EINEM DIFFERENZSTROM

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerstromanteils an einem Differenzstrom, der an einem Wechselrichter gemessen wird, wobei das Verfahren die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 14.

Bei dem Wechselrichter handelt es sich insbesondere um einen solchen, der einen von einer Gleichstromquelle bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Bei dieser Gleichstromquelle kann es sich insbesondere um eine Photovoltaikanlage handeln, die allein aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung eine nicht unerhebliche Ableitkapazität nach Erde aufweist. Aus dieser Ableitkapazität und aus Potentialverschiebungen gegenüber Erde, die im Betrieb des Wechselrichters auftreten, resultieren Ableitströme nach Erde. Diese Ableitströme finden sich in einem Differenzstrom wieder, der regelmäßig zum schnellen Erkennen eines Auftretens von Fehlerströmen überwacht wird. Große Ableitströme führen so dazu, dass die Empfindlichkeit bei der Erkennung von Fehlerströmen durch Überwachung des Differenzstroms reduziert ist. Daher ist es von Interesse, den eigentlichen Fehlerstromanteil des Differenzstroms zu bestimmen. STAND DER TECHNIK

Die Normen VDE 0126 und VDE 0126-1-1 fordern, dass sich ein Wechselrichter in Abhängigkeit des Effektivwerts eines plötzlich auftretenden Differenzstroms über seine Netzanschlüsse binnen vorgegebener Abschaltzeiten vom Netz trennt. Wie bereits angesprochen wurde, setzt sich dieser Differenzstrom aus einem resistiven Fehlerstrom und einem zusätzlichen kapazitiven Ableitstrom zusammen, die sich vektoriell zu dem Differenzstrom aufaddieren. Den Vorgaben des normativen Prüfaufbaus und Prüfablaufs zur Erfüllung der genannten Normen ist zu entnehmen, dass allein ein sprunghafter Anstieg des Fehlerstroms - auch bei vorhandenem großem Ableitstrom - zur Trennung des Wechselrichters vom Netz führen muss. Dazu ist es erforderlich, den Fehlerstromanteil an dem Differenzstrom zu bestimmen.

An einem Wechselrichter wird der Differenzstrom üblicherweise mit einem Summenstrom- wandler gemessen, dessen Spannungssignal ein Maß für den Differenzstrom zwischen den Phasen und dem Nullleiter des Wechselrichters ist. Durch den Trend, trafolose Wechselrichter mit steigenden Leistungen und größeren Abmessungen der Photovoltaikanlagen zu entwickeln, erhöhen sich die Kapazitäten gegenüber Erde und damit die auftretenden Ableitströme. Durch Verwendung bestimmter Materialien für die Photovoltaikanlagen verstärkt sich diese Tendenz weiter. Zudem si nd die Ableitkapazitäten beispielsweise bei einer Photovoltaikanlage als Gleichstromquelle nicht konstant, sondern ändern sich unter anderem durch Niederschlag auf die Photovoltaikpaneele. Zur ausreichend empfindlichen Erfassung eines Sprungs im Fehlerstrom muss daher der Ableitstromanteil fortlaufend von dem Differenzstrom abgetrennt werden.

Zur Separierung von Ableitströmen von dem Spannungssignal eines Summenstromwandlers ist es bekannt, alle sich langsam ändernden Ströme, die der Summenstromwandler misst, als Ableitströme zu definieren und durch eine Auswertungssoftware zu kompensieren. Auftretende Sprünge des Fehlerstroms können dann vektoriell berechnet werden. Bei dieser Vorgehensweise werden jedoch Sprünge im Ableitstrom falsch als Fehlerströme interpretiert.

