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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/094929
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (16) and a method (30) for monitoring a photovoltaic system (2) having a number of parallel-connected strings (8) routed towards a common connecting lead (4, 6) for a reverse current (lR). In the method (30) it is provided for a current flow (ls) to be detected in a preferred direction (12) in each of the strings (8) and for a first total current flow (50) to be created therefrom, for a current flow (IA) to be detected in the preferred direction (12) in the connecting lead (4, 6) and for a second total current flow (54) to be created therefrom, and for the first total current flow (50) to be compared with the second total current flow (54), wherein a reverse current (IR) is recognised if the first total current flow (50) deviates (58) from the second total current flow (54) by more than a tolerance value (46).

Inventors:
STROBL CHRISTIAN (DE)
SEEFRIED JOCHEN (DE)
GERNGROSS ALBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/003068
Publication Date:
June 26, 2014
Filing Date:
October 11, 2013
Export Citation:
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Assignee:
ELLENBERGER & POENSGEN (DE)
International Classes:
G01R31/40; H02H3/18; H02J1/10
Foreign References:
US20080147335A12008-06-19
EP2282388A12011-02-09
DE202009004198U12010-08-12
EP2282388A12011-02-09
Other References:
ANONYMOUS: "Ground-Fault Analysis and Protection in PV Arrays", INTERNET CITATION, 28 July 2011 (2011-07-28), pages 1 - 4, XP002687005, Retrieved from the Internet [retrieved on 20121109]
Attorney, Agent or Firm:
FDST PATENTANWÄLTE (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren (30) zur Überwachung einer Photovoltaikanlage(2) mit einer Anzahl von parallel geschalteten und gegen einen gemeinsamen Anschlussleiter (4, 6) geführten Strings (8) auf einen Rückstrom (lR), bei dem

- ein Stromfluss (Is) in eine Vorzugsrichtung (12) in jedem der Strings (8) erfasst und hieraus ein erster Summenstromfluss (50) erstellt wird,

- ein Stromfluss ( ) in die Vorzugsrichtung (12) in dem Anschlussleiter (4, 6) erfasst und hieraus ein zweiter Summenstromfluss (54) erstellt wird,

- der erste Summenstromfluss (50) mit dem zweiten Summenstromfluss (54) verglichen wird, und

- bei einer Abweichung (58) des ersten Summenstromfluss (50) von dem zweiten Summenstromfluss (54) um mehr als einen Toleranzwert (46) ein Rückstrom (lR) erkannt wird.

2. Verfahren (30) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorzugsrichtung (12) entgegen der jeweiligen Rückstromrichtung (14) gewählt wird.

3. Verfahren (30) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der String (8) mit dem geringsten ermittelten Stromfluss (Is) als Träger des Rückstroms (lR) bestimmt wird, und insbesondere die Abweichung (58) abzüglich des Toleranzwerts (46) als Wert des Rückstroms (lR) herangezogen wird.

4. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass bei einem erkannten Rückstrom (IR) der String (8) mit dem geringsten ermittelten Stromfluss (Is) von dem Anschlussleiter (4, 6) und/oder der Anschlussleiter (4, 6) selbst getrennt wird.

5. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Summe aller geltenden Fehlertoleranzen bei der Erfassung des Stromflusses (Is) durch die Strings (8) und/oder die geltende Fehlertoleranz bei der Erfassung des Stromflusses (lA) durch den Anschlussleiter (4, 6) als Toleranzwert (46) herangezogen wird.

6. Vorrichtung (16) zur Überwachung einer Photovoltaikanlage(2) mit einer Anzahl von parallel geschalteten und gegen einen gemeinsamen Anschlussleiter (4, 6) geführten Strings (8) auf einen Rückstrom (lR), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Sensoranordnung (20), die eine, insbesondere zur Anzahl der Strings (8) korrespondierende, Anzahl von ersten Stromsensoren (22) und einen zweiten Stromsensor (24) zur Erfassung eines Stromflusses (Is, IA) durch jeden String (8) bzw. durch den Anschlussleiter (4, 6) in eine Vorzugsrichtung (12) aufweist.

7. Vorrichtung (16) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der oder die Stromsensoren (22, 24) lediglich zur Messung in die Vorzugsrichtung (12) vorgesehen und eingerichtet ist bzw. sind.

8. Vorrichtung (16) nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass alle ersten Stromsensoren (22) die gleiche Fehlertoleranz aufweisen, die insbesondere gleich einer Fehlertoleranz des zweiten Stromsensors (24) ist.

9. Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

gekennzeichnet durch

eine Unterbrechungseinheit (26) zur Unterbrechung des Stromflusses (ls, lA) durch zumindest einen der Strings (8) und/oder durch den Anschlussleiter (4, 6).

10. Vorrichtung (16) nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Unterbrechungseinheit (26) einen stromführenden mechanischen Schalter (72) und eine hierzu parallel geschaltete Halbleiterelektronik (74) umfasst, die bei geschlossenem Schalter (72) stromsperrend ist, und die einen mit dem Schalter (72) derart verschalteten Steuereingang (82) aufweist, dass bei sich öffnendem Schalter (72) eine infolge eines Lichtbogens (LB) über dem Schalter erzeugte Lichtbogenspannung die Halbleiterelektronik (74) stromleitend schaltet.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Photovoltaikanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Photovoltaikanlage mit einer Anzahl von parallel geschalteten und gegen einen gemeinsamen Anschlussleiter geführten Strings auf einen Rückstrom.

Eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) als elektrische Gleichstromanlage weist üblicherweise eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten Strings auf, die ihrerseits jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen (PV- Module) umfassen. Mit den gemeinsamen Anschlussleitern, gegen den die einzelnen Strings geführt sind, ist üblicherweise ein Wechselrichter verbunden. Mittels dessen wird der von den PV-Modulen bereitgestellte Gleichstrom in einen Wechselstrom zur Einspeisung in ein Stromnetz transformiert. Falls eines oder mehrere der PV-Module im Vergleich zu den übrigen lediglich schwach mittels der Sonnenenergie bestrahlt werden oder einzelne PV-Module defekt sein sollten, ist es möglich, dass ein so genannter Rückstrom auftritt. Hierbei fließt der elektrische Strom entgegen der Stromrichtung des fehlerfreien Falles. Dadurch können einzelne P PV-Module zerstört werden, oder aber der Wirkungsgrad der PV-Anlage wird zumindest reduziert.

Aus der EP 2 282 388 A1 ist eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer Photovoltaikanlage in ein Stromnetz bekannt. Die Photovoltaikanlage umfasst eine Vielzahl von Strings mit Photovoltaikmodulen, wobei jeder String mittels eines Leistungsschalters zu- und abschaltbar ist. Hierfür wird der Leistungsschalter motorisch geöffnet bzw. geschlossen. Im Falle eines Überstroms, der mittels eines richtungssensitiven und dem jeweiligen String zugeordneten Stromsensor erfasst wird, wird der jeweilige String von dem Stromnetz getrennt, wie dies beispielsweise bei einer fehlerhaften Verkabelung der Fall ist. Ferner wird mit jedem der Stromsensoren der jeweilige String auf einen Rückstrom überwacht und in diesem Fall ebenfalls der String von dem Stromnetz getrennt. Dabei ist aufgrund der Ausgestaltung der Stromsensoren als richtungssen- sitive Stromsensoren eine Zuordnung des Stromflusses in die jeweilige Richtung aufgrund des jeweiligen Messvorzeichens möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren und eine besonders geeignete Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen PV-Anlage auf einen Rückstrom anzugeben, die insbesondere kostengünstig sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Das Verfahren dient der Überwachung einer PV-Anlage auf einen Rückstrom, die eine Anzahl von zueinander parallel geschalteten und gegen einen gemeinsamen Anschlussleiter geführten Strings umfasst. Dabei bezeichnet ein String einen Strompfad. Dabei ist es möglich, dass zumindest einer der Strings ebenfalls aus einer weiteren Anzahl von zueinander parallel geschalteten Strompfaden besteht oder diese zumindest aufweist. Zweckmäßigerweise umfasst die Anlage zwei Anschlussleiter, mit denen jeweils die Strings elektrisch verbunden sind. Alternativ ist das dem Anschlussleiter abgewandte Ende des oder der Strings jeweils gegen Masse geführt. Geeigneterweise umfasst die PV-Anlage einen Wechselrichter. Die Strings weisen zweckmäßigerweise jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteter PV-Module auf.

In jedem der Strings wird ein Stromfluss in eine Vorzugsrichtung erfasst, wobei die Vorzugsrichtung dabei insbesondere gleichgerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Vorzugsrichtung der einzelnen Strings zueinander parallel und entweder auf den Anschlussleiter zu oder von diesem weg gerichtet. Bei den erfassten Stromflüssen handelt es sich bevorzugt um Messwerte, die mittels eines geeigneten Messgeräts erfasst werden. Alternativ werden die Stromflüsse aus hilfsweise erfassten Messgrößen berechnet. Die erfassten Stromflüsse entsprechen im Bereich der jeweils zur Erfassung beitragenden Toleranzen den tatsächlich durch den String fließenden elektrischen Strömen. Aus den erfassten Stromwerten wird ein Summenstromfluss erstellt, indem beispielsweise die einzelnen erfassten Werte aufaddiert werden. Zweckmäßigerweise wird bei einem Stromfluss entgegen der Vorzugsrichtung der Wert Null für den Stromfluss herangezogen. In einem weiteren Schritt, der vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich erfolgt, wird ein Stromfluss in die Vorzugsrichtung in dem Anschlussleiter erfasst und hieraus ein zweiter Summenstromfluss erstellt, wobei es sich bei dem erfassten Stromfluss ebenfalls insbesondere um einen direkt gemessenen Wert handelt. Für den zweiten Summenstromfluss wird insbesondere der erfasste Stromfluss durch den Anschlussleiter herangezogen. Auch hier entspricht ein Stromfluss entgegen der Vorzugsrichtung einem erfassten Wert von Null. Mit anderen Worten ist der zweite Summenstromfluss gleich Null, wenn der Stromfluss in dem Anschlussleiter entgegen der Vorzugsrichtung ist. Vorzugsweise sind sämtliche Vorzugsrichtungen zu einander parallel.

In einem sich anschließenden Verfahrensschritt wird der erste Summenstromfluss mit dem zweiten Summenstromfluss verglichen. Falls der erste Summenstromfluss von dem zweiten Summenstromfluss um mehr als einen Toleranzwert abweicht, der beispielsweise Null ist, ist ein Rückstrom erkannt. Insbesondere liegt ein Rückstrom vor, falls der zweite Summenstromfluss kleiner als der erste Summenstromfluss zuzüglich des Toleranzwertes ist.

Mittels des Verfahrens ist die Überwachung der PV-Anlage vereinfacht, da lediglich der Stromfluss in eine Richtung überwacht wird. Eine aufwändige Umpolung von Messgeräten, die zu einem Lichtbogen führen könnte, entfällt. Ferner können auch lediglich vergleichsweise kostengünstige Messgeräte zur Bestimmung des Stromflusses herangezogen werden, mittels derer lediglich ein Stromfluss in eine bestimmte Richtung ermittelbar ist, oder die nicht richtungssensitiv sind.

Geeigneterweise wird die Vorzugsrichtung entgegen der jeweiligen Rückstromrichtung gewählt, ist also antiparallel zu dieser. Folglich entspricht der jeweils erfasste Stromfluss nicht dem Rückstrom selbst, sondern dem Strom in die gewünschte Stromrichtung, für die die PV-Anlage vorgesehen und insbesondere eingerichtet ist. Somit ist es möglich, mittels des oder jedes ermittelten Stromflusses die aktuelle Leistung oder den aktuellen Wirkungsgrad der PV-Anlage zu bestimmen, wobei als einziger Verfahrensschritt der erste oder der zweite Summenstromfluss analysiert wird.

Zweckmäßigerweise wird derjenige der Strings als Träger des Rückstroms bestimmt, der den geringsten ermittelten Stromfluss aufweist. Mit anderen Worten wird angenommen, dass der String von dem Rückstrom durchflössen ist, bei dem der geringste Stromfluss ermittelt wurde. Insbesondere wird die Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Summenstromfluss abzüglich des Toleranzwerts als Wert des durch den String mit dem geringsten ermittelten Stromfluss fließenden Rückstroms herangezogen. Auf diese Weise ist nicht nur lediglich die Tatsache festgestellt, dass ein Rückstrom vorhanden ist. Es ist zudem auch, zumindest näherungsweise, der Wert des Rückstroms bekannt, auch wenn dieser mit einem Fehler, nämlich dem Toleranzwert selbst behaftet ist. Somit kann je nach Höhe des Rückstroms und des zugehörigen Toleranzwerts der Betrieb der PV-Anlage angepasst oder verändert werden, insbesondere um eine weitere Ausbreitung des Rückstroms zu verhindern.

In einer besonders geeigneten Ausführungsform wird der String mit dem geringsten ermittelten Stromfluss von dem Anschlussleiter getrennt, falls ein Rückstrom erkannt wurde. Auf diese Weise wird der String und etwaige in sich in diesem Strompfad befindenden elektrischen Bauteile und/oder weiterer Bauteile der PV- Anlage vor einer weiteren Beschädigung durch den Rückstrom geschützt. Ferner wird eine Verringerung des Wirkungsgrades der PV-Anlage verhindert.

Falls nach dem Abtrennen des Strings weiterhin ein Rückstrom besteht, der nunmehr mittels der nach der Abtrennung des Strings ermittelten Summenstromflüsse erkannt wurde, wird der nun den geringsten Stromfluss aufweisende String von dem Anschlussleiter getrennt, sodass zwei Strings von dem Anschlussleiter getrennt sind. Alternativ oder in Kombination hierzu wird der Anschlussleiter selbst durchtrennt, um den Stromfluss durch den Anschlussleiter zu unterbinden. Falls lediglich der Anschlussleiter bei einem erkannten Rückstrom unterbrochen wird, ist der Aufwand zur Unterbindung des Rückstroms vergleichsweise gering. Wenn sowohl der String als auch der Anschlussleiter unterbrochen werden, ist die Sicherheit vor einem Rückstrom erhöht, da die Stromunterbrechung redundant ausgelegt ist. Alternativ zur Unterbrechung des Anschlussleiters ist es ebenso möglich, sämtliche Strings zu unterbrechen, sofern ein Rückstrom bestimmt wurde. Folglich ist ebenfalls ein Stromfluss durch die PV-Anlage unterbunden. Dies ist beispielsweise vorgesehen, falls ein Betrieb der PV-Anlage mit der um einen String verringerten Anzahl von Strings nicht möglich oder gewünscht ist.

Zweckmäßigerweise wird die Summe aller geltenden Fehlertoleranzen, die bei der Erfassung des Stromflusses durch die Strings vorherrschen, zur Bildung des Toleranzwerts herangezogen. Insbesondere bildet deren Summe den Toleranzwert. Mit anderen Worten wird zusätzlich zu dem Stromfluss durch den jeweiligen String auch die dabei vorherrschenden jeweiligen Fehlertoleranzen erfasst und diese zur Bildung des Toleranzwerts aufaddiert. Dabei ist es möglich, dass sich die einzelnen Fehlertoleranzen zwischen den Strings unterscheiden, und/oder dass je nach Höhe des ermittelten Stromflusses unterschiedliche Fehlertoleranzen herangezogen werden.

Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu wird die Fehlertoleranz bei der Erfassung des Stromflusses durch den Anschlussleiter ermittelt und dieser Wert zur Bildung des Toleranzwerts verwendet. Zweckmäßigerweise wird der Toleranzwert aus der Summe der Fehlertoleranzen, die bei der Erfassung des Stromflusses durch die jeweiligen Strings auftreten, zuzüglich der Fehlertoleranz bei der Erfassung des Stromflusses durch den Anschlussleiter zur Bildung des Toleranzwerts herangezogen und bildet insbesondere diesen. Falls die Fehlertoleranzen nicht um den erfassten Wert symmetrisch schwanken, sondern je nach Unter- oder Übertretung anders ausgestaltet sind, so wird zur Bildung des Toleranzwertes entweder die Summe der positiven Fehlertoleranzen bei der Erfassung des Stromflusses durch die Strings zuzüglich der negativen Fehlertoleranz bei der Erfassung des Stromflusses durch den Anschlussleiter oder die Summe der negativen Fehlertoleranzen bei der Erfassung des Stromflusses durch die Strings zuzüglich der positiven Fehlertoleranz bei der Erfassung des Stromflusses durch den Anschlussleiter als Toleranzwert herangezogen, je nach Vorzeichen der Abweichung, also je nachdem, ob der erste Summenstromfluss größer oder kleiner als der zweite Summenstromfluss ist. Dabei bezeichnet„negative Fehlertoleranz" die Abweichung, die bei der Ermittlung des jeweiligen Stromflusses nach unten in Kauf genommen wird, also um wie viel der erfasste Wert von dem tatsächlichen Wert abweicht. Zusätzlich zu den einzelnen Fehlertoleranzen ist beispielsweise ein weiterer Korrekturterm zur Bildung des Toleranzwerts vorgesehen, mittels dessen weitere Effekte berücksichtigt werden. Aufgrund einer derartigen Ermittlung des Toleranzwerts werden lediglich tatsächliche Rückströme erkannt und nicht etwaige aufgrund von Messungsgenauigkeiten ermittelte Artefakte. Insbesondere, falls nach einem erkannten Rückstrom einer oder jeder Stromfluss unterbrochen wird, ist auf diese Weise die Ausfallsicherheit der PV-Anlage erhöht.

Die Vorrichtung zur Überwachung einer PV-Anlage auf einen Rückstrom umfasst eine Sensoranordnung und insbesondere ein Steuergerät, mittels dessen beispielsweise das Verfahren durchgeführt wird. Mit anderen Worten ist das Steuergerät vorgesehen und eingerichtet, das Verfahren zur Überwachung der PV-Anlage auf einen Rückstrom durchzuführen. Die PV-Anlage weist eine Anzahl von zueinander parallel geschalteten String (Strompfade) und einen Anschlussleiter auf, gegen den die, insbesondere sämtliche, Strings geführt sind.

Die Sensoranordnung umfasst einen zweiten Stromsensor und eine Anzahl von ersten Stromsensoren, also mindestens zwei Stromsensoren, die dazu vorgesehen und eingerichtet sind, einen Stromfluss in jedem der Strings zu erfassen. Vorzugsweise ist hierzu jedem der Strings der PV-Anlage jeweils einer der ersten Stromsensoren zugeordnet, und zweckmäßigerweise ist die Anzahl der ersten Stromsensoren gleich der Anzahl der Strings. Mittels des zweiten Stromsensors wird bei Betrieb der Vorrichtung ein Stromfluss durch den Anschlussleiter erfasst.

Die Stromerfassung erfolgt in den einzelnen Strings und dem Anschlussleiter in eine vorherbestimmte Vorzugsrichtung. Die Vorzugsrichtungen der einzelnen Strings und des Anschlussleiters sind vorzugsweise zueinander parallel und gleichgerichtet sowie zweckmäßigerweise entgegen der Richtung des zu überwachenden Rückstroms.

Die Anzahl der Stromsensoren der Sensoranordnung entspricht geeigneterweise der Anzahl der Strings zzgl. des Anschlussleiters, was die kostengünstigste Alternative darstellt, wobei dennoch sämtliche Stromflüsse erfasst werden können. Die Stromsensoren sind beispielsweise als Shuntwiderstand oder als Hallsensoren ausgebildet, die in einem Luftspalt eines geschlitzten Ringkerns angeordnet sind, der um den jeweiligen Strompfad, also den Anschlussleiter oder den jeweiligen String, angeordnet ist.

Mittels der Sensoranordnung ist es ermöglicht, nicht nur den Stromfluss der Strings zu erfassen, sondern auch den Stromfluss durch den Anschlussleiter. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf einen etwaig fließenden Rückstrom sowie eine Überwachung der PV-Anlage auf deren Leistungsfähigkeit, ohne dass zu dieser Bestimmung die Stromflüsse der einzelnen Strings aufaddiert werden müssten. Vielmehr steht dieser Wert direkt zur Verfügung, der zudem eine geringere Fehlertoleranz aufweist, da dieser mittels eines extra dafür geeigneten Stromsensors erfasst wird und somit nicht die Fehlertoleranzen der ersten Stromsensoren addiert werden müssen. Im Vergleich zur Verwendung lediglich eines den Anschlussleiter überwachenden Stromsensors ist mittels der Verwendung der ersten Stromsensoren zudem eine Überwachung der einzelnen Strings ermöglicht.

Besonders bevorzugt ist der zweite Stromsensor lediglich zur Erfassung eines Stromflusses in die Vorzugsrichtung eingerichtet und vorgesehen. Mit anderen Worten ist der zweite Stromsensor nicht richtungssensitiv. Folglich kann ein vergleichsweise kostengünstiger Stromsensor und/oder eine diesem zugeordnete Auswerteelektronik verwendet werden. Bei einem tatsächlichen elektrischen Strom, der entgegen der Vorzugsrichtung fließt, ist folglich der erfasste Stromfluss gleich Null (0).

Alternativ oder besonders bevorzugt sind die ersten Stromsensoren nicht richtungssensitiv ausgestaltet, so dass mittels dieser lediglich eine Erfassung des Stromflusses in die Vorzugsrichtung möglich ist. Sofern sämtliche Stromsensoren der Sensoranordnung lediglich zur Erfassung des Stromflusses in die jeweilige Vorzugsrichtung vorgesehen und eingerichtet sind, ist somit eine vergleichsweise kostengünstige Vorrichtung realisierbar.

Geeigneterweise weisen alle ersten Stromsensoren die gleiche Fehlertoleranz auf. Folglich sind für die ersten Stromsensoren derartige Stromsensoren ausgewählt und/oder vorgesehen, die mit den annähernd gleichen Fehlertoleranzen behaftet sind. Die einzelnen Messfehler der Stromsensoren, also die tatsächliche Abweichung im Vergleich zur herstellerseitig vorgegebenen Schwankungsbreite der Messwerte (Fehlertoleranz) können sich zwischen den einzelnen Stromsensoren jedoch unterscheiden.

Mittels der Verwendung von Stromsensoren mit der gleichen Fehlertoleranz ist eine Durchführung des Verfahrens besonders vereinfacht, zumal wenn als Toleranzwert die Summe aller geltenden Fehlertoleranzen der ersten Stromsensoren verwendet oder zumindest zur Berechnung des Toleranzwertes herangezogen wird. Besonders bevorzugt sind die einzelnen ersten Stromsensoren zueinander baugleich, was einen Wartungsaufwand reduziert.

Zweckmäßigerweise ist zudem die Fehlertoleranz des zweiten Stromsensors gleich der Fehlertoleranz der ersten Stromsensoren, und insbesondere ist der zweite Stromsensor baugleich zu den ersten Stromsensoren. Folglich umfasst die Sensoranordnung lediglich einen Typ von Stromsensoren, die in den ersten Stromsensoren und den zweiten Stromsensor aufgeteilt sind. Auf diese Weise ist eine Lagerhaltung von Stromsensoren vereinfacht und ein Wartungsaufwand verringert. Zudem ist die Berechnung des Toleranzwertes besonders vereinfacht, sofern dieser aus der Summe der Fehlertoleranzen zur Erfassung des Stromflusses durch den Anschlussleiter und die Strings berechnet wird, und falls pro String lediglich ein Stromsensor verwendet wird. Der Toleranzwert ist in diesem Fall gleich dem Produkt aus der geltenden Fehlertoleranz des Stromsensortyps multipliziert mit der Anzahl der Strings zuzüglich eins. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung eine Unterbrechungseinheit, mittels derer der Anschlussleiter trennbar ist, oder mittels derer zumindest ein elektrischer Strom durch den Anschlussleiter im Falle eines Rückstroms unterbrochen wird. Zudem ist es ermöglicht, im Falle eines Überstroms oder einer Überlastung der PV-Anlage diese mittels der Unterbrechungseinheit abzuschalten.

Zweckdienlicherweise umfasst die Vorrichtung zumindest eine Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung eines elektrischen Stroms durch einen der Strings. Geeigneterweise ist eine zu der Anzahl von Strings korrespondierende Anzahl von Unterbrechungseinheiten Bestandteil der Vorrichtung, wobei mittels jeweils einer von diesen je einer der Strings von dem Anschlussleiter getrennt werden kann, oder mittels derer zumindest ein elektrischer Strom durch den jeweiligen String unterbindbar ist.

Der oder die Unterbrechungseinheiten sind bevorzugt Bestandteil der Stromsensoren oder zumindest indirekt elektrisch mit diesen kontaktiert, so dass die mit der Unterbrechungseinheit versehenen Stromsensoren modulweise austauschbar sind, falls diese beschädigt sein sollten.

Die Unterbrechungseinheit weist insbesondere einen mechanischen Schalter auf, der im nicht ausgelösten Zustand der Unterbrechungseinheit, also wenn ein Stromfluss durch die Unterbrechungseinheit möglich ist, geschlossen und somit stromführend ist. Der mechanische Schalter, der beispielsweise federbelastet ist, ist vorzugsweise mittels einer Halbleiterelektronik überbrückt. Die Halbleiterelektronik umfasst einen elektrischen Schalter, beispielsweise einen Transistor und insbesondere einen IGBT. Ferner weist die Halbleiterelektronik einen Steuereingang auf, der insbesondere mit dem mechanischen Schalter verbunden ist. Bei sich öffnendem mechanischen Schalter, also bei einer Unterbrechung des Stromflusses durch die Unterbrechungseinheit, wird die Halbleiterelektronik aufgrund eines sich im Bereich des mechanischen Schalters ausbildenden Lichtbogens stromleitend geschalten. Hierfür weist die Halbleiterelektronik vorzugsweise einen Energiespeicher auf, der infolge des Lichtbogens innerhalb der Dauer des Lichtbogens aufgeladen wird und mittels dessen die Halbleiterelektronik betrieben wird. Aufgrund der Stromleitfähigkeit der Halbleiterschaltung im Falle eines Lichtbogens ist ein zu dem Lichtbogen vergleichsweise niederohmiger Strompfad zu dem Lichtboden parallel geschalten, was zu einem vergleichsweise frühen Erlöschen des Lichtbogens und somit einer vergleichsweise geringen Belastung der Unterbrechungseinheit führt. 1

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Photovoltaikanlage mit fünf zwischen zwei Anschlussleitern parallel geschalteten Strings und Stromsensoren,

Fig. 2 in einem Flussdiagram ein Verfahren zur Überwachung der Photovoltaikanlage auf einen Rückstrom, und

Fig. 3 einen der Stromsensoren mit einer Unterbrechungseinheit.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mir den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) 2 mit fünf zwischen einem ersten Anschlussleiter 4 und einem zweiten Anschlussleiter 6 parallel geschaltete Strings 8 dargestellt. Mit anderen Worten ist jeder der Strings 8 auf der einen Seite gegen den ersten Anschlussleiter 4 und auf der gegenüberliegenden Seite gegen den Anschlussleiter 6 geführt und mit diesen elektrisch kontaktiert. Die beiden Anschlussleiter 4, 6 sind ihrerseits mit einem Wechselrichter elektrisch verbunden, um eine mittels der PV-Anlage 2 erzeugte elektrische Leistung in ein Stromnetz einzuspeisen. Jeder der Strings 8 weist fünf Photovoltaikmodule (PV- Module) 10 auf, die ihrerseits in Reihe in dem jeweiligen String 8 geschaltet sind. Mittels der PV-Module 10 wird bei einer Sonneneinstrahlung ein Gleichstrom bereitgestellt. Mit anderen Worten fließt bei Betrieb der PV-Anlage 2 in jedem der Strings ein elektrischer Strom in eine Vorzugsrichtung 12, die sich zu einem elektrischen Strom durch die Anschlussleiter 4, 6 aufaddieren. Zur Überwachung der PV-Anlage 2 auf einen Rückstrom l R entgegen der Vorzugsrichtung 12 in eine Rückstromrichtung 14, der exemplarisch in dem dritten String 8 auftritt, und der zu einer Zerstörung der PV-Module 10 oder mindestens zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades der PV-Anlage 2 führen kann, ist eine Vorrichtung 16 vorgesehen, die eine Steuereinheit 18 und eine Sensoranordnung 20 um- fasst. Die Sensoranordnung 20 weist ihrerseits fünf erste Stromsensoren 22 auf, von denen jeweils einer jeweils einem der Strings 8 zugeordnet ist, und mittels derer ein Stromfluss ls durch den jeweiligen String 8 in die Vorzugsrichtung 12 erfasst wird. Weiterhin ist ein zweiter Stromsensor 24 Bestandteil der Sensoranordnung 20, wobei dieser dem ersten Anschlussleiter 4 zugeordnet ist. Mittels des zweiten Stromsensors 24 wird ein Stromfluss durch den Anschlussleiter 4 in die Vorzugsrichtung 12 erfasst.

Die Stromsensoren 22, 24 sind baugleich, so dass sämtliche mit diesen aufgenommenen Messwerte mit derselben Federtoleranz behaftet sind. Diese beträgt beispielsweise 0,05 Ampere (A) und ist symmetrisch um den jeweiligen Messwert, also den jeweiligen erfassten Stromfluss ls, - Die Messwerte können dabei mittels der Stromsensoren 22, 24 lediglich in die Vorzugsrichtung 12 ermittelt werden. Bei einem tatsächlichen elektrischen Strom in die Rückstromrichtung 14, also bei einem Rückstrom l R , ist der mittels der Stromsensoren 22, 24 erfasste Wert folglich gleich Null (0).

Jeder der Stromsensoren 22, 24 weist ferne eine Unterbrechungseinheit 26 (Fig. 3) auf und ist über eine Leitung 28 mit der Steuereinheit 18 verbunden. Dabei werden die mittels der Stromsensoren 22, 24 erfassten Stromflüsse ls, über die Leitungen 28 an die Steuereinheit 18 übertragen und die jeweiligen Unterbrechungseinheiten 26 mittels der Leitungen 28 von der Steuereinheit 18 mit Steuersignalen beaufschlagt. Falls ein Überlastfall auftritt, oder eine Abschaltung der PV- Anlage 2 vorgesehen ist, werden der ersten Anschlussleiter 4 und/oder die Strings 8 mittels der von der Steuereinheit 18 über die Leitungen 28 angesteuerten Unterbrechungseinheiten 26 der jeweiligen Stromsensoren 22, 24 getrennt, und der jeweilige tatsächlich fließende elektrische Strom unterbrochen. In Fig. 2 ist ein Verfahren 30 für den Betrieb der Vorrichtung 16 in einem Flussdiagramm schematisch dargestellt. Nach einem Startereignis 32, das beispielsweise alle 2 Sekunden erfolgt, wird mittels der ersten Stromsensoren 22 in einem ersten Erfassungsschritt 34 der Stromfluss ls in jedem der Strings 8 erfasst. Bei ordnungsgemäßem Betrieb der PV-Anlage 2 und bestimmten Einstrahlungsbedingungen ist dieser pro String 8 gleich 1 Ampere (1A). In dem dritten String 8 tritt jedoch aufgrund eines Fehlers in einem der PV-Module 10 der Rückstrom IR in die Rückstromrichtung 14 auf, der mittels des dem dritten String 8 zugeordneten ersten Stromsensors 22 nicht erfasst werden kann. Der an das Steuergerät 18, das das Verfahren 30 ausführt, übermittelte Wert beträgt vielmehr 0 A, obwohl die Stromstärke des Rückstroms IR = 0,5 Ampere beträgt.

In einem zweiten Erfassungsschritt 36, der im Wesentlichen zeitgleich zu dem ersten Erfassungsschritt 34 erfolgt, wird mittels des zweiten Stromsensors 24 der Stromfluss l A in dem ersten Anschlussleiter 4 erfasst, der 3,5A beträgt. In einem dritten und vierten Erfassungsschritt 38, 40 wird die bei der Erfassung der jeweiligen Stromflüsse ls, durch die Strings 8 bzw. den ersten Anschlussleiter 4 geltenden Fehlertoleranzen der Stromsensoren 22, 24 ermittelt. Diese betragen aufgrund der Bauart der Stromsensoren 22, 24 jeweils 0,05A. In einem ersten Zusammenfassschritt 42 werden die Fehlertoleranzen der ersten Stromsensoren 22 aufaddiert. Die Fehlertoleranz sämtlicher erster Stromsensoren 22 ist somit gleich 0.25A. In einem zweiten Zusammenfassschritt 46 wird dieser Wert zu der Fehlertoleranz des zweiten Stromsensors 24 hinzu addiert und somit ein Toleranzwert 46 gebildet, der folglich 0,3A beträgt.

In einem dritten Zusammenfassschritt 48 werden sämtliche den einzelnen Strings 8 zugeordnete Stromflüsse ls aufaddiert, die in dem ersten Erfassungsschritt 34 ermittelt wurden, und somit ein erster Summenstromfluss 50 erstellt. Der erste Summenstromfluss 50 beträgt demnach 4A. Ferner wird der mittels des zweiten Stromsensors 24 erfasste Wert für den Stromfluss durch den ersten Anschlussleiter 4 in einem vierten Zusammenfassschritt 52 als zweiter Summenstromfluss 54 herangezogen. Der zweite Summenstromfluss 54 beträgt demnach 3,5A. In einem Vergleichsschritt 56 wird eine Abweichung 58 der beiden Summenstrom- flüsse voneinander erstellt. Als Abweichung 58 wird dabei der Betrag der Differenz der beiden herangezogen. Mit anderen Worten ist die Abweichung 58 gleich 0,5A. Die Abweichung 58 wird mit dem Toleranzwert 46 verglichen, der 0,3A beträgt. Wenn die Abweichung 58 kleiner als der Toleranzwert 46 ist, wird in einem ersten Endereignis 60 das Verfahren 30 beendet.

Falls die Abweichung 58 größer als der Toleranzwert 46 ist wird in einem Bestimmungsschritt 62 einerseits der String 8 bestimmt, der den Rückstrom IR trägt. Dies ist der dritte String, dessen Wert für den erfassten Stromfluss ls in die Vorzugsrichtung 12 am geringsten ist, nämlich Null (0). Ferner wird als Wert für den Rückstrom l R die Differenz der beiden herangezogen, also 0,2A. In einem Unterbrechungsschritt 64 wird mittels der Unterbrechungseinheit 26 des ersten Stromsensors 22 des dritten Strings 8 dieser von dem ersten Anschlussleiter 4 getrennt, und somit der Rückstrom l R unterbrochen. Folglich steigt der Stromfluss durch den ersten Anschlussleiter 4 von 3,5A auf 4A. Nach Trennen des dritten Strings 8 von dem ersten Anschlussleiter 4 tritt ein zweites Endereignis 66 ein, und das Verfahren 30 ist beendet.

Fig. 3 zeigt einen vergleichsweise detaillierten Schaltplan eines der bauglichen Stromsensoren 22, 24 mit der Unterbrechungseinheit 26. Der Stromsensor 22, 24 umfasst einen Hauptstrompfad 68 mit einem Messsensor 70, der in den Hauptstrompfad 68 geschalten ist, und der den Stromfluss ls, in die Vorzugsrichtung 12 erfasst. Der Hauptstrompfad 68 führt durch die Unterbrechungseinheit 26, die einen nachfolgend auch als mechanischen Schalter bezeichneten Schaltkontakt 72 sowie eine hierzu parallel geschaltete Halbleiterelektronik 74 aufweist. Der mechanische Schalter 72 und die Halbleiterelektronik 74 bilden einen autarken hybriden Trennschalter.

Die Halbleiterelektronik 74 umfasst im Wesentlichen zwei Halbleiterschalter 73a, 73b, die dem mechanischen Schalter 72 parallel geschaltet sind, sowie eine Ansteuerschaltung 76 mit einem Energiespeicher 78 und mit einem Zeitglied 80. Die Ansteuerschaltung 76 ist, vorzugsweise über einen Widerstand oder eine Widerstandsreihe R, mit dem Hauptstrompfad 68 verbunden. Das Gate eines Vorzugs- weise als Halbleiterschalter 73a, 73b eingesetzten IGBT's bildet den Steuereingang 82 der Halbleiterschaltung 74. Dieser Steuereingang 82 ist über die Ansteuerschaltung 76 an den Hauptstrompfad 68 geführt.

Der erste Halbleiterschalter (IGBT) 73a ist in einer Kaskodenanordnung mit dem zweiten Halbleiterschalter 73b in Form eines MOSFET in Reihe geschaltet. Das- an dem erste Halbleiterschalter 73a anliegende Potential U+ ist stets größer als das Potential U- auf der gegenüberliegenden Schalterseite, an der der zweite Halbleiterschalter (MOSFET) 73b an den Hauptstromkreis 6 geführt ist. Das Pluspotential U + beträgt 0V, wenn der mechanische Schalter 72 geschlossen ist.

Der erste Halbleiterschalter (IGBT) 73a ist mit einer Freilaufdiode D2 beschaltet. Eine erste Zehnerdiode D3 ist anodenseitig gegen das Potential U. und kathoden- seitig mit dem Gate (Steuereingang 82) des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 73a verbunden. Eine weitere Zehnerdiode D4 ist kathodenseitig wiederum mit dem Gate (Steuereingang 82) und anodenseitig mit dem Emitter des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 73a verbunden.

An einen Mitten- oder Kaskodenabgriff 84 zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterschalter 73a bzw. 73b der Kaskodenanordnung ist anodenseitig eine Diode D1 geführt, die kathodenseitig über einen als Energiespeicher 78 dienenden Kondensator C gegen das Potential U. geschaltet ist. Auch können mehrere Kondensatoren C den Energiespeicher 78 bilden. Über einen anodenseitigen Spannungsabgriff 86 zwischen der Diode D1 und dem Energiespeicher 78 bzw. dem Kondensator C ist ein mit ohmschen Widerständen R1 und R2 beschalteter Transistor T1 über weitere Widerstände R3 und R4 mit dem wiederum an den Steuereingang 82 der Halbleiterelektronik 74 geführten Gate des zweiten Halbleiterschalters (MOSFET) 82 verbunden. Eine weitere Zehnerdiode D5 mit parallelem Widerstand R5 ist kathodenseitig mit dem Gate und anodenseitig mit dem Emitter des zweiten Halbleiterschalters (MOSFET) 73b verbunden.

Basisseitig wird der Transistor T1 über einen Transistor T2 angesteuert, der seinerseits basisseitig über einen ohmschen Widerstand R6 mit dem beispielsweise als Monoflopp ausgeführten Zeitglied 80 verbunden ist. Basis-Emitter-seitig ist der Transistor T2 zudem mit einem weiteren Widerstand R7 beschaltet.

Bei geschlossenem mechanischem Schalter 72 ist der Hauptstrompfad 68 nieder- ohmig, während der parallele, mittels der Halbleiterschalter 73a, 73b gebildete Kommutierungspfad 88 des hybriden Trennschalters 72, 74 hochohmig und somit stromsperrend ist. Vor Öffnung des mechanischen Schalters 72 beträgt die dort anfallende elektrische Spannung praktisch 0V und steigt mit dem Öffnen der Schalterkontakte 72a, 72b des mechanischen Schalters 72 sprunghaft auf einen für einen Lichtbogen LB charakteristischen Wert mit einer typischen Lichtbogenspannung ULB von beispielsweise 20V bis 30V an. Das Pluspotential U+ geht somit gegen diese Lichtbogenspannung U L B ~ 30V, wenn der mechanische Schalter 72 öffnet.

Während der dem Kontaktöffnungszeitpunkt nachfolgenden Zeitdauer (Lichtbogenzeitintervall) beginnt bereits die Kommutierung des im Wesentlichen dem Lichtbogenstrom entsprechenden Schalterstroms Is, , I R vom Hauptstrompfad 68 auf den Kommutierungspfad 88.

Während des Lichtbogenzeitintervall teilt sich praktisch der Lichtbogenstrom l s , . I R zwischen dem Hauptstrompfad 68 - also über den mechanischen Schalter 72 - und den Kommutierungspfad 88 - also die Halbleiterelektronik 74 auf. Während dieses Lichtbogenzeitintervalls wird der Energiespeicher 78 geladen. Die Zeitdauer ist dabei derart eingestellt, dass einerseits genügend Energie für ein zuverlässiges Ansteuern der Halbleiterelektronik 74 zur Verfügung steht, insbesondere zu deren Abschaltung während eines Zeitraums im Anschluss an das Lichtbogenzeitintervalls. Andererseits ist das Lichtbogenzeitintervall ausreichend kurz, so dass ein unerwünschter Kontaktabbrand oder -verschleiß des Schalters 72 bzw. der Schalterkontakte 72a, 72b vermieden ist.

Mit Beginn des Lichtbogens LB und somit bei Entstehung der Lichtbogenspannung wird über den Widerstand R der erste Halbleiterschalter (IGBT) 73a zumindest soweit durchgesteuert, dass eine ausreichende Ladespannung und ein aus- reichender Lichtbogen- bzw. Ladestrom für die Kondensatoren C und somit für den Energiespeicher 78 zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird hierzu mit der entsprechenden Beschaltung des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 73a mit dem Widerstand R und der Zehnerdiode D3 ein Regelkreis der Elektronik 74 geschaffen, mit dem die Spannung am Kaskodenabgriff 84 auf beispielsweise U Ab = 12V (DC) eingestellt ist. Hierbei fließt durch den dem Pluspotential U+ nahen ersten Halbleiterschalter (IGBT) 73a ein Bruchteil des Lichtbogenstroms und damit des Schalterstroms ls, , IR des hybriden Trennschalters 72,74.

Die anfallende Abgriffsspannung dient zur Versorgung der im Wesentlichen durch die Transistoren T1 und T2 sowie das Zeitglied 80 und den Energiespeicher 78 gebildeten Ansteuerschaltung 76 der Elektronik 74. Die anodenseitig mit dem Kaskodenabgriff 84 und kathodenseitig mit dem Kondensator C verbundene Diode D1 verhindert einen Rückfluss des Ladestroms aus den Kondensatoren C und über den Kommutierungspfad 88 in Richtung des Potentials IL. Ist genügend Energie im Kondensator C und somit im Energiespeicher 78 enthalten, und ist demzufolge eine ausreichend hohe Steuer- oder Schaltspannung am Spannungsabgriff 86 vorhanden, so steuern der Transistor T1 und in Folge dessen der Transistor T2 durch, so dass auch die beiden Halbleiterschalter 73a, 73b vollständig durchsteuern. Der Lichtbogen- bzw. Schalterstrom ls, IA. IR fließt aufgrund des im Vergleich zum sehr hohen Widerstand der vom geöffneten Schalter 72 gebildeten Trennstrecke des Hauptstrompfades 68 wesentlich geringeren Widerstandes der nunmehr durchgesteuerten Halbleiterschalter 73a, 73b praktisch ausschließlich über den Kommutierungspfad 88. Das Pluspotential U+ geht somit erneut gegen 0V, wenn der Schalterstrom l s , . IR auf die Elektronik 74 kommutiert. In Folge dessen verlöscht der Lichtbogen LB zwischen den Kontakten 72a, 72b des mechanischen Schalters 72.

Die Ladekapazität und somit die in dem Kondensator C enthaltene Speicherenergie ist derart bemessen, dass die Halbleiterelektronik 74 den Schalterstrom ls, , l R für eine vom Zeitglied 80 vorgegebene Zeitdauer trägt. Diese Zeitdauer kann auf beispielsweise 3ms eingestellt sein. Die Bemessung dieser Zeitdauer und damit die Festlegung des Zeitgliedes 80 richtet sich im Wesentlichen nach den an- wendungsspezifischen oder typischen Zeitdauern für ein vollständiges Verlöschen des Lichtbogens LB sowie nach einer ausreichenden Abkühlung des dabei gebildeten Plasmas. Wesentliche Maßgabe ist hierbei, dass nach erfolgter Abschaltung der Elektronik 74 mit daraufhin wiederum hochohmigem Kommutierungspfad 88 und demzufolge stromsperrender Halbleiterelektronik 74 am nach wie vor geöffneten mechanischen Schalter 72 bzw. über dessen Schalterkontakten 72a, 72b kein erneuter Lichtbogen LB entstehen kann.

Nach Ablauf der durch das Zeitglied 80 festgelegten Zeitdauer sinkt der Schalterstrom ls, , IR auf praktisch Null (ls, , IR = 0A) ab, während zeitgleich die Schalterspannung auf die von den Strings 8 bereitgestellte Betriebsspannung ansteigt. Das Pluspotential U+ geht somit gegen diese Betriebsspannung wenn der Kommutierungspfad 88 infolge der Sperrung der Halbleiterschalter 73a, 73b hochoh- mig und somit die Elektronik 74 erneut stromsperrend wird.

Sofern eine Gleichstrom-(DC)-Anlage mindestens zwei zueinander und gegen einen gemeinsamen Potentialpunkt geführte Strompfade aufweist, ist das Verfahren auch auf eine solche elektrische Anlage vorteilhaft anwendbar.

Bezugszeichenliste

2 Photovoltaikanlage

4 erster Anschlussleiter

6 zweiter Anschlussleiter

8 String

10 Photovoltaikmodul

12 Vorzugsrichtung

14 Rückstromrichtung

16 Vorrichtung

18 Steuereinheit

20 Sensoranordnung

22 erster Stromsensor

24 zweiter Stromsensor

26 Unterbrechungseinheit

28 Leitung

30 Verfahren

32 Startereignis

34 erster Erfassungsschritt

36 zweiter Erfassungsschritt 8 dritter Erfassungsschritt 0 vierter Erfassungsschritt 2 erster Zusammenfassschritt 4 zweiter Zusammenfassschritt 6 Toleranzwert

8 dritter Zusammenfassschritt 0 erster Summenstromfluss 2 vierter Zusammenfassschritt 4 zweiter Summenstromfluss 6 Vergleichsschritt

8 Abweichung

0 erstes Endereignis

2 Bestimmungsschritt 64 Unterbrechungsschritt

66 zweites Endereignis

68 Hauptstrompfad

70 Messsensor

72 Schalter

72a, b Schalterkontakte

73a erste Halbleiterschalter

73b zweiter Halbleiterschalter

74 Halbleiterelektronik

76 Ansteuerschaltung

78 Energiespeicher

80 Zeitglied

82 Steuereingang

84 Mitten- oder Kaskodenabgriff

86 Spannungsabgriff

88 Kommutierungspfad

C Kondensator

D1 Diode

D2 Freilaufdiode

D3 - D5 Zehnerdiode

l s Stromfluss String

l A Stromfluss Anschlussleiter l R Rückstrom

LB Lichtbogen

R, R1 - R7 ohmscher Widerstand

T1 , T2 Transistor

U + , U. Potential