, which are designed as low or band passes and are preferably inserted between the separator and the network-side terminal.
  • the at least one noise filter element which causes the leakage current in the event of an error of the separator in the functional test due to balancing operations, is housed between the power converter side output and the separator.
  • the at least one noise filter element is simply one
  • Suppressor capacitor which is between a phase conductor of at least one line and a ground, equipment earth (protective earth, PE) or functional earth (FE), shot. At least one such suppression capacitor is provided per phase conductor.
  • suppression capacitors are usually already present in power converters of power generation plants, in particular PV inverters. In this respect, existing components can be used for the functional verification of the separator.
  • the measuring device forms part of an all-current-sensitive residual current monitoring unit.
  • Residual current monitoring units are integrated with modern transformerless inverters to detect all types of earth leakage and leakage currents, such as DC, AC and pulse currents.
  • the universal current-sensitive residual current monitoring unit can then also detect an optionally occurring equalizing current during the functional safety check of the isolating device and deliver an associated current signal to the control device.
  • the measuring device has a
  • Measuring current transformer in the form of a differential current sensor, through which all between the current-side terminals and the line-side terminals extending conductor of at least one line, so all the phase conductors and the neutral conductor, are looped through and for detecting the difference or sum of all currents in the conductors flow, is set up.
  • the differential current sensor can in particular be part of the universal current sensitive
  • Residual current monitoring unit so that even existing components of existing power generation plants can be used.
  • control device and the measuring device are preferably set up to the
  • the power converter in particular a PV inverter
  • the power converter can be completely supplied by the DC voltage of a generator gate, in particular a PV generator.
  • a sufficiently large DC voltage is applied to the PV inverter in the early morning hours, this ensures a DC voltage which is above the mains peak voltage.
  • the PV inverter first performs a pre-control routine to synchronize with the grid and connects to the grid as soon as it is grid-synchronized.
  • the functional check according to the invention is carried out before the pre-control routine, in order to prevent a start-up of the inverter in the event of a defect.
  • the controller may comprise a comparator means which compares the received leakage current signal with a predetermined threshold value and when the threshold value is exceeded a defect of the separator finds.
  • a threshold may be based on the parameters of the network, the
  • Noise filter device the impedance of at least one line and the like. Be determined appropriately.
  • control device is set up to control at least two first or second switch elements in different phase conductors or in a phase conductor and a neutral conductor simultaneously for opening or closing. This is particularly useful in combination with contactors or relays, which have at least two jointly controllable switching contacts. The implementation effort and the space required for the components can be reduced. The control is simplified. Also the
  • control device can also be configured redundantly in order to further improve the functional reliability.
  • control device can have two separate control units, for example processors, microprocessors, microcontrollers or the like.
  • a first control unit can serve, for example, to control the first switch elements of all series circuits, while a second control unit can be provided to control the second switch elements of all series circuits.
  • Phase conductors which ensure a proper disconnection of the converter from the mains.
  • the function check according to the invention is generally limited to the switch elements of the separator contained in the phase conductors. Since the neutral conductor is usually connected on the mains side to the protective conductor (PE conductor), ideally between the Neutral conductor and the PE conductor no voltage difference. Thus, no compensation process takes place when one of the switch elements of the separator in the
  • control device preferably additionally includes an insulation measurement of the power converter for this purpose.
  • the energy generating device preferably further comprises an insulation measuring device for determining an insulation resistance of the power converter.
  • an insulation measuring device is usually in power converters, in particular
  • Inverters energy generation systems for insulation fault detection available and is used here additionally according to the invention for the functional test of the separator.
  • the control device controls one of the switch elements in the neutral conductor to
  • the power generating device has a power converter for converting energy at its input into a power conforming to its network
  • the functional safety testing method which is preferably carried out before the power converter, in particular an inverter, goes into operation and is connected to the network, at first one of the switch elements of the at least one series circuit is driven to close it, whereupon a signal is emitted in response thereto the at least one noise filter element caused compensating current is measured and a defect, sticking or clamping a contact, at least one other of the switch elements of the at least one series circuit is determined by the measured balance current.
  • Figure 1 is a schematic representation of a power generation plant for generating and feeding electrical energy in a network with a device for functional testing of a separator for potential separation of the system from the network according to aspects of the invention, in a greatly simplified representation;
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the power generation plant of Figure 1 in a simplified, compared to Figure 1 detailed representation
  • FIG. 3 is a flowchart for checking the function of the separating device of the power generation plant according to FIG. 1 or 2, in a simplified representation;
  • FIG. 4 shows a modified embodiment of the power generation plant according to FIG. 1 or FIG
  • FIG. 5 shows a generalized flowchart for the functional check of a
  • Separating device eg. The power generation plant of Figure 4, in a simplified representation.
  • Figure 1 is a highly schematic, partially block diagram representation of a
  • Power generation plant 1 for converting an input provided electrical direct current from a generator 2 in an output-side AC illustrated.
  • the power generation plant 1 comprises the generator 2 and a three-phase converter here
  • a power converter here is meant any device that can convert electrical energy of one kind into electrical energy of another type. It may, for example, a rectifier for the conversion of
  • AC to DC an inverter to change the frequency of an AC or an inverter to convert DC into AC.
  • the power generation plant is a photovoltaic (PV) plant or a wind turbine or a fuel cell based plant, such that the generator 2 forms a regenerative energy source, eg a PV generator, which does not detail one or more of these PV modules, which are interconnected to generate at the output of the PV generator, a DC voltage and to provide a DC power.
  • the power converter 3 then forms an inverter, which converts the DC power provided at its input into a here, for example, three-phase alternating current at its output.
  • the output poles of the generator 2 are here designated 4, 5, to which the input 7 of the power converter 3 is connected.
  • a positive input terminal 8 and a negative input terminal 9 of the power converter 3 are connected to the positive and negative poles 4, 5 of the generator 2, respectively.
  • the power converter also has a here five-pole output 1 1, to which the three output terminals (L 1, L2, L3) 1 2, 1 3, 14, which lead the individual phases of the output side AC voltage of the power converter 3, a neutral output terminal (N) 16 and a ground output terminal (PE or FE) 15 of the power converter 3 belong.
  • the power converter 3, in particular inverter, can of any preferably
  • the power converter 3 has a power converter circuit not shown here in detail, which in a known manner, a parallel circuit of here, for example, three substantially identical half or full bridges each having connected in series switches, with the high frequencies of up to 100 kHz after predetermined patterns are switched to from the input voltage and the input current a suitable, especially network-compliant
  • Electric motor-generator drives may include, both by the
  • Power generation plant 1 are fed and can feed back into this power.
  • the network is preferably a power supply network, for example, a public network of an energy supplier.
  • the three-phase alternating current fed into the network 17 has three output currents which are substantially equal in magnitude to one another and in each case 120 degrees out of phase with one another.
  • the three output terminals 1 2-1 4 of the power converter 3 are connected via respective phase conductors 1 8, 19 and 20 with phase terminals 22, 23 and 24, respectively, the output terminals of the total designated 21 power generating device or entire current inverter assembly between the generator 2 and the network 17 and the
  • Output terminal of the power generating device 21 and input terminal of the network 17 connected.
  • certain protective conductor (PE conductor) or a functional grounding conductor (FE conductor) 28th provided for the derivation of equalizing and interference currents, which, as indicated by the grounding symbol 29, grounded and with the preferably on the network side and the neutral conductor 26 is connected.
  • a PE conductor 28 may extend over the entire system, and preferably also the housing of the generator 3 and the power converter 3 is connected to it.
  • phase conductors 1 8-20 and the neutral conductor 26 are arranged in the phase conductors 1 8-20 and the neutral conductor 26.
  • these include in particular a suppression filter device 3 1, a separator 32 and a
  • the suppression filter device 31 is for suppressing high-frequency noise on the
  • the suppression filter device 3 1 has at least one first and one second interference filter element 34 and 36, respectively, for filtering in particular asymmetrical interference voltages or currents, so-called common-mode interference, for example, by the high-frequency switching of the switch units of the current - Inverter 3 are caused to serve.
  • a first interference filter element 34 and a second interference filter element 36 are arranged in each phase conductor 1 8-20.
  • the first noise filter element 34 is inserted in each case between the respective phase output terminal 1 2, 1 3, or 1 4 of the power converter 3 and the separator 32 and additionally directly connected to the protective conductor (PE) 28 to fault and interference currents against the earth 29 as Derive reference point.
  • PE protective conductor
  • each first noise filter element 34 could have a
  • Functional earth may be connected, as it is often provided in inverter arrangements for EMC filters.
  • the protective function of a protective conductor is not important. Rather, it depends on the possibility of the derivation of equalizing currents.
  • the second noise filter element 36 is inserted in each phase conductor 18, 19 and 20 respectively between the separator 32 and the network-side phase connection 22, 23 and 24, respectively, and generally formed by a line filter, for example an LC bandpass or LC low-pass filter as is well known in the art.
  • the first noise filter element 34, the second noise filter element 36 and an optional ferrite core for suppressing higher-frequency interference components form together the Noise Filter 31, which are provided to improve the electromagnetic compatibility.
  • the separator 32 is provided for isolating the power converter 3 from the network 17 in the event of a fault.
  • Switch elements S31, S32 is disposed in the L3 phase conductor 20 and a fourth
  • Series circuit 40 of two controllable switch elements S41, S42 in the neutral conductor 26 is arranged.
  • controllable switch elements S i l ... S42 preferably relays or contactors are used, which are suitable for switching in the large electrical power, as they occur in the present applications.
  • semiconductor switches such as bipolar power transistors, power MOSFET transistors, IGBTs and the like could be used.
  • switch elements S i l ... S42 are driven to close by a control device 42 shown here only schematically.
  • all the switch elements S i... S42 can be actuated by the control device 42 to open, in order to interrupt the connection between the power converter 3 and the network 17 via the phase conductors 18-20 and the neutral conductor 26 to effect the required potential separation.
  • the current sensor device 33 is part of a so-called universal current sensitive
  • Residual current monitoring unit 42 which is sometimes referred to as RCMU (Residual Count Monitoring Unit) and in particular for transformerless PV inverters for Realization of an AC-sensitive residual current circuit breaker (AFI module) is usually integrated.
  • the universal current-sensitive residual current monitoring unit 42 is used for plant and personnel protection and detects fault or leakage currents in the form of DC, AC and / or pulse currents, in particular in an inverter, in the PV modules or in the
  • Evaluation logic of the AC-sensitive monitoring unit 42 may be part of a control logic of the control device 41 for controlling the power converter 3.
  • the current sensor device 33 itself is in the preferred embodiment as a
  • differential current sensor through which all the phase conductors 1 8-20, which lead the operating current from the converter output 1 1 to the network 17, and the neutral conductor 26 are looped through as a primary conductor, so that the differential current sensor 33, the difference or sum of the Primary conductor flowing alternating currents detected.
  • These include, in particular, capacitive leakage currents, which are systematically generated by, for example, a PV generator 2, possible ohmic fault currents, the z. B. generated by a defective insulation of a PV system, as well as leakage or equalization currents, which are optionally caused in the test procedure described below for functional testing of the separator 32. All these Ableittial. Fault currents can be reliably detected and distinguished, whereupon a
  • Isolation can be enforced by means of the separator 32.
  • the first noise filter element 34 of the noise filter device 31 is here in each case by a
  • FIG. 2 also schematically illustrates a possible implementation form for the second noise filter element 36 of the interference filter device 31.
  • the second interference filter element 34 has suitable low-pass elements for suppressing higher interference frequencies, here inserted by LC elements with in the phase conductors 1 8-20 and the neutral conductor 26 respectively
  • Inductors (L) 47 and at the output between the conductors 1 8-20 or 26 and ground 29 respectively connected capacitors (C2) 48 are formed.
  • a current-compensated inductor 49 is used, which, as common and common, can help to effectively dampen so-called common-mode noise that occur in the same direction, with the same amplitude and phase in the conductors ,
  • the control device 42 is for controlling the switch elements S i l ... S42 of
  • the controller 41 may be part of the controller that controls the operation of the power converter 3. In particular, it can be implemented together with it in software or firmware that runs on a common processor. However, the controller 42 may also be implemented separately by the controller of the power converter. In any case, the control device 42 is preferably in common with the logic of the universal current-sensitive
  • Control device 41 a first control unit 51 for driving the first switch elements S l 1, S21, S31, S41 all series circuits 37-40 in the conductors 1 8-20 and 26 and a second separate control unit 52, which controls the second switch elements S 12th , S22, S32, S42 is provided in the conductors 1 8-20 and 26.
  • the first and second controllers 1 and 52 are preferably implemented on different processors to provide a desired redundancy that allows for the desired error tolerance. Thus, even in the event of a defect in one of the control units 51 and 52, it can be ensured that the other control unit, via the switch elements assigned to it, can effect a potential separation in all of the conductors 1 8-20 and 26.
  • the first control unit 51 is operatively connected via control lines 53-56 to the first switching elements S il, S21, S31, S41, while the second control unit 52 to the second Switch elements S l 2, S22, S32 and S42 is operatively connected via corresponding second control lines 58-61.
  • each of the first and second control units 51, 52 has an evaluation unit 63, 64, respectively, which corresponds to those of the first and second control units 51, 52
  • Current sensor device 33 receives signals supplied compares with predetermined limits and, for example, when exceeding the limits outputs an error message and the associated control unit 1 or 52 instructs to control the associated switch elements S i l ... S42 to open. This can be done both in operation upon detection of error currents and in the test procedure according to the invention for checking the separation device 32.
  • Controller 41 performs before the power converter 3 goes into operation to ensure a faultless operation of the separator 32. This test procedure will now be explained with reference to FIG.
  • the power converter 3 for example, a PV inverter
  • DC generator voltage is supplied.
  • the generator 2 in particular the PV generator 2 supplies enough DC voltage, a sufficiently high input voltage is provided, which is above the mains peak voltage, so that the power converter can generate a suitable voltage and feed electrical current into the network 17.
  • the converter 3 then, as part of a so-called feedforward routine, traces its filters to the network 17 to synchronize with it, and connects to the network 17 as soon as it is network synchronous.
  • the power converter 3 performs the test routine illustrated in Figure 3. As illustrated in FIG. 3, first, in step S 101, the index i indicative of the conductor is set to 1. This means that the first phase conductor 18 (L 1) is considered. In addition, the index for switch j is also set to 1.
  • step S 102 the switch Sij is activated for firing. This means during the first pass of the routine that the first switch S i l in the first phase conductor 18 is driven closed.
  • step S03 it is checked whether the line i is neutral. If the line i is the neutral, then proceeding to step S l 10, which is explained in more detail below. If the line i is not the neutral conductor, as is the case, for example, for the phase conductors 18, 19 and 20, step S 104 is continued.
  • step S 104 possible compensation currents are detected, which are caused by closing the switch Sij. If, for example, in the present example in which the switch S l 1 is closed, the second switch S l 2 of the series circuit 37 is defective and remains closed, although it is driven open, a current is caused by the closing of the switch Si l which flows from the network 17 via the first phase conductor 18, the line filter 36 of the noise filter 31 and the closed switch S l 1, S 12 and over the
  • This leakage current is detected or registered by the differential current sensor 33 as a compensation current or differential current fed from the network 17 into the interference filter device 31. Since the compensation current flows via the phase conductor 18 into the interference filter device 34 flows in and over the protective conductor or function grounding conductor 28 to the ground 29, the sum or difference of all currents through the differential current sensor 33 is not equal to zero.
  • Balancing characteristic signal of the first evaluation unit 63 of the first control unit 51 supplied for evaluation In the case when a second switch S l 2, S22, S32 or S42 is driven closed, the compensation current signal of the second evaluation unit 64 of the second control unit 52 is supplied for evaluation. Alternatively, the balance current signal Both control units 51, 52 provided and the evaluation or monitoring of both control units 51, 52 are made in parallel to provide greater redundancy and security.
  • step S105 the respective evaluation unit 63 or 64 checks whether a noticeable
  • the evaluation unit 63 or 64 can compare the signal characterizing the equalizing current which it receives from the measuring device 33, for example, with a predetermined threshold value. But there could also be other criteria that z. B. may affect the expected waveform of the compensation current, are used.
  • step S106 Is detected on the basis of the compensation current signal that a balancing current is present, for. For example, if the intensity of the compensation current is greater than a predetermined threshold value, it is determined that the other switch Sik (with kj) in the line i is defective (step S106). If, for example, one of the first switches S 1, S 21 or S 31 of a respective series circuit 37-39 is activated closed, the respective second switch S 12, S 22 or S 32 is to be regarded as defective when compensating currents are detected. In this case, as shown in step S107, the error is reported to a higher-level instance and, if necessary, displayed on the power converter 3, and a power converter operation is prevented.
  • step S108 the switch Sij is opened and the index i for the line is incremented by 1 (step S9) to check the next line.
  • step S9 the steps S 102 to S 109 and, where appropriate, S l 10, Sl 1 1 are repeated.
  • an insulation measurement is made on the power converter 3.
  • Such insulation measurement routines are prescribed in controllers for power generation systems with inverters and always present and in various forms commonly known.
  • one of the input terminals 8, 9 of the power converter 3 is connected to ground via a measuring resistor by means of a switch of an integrated measuring circuit, so that current can flow to the ground via the respective insulation resistance at the other converter input terminal 9 or 8 and the measuring resistor. About the voltage drop across the measuring resistor can then be the
  • step S l 10 Insulation measurement in step S l 10 performed to check the operation of the switches S41 and S42 in the neutral conductor 26. If, in the case of a closed switch S41 (or S42), an insulation fault is detected in step S11, this indicates that there is a defect in the other switch S42 (or S41) in the neutral conductor 26, because the Converter 3 is now galvanically, depending on the network shape, connected to the network 17 and thus the isolation is no longer guaranteed. Consequently, in this case, in step S106, the switch S42 (or, S41) is declared defective, whereupon the error is notified in step S107 and the power converter operation is prevented.
  • step S 12 Function check consecutively continue by means of the second switch elements S 12, S22, S32, S42 in the conductors 18-20 and 26.
  • the routine then returns to step S 102 to iteratively perform steps S 102 through S 109, and optionally S 10, S 11, for the next-to-be-closed second switch elements S 1 2, S22, S32, and S42, respectively. If all the switches S 1 l ... S42 have already been used (yes in step S 12), then the pre-control routine is triggered in step S l 1.
  • Vor tenuungsroutine the power converter 3 is synchronized with the network 17, after which all the switch elements S i l ... S42 of the separator 32 are closed to connect the power converter 3 to the network 17 and to put this into operation.
  • the network synchronization takes place after a review of the insulation of the power converter 3, wherein the insulation check can also be made before or during the functional review of the separator 32. As long as no error occurs in the subsequent feed - in mode, the shutdown of the
  • Converter 3 requires, all switches S l 1 .. S42 remain closed.
  • test method according to the invention has many advantages.
  • the test facility and the test facility have many advantages.
  • Test methods can be implemented relatively easily and, with low complexity, enable an effective and reliable monitoring of the functional safety of the potential separation of the power generation plant.
  • the controllable switch elements S i l ". S42 the separator 32 are checked automatically, quickly and reliably.
  • test method according to the invention can relatively little effort, preferably alone by an additional software-based control logic of the controller 41, which can be updated nachrösten.
  • a noise filter capacitor such as C T (43-45) in Fig. 2 is already provided in PV inverter circuits for suppression measures. If this is not the case, it can be added without difficulty.
  • a measuring device in the form of an all-current-sensitive differential current sensor 33 is generally already present in existing PV inverters. The same applies to one
  • Insulation measurement routine which is urgently required for inverters. Thus, no or only a few additional components are needed.
  • the energy generating device as it is inserted between the generator 3 and the network 17 in FIGS. 1 and 2, can be used for different applications, including photovoltaic power generation, wind power or fuel cells, for generating alternating current or DC, for supplying electric motor drives, etc. can be used.
  • the energy generating device can be designed in one, two or three phases.
  • the suppression filter device may have various well-known
  • the first noise filter element except one
  • Suppressor filter capacitor (C D 42-45 have a parallel connected bleeder or be realized by another RLC circuit.) It is important that a leakage or
  • FIG. 4 shows further modifications of the invention. Insofar as there is conformity in construction and / or function, reference is made to the above description in connection with FIGS. 1 to 3 in order to avoid repetition on the basis of the same reference numbers.
  • the illustrated in Figure 4 embodiment differs from that shown in Figures 1 to 3 initially by the formation of the separator 32.
  • This has here contactors (or relays) as switch elements S il ... S42, each having two jointly controllable switching contacts have, which are arranged in different conductors 1 8-20 and 26.
  • a first contactor on the switching contacts Sl 1, Sl 2 which are arranged in the first phase conductor (L I) 18 and the second phase conductor (L2) 1 and together here of the first
  • Control unit 51 via a first Stör ein 53 ' are controlled.
  • a second contactor has two switching contacts S31 and S41 which are arranged in the third phase conductor (L3) 20 and the neutral conductor 26 and are jointly controlled here by the first control unit 51 via a further first control line 54 ' .
  • a third contactor has the switching contacts S l 2 and S22 in the first and second phase conductors 1 8, 20, which are common to the second
  • Control unit 52 via a second control line 60 ' can be controlled.
  • a fourth contactor or relay has the switching contacts S32 and S42, which in the third phase conductor 20 and the Neutral conductor 26 are arranged and can be controlled jointly by the second control unit 52 via the common further second control line 59 ' .
  • the contactor (or relay) with the switch elements or contacts S 1 and S 21 can first be actuated to close in a similar manner as described in connection with FIG. Compensating currents occur on is' disregarding the additional switching elements S 1 3, S23, S33 and S43, which are described later, assume that the contactor is faulty 2 and S22 with the contacts S l.
  • Gluing or clamping of the switch element S42 in the neutral conductor 26 is again checked by means of an insulation measurement. If an insulation fault is detected, that is
  • the procedure is then repeated with the other contactors by activating all contactors to open and then closing the contactor with the contacts Sl 2 and S22. If equalizing currents occur, then the contactor with the contacts S 1 and S21 is defective.
  • Insulation measurement checked and considered this to be defective if an insulation fault is detected.
  • FIG. 4 shows a further modification which can be made additionally or alternatively on the separating device 32 according to the invention. As can be seen from FIG. 4, the
  • Separator 32 here illustrates how it has in each conductor 1 8-20 and 26 between the output 1 of the power converter 3 and the network-side terminals 22-24 and 27 each have an additional third switch element.
  • a switch element Sl 3 is in series with the
  • Switch elements S l 1 and S 12 arranged, a further third switch element S23 is arranged in series with the switch elements S21 and S22, another third switch element S33 is arranged in series with the switch elements S31 and S32, and another third third
  • Switch element S43 is arranged in series with the switch elements S41 and S42. By providing the additional third switch elements S l 3, S23, S33 and S43 in the
  • Separator 32 is achieved additional security in terms of sufficient electrical isolation.
  • the three switch elements per series circuit 37-40 give a larger air separation distance, which may also be sufficient if one of the switch elements is defective, so sticks or jammed, or the other switch elements already by aging, corrosion and
  • the third switch elements S l 3, S23, S33 and S43 are illustrated as they can be controlled by the second control unit 52 via control lines 60 ' and 61 ' . Alternatively, however, they could also be actuated by the first control unit 51 or by a separate, additional control unit (not illustrated here in detail) of the control device 41.
  • the pairs of switch elements S l 3, S23 and S33, S43 each form jointly controllable switching contacts of a single contactor, as described above in connection with the switching contacts Sl 1 ... S42 in the embodiment of Figure 4. It can also be provided further switch elements in each series circuit 37-40, to further increase the security, or it can also be used with more than two jointly controllable switching contacts contactors or relays.
  • Figs. The flow chart of Figure 5 largely corresponds to that of Figure 3, so that in order to avoid repetition, reference is made in principle to the local statements and here only the differences are set forth.
  • step S 102 ' the switch Sij, that is to say the switch j in the line i, is then driven to open, while all other switches Sik (k ⁇ j) are driven to close. If compensating currents are detected in step S 105, then in this case it is to be determined in modified step S 106 ' that the switch Sij is defective.
  • step S 108 ' is to be modified insofar as all switches Sik (k ⁇ j) are now driven to open in order to check the next switch Sij.
  • An energy generating device for generating electrical energy, in particular from regenerative energy, for feeding into a network 17 has a power converter 3, at least one line for the electrical connection of the power converter 3 to the network 17, a separator 32 for potential separation of the power converter from the network, wherein the Separator 32 has a arranged in the at least one line 18-20, 26 series circuit 37-40 of at least two separately controllable switch elements S il ..
  • a Noise filter 31 the at least one between the output 1 1 of the power converter 3 and the separator 32nd to the at least one line 1 8-20 connected Entstörfilterelement 34 to derive high-frequency interference signals against a reference point
  • a measuring device 33 for detecting the leakage current flowing through the filter element 34 leakage and to supply this characteristic Ableitstromsignale and a Steuereinr ichtung 41 for controlling the Switch elements S il ... S43 of the separator 32 on.
  • the control device 41 is set up to selectively control at least one of the switch elements S ..

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Abstract

Eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere aus regenerativer Energie, zur Einspeisung in ein Netz (17) weist einen Stromrichter (3), wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Stromrichters (3) mit dem Netz (17), eine Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung (18-20, 26) angeordnete Reihenschaltung (37-40) aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen (S11... S43) aufweist, eine Entstörfiltereinrichtung (31), die wenigstens ein zwischen dem Ausgang (11) des Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung (18-20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, eine Messeinrichtung (33) zur Erfassung von über das Entstörfilterelement (34) fließenden Ableitströmen und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Ableitstromsignale und eine Steuereinrichtung (41) zur Ansteuerung der Schalterelemente (S11... S43) der Trenneinrichtung (32) auf. Um die Schalterelemente auf Funktionssicherheit zu überprüfen, ist die Steuereinrichtung (41) eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente (S11... S43) einer Reihenschaltung (37-40) zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung (33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Sehalterelemente in der Reihenschaltung zu erkennen. Ferner ist ein Verfahren zur Prüfung der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung geschaffen.

Description

Energieerzeugungseinrichtung mit funktionssicherer Potentialtrennung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein
Stromversorgungsnetz, mit einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung eines Stromrichters der Energieerzeugungseinrichtung von dem Netz sowie ein Verfahren zum Uberprüfen der
Funktionssicherheit einer derartigen Potentialtrenneinrichfung.
Energieerzeugungsanlagen, bspw. Photovoltaik (PV)-Anlagen, Windkraftanlagen,
brennstoffzellenbasierte Anlagen, etc., werden meist über eine Trenneinrichtung bspw. an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen, die bei Bedarf eine Potentialtrennung der
Energieerzeugungsanlage von dem Netz ermöglicht. So Ist es z.B. vorgeschrieben, dass
Wechselrichter von Energieerzeugungsanlagen bei einem Netzausfall oder einer Freischaltung eines Netzes zu Wartungszwecken oder bei Auftreten gefährlicher Fehler- bzw. Leckströme am Wechselrichter oder Generator selbsttätig und automatisch abschalten und eine Trennung vom Netz herbeiführen. Mit der Trenneinrichtung sollen alle geerdeten und ungeerdeten
stromführenden Leiter der Energieerzeugungsanlage vom Netz getrennt werden.
Es ist wichtig, dass die Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungsanlage sicher und zuverlässig funktioniert. Im Allgemeinen enthält die Trenneinrichtung ansteuerbare
elektromagnetische Schalter, wie bspw. Schütze oder Relais, die eine galvanische Trennung herbeiführen können. Bedingt durch hohe Ströme im Betrieb, Umgebungseinflüsse, Korrosion und weitere Faktoren können die Schaltkontakte derartiger Relais bzw. Schütze verkleben oder klemmen und dann geschlossen bleiben, selbst wenn sie zum Öffnen angesteuert werden. Ein derartiger Defekt muss erkannt und schnell beseitigt werden, weil er ansonsten eine Gefahr bspw. für Personen, die mit der Wartung des Netzes betraut sind, darstellen würde. Deshalb werden zur Sicherheit in einer Trenneinrichtung in jeder Anschlussleitung meist zwei Schalterelemente in Reihe angeordnet, die gesondert voneinander zum Öffnen angesteuert werden können, damit im Notfall eine Redundanz vorhanden ist.
Die Norm DIN EN 62109-2 schreibt vor, dass künftig Wechselrichter einer
Energieerzeugungsanlage die Isolation der selbstständigen Trenneinrichtung eigenständig überprüfen müssen, bevor sie in Betrieb gehen. Es muss jeder Einzelfehler oder -defekt, insbesondere ein Klemmen oder Kleben eines Kontaktes einer der Schalter der Trenneinrichtung sicher erkannt und im Fehlerfalle eine Verbindung mit dem Netz verhindert werden.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Funktionssicherheitsüberprüfung zur Überprüfung der
Potentialtrennung bspw. eines Wechselrichters von einem Stromversorgungsnetz, die eine sichere Erkennung eines Defektes eines Schalterelementes der Potentialtrenneinrichtung ermöglicht.
Hierzu könnten Sicherheitsrelais oder -schütze verwendet werden, die eine integrierte
Selbstüberwachungs- und Diagnosefunktion aufweisen und über Rückmeldeausgänge ihre
Funktionssicherheit betreffende Selbstdiagnoseergebnisse bereitstellen können. Derartige
Sicherheitsrelais bzw. -schütze sind jedoch aufwendig und teuer und außerdem in bereits existierenden Energieerzeugungsanlagen meist nicht vorhanden. Auch für existierende
Energieerzeugungsanlagen wäre eine Funktionssicherheitsüberprüfung der
Potentialtrenneinrichtung erwünscht.
Aus der Praxis sind ferner Lösungen bekannt, die zusätzliche Messeinrichtungen am Ausgang des Wechselrichters vorsehen, um bspw. Potentiale an diversen Stellen der Anschlussleitungen, z.B. direkt an den Schalterelementen der Trenneinrichtung zu messen und daraus einen Schalterdefekt zu erkennen. Diese Messeinrichtungen erhöhen ebenfalls die Komplexität und den
Realisierungsaufwand für die Stromrichter und lassen sich auch nicht oder praktisch kaum in bereits existierenden Energieerzeugungsanlagen nachrüsten. Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zu finden, die eine Überprüfung der Funktionssicherheit einer Trenneinrichtung einer
Energieerzeugungsanlage mit relativ geringem Aufwand ermöglicht und die auch in bereits existierende Energieerzeugungsanlagen aufwandsarm implementiert werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieerzeugungsanlage mit einem
Stromrichter und einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung des Stromrichters von einem Netz sowie ein Verfahren zum Uberprüfen der Funktionssicherheit der Potentialtrenneinrichtung zu schaffen, die eine Funktionsprüfung insbesondere der ansteuerbarer Schaltelemente der
Potentialtrenneinrichtung auf möglichst einfache Weise ermöglichen. Hierzu sollten möglichst bei Energieerzeugungsanlagen üblicherweise verwendete Komponenten genutzt werden, so dass auch eine Nachrüstung von existierenden Anlagen mit geringem Installationsaufwand ermöglicht sein sollte.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Energieerzeugungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren zum Uberprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, weist einen Stromrichter, wenigstens eine Leitung, eine Trenneinrichtung, eine Entstörfiltereinrichtung, eine Messeinrichtung und eine Steuereinrichtung auf. Der Stromrichter ist zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang eingerichtet und kann je nach
Anlagetyp bspw. ein Umrichter oder ein Wechselrichter sein. Die wenigstens eine Leitung ist zur elektrischen Verbindung des Ausgangs des Stromrichters mit dem Netz vorgesehen. Die
Trenneinrichtung dient der Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz im Fehler- oder Bedarfsfall und weist eine in der wenigstens einen Leitung angeordnete Reiheinschaltung aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen auf. Die Entstörfiltereinrichtung ist für Entstörmaßnahmen und somit zur elektromagnetischen Verträglichkeit vorgesehen und weist wenigstens ein Entstörfilterelement auf, das zwischen dem Ausgang des Stromrichters und der Trenneinrichtung an die wenigstens eine Leitung angeschlossen ist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt, wie Geräte- bzw. Schutzerde oder Funktionserde, abzuleiten. Die Messeinrichtung ist zur Erfassung von über das Entstörfilterelement fließenden Ableitströmen und zur Lieferung eines einen jeweiligen Ableitstrom kennzeichnenden Ableitstromsignals eingerichtet. Die Steuereinrichtung dient der Ansteuerung der Schalterelemente der Trenneinrichtung, um diese für den Betrieb zum Schließen und im Fehler- oder Bedarfsfalle zum Öffnen anzusteuern.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung ferner zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente der wenigstens einen
Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung ein Ableitstromsignal als Reaktion auf das Schließen des Schalters zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung der Trenneinrichtung zu erkennen.
Gemäß der Erfindung wird ein Defekt eines der Schalterelemente der Trenneinrichtung durch das Schließen des wenigstens einen anderen Schalterelementes der Trenneinrichtung und eine Beobachtung der Reaktion eines durch das wenigstens eine Entstörfilterelement der
Entstörfiltereinrichtung hervorgerufenen Ausgleichstromes, der Rückschlüsse auf einen vorliegenden Schalterdefekt ermöglicht, festgestellt. Unter einem Defekt ist hier insbesondere die Fehlfunktion zu verstehen, dass das betreffende Schalterelement trotz einer Ansteuerung zum öffnen geschlossen bleibt, weil z.B. bei Schaltern zur galvanischen Trennung ein Kontakt klemmt oder kleben bleibt.
Wichtig ist dabei, dass das wenigstens eine Entstörfilterelement der Entstörfiltereinrichtung vom Netz aus gesehen hinter oder stromabwärts (im normalen Betrieb der
Energieerzeugungseinrichtung vor oder stromaufwärts) der Trenneinrichtung angeordnet ist, damit im Fehlerfalle ein Ableit- bzw. Ausgleichstrom vom Netz über die Trenneinrichtung und das Entstörfilterelement zu dem Bezugspunkt, insbesondere der Geräte- oder Funktionserde, abfließen kann. Dies ist im Allgemeinen bei Energieerzeugungsanlagen bspw. mit Wechselrichtern vorgesehen, so dass vorteilhafterweise hier bereits vorhandene Anlagenkomponenten genutzt werden können. Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung kann mit relativ geringem Aufwand implementiert werden und benötigt hierzu nur wenige oder keine zusätzliche Bauelemente.
Jedenfalls ist die Komplexität gering, was auch den Installationsaufwand verringert. Im einfachsten Fall kann die Lösung zur Funktionsüberprüfung rein softwaretechnisch implementiert werden, so dass bereits existierende Anlagen ohne weiteres, z.B. durch Fernwartung nachgerüstet werden können. Jedenfalls ermöglicht die erfindungsgemäße Methode eine effektive und zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit der Potential-Trenneinrichtung einer
Energieerzeugungseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung ist vorzugsweise eine
Photovoltaikeinrichtung zur .Erzeugung elektrischer Energie aus einer durch einen
Photovoltaikgenerator gelieferten Energie mittels eines vorzugsweise transformatorlosen Photovol- taikwechselrichters. Bei solchen Wechselrichtern ist eine funktionssichere Isolierung oder Trennung des Wechselrichters von dem Netz bspw. zur Instandhaltung des Netzes unbedingt erforderlich, um Arbeiter am Netz vor elektrischen Schlägen zu schützen, insbesondere wenn kein zusätzlicher Trenntransformator vorgesehen ist. Die Energieerzeugungseinrichtung kann aber auch für
Windkraftanlagen, auf Brennstoffzellen basierende Energieerzeugungsanlagen oder dgl.
verwendet werden. Die Energieerzeugungsanlage kann auch zur Speisung eines Verbrauchers verwendet werden, wenn dieser auch in der Lage ist, elektrische Energie zurück in die
Energieerzeugungsanlage zu speisen. Dies kann bspw. bei einem elektrischen Antriebssystem der Fall sein, das einen Motor-Generator aufweist, der in einem Motorbetrieb durch die
Energieerzeugungseinrichtung gespeist wird und der in einem Generatorbetrieb Strom zurück zu der Energieerzeugungseinrichtung liefern kann. Insofern ist unter einem„Netz" hier auch ein derartiger Verbraucher zu verstehen, der Strom von der Energieerzeugungseinrichtung empfangen und zu dieser liefern kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung, insbesondere für Photövoltaikanwendungen, ist der Stromrichter durch einen ein- oder mehrphasigen Wechselrichter, insbesondere einen
Photovoltaikwechselrichter, gebildet, der eingangsseitige Gleichspannungsenergie in
ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umrichtet und dessen Ausgang wenigstens einen ersten Phasenanschluss und einen Neutralanschluss aufweist. Die wenigstens eine Leitung weist dann wenigstens einen ersten Phasenleifer, der an den ersten Phasenanschluss angeschlossen ist, und einen Neutralleiter auf, der an den Neutralanschluss angeschlossen ist. Zusätzliche ist eine
Geräteerdung oder eine Funktionserdung vorgesehen. Die Trenneinrichtung weist eine erste Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Schalterelement auf, die in dem ersten Phasenleiter angeordnet sind. Die Trenneinrichtung kann ferner eine weitere
Reihenschaltung aus wenigstens einem weiteren ersten und zweiten Schalferelement aufweisen, die in dem Neutralleiter angeordnet sind. Damit können normgemäß alle geerdeten und ungeerdeten stromführenden Leiter vom Netz getrennt werden.
In dem hierin verwendeten Sinne umfasst die„wenigstens eine Leitung" eine Leitung, zwei Leitungen oder drei und mehr Leitungen. Je nach Anwendungsfall kann die wenigstens eine Leitung ausschließlich Leitungen mit Potentialtrennung oder auch Leitungen mit und Leitungen ohne Potentialtrennung enthalten. Im Falle eines Wechselspannungsnetzes ist die wenigstens eine Leitung z.B. ein Neutralleiter und wenigstens ein Phasenleiter.
Die Energieerzeugungseinrichtung kann auch für ein mehrphasiges Wechselspannungsnetz vorgesehen sein und bspw. einen dreiphasigen Wechselrichter mit drei Phasenanschlüssen, einem Neutralanschluss und einer Erdung an dessen Ausgang, drei Phasenleiter, einen Neutralleiter und eine Erdungsverbindung aufweisen, die [eweils zwischen einem der Phasenanschlüsse bzw. dem Neutralanschluss oder der Erdung des Wechselrichterausgangs und einem zugehörigen netzseitigen Anschluss verlaufen. In jedem Phasenleiter sowie in dem Neutralleiter kann dann
[eweils eine Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Schalterelement der Trenneinrichtung vorgesehen sein. Natürlich ist auch eine zweiphasige Ausführung möglich.
Zur höheren Sicherheit kann die Trenneinrichtung mehr als zwei gesondert ansteuerbare
Schalterelemente in jeder Reihenschaltung der wenigstens einen Leitung aufweisen. Dadurch lassen sich bessere Isolationen durch größere Gesamtluftstrecken aller Schalterelemente einer
Reihenschaltung erreichen. Auch in dem Falle, dass eines der Schalterelemente ausfällt und an den anderen Schalterelementen bereits durch Korrosion, Verschmutzung oder dgl. die Lufttrennstrecke etwas verringert ist, kann eine hinreichende gesamte Lufttrennstrecke sichergestellt werden. Zur Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung ist die Steuereinrichtung in diesem Fall vorzugsweise eingerichtet, um wahlweise gleichzeitig alle bis auf ein einzelnes der
Schalterelemente jeder Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung als Reaktion ein Ableit- bzw. Ausgleichsstromsignal zu erhalten und anhand des Stromsignals einen Defekt des einen einzelnen Schalterelementes der jeweiligen Reihenschaltung zu erkennen.
Als steuerbare Schalterelemente für die Trenneinrichtung werden vorzugsweise
elektromagnetische Schalter, insbesondere Schütze oder Relais eingesetzt. Diese sind einfach steuerbar und für die bspw. in Photovoltaikanlagen oder dgl. vorgesehenen Leistungen geeignet. Alternativ oder zusätzlich können je nach Anwendung auch Halbleiterschalterelemente, wie bipolare Leistungstransistoren, MOSFET-Leistungstransistoren, IGBTs oder dgl., verwendet werden. Im normalen Betrieb werden alle Schalterelemente aller Reihenschaltungen der Trenneinrichtung von der Steuereinrichtung geschlossen. Soll eine Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz bewirkt werden, so werden alle Schalterelemente zum Öffnen angesteuert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jedes Schütz oder Relais zwei oder mehrere gleichartige Schaltkontakte auf, die in unterschiedlichen Leitern der wenigstens einen Leitung, bspw. in unterschiedlichen Phasenleitern öder in einem Neutralleiter und einem oder mehreren unterschiedlichen Phasenleitern, angeordnet sind und gemeinsam über einen einzigen Steuerkreis angesteuert werden können. Dadurch kann der Aufwand bei der Steuerung und
Funktionssicherheitsüberprüfung der Schalterelemente reduziert werden.
Die Entstörfiltereinrichtung kann unterschiedliche Filterkomponenten zur Verringerung von
Gleichtakt- oder Gegentaktstörsignalen aufweisen, die insbesondere durch den Stromrichter hervorgerufen werden. Diese Komponenten können verteilt zwischen dem stromrichterseitigen Ausgang und dem netzseitigen Ausgang in allen Leitern der wenigstens einen Leitung angeordnet sein. Hierzu gehören insbesondere vorzugsweise auch Netzfilter, die als Tief- oder Bandpässe ausgebildet sind und vorzugsweise zwischen der Trenneinrichtung und dem netzseitigen Anschluss eingefügt sind. Das wenigstens eine Entstörfilterelement, das im Fehlerfalle der Trenneinrichtung bei der Funktionsprüfung aufgrund von Ausgleichsvorgängen den Ableitstrom hervorruft, ist jedoch zwischen dem stromrichterseitigen Ausgang und der Trenneinrichtung untergebracht.
In einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Entstörfilterelement einfach ein
Entstörkondensator, der zwischen einem Phasenleiter der wenigstens einen Leitung und einer Erde, Geräteerde (Schutzerde, PE) oder Funktionserde (FE), angeschossen ist. Pro Phasenleiter ist wenigstens ein derartiger Entstörkondensator vorgesehen. Solche Entstörkondensatoren sind üblicherweise in Stromrichtern von Energieerzeugungsanlagen, insbesondere PV-Wechselrichtern, bereits vorhanden. Insofern können bereits vorhandene Bauteile für die Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung genutzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet die Messeinrichtung einen Teil einer allstromsensitiven Fehlerstromüberwachungseinheit. Derartige allstromsensitive
Fehlerstromüberwachungseinheiten sind bei modernen transformatorlosen Wechselrichtern integriert, um alle Arten von Fehler- bzw. Leckströmen gegen die Erde, wie Gleich-, Wechsel- und Pulsströme, zu erfassen. Die allstromsensitive Fehlerstromüberwachungseinheit kann dann bei der Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung auch einen gegebenenfalls auftretenden Ausgleichstrom erfassen und ein zugehöriges Stromsignal an die Steuereinrichtung liefern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Messeinrichtung einen
Messstromwandler in Form eines Differenzstromsensors auf, durch den alle zwischen den stromseitigen Anschlüssen und den netzseitigen Anschlüssen verlaufenden Leiter der wenigstens einen Leitung, also alle Phasenleiter und der Neutralleiter, hindurchgeschleift sind und der zur Erfassung der Differenz bzw. Summe aller Ströme, die in den Leitern fließen, eingerichtet ist. Der Differenzstromsensor kann insbesondere Teil der allstromsensitiven
Fehlerstromüberwachungseinheit sein, so dass auch auf ohnehin vorhandene Bauteile bereits existierender Energieerzeugungsanlagen zurückgegriffen werden kann.
Die Steuereinrichtung und die Messeinrichtung sind vorzugsweise eingerichtet, um die
Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung durchzuführen, bevor der Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, in Betrieb geht. Bspw. kann der Stromrichter, insbesondere ein PV- Wechselrichter, komplett durch die Gleichspannung eines Genergtors, insbesondere eines PV- Generators, versorgt sein. Sobald bspw. in den frühen Morgenstunden eine hinreichend große Gleichspannung an dem PV-Wechselrichter anliegt, sorgt dieser für eine Gleichspannung, die über der Netzscheitelspannung liegt. Der PV-Wechselrichter führt zunächst eine Vorsteuerungsroutine zur Synchronisation mit dem Netz aus und verbindet sich mit dem Netz, sobald er netzsynchron ist. Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung wird vor der Vorsteuerungsroutine durchgeführt, um im Defektfalle eine Betriebaufnahme des Wechselrichters zu verhindern.
Zur Auswertung eines von der Messeinrichtung empfangenen Ableitstromsignals bei der
Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung kann die Steuereinrichtung eine Vergleichereinrichtung aufweisen, die das empfangene Ableitstromsignal mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und bei Überschreitung des Schwellenwertes einen Defekt der Trenneinrichtung feststellt. Ein Schwellenwert kann basierend auf den Parametern des Netzes, der
Entstörfiltereinrichtung, der Impedanz der wenigstens einen Leitung und dgl. geeignet festgelegt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um wenigstens zwei erste bzw. zweite Schalterelemente in unterschiedlichen Phasenleitern oder in einem Phasenleiter und einem Neutralleiter gleichzeitig zum Öffnen oder zum Schließen anzusteuern. Dies ist insbesondere in Kombination mit Schützen oder Relais nützlich, die wenigstens zwei gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte aufweisen. Der Realisierungsaufwand und der erforderliche Platz für die Bauelemente können verringert werden. Die Ansteuerung wird vereinfacht. Auch die
Überprüfung der Funktionssicherheit der Trenneinrichtung gestaltet sich einfacher und schneller, da zeitgleich Defekte in unterschiedlichen einzelnen Leitern und gleichzeitige Fehler in zwei Leitern erkannt werden können. Im letzten Fall eines Zweifachfehlers ist der erfasste Ausgleichstrom, bspw. der durch den Differenzstromsensor erfasste Differenz- bzw. Summenstrom, noch ausgeprägter, was eine noch genauere, sicherere und schnellere Erfassung ermöglicht.
Zusätzlich zu der durch zwei Schalterelemente pro Leiter geschaffenen Redundanz kann auch die Steuereinrichtung redundant ausgeführt sein, um die Funktionssicherheit weiter zu verbessern.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung zwei gesonderte Steuereinheiten, bspw. Prozessoren, Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder dgl., aufweisen. Eine erste Steuereinheit kann bspw. zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente aller Reihenschaltungen dienen, während eine zweite Steuereinheit zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente aller Reihenschaltungen vorgesehen sein kann. Damit wird auch die Funktionssicherheitsüberprüfung durch unterschiedliche Steuer- bzw. Prozessoreinheiten vorgenommen, so dass auch Einzelfehler bei diesen berücksichtigt werden, um die erforderliche Fehlertoleranz der selbsttätigen Trenneinrichtung zu erreichen. In jedem
Einzelfehlerfall-Szenario, das eine Ansteuerung oder ein Schalterelement einbezieht, verbleibt noch wenigstens eine Steuereinheit und ein Schalterelement im Neutralleiter und in einem
Phasenleiter, die eine sachgerechte Trennung des Stromrichters vom Netz sicherstellen.
Die erfindungsgemäße Funktionsüberprüfung ist im Allgemeinen auf die in den Phasenleitern enthaltenen Schalterelemente der Trenneinrichtung beschränkt. Da der Neutralleiter meist netzseitig mit dem Schutzleiter (PE-Leiter) verbunden ist, liegt im Idealfall zwischen dem Neutralleiter und dem PE-Leiter keine Spannungsdifferenz vor. Somit findet auch kein Ausgleichsvorgang statt, wenn eines der Schalterelemente der Trenneinrichtung in dem
Neutralleiter klemmt und das andere geschlossen wird. Um auch eine zuverlässige
Funktionssicherheitsüberprüfung der Schalterelemente in dem Neutralleiter zu ermöglichen, bezieht die erfindungsgemäße Steuereinrichtung hierfür vorzugsweise zusätzlich eine Isolationsmessung des Stromrichters mit ein.
Insbesondere weist die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinrichtung vorzugsweise ferner eine Isolationsmesseinrichtung zur Bestimmung eines Isolationswiderstandes des Stromrichters auf. Eine derartige Isolationsmesseinrichtung ist üblicherweise in Stromrichtern, insbesondere
Wechselrichtern, von Energieerzeugungsanlagen für die Isolationsfehlerdetektion vorhanden und wird hier erfindungsgemäß zusätzlich für die Funktionsprüfung der Trenneinrichtung herangezogen. Hierzu steuert die Steuereinrichtung eines der Schalterelemente in dem Neutralleiter zum
Schließen an und stellt einen Defekt des anderen der Schalterelemente in dem Neutralleiter anhand des von der Isolationsmesseinrichtung ermittelten Isolationswiderstandes fest. Bei einem fehlerhaften Klemmen oder Kleben des Schaltkontaktes des anderen Schalterelementes ist der Stromrichter, je nach Netzform, galvanisch mit dem Netz verbunden ünd dadurch eine Isolation nicht mehr gewährleistet. Ein äußerst geringer Isolationswiderstand deutet somit auf einen derartigen Defekt des anderen Schalterelementes hin.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung zur
Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen
Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, geschaffen. Die Energieerzeugungseinrichtung weist einen Stromrichter zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang in eine netzkonforme Energie an seinem
Ausgang, wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Ausgangs des Stromrichters mit dem Netz, die Trenneinrichtung zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung eine in der wenigstens einen Leitung angeordnete Reihenschaltung aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen aufweist, die vorzugsweise zur galvanischen Trennung eingerichtet sind, und eine Entstörfiltereinrichtung auf, die wenigstens ein zwischen dem Ausgang des Stromrichters und der Trenneinrichtung an die wenigstens eine Leitung angeschlossenes Entstörfilterelement aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt, insbesondere gegen Masse oder einen Neutralleiter, abzuleiten. Erfindungsgemäß wird bei dem Funktionssicherheitsprüfverfahren, das vorzugsweise durchgeführt wird, bevor der Stromrichter, insbesondere ein Wechselrichter, in Betrieb geht und mit dem Netz verbunden wird, zunächst eines der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung angesteuert, um es zu schließen, woraufhin ein als Reaktion darauf durch das wenigstens eine Entstörfilterelement hervorgerufener Ausgleichstrom gemessen und ein Defekt, ein Kleben oder Klemmen eines Kontaktes, wenigstens eines anderen der Schalterelemente der wenigstens einen Reihenschaltung anhand des gemessenen Ausgleichstroms festgestellt wird.
Die vorstehenden Verfahrensschritte werden für alle Schalterelemente der Trenneinrichtung wiederholt. Damit können Einzeldefekte an allen Schalterelementen der Trenneinrichtung, insbesondere in allen Phasenleitern sicher erkannt werden. Das Verfahren ist einfach und schnell durchführbar. Im Übrigen entsprechen die Aspekte, Vorteile, Ausführungsformen und
Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens denjenigen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieerzeugungseinrichtung erläutert sind.
Vorzugsweise wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine
Energieerzeugungseinrichtung verwendet, wie sie vorstehend näher beschrieben ist.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnungen, der Beschreibung oder der Unteransprüche. In der Zeichnung sind nicht beschränkende Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung einer Energieerzeugungsanlage zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in einem Netz mit einer Einrichtung zur Funktionsüberprüfung einer Trenneinrichtung zur Potentialtrennung der Anlage von dem Netz gemäß Aspekten der Erfindung, in stark vereinfachter Darstellung;
Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Energieerzeugungsanlage nach Figur 1 in vereinfachter, gegenüber Figur 1 detaillierter Darstellung; Figur 3 ein Flussdiagramm zur Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung der Energieerzeugungsanlage nach Figur 1 oder 2, in vereinfachter Darstellung;
Figur 4 eine modifizierte Ausführungsform der Energieerzeugungsanlage nach Figur 1 oder
2 in stark vereinfachter Darstellung; und
Figur 5 ein verallgemeinertes Flussdiagramm zur Funktionsüberprüfung einer
Trenneinrichtung bspw. der Energieerzeugungsanlage nach Figur 4, in vereinfachter Darstellung.
In Figur 1 ist in einer stark schematisierten, zum Teil blockschaltbildlichen Darstellung eine
Energieerzeugungsanlage 1 zur Umwandlung einer eingangsseitig bereitgestellten elektrischen Gleichstromes aus einem Generator 2 in einen ausgangsseitigen Wechselstrom veranschaulicht. Die Energieerzeugungsanlage 1 weist den Generator 2 und einen hier dreiphasigen Stromrichter
3 auf, der je nach Anforderung auch ein einphasiger Stromrichter sein könnte. Als Stromrichter ist hier eine beliebige Einrichtung gemeint, die elektrische Energie einer Art in elektrische Energie einer anderen Art umwandeln kann. Es kann bspw. ein Gleichrichter zur Umwandlung von
Wechsel- in Gleichstrom, ein Umrichter zur Änderung der Frequenz eines Wechselstroms oder ein Wechselrichter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energieerzeugungsanlage eine Photovoltaik (PV)- Anlage oder eine Windkraftanlage oder eine auf Brennstoffzellen basierende Anlage, so dass der Generator 2 eine regenerative Energiequelle, bspw. einen PV-Generator bildet, der ein oder mehrere hier nicht im Einzelnen dargestellte PV-Module aufweist, die miteinander verbunden sind, um an dem Ausgang des PV-Generators eine Gleichspannung zu erzeugen und einen Gleichstrom bereitzustellen. Der Stromrichter 3 bildet dann einen Wechselrichter, der die an seinem Eingang bereitgestellten Gleichstrom in einen hier bspw. dreiphasigen Wechselstrom an seinem Ausgang wandelt.
Weiterhin bezugnehmend auf Figur 1 sind die Ausgangspole des Generators 2 hier mit 4, 5 bezeichnet, an die der Eingang 7 des Stromrichters 3 angeschlossen ist. Insbesondere ist ein positiver Eingangsanschluss 8 und ein negativer Eingangsanschluss 9 des Stromrichters 3 mit dem positiven bzw. negativen Pol 4, 5 des Generators 2 verbunden. Der Stromrichter weist ferner einen hier fünfpoligen Ausgang 1 1 auf, zu dem die drei Ausgangsanschlüsse (L 1 , L2, L3) 1 2, 1 3, 14, die die einzelnen Phasen der ausgangsseitigen Wechselspannung des Stromrichters 3 führen, ein Neutralausgangsanschluss (N) 16 und ein Erdungsausgangsanschluss (PE bzw. FE) 15 des Stromrichters 3 gehören.
Der Stromrichter 3, insbesondere Wechselrichter, kann von beliebiger vorzugsweise
transformatorloser Bauart sein, die die Stromum- bzw. -wechselrichtung ermöglicht.
Bevorzugterweise weist der Stromrichter 3 eine hier nicht näher darstellte Stromrichterschaltung auf, die in bekannter Weise eine Parallelschaltung von hier bspw. drei im Wesentlichen identischen Halb- oder Vollbrücken mit jeweils in Reihen verbundenen Schaltern aufweisen kann, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz nach vorgegebenen Mustern geschaltet werden, um aus der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom eine passende, insbesondere netzkonforme
Wechselspannung und einen passenden Wechselstrom an dem Ausgang 1 1 zu erzeugen. Der am Ausgang 1 1 des Stromrichters 3 gelieferte Wechselstrom wird zu Einspeisung in ein Netz 17 verwendet, wobei der Begriff „Netz" hierin im erweiterten Sinne auch elektrische Verbraucher, wie bspw. elektrische Motor-Generator-Antriebe umfassen kann, die sowohl durch die
Energieerzeugungsanlage 1 gespeist werden als auch Strom in diese zurückspeisen können.
Ansonsten ist das Netz vorzugsweise ein Stromversorgungsnetz, bspw. ein öffentliches Netz eines Energieversorgers. In der dargestellten Ausführungsform weist der in das Netz 17 eingespeiste dreiphasige Wechselstrom drei im Wesentlichen betragsgleiche, jeweils um 120 Grad zueinander phasenverschobene Ausgangsströme auf.
Die drei Ausgangsanschlüsse 1 2- 1 4 des Stromrichters 3 sind über jeweilige Phasenleiter 1 8, 19 bzw. 20 mit Phasenanschlüssen 22, 23 bzw. 24 verbunden, die die Ausgangsanschlüsse der insgesamt mit 21 bezeichneten Energieerzeugungseinrichtung bzw. gesamten Strom- Wechselrichteranordnung zwischen dem Generator 2 und dem Netz 17 bzw. die
Eingangsanschlüsse des Netzes 17 bilden. Ferner ist der Neutralausgangsanschluss 16 des Stromrichters 3 über einen Neutralleiter (N-Leiter) 26 mit einem Neutralanschluss 27 als
Ausgangsanschluss der Energieerzeugungseinrichtung 21 bzw. Eingangsanschluss des Netzes 17 verbunden. Außerdem ist an den Erdungsausgangsanschluss 15 des Stromrichters 3 bzw. den zugehörigen Ausgangsanschluss 25 der Energieerzeugungseinrichtung 21 ein zum Schutz gegen elektrischen Schlag bestimmter Schutzleiter (PE-Leiter) oder ein Funktionserdungsleiter (FE-Leiter) 28 zur Ableitung von Ausgleichs- und Störströmen vorgesehen, der, wie mit dem Erdungssymbol 29 angedeutet, geerdet ist und mit dem vorzugsweise auf der Netzseite auch der Neutralleiter 26 verbunden ist. Ein PE-Leiter 28 kann sich über die gesamte Anlage hinweg erstrecken, und an ihm ist vorzugsweise auch das Gehäuse des Generators 3 und des Stromrichters 3 angeschlossen.
Wie ferner aus Figur 1 ersichtlich, sind in den Phasenleitern 1 8-20 und dem Neutralleiter 26 weitere Komponenten der Ausgangsseite des Stromrichters 3 angeordnet. Hierzu gehören insbesondere eine Entstörfiltereinrichtung 3 1 , eine Trenneinrichtung 32 und eine
Stromsensoreinrichtung 33.
Die Entstörfiltereinrichtung 31 ist zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen auf der
Ausgangsseite des Stromrichters 3 vorgesehen. Insbesondere weist die Entstörfiltereinrichtung 3 1 in der hier dargestellten Ausführungsform wenigstens ein erstes und ein zweites Entstörfilterelement 34 bzw. 36 auf, die zur Filterung insbesondere asymmetrischer Störspannungen bzw. -ströme, so genannter Gleichtaktstörungen, die bspw. durch das hochfrequente Schalten der Schaltereinheiten des Strom- bzw. Wechselrichters 3 hervorgerufen werden, dienen. Insbesondere ist in jedem Phasenleiter 1 8-20 jeweils ein erstes Entstörfilterelement 34 und ein zweites Entstörfilterelement 36 angeordnet.
Das erste Entstörfilterelement 34 ist jeweils zwischen dem jeweiligen Phasenausgangsanschluss 1 2, 1 3, bzw. 1 4 des Stromrichters 3 und der Trenneinrichtung 32 eingefügt und zusätzlich mit dem Schutzleiter (PE) 28 unmittelbar verbunden, um Fehler- und Störströme gegen die Erde 29 als Bezugspunkt abzuleiten. Alternativ könnte jedes erste Entstörfilterelement 34 mit einer
Funktionserde (FE) verbunden sein, wie sie in Wechselrichteranordnungen häufig für EMV-Filter vorgesehen ist. Für die Funktionsweise der Erfindung ist die Schutzfunktion eines Schutzleiters nicht von Bedeutung. Vielmehr kommt es auf die Möglichkeit der Ableitung von Ausgleichsströmen an.
Das zweite Entstörfilterelement 36 ist in jedem Phasenleiter 1 8, 19 bzw. 20 jeweils zwischen der Trenneinrichtung 32 und dem netzseitigen Phasenanschluss 22, 23 bzw. 24 eingefügt und im Allgemeinen durch ein Netzfilter, bspw. ein LC-Bandpass- oder LC-Tiefpassfilter gebildet, wie dies in der Technik allgemein bekannt ist. Das erste Störfilterelement 34, das zweite Störfilterelement 36 und ein optionaler Ferritkern zur Unterdrückung höherfrequenter Störanteile bilden zusammen die Entstörfiltereinrichtung 31 , die zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit vorgesehen sind.
Die Trenneinrichtung 32 ist zur Potentialtrennung des Stromrichters 3 von dem Netz 17 im Falle einer Störung vorgesehen. Hierzu weist die Trenneinrichtung 32 in jedem Phasenleiter 1 8, 19 und 20 sowie in dem Neutralleiter 26 jeweils eine Reihenschaltung 37, 38, 39 bzw. 40 aus einem ersten ansteuerbaren Schalterelement Si l und einem zweiten ansteuerbaren Element Si2 (i = 1 bis 4) auf, die hier in der bevorzugten Ausführungsform zur galvanischen Trennung der jeweiligen Leitung eingerichtet sind. Genauer gesagt, ist eine erste Reihenschaltung 37 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S l 1 und S1 2 in dem L I -Phasenleiter 18 angeordnet, während eine zweite Reihenschaltung 38 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S21 , S22 in dem L2- Phasenleiter 19 angeordnet ist, eine dritte Reihenschaltung 39 aus zwei ansteuerbaren
Schalterelementen S31 , S32 in dem L3-Phasenleiter 20 angeordnet ist und eine vierte
Reihenschaltung 40 aus zwei ansteuerbaren Schalterelementen S41 , S42 in dem Neutralleiter 26 angeordnet ist.
Als ansteuerbare Schalterelemente S i l ... S42 werden vorzugsweise Relais oder Schütze eingesetzt, die sich zum Schalten bei den großen elektrischen Leistungen eignen, wie sie bei den vorliegenden Anwendungen vorkommen. Für andere Anwendungen könnten alternativ oder zusätzlich auch Halbleiterschalter, wie bipolare Leistungstransistoren, MOSFET- Leistungstransistoren, IGBTs und dgl., verwendet werden.
Im normalen Einspeisebetrieb des Stromrichters werden alle hier acht Schalterelemente S i l ... S42 von einer hier nur schematisiert dargestellten Steuereinrichtung 42 zum Schließen angesteuert. Im Falle einer Störung oder Wartung des Netzes 17 können alle Schalterelemente S i l ... S42 von der Steuereinrichtung 42 zum Öffnen angesteuert werden, um die Verbindung zwischen dem Stromrichter 3 und dem Netz 17 über die Phasenleiter 18-20 und den Neutralleiter 26 zu unterbrechen, um die erforderliche Potentialtrennung zu bewirken.
Die Stromsensoreinrichtung 33 ist hier Teil einer sogenannten allstromsensitiven
Fehlerstromüberwachungseinheit 42, die manchmal auch als RCMU (Residual Count Monitoring Unit) bezeichnet wird und insbesondere bei transformatorlosen PV-Wechselrichtern zur Realisierung eines allstromsensitiven Fehlerstrom-Schutzschalters (AFI-Moduls) üblicherweise integriert ist. Die allstromsensitive Fehlerstrom-Überwachungseinheit 42 dient dem Anlagen- und Personenschutz und erkennt Fehler- bzw. Leckströme in Form von Gleich-, Wechsel- und/oder Pulsströmen, die insbesondere in einem Wechselrichter, bei den PV-Modulen oder in der
Verkabelung der PV-Module entstehen können. Wird ein derartiger Fehler- bzw. Leckstrom erfasst, der einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, sodass er eine Gefahr für Menschen darstellen könnte, wird eine automatische Abschaltung des Stromrichters 3 über die Trenneinrichtung 32 bewirkt. Hierzu ist kein externer Fehlerstromschalter erforderlich. Die Überwachungs- und
Auswertelogik der allstromsensitiven Überwachungseinheit 42 kann Teil einer Steuerungslogik der Steuereinrichtung 41 zur Steuerung des Stromrichters 3 sein.
Die Stromsensoreinrichtung 33 selbst ist in der bevorzugten Ausführungsform als ein
Differenzstromsensor beschaffen, durch den alle Phasenleiter 1 8-20, die den Betriebsstrom von dem Stromrichter-Ausgang 1 1 zu dem Netz 17 führen, und der Neutralleiter 26 als Primärleiter hindurchgeschleift sind, so dass der Differenzstromsensor 33 die Differenz bzw. Summe der durch die Primärleiter fließenden Wechselströme erfasst. Hierzu gehören insbesondere kapazitive Ableitströme, die durch bspw. einen PV-Generator 2 systematisch erzeugt werden, mögliche ohmsche Fehlerströme, die z. B. durch eine schadhafte Isolierung einer PV-Anlage erzeugt werden, sowie Ableit- bzw. Ausgleichströme, die bei der nachstehend beschriebenen Prüfprozedur zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung 32 gegebenenfalls hervorgerufen werden. All diese Ableitbzw. Fehlerströme können sicher erkannt und unterschieden werden, woraufhin eine
Potentialtrennung mittels der Trenneinrichtung 32 erzwungen werden kann.
Bezugnehmend auf Figur 2 sind weitere Einzelheiten einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage 1 veranschaulicht. Wie zu ersehen, ist das erste Entstörfilterelement 34 der Entstörfiltereinrichtung 31 hier jeweils durch einen
Entstörfilterkondensator (C D 43, 44, bzw. 45, gebildet, der jeweils einerseits an einer Stelle eines jeweiligen Phasenleiters 1 8, 19 bzw. 20 zwischen dem Stromrichterausgang 1 1 und der
Trenneinrichtung 32 und andererseits an den Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 angeschlossen ist. Die Entstörfilterkondensatoren 43-45 leiten hochfrequente Störsignale, die bspw. durch das Betreiben elektronischer Schalter des Stromrichters 3 hervorgerufen werden, hier gegen die Schutzerde bzw. Funktionserde 29 ab. In Figur 2 ist ferner eine mögliche Realisierungsform für das zweite Entstörfilterelement 36 der Entstörfiltereinrichtung 31 schematisiert veranschaulicht. Das zweite Entstörfilterelement 34 weist zur Unterdrückung höherer Störfrequenzen geeignete Tiefpassglieder auf, die hier durch LC- Glieder mit in den Phasenleitern 1 8-20 und dem Neutralleiter 26 jeweils eingefügten
Induktivitäten (L) 47 und an deren Ausgang zwischen den Leitern 1 8-20 bzw. 26 und Masse 29 jeweils angeschlossenen Kondensatoren (C2) 48 gebildet sind. Als die Induktivitäten 47 wird hier, wie durch den gekoppelten Kern angedeutet, eine stromkompensierte Drossel 49 eingesetzt, die, wie allgemein und üblich, dazu beitragen kann, sogenannte Gleichtaktstörungen, die gleichsinnig, mit gleicher Amplitude und Phase in den Leitern auftreten, wirksam zu dämpfen.
Die Steuereinrichtung 42 ist zur Ansteuerung der Schalterelemente S i l ... S42 der
Trenneinrichtung 32 eingerichtet. Die Steuereinrichtung 41 kann Teil der Steuerung sein, die den Betrieb des Stromrichters 3 steuert. Sie kann insbesondere gemeinsam mit dieser in Soft- bzw. Firmware implementiert sein, die auf einem gemeinsamen Prozessor abläuft. Die Steuereinrichtung 42 kann jedoch von der Steuerung des Stromrichters auch gesondert implementiert sein. Jedenfalls ist die Steuereinrichtung 42 vorzugsweise gemeinsam mit der Logik der allstromsensitiven
Überwachungseinheit 42 implementiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in der Figur 2 veranschaulicht ist, weist die
Steuereinrichtung 41 eine erste Steuereinheit 51 zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente S l 1 , S21 , S31 , S41 aller Reihenschaltungen 37-40 in den Leitern 1 8-20 und 26 sowie eine zweite gesonderte Steuereinheit 52 auf, die zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente S 12, S22, S32, S42 in den Leitern 1 8-20 und 26 vorgesehen ist. Die erste und die zweite Steuereinheit 1 und 52 sind vorzugsweise auf unterschiedlichen Prozessoren implementiert, um eine gewünschte Redundanz zu schaffen, die die gewünschte Einfehlertoleranz ermöglicht. Somit kann auch bei einem Defekt einer der Steuereinheiten 51 bzw. 52 sichergestellt werden, dass die andere Steuereinheit über die ihr zugeordneten Schalterelemente eine Potentialtrennung in allen Leitern 1 8-20 und 26 bewirken kann.
Die erste Steuereinheit 51 ist über Steuerleitungen 53-56 mit den ersten Schalterelementen S i l , S21 , S31 , S41 betriebsmäßig verbunden, während die zweite Steuereinheit 52 mit den zweiten Schalterelementen S l 2, S22, S32 und S42 über entsprechende zweite Steuerleitungen 58-61 betriebsmäßig verbunden ist. Wie ferner aus Figur 2 hervorgeht, weist jede von der ersten und zweiten Steuereinheit 51 , 52 eine Auswerteeinheit 63 bzw. 64 auf, die die von der
Stromsensoreinrichtung 33 gelieferten Signale empfängt, mit vorgegebenen Grenzwerten vergleicht und bspw. bei Uberschreiten der Grenzwerte eine Fehlermeldung ausgibt und die zugehörige Steuereinheit 1 bzw. 52 anweist, die zugehörigen Schalterelemente S i l ... S42 zum öffnen anzusteuern. Dies kann sowohl im Betrieb bei Feststellung von Fehlersfrömen als auch bei der erfindungsgemäßen Prüfprozedur zur Überprüfung der Trenneinrichtung 32 erfolgen.
Es muss sichergestellt werden, dass die Potentialtrenneinrichtung 32 bei Bedarf sicher funktioniert. Insofern schreibt die Norm DIN EN 62109-2 vor, dass die Isolation der selbstständigen
Trenneinrichtung eigenständig überprüft werden muss, bevor ein Wechselrichter in Betrieb geht. Ist eine Trenneinrichtung beschädigt, sodass bspw. einzelne Schaltkontakte auch dann geschlossen sind, wenn das Schalterelement zum Öffnen angesteuert wird, so muss dieser Defekt sicher erkannt und daraufhin verhindert werden, dass der Wechselrichter in Betrieb geht bzw. einen Betrieb wiederaufnimmt.
Um dies sicherzustellen, ist erfindungsgemäß eine Prüfprozedur vorgesehen, die die
Steuereinrichtung 41 durchführt, bevor der Stromrichter 3 in Betrieb geht, um eine fehlerfreie Funktionsweise der Trenneinrichtung 32 sicherzustellen. Diese Prüfprozedur soll nun anhand der Figur 3 erläutert werden.
Es wird angenommen, dass der Stromrichter 3, bspw. einen PV-Wechselrichter, durch die
Generatorgleichspannung versorgt ist. Sobald der Generator 2, insbesondere PV-Generator 2 genug Gleichspannung liefert, wird für eine hinreichend hohe Eingangsspannung gesorgt, die über der Netzscheitelspannung liegt, damit der Stromrichter eine passende Spannung erzeugen und elektrischen Strom in das Netz 17 einspeisen kann. Der Stromrichter 3 führt dann als Teil einer sogenannten Vorsteuerungsroutine seine Filter dem Netz 17 nach, um sich mit diesem zu synchronisieren, und verbindet sich mit dem Netz 17, sobald er netzsynchron ist. Vor der
Vorsteuerungsroutine führt der Stromrichter 3 die in Figur 3 veranschaulichte Prüfroutine durch. Wie in Figur 3 veranschaulicht, wird zunächst im Schritt S 101 der den Leiter kennzeichnende Index i zu 1 gesetzt. Dies bedeutet, dass der erste Phasenleiter 18 (L 1 ) betrachtet wird. Außerdem wird der Index für den Schalter j ebenfalls zu 1 gesetzt.
Anschließend wird im Schritt S 102 der Schalter Sij zum Schießen angesteuert. Dies heißt beim ersten Durchlauf der Routine, dass der erste Schalter S i l in dem ersten Phasenleiter 18 geschlossen angesteuert wird.
Im anschließenden Schritt Sl 03 wird überprüft, ob die Leitung i der Neutral!eiter ist. Wenn die Leitung i der Neutralleiter ist, wird anschließend mit Schritt S l 10 fortgefahren, der nachstehend näher erläutert ist. Wenn die Leitung i nicht der Neutralleiter ist, wie dies bspw. für die Phasenleiter 1 8, 19 und 20 der Fall ist, wird mit Schritt S 104 fortgefahren.
Im Schritt S 104 werden eventuelle Ausgleichströme erfasst, die durch Schließen des Schalters Sij hervorgerufen werden. Wenn bspw. in dem vorliegenden Beispiel, in dem der Schalter S l 1 geschlossen wird, der zweite Schalter S l 2 der Reihenschaltung 37 defekt ist und geschlossen bleibt, obwohl er offen angesteuert ist, wird durch das Schließen des Schalters Si l ein Strom hervorgerufen, der von dem Netz 17 über den ersten Phasenleiter 18, das Netzfilter 36 der Entstörfiltereinrichtung 31 und die geschlossenen Schalter S l 1 , S 12 fließt und über den
Entstörfilterkondensator (C D 43 zum Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 abgeleitet wird. Dieser Ableitstrom wird durch den Differenzstromsensor 33 als ein von dem Netz 17 in die Entstörfiltereinrichtung 31 eingespeister Ausgleichstrom bzw. Differenzstrom erfasst oder registriert. Da der Ausgleichsstrom über den Phasenleiter 1 8 in die Entstörfiltereinrichtung 34 hinein und über den Schutzleiter bzw. Funktionserdungsleiter 28 zur Erde 29 abfließt, ist die Summe bzw. Differenz aller Ströme durch den Differenzstromsensor 33 ungleich Null.
In der bevorzugfen Ausführungsform mit zwei getrennten Steuereinheiten 51 , 52 wird, wenn einer der ersten Schalter S 1 1 , S21 , S31 oder S41 geschlossen angesteuert wird, das den
Ausgleichstrom kennzeichnende Signal der ersten Auswerteeinheit 63 der ersten Steuereinheit 51 zur Auswertung zugeführt. In dem Fall, wenn ein zweiter Schalter S l 2, S22, S32 bzw. S42 geschlossen angesteuert wird, wird das Ausgleichstromsignal der zweiten Auswerteeinheit 64 der zweiten Steuereinheit 52 zur Auswertung zugeführt. Alternativ kann das Ausgleichstromsignal beiden Steuereinheiten 51 , 52 zur Verfügung gestellt und die Auswertung bzw. Überwachung von beiden Steuereinheiten 51 , 52 parallel vorgenommen werden, um eine höhere Redundanz und Sicherheit zu schaffen.
Im Schritt S105 überprüft die jeweilige Auswerteeinheit 63 bzw. 64, ob ein bemerkbarer
Ausgleichstrom vorliegt. Hierzu kann die Auswerteeinheit 63 bzw. 64 das den Ausgleichstrom kennzeichnende Signal, das sie von der Messeinrichtung 33 erhält, bspw. mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleichen. Es könnten aber auch andere Kriterien, die z. B. die erwartete Signalform des Ausgleichstroms betreffen können, herangezogen werden.
Wird anhand des Ausgleichstromsignals erkannt, dass ein Ausgleichstrom vorliegt, z. B. die Intensität des Ausgleichsstroms größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass der andere Schalter Sik (mit k j) in der Leitung i defekt ist (Schritt S106). Wenn bspw. einer der ersten Schalter S l 1 , S21 bzw. S31 einer jeweiligen Reihenschaltung 37-39 geschlossen angesteuert wird, so ist bei Erfassung von Ausgleichströmen der jeweilige zweite Schalter S 12, S22 bzw. S32 als defekt anzusehen. In diesem Fall wird, wie im Schritt S107 dargestellt, der Fehler an eine übergeordnete Instanz gemeldet und gegebenenfalls an dem Stromrichter 3 angezeigt, und ein Stromrichterbetrieb wird verhindert.
Im anderen Fall, wenn kein hinreichender Ausgleichstrom festgestellt wird, wird im anschließenden Schritt S 108 der Schalter Sij geöffnet, und der Index i für die Leitung wird um 1 inkrementiert (Schritt S9), um die nächste Leitung zu überprüfen. Im nächsten Iterationsschritt werden dann die Schritte S 102 bis S 109 und gegebenenfalls S l 10, Sl 1 1 wiederholt.
Ein Klemmen oder Kleben eines Kontaktes in einem Schalter S41 , S42 in dem Neutralleiter 26 ist nicht in der vorstehend beschriebenen Weise feststellbar, weil im Idealfall zwischen dem
Neutralleiter 26 und dem Schutzleiter 28 keine Spannungsdifferenz vorliegt und somit auch kein Ausgleichsvorgang stattfindet. Im Allgemeinen fehlt auch ein Entstörfilterkondensator C l , der vom Netz 17 aus betrachtet hinter der Trenneinrichtung 32 angeordnet wäre und einen
entsprechenden Ausgleichsstrom hervorrufen könnte. Für diesen Fall wird eine Isolationsmessung an dem Stromrichter 3 vorgenommen. Derartige Isolationsmessroutinen sind in Steuerungen für Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern vorgeschrieben und stets vorhanden und in verschiedenen Formen allgemein bekannt. Im allgemeinen wird mittels eines Schalters einer integrierten Messschaltung einer der Eingangsanschlüsse 8, 9 des Stromrichters 3 über einen Messwiderstand mit der Masse verbunden, sodass Strom über den jeweiligen Isolationswiderstand an dem anderen Stromrichtereingangsanschluss 9 bzw. 8 und den Messwiderstand zur Masse abfließen kann. Uber den Spannungsabfall an dem Messwiderstand lässt sich dann der
Isolationswiderstand an dem jeweiligen Eingangsanschluss 9 bzw. 8 bestimmen. Die Messung kann dann für den anderen Eingangsanschluss 8 bzw. 9 wiederholt werden, um den
Isolationswiderstand an diesem zu bestimmen.
Bei der Routine zur Prüfung der Funktionssicherheit der Trenneinrichtung 32 wird die
Isolationsmessung im Schritt S l 10 zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Schalter S41 und S42 in dem Neutralleiter 26 durchgeführt. Wird dabei bei geschlossenem Schalter S41 (bzw. S42) im Schritt S l 1 1 festgestellt, dass ein Isolationsfehler vorliegt, so zeigt dies an, dass ein Defekt an dem anderen Schalter S42 (bzw. S41 ) in dem Neutralleiter 26 vorliegt, weil der Stromrichter 3 nun galvanisch, je nach Netzform, mit dem Netz 17 verbunden ist und dadurch die Isolation nicht mehr gewährleistet ist. Folglich wird in diesem Fall im Schritt S 106 der Schalter S42 (bzw, S41 ) als defekt erklärt, woraufhin der Fehler im Schritt S 107 gemeldet und der Stromrichterbetrieb verhindert wird.
Es sollte beachtet werden, dass außer der vorstehend erläuterten speziellen Methode zur Bestimmung der Isolationswiderstände in der Technik zahlreiche andere Isolationsmessmethoden allgemein bekannt, die hier alternativ auch verwendet werden könnten, um auch einen Defekt eines Kontaktes eines Schalters S41 , S42 in dem Neutralleiter 26 zu erkennen.
Falls im Schritt S l 1 1 kein Isolationsfehler erfasst wird, wird anschließend im Schritt S l 12 überprüft, ob j = 2, ob also bereits alle Schalter S i l bis S42 für die Überprüfung herangezogen worden sind. Falls dies nicht der Fall ist, wird anschließend im Schritt S l 1 3 der Leitungsindex i = 1 gesetzt und der Schalterelementeindex j um 1 inkrementiert, hier also auf 2 gesetzt, um die
Funktionsüberprüfung aufeinanderfolgend mittels der zweiten Schalterelemente S 12, S22, S32, S42 in den Leitern 18-20 und 26 fortzusetzen. Die Routine kehrt dann zum Schritt S 102 zurück, um iterativ die Schritte S 102 bis S 109 und gegebenenfalls S l 10, S l 1 1 für die nächst zu schließenden zweiten Schalterelemente S 1 2, S22, S32 bzw. S42 durchzuführen. Falls alle Schalter S l 1 ... S42 bereits herangezogen worden sind (ja im Schritt Sl 12), wird anschließend im Schritt S l 1 die Vorsteuerungsroutine angestoßen. Im Rahmen der
Vorsteuerungsroutine wird der Stromrichter 3 mit dem Netz 17 synchronisiert, wonach alle Schalterelemente S i l ... S42 der Trenneinrichtung 32 geschlossen werden, um den Stromrichter 3 an das Netz 17 anzuschließen und diesen in Betrieb zu nehmen. Die Netzsynchronisation erfolgt nach einer Überprüfung der Isolation des Stromrichters 3, wobei die Isolationsüberprüfung auch vor oder während der Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 vorgenommen werden kann. Solange im anschließenden Einspeisebetrieb kein Fehler auftritt, der ein Abschalten des
Stromrichters 3 erfordert, bleiben alle Schalter S l 1 .. S42 geschlossen.
Die erfindungsgemäße Prüfmethode weist viele Vorteile auf. Die Prüfeinrichtung und das
Prüfverfahren lassen sich relativ leicht implementieren und ermöglichen bei geringer Komplexität eine effektive und zuverlässige Überwachung der Funktionssicherheit der Potentialtrennung der Energieerzeugungsanlage. Insbesondere können die steuerbaren Schalterelemente S i l„. S42 der Trenneinrichtung 32 selbsttätig, schnell und zuverlässig überprüft werden.
Auch in bereits bestehenden Energieerzeugungsanlagen, bspw. in PV-Wechselrichtern, lässt sich die erfindungsgemäße Prüfmethode verhältnismäßig aufwandsarm, vorzugsweise allein durch eine zusätzliche softwarebasierte Steuerlogik der Steuereinrichtung 41 , die aktualisiert werden kann, nachrösten. Im Allgemeinen ist ein Entstörfilterkondensator, wie bspw. C T (43-45) in Fig. 2, bereits in PV-Wechselrichterschaltungen für Entstörmaßnahmen vorgesehen. Falls dies nicht der Fall ist, kann dieser ohne Schwierigkeiten hinzugefügt werden. Außerdem ist auch im Allgemeinen eine Messeinrichtung in Form eines allstromsensitiven Differenzstromsensors 33 (vgl. Figuren 1 und 2) bereits in existierenden PV-Wechselrichtern vorhanden. Gleiches gilt auch für eine
Isolationsmessroutine, die für Wechselrichter dringend vorgeschrieben ist. Somit werden keine oder nur wenige zusätzliche Bauelemente benötigt.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Wie bereits erwähnt, kann die Energieerzeugungseinrichtung, wie sie in den Figuren 1 und 2 zwischen dem Generator 3 und dem Netz 17 eingefügt ist, für unterschiedliche Anwendungen, einschließlich Energieerzeugung aus Photovoltaik, Windkraft oder Brennstoffzellen, zur Erzeugung von Wechselstrom oder Gleichstrom, zur Speisung elektromotorischer Antriebe, etc. verwendet werden. Im Falle einer Wechselstromerzeugung kann die Energieerzeugungseinrichtung ein-, zwei- oder dreiphasig ausgeführt sein. Die Entstörfiltereinrichtung kann unterschiedliche allgemein bekannte
Konfigurationen einnehmen. Insbesondere kann das erste Entstörfilterelement außer einem
Entstörfilterkondensator (C D 42-45 einen parallel geschalteten Ableitwiderstand aufweisen oder auch durch eine andere RLC-Schaltung realisiert sein. Wichtig ist, dass ein Ableit- oder
Ausgleichsstromfluss bei der Funktionsprüfung der Trenneinrichtung 32 ermöglicht ist. Statt des Differenzstromsensors 33 könnte auch eine gesonderte Messeinrichtung diesen Ausgleichsstrom erfassen, wobei jedoch die Verwendung des Differenzstromsensors 33 von Vorteil ist, weil dann die allstromsensitive Uberwachungseinheit 42 für unterschiedliche Aufgaben genutzt werden kann. Prinzipiell ist die redundante Ausführung der Steuereinrichtung 41 mit den zwei unabhängigen Steuereinheiten 51 und 52 nicht zwingend erforderlich, aus sicherheitstechnischen Aspekten jedoch vorteilhaft und ratsam.
In Figur 4 sind weitere Modifikationen der Erfindung dargestellt. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird zur Vermeidung von Wiederholungen unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren 1 -3 verwiesen.
Die in Figur 4 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten zunächst durch die Ausbildung der Trenneinrichtung 32. Diese weist hier Schütze (bzw. Relais) als Schalterelemente S i l ... S42 auf, die jeweils zwei gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte aufweisen, die in unterschiedlichen Leitern 1 8-20 und 26 angeordnet sind. Bspw. weist ein erstes Schütz die Schaltkontakte Sl 1 , Sl 2 auf, die in dem ersten Phasenleiter (L I ) 18 und dem zweiten Phasenleiter (L2) 1 angeordnet sind und gemeinsam hier von der ersten
Steuereinheit 51 über eine erste Störleitung 53' angesteuert werden. Ferner weist ein zweites Schütz zwei Schaltkontakte S31 und S41 , die in dem dritten Phasenleiter (L3) 20 und dem Neutralleiter 26 angeordnet sind und gemeinsam hier von der ersten Steuereinheit 51 über eine weitere erste Steuerleitung 54' angesteuert werden. Ein drittes Schütz weist die Schaltkontakte S l 2 und S22 in dem ersten und zweiten Phasenleiter 1 8, 20 auf, die gemeinsam von der zweiten
Steuereinheit 52 über eine zweite Steuerleitung 60' angesteuert werden können. Ein viertes Schütz oder Relais weist die Schaltkontakte S32 und S42 auf, die in dem dritten Phasenleiter 20 und dem Neutralleiter 26 angeordnet sind und gemeinsam von der zweiten Steuereinheit 52 über die gemeinsame weitere zweite Steuerleitung 59' angesteuert werden können.
Durch diese Konfiguration kann die Anzahl der Bauelemente, insbesondere Schütze oder Relais, der Ansteuerungsleitungen für diese und der hierzu benötigte Platzbedarf reduziert werden. Die Ansteuerungslogik der Steuereinrichtung 41 und die Logik für die Funktionssicherheitsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 sind vereinfacht.
Zur Funktionsüberprüfung der Trenneinrichtung 32 kann in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben, zunächst das Schütz (bzw. Relais) mit den Schalterelementen bzw. - kontakten S l 1 und S21 zum Schließen angesteuert werden. Treten Ausgleichsströme auf, ist' unter Vernachlässigung der zusätzlichen Schalterelemente S 1 3, S23, S33 und S43, die weiter nachstehend beschrieben sind, davon auszugehen, dass das Schütz mit den Kontakten S l 2 und S22 defekt ist.
Wird von der ersten Steuereinheit 51 das Schütz mit den Schalterelementen S31 und S41 zum Schließen angesteuert und treten Ausgleichsströme auf, so ist das Schütz mit den
Schalterelementen S32 und S42 defekt.
Ein Kleben bzw. Klemmen des Schalterelementes S42 in dem Neutralleiter 26 wird wiederum anhand einer Isolationsmessung überprüft. Wird ein Isolationsfehler erkannt, so ist das
Schalterelement S42 defekt.
Die Prozedur wird anschließend mit den weiteren Schützen wiederholt, indem alle Schütze zum Öffnen angesteuert werden und anschließend das Schütz mit den Kontakten Sl 2 und S22 zum Schließen angesteuert wird. Treten Ausgleichsströme auf, so ist das Schütz mit den Kontakten S l 1 und S21 defekt.
Anschließend wird das Schütz mit den Schalterelementen S32 und S42 zum Schließen angesteuert und das Schütz mit den Kontakten S31 und S41 als defekt angesehen, wenn hier Ausgleichsströme fließen. Ein Kleben bzw. Klemmen des Kontaktes S41 in dem Neutralleiter 26 wird anhand einer
Isolationsmessung überprüft und dieses als defekt angesehen, wenn ein Isolationsfehler festgestellt wird.
Figur 4 zeigt eine weitere Modifikation, die zusätzlich oder alternativ an der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung 32 vorgenommen werden kann. Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist die
Trenneinrichtung 32 hier veranschaulicht, wie sie in jedem Leiter 1 8-20 und 26 zwischen dem Ausgang 1 des Stromrichters 3 und den netzseitigen Anschlüssen 22-24 und 27 jeweils ein zusätzliches drittes Schalterelement aufweist. Ein Schalterelement Sl 3 ist in Reihe zu den
Schalterelementen S l 1 und S 12 angeordnet, ein weiteres drittes Schalterelement S23 ist in Reihe zu den Schalterelementen S21 und S22 angeordnet, ein weiteres drittes Schalterelement S33 ist in Reihe zu den Schalterelementen S31 und S32 angeordnet, und ein weiteres drittes
Schalterelement S43 ist in Reihe zu den Schalterelementen S41 und S42 angeordnet. Durch das Vorsehen der zusätzlichen dritten Schalterelemente S l 3, S23, S33 und S43 in der
Trenneinrichtung 32 wird eine zusätzliche Sicherheit in Bezug auf eine ausreichende galvanische Trennung erzielt. Die drei Schalterelemente pro Reihenschaltung 37-40 ergeben einen größeren Lufttrennabstand, der auch ausreichen kann, wenn eines der Schalterelemente defekt ist, also klebt oder klemmt, oder die anderen Schalterelemente bereits durch Alterung, Korrosion und
Verschmutzung leicht beeinträchtigt sind. Wartungs- bzw. Austauschmaßnahmen können auf ein Minimum reduziert werden.
In Figur 4 sind die dritten Schalterelemente S l 3, S23, S33 und S43 veranschaulicht, wie sie von der zweiten Steuereinheit 52 über Steuerleitungen 60' und 61 ' ansteuerbar sind. Alternativ könnten sie aber auch von der ersten Steuereinheit 51 oder von einer gesonderten, zusätzlichen (hier nicht näher veranschaulichten) Steuereinheit der Steuereinrichtung 41 ansteuerbar sein.
Ferner können die Paare von Schalterelementen S l 3, S23 bzw. S33, S43 jeweils gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte eines einzelnen Schützes bilden, wie dies im Zusammenhang mit den Schaltkontakten Sl 1 ... S42 in der Ausführungsform nach Figur 4 vorstehend beschrieben sind. Es können auch weitere Schalterelemente in jeder Reihenschaltung 37-40 vorgesehen sein, um die Sicherheit weiter zu erhöhen, oder es können auch Schütze bzw. Relais mit mehr als zwei gemeinsam ansteuerbaren Schaltkontakten eingesetzt werden. Allgemein entspricht die Funktionsprüfung im Falle wenigstens dreier Schalterelemente pro Phasenleiter 18-20 und Neutralleiter 26 der Methode, wie sie im Zusammenhang mit Figur 3 vorstehend erläutert ist. Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm, das den allgemeinen Fall betrifft, das maxj Schalter (maxj = 3, wie in Figur 4 veranschaulicht, oder mehr) in jeder Reihenschaltung 37-40 der Trenneinrichtung 32 verwendet werden. Das Flussdiagramm nach Figur 5 entspricht weitgehend dem nach Figur 3, sodass, um Wiederholungen zu vermeiden, grundsätzlich auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird und hier lediglich die Unterschiede dargelegt werden.
Im modifizierten Schritt S 102' wird nun der Schalter Sij, also der Schalter j in der Leitung i, zum Öffnen angesteuert, während alle anderen Schalter Sik (k Φ j) zum Schließen angesteuert werden. Wenn im Schritt S 105 Ausgleichströme erfasst werden, so ist in diesem Fall im modifizierten Schritt S 106' festzustellen, dass der Schalter Sij defekt ist. Außerdem ist der Schritt S 108' insofern zu modifizieren, als nun alle Schalter Sik (k φ j) zum Öffnen angesteuert werden, um den nächsten Schalter Sij zu überprüfen. Im Schritt S l 1 2' wird überprüft, ob alle Schalterelemente j (j = 1 bis maxj) in allen Leitern 18-20 und 26 überprüft worden sind.
Es ist verständlich, dass in dem Prüfverfahren nach Fig. 3 oder Fig. 5 die Reihenfolge der Schritte, insbesondere die Prüfreihenfolge der Leitungen i und/oder der Schalterelemente j geändert werden kann, ohne dass von dem Rahmen der Erfindung abgewichen wird.
Eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere aus regenerativer Energie, zur Einspeisung in ein Netz 17 weist einen Stromrichter 3, wenigstens eine Leitung zur elektrischen Verbindung des Stromrichters 3 mit dem Netz 17, eine Trenneinrichtung 32 zur Potentialtrennung des Stromrichters von dem Netz, wobei die Trenneinrichtung 32 eine in der wenigstens einen Leitung 18-20, 26 angeordnete Reihenschaltung 37-40 aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen S i l .. S43 aufweist, eine Entstörfiltereinrichtung 31 , die wenigstens ein zwischen dem Ausgang 1 1 des Stromrichters 3 und der Trenneinrichtung 32 an die wenigstens eine Leitung 1 8-20 angeschlossenes Entstörfilterelement 34 aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, eine Messeinrichtung 33 zur Erfassung von über das Entstörfilterelement 34 fließenden Ableitströmen und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Ableitstromsignale und eine Steuereinrichtung 41 zur Ansteuerung der Schalterelemente S i l ... S43 der Trenneinrichtung 32 auf. Um die Schalterelemente auf Funktionssicherheit zu überprüfen, ist die Steuereinrichtung 41 eingerichtet, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente S i l .. S43 einer Reihenschaltung 37-40 zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung 33 ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente in der Reihenschaltung zu erkennen. Ferner ist ein Verfahren zur Prüfung der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung einer Energieerzeugungseinrichtung geschaffen.

Claims

Patentansprüche:
1. Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle (2), insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz (17), insbesondere ein Stromversorgungsnetz, mit einem Stromrichter (3) zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang (7) in eine
netzkonforme Energie an seinem Ausgang ( 1 1 ); mit wenigstens einer Leitung ( 1 8-20, 26) zur elektrischen Verbindung des Ausgangs ( 1 1 ) des Stromrichters (3) mit dem Netz ( 17); mit einer Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters (3) von dem Netz ( 17), wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung ( 1 8-20, 26) angeordnete Reihenschaltung (37-40) aus wenigstens zwei gesondert ansteuerbaren Schalterelementen (S i l ... S43) aufweist; mit einer Entstörfiltereinrichtung (3 1 ), die wenigstens ein zwischen dem Ausgang ( 1 1 ) des
Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung ( 1 8-20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten; eine Messeinrichtung (33) zur Erfassung über das Entstörfilterelement (34) fließenden
Ableitströmen und zur Lieferung eines einen jeweiligen Ableitstrom kennzeichnenden
Ableitstromsignals; und mit einer Steuereinrichtung (41 ) zur Ansteuerung der Schalterelemente (S l 1 .. S43) der
Trenneinrichtung (32), wobei die Steuereinrichtung (42) zur Funktionsprüfung der Trenneinrichtung
(32) eingerichtet ist, um wahlweise wenigstens eines der Schalterelemente (S i l .. S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37-40) zum Schließen anzusteuern, von der Messeinrichtung
(33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt wenigstens eines anderen der Schalterelemente (S l 1 ... S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37-40) zu erkennen.
2. Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Photovoltaikeinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer durch einen
Photovoltaikgenerator (2) gelieferten Energie mittels eines vorzugsweise transformatorlosen Photovoltaikwechselrichters (3) ist.
3. Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (3) durch einen ein- oder mehrphasigen Wechselrichter gebildet ist, der eingangsseitige Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umrichtet und dessen Ausgang ( 1 1 ) wenigstens einen ersten Phasenanschluss (1 2) und einen Neutralanschluss ! 16) aufweist; die wenigstens eine Leitung wenigstens einen ersten Phasenleiter ( 18), der an den ersten
Phasenanschluss ( 12) angeschlossen ist, und einen Neutralleiter (26) aufweist, der an den
Neutralanschluss ( 16) angeschlossen ist; und die Trenneinrichtung (32) wenigstens eine erste Reihenschaltung (37) aus wenigstens einem ersten und zweiten Schalterelement (S l 1 , S l 2), die in dem ersten Phasenleiter ( 1 8) angeordnet sind, und eine weitere Reihenschaltung (40) aus wenigstens einem weiteren ersten und zweiten
Schalterelement (S41 , S42) aufweist, die in dem Neutralleiter (26) angeordnet sind.
4. Energieerzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dreiphasigen Wechselrichter (3) mit drei Phasenanschlüssen ( 1 2- 14) und einem Neutralanschluss ( 16) an dessen Ausgang ( 1 1 ), drei Phasenleitern ( 1 8-20) und einem Neutralleiter (26), die jeweils zwischen einem der Phasenanschlüsse ( 1 2- 14) bzw. dem Neutralanschluss (16) des
Wechselrichterausgangs (1 1 ) und einem zugehörigen netzseitigen Anschluss (22-24, 27) verlaufen, und in jedem Phasenleiter ( 18-20) und dem Neutralleiter (26) jeweils eine Reihenschaltung (37-40) aus wenigstens einem ersten und zweiten Schalterelement (S l 1 ... S43) der Trenneinrichtung (32) aufweist.
5. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (32) mehr als zwei gesondert ansteuerbare Schalterelemente (S l 1 ... S43) in jeder Reihenschaltung (37-40) der wenigstens einen Leitung aufweist und die Steuereinrichtung (41 ) eingerichtet ist, um wahlweise gleichzeitig alle bis auf ein einzelnes der Schalterelemente der Reihenschaltung zum Schließen anzusteuern, von der
Messeinrichtung (33) ein Ableitstromsignal zu empfangen und anhand des Ableitstromsignals einen Defekt des einen einzelnen Schalterelementes der Reihenschaltung zu erkennen.
6. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (S l 1 ... S43) der Trenneinrichtung (32) durch Schütze oder Relais gebildet sind, wobei jedes Schütz oder Relais vorzugsweise zwei oder mehrere gleichartige, gemeinsam ansteuerbare Schaltkontakte (S l 1 ... S43) aufweist, die in
unterschiedlichen Leitern (1 8-20, 26) der wenigstens einen Leitung angeordnet sind.
7. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Entstörfilterelement (34) ein Entstörfilterkondensator (43- 45) ist, der vorzugsweise zwischen einem Phasenleiter (1 8-20) der wenigstens einen Leitung und einer Schutzerde (29) oder Funktionserde angeschlossen ist.
8. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (33) einen Teil einer allstromsensitiven
Fehlerstromüberwachungseinheit (42) bildet.
9. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (33) einen Messstromwandler in Form eines
Differenzstromsensors aufweist, durch den alle zwischen den stromrichterseitigen
Ausgangsanschlüssen ( 12-14, 16) und den netzseitigen Anschlüssen (22-24, 27) verlaufenden Leiter ( 1 8-20, 26) hindurchgeschleift sind und der zur Erfassung der Stromdifferenz eingerichtet ist.
10. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41 ) und die Messeinrichtung (33) eingerichtet sind, um die Funktionsprüfung der Trenneinrichtung (32) durchzuführen, bevor der Stromrichter (3), insbesondere Wechselrichter, in Betrieb geht.
1 1. Energieerzeugungseinrichfung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41 ) eine Vergleichereinrichtung (63, 64) aufweist, um das von der Messeinrichtung (33) empfangene Ableitstromsignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Überschreitung des Schwellenwertes einen Defekt der Trenneinrichtung (32) festzustellen.
1 2. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41 ) eingerichtet ist, um wenigstens zwei erste (S i l , S21 , S31 , S41 ) bzw. zweite (S 1 2, S22, S32, S42) Schalterelemente in unterschiedlichen
Phasenfeitern (1 8, 19) oder in einem Phasenleiter (20) und einem Neutralleiter (26) der wenigstens einen Leitung gleichzeitig offen oder geschlossen anzusteuern.
1 3. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41 ) eine erste Steuereinheit (51 ) zur Ansteuerung der ersten Schalterelemente (Sl 1 , 521 , S31 , S41 ) aller Reihenschaltungen (37-40) der wenigstens eine zweite Steuereinheit (52) zur Ansteuerung der zweiten Schalterelemente (S 12, S22, S32, S42) aller Reihenschaltungen (37-40) der wenigstens einen Leitung aufweist.
1 4. Energieerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Isolationsmesseinrichtung zur Bestimmung eines
Isolationswiderstands des Stromrichters (3) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (41 ) eingerichtet ist, um einen Defekt eines der Schalterelemente (S41 , S42, S43) in einem Neutralleiter (26) der wenigstens einen Leitung anhand eines von der Isolationsmesseinrichtung bestimmten Isolationswiderstandes festzustellen, während sie den wenigstens einen anderen der
Schalterelement zum Schließen ansteuert.
15. Verfahren zum Überprüfen der Funktionssicherheit einer Potentialtrenneinrichtung (32) einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Energiequelle, insbesondere einer regenerativen Energiequelle, und zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein Netz, insbesondere ein Stromversorgungsnetz, wobei die
Energieerzeugungseinrichtung einen Stromrichter (3) zur Umwandlung von Energie an seinem Eingang (7) in eine netzkonforme Energie an seinem Ausgang ( 1 1 ), wenigstens eine Leitung ( 18-20, 26) zur elektrischen Verbindung des Ausgangs (1 1 ) des Stromrichters (3) mit dem Netz ( 17), die Trenneinrichtung (32) zur Potentialtrennung des Stromrichters (3) von dem Netz (17), wobei die Trenneinrichtung (32) eine in der wenigstens einen Leitung (1 8-20, 26) angeordnete
Reihenschaltung (37-40) aus wenigstens zwei ansteuerbaren Schalterelementen (S l 1 ... S43) aufweist, und eine Entstörfiltereinrichtung (3 1 ) aufweist, die wenigstens ein zwischen dem Ausgang ( 1 1 ) des Stromrichters (3) und der Trenneinrichtung (32) an die wenigstens eine Leitung ( 1 8-20) angeschlossenes Entstörfilterelement (34) aufweist, um hochfrequente Störsignale gegen einen Bezugspunkt abzuleiten, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Ansteuern wenigstens eines der Schalterelemente (S l 1 ... S43) der wenigstens einen
Reihenschaltung (37-40), um es zu schließen,
Messen eines als Reaktion auf das Schließen des wenigstens einen Schalterelementes (S l 1 ... S43) durch das Entstörfilterelement (341 hervorgerufenen Ausgleichstroms; und
Erkennen eines Defektes eines anderen der Schalterelemente (S l 1 ... S43) der wenigstens einen Reihenschaltung (37-40) anhand des gemessenen Ausgleichstroms.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Energieerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.
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