Aus der WO 98/58432 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Isolations- und Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz bekannt. Bei diesen wird der durch vektorielle Addition gebildete Differenzstrom zwischen den Netzleitern erfasst. Von dem Differenzstrom wird ein Wechselstromanteil bestimmt. Als zweite Netzgröße wird die Netzwechselspannung zwischen zumindest zwei Netzleitern oder zwischen einem Netzleiter und einem Potentialausgleichsleiter oder einem Neutralleiter erfasst. Dann wird als Maß für den resistiven Fehlerstrom des Netzes das Produkt zwischen der Amplitude des Wechselstromanteils des Differenzstroms und dem Kosinus des Phasenwinkels φ zwischen den beiden erfassten Netzgrößen ermittelt. Diese Ermittlung kann durch eine Multiplikation des Wechsel- Stromanteils des Differenzstroms mit einem Multiplikationssignal und eine anschließende arithmetische Mittelwertbildung durchgeführt werden, wobei das Multiplikationssignal der bezüglich ihres Effektivwerts konstant gehaltenen Netzwechselspannung entspricht. Bei der Ausweitung dieses bekannten Verfahrens auf ein mehrphasiges Wechselstromnetz sollen die genannten Schritte für jeden der drei Netzleiter getrennt durchgeführt werden, indem der Wechselstromanteil des Differenzstroms aller drei Netzleiter erfasst wird, indem ferner die drei Netzwechselspannungen zwischen jedem Netzleiter sowie einem Neutralleiter oder einem Potentialausgleichsleiter erfasst werden und indem die entsprechenden drei Produkte zwischen der Amplitude des Wechselstromanteils des Differenzstroms sowie den Kosinuswerten der drei Phasenwinkel φ ermittelt werden. Während das offenbarte Verfahren grundsätzlich auf einen einphasigen Wechselrichter anwendbar ist, stellt sich jedoch heraus, dass der Wechselfehlerstromanteil an einem Differenzstrom, der an einem mehrphasigen Wechselrichter gemessen wird, auf diese Weise nicht zutreffend bestimmbar ist. Auch bei einem einphasigen Wechselrichter treten Betriebszustände auf, in denen der Wechselfehlerstromanteil an dem gemessenen Differenzstrom mit dem bekannten Verfahren nicht zutreffend bestimmt wird.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerstromanteils an einem Differenzstrom, der an einem Wechselrichter gemessen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens aufzuzeigen, mit denen zumindest der Wechselfehlerstromanteil und vorzugsweise auch der Gesamtfehlerstromanteil an dem Differenzstrom zutreffend bestimmt werden.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den ab- hängigen Patentansprüchen 2 bis 13 definiert. Die abhängigen Patentansprüche 15 bis 25 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung. Der Patentanspruch 26 ist auf einen Wechselrichter mit der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche gerichtet.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerstromanteils an einem Differenzstrom, der an einem Wechselrichter gemessen wird, wird zur Bestimmung eines Wechselfehlerstromanteils an dem Differenzstrom (i) eine an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters anliegende Wechselspannung erfasst; (ii) in Abhängigkeit von der erfassten Wechselspannung eine periodische Referenzfunktion wechselnden Vorzeichens generiert; (iii) der Differenzstrom mit der Referenzfunktion multipliziert; und (iv) das Produkt aus dem Differenzstrom und der Referenzfunktion über eine ganze Zahl von Perioden der Referenzfunktion gemittelt wird. Dabei wird die Referenzfunktion zumindest für einen Betriebszustand des Wechselrichters mit einem vorgegebenen Phasenversatz zu der erfassten Wechselspannung und/oder mit einer Frequenz generiert, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der erfassten Wechselspannung (u _A c(t)) ist. D. h., zumindest für den einen Betriebszustand des Wechselrichters weicht die Referenzfunktion in ihrer Phase und/oder in ihrer Frequenz definiert von der erfassten Wechselspannung ab.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es für die Bestimmung eines Fehlerstromanteils an dem an einem Wechselrichter gemessenen Differenzstrom nicht ausreicht, Potentialschwankungen mit der Frequenz und Phase von an einem oder mehreren Ausgängen erfassten Wechselspannungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters anzunehmen. Zumindest gilt dies für bestimmte Betriebszustände nahezu aller Wechselrichter und für alle Betriebszustände mehrphasiger Wechselrichter. Um die relevanten Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters korrekt zu antizipieren, wird zwar auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Referenzfunktion basierend auf der an einem Ausgang des Wechselrichters erfassten Wechselspannung generiert. Diese Referenzfunktion weist aber zumindest für bestimmte Betriebszustände des Wechselrichters einen vorgegebenen Phasenversatz und insbesondere für viele Betriebszustände von mehrphasigen Wechselrichtern eine Frequenz auf, die ein kleines ganzzahliges Vielfaches ungleich 1 der einzelnen Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen ist. Die Betriebszustände, in denen der vorgegebene Phasenversatz zur Anwendung kommt, sind typischerweise solche, in denen Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden einer Wechselrichterbrücke des Wechselrichters nicht angesteuert werden, die Wechselrichterbrücke die Gleichstromseite des Wechselrichters also ausschließlich passiv über die antiparallelen Dioden mit allen Ausgängen des Wechselrichters verbindet, an denen Wechselspannungen anliegen. Hierbei tritt ein typischer Phasenversatz der resultierenden Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters gegenüber einer oder mehreren Wechselspannungen auf, die an dem bzw. den Ausgängen des Wechselrichters anliegen. Dieser Phasenversatz ist durch den Betriebszustand des Wechselrichters vorgegeben und kann auf theoretische Weise ermittelt werden. Der Phasenversatz kann auch so bestimmt werden, dass durch Variation des Phasenversatzes der Referenzfunktion gegenüber der erfassten Wechselspannung bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem definitiv fehlerfreien Wechselrichter der Wechselfehlerstromanteil minimiert wird. Der so ermittelte Phasenversatz kann dann für diesen Betriebszustand zukünftig fest vorgegeben werden. In dem bereits angesprochenen Betriebszustand, in dem Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden einer Wechselrichterbrücke des Wechselrichters nicht angesteuert werden, kann auch bei einem einphasigen Wechselrichter die dominante Potentialschwankung auf der Gleichstromseite des Wechselrichters in ihrer Frequenz gegenüber der Frequenz der an einem Ausgang erfassten Wechselspannung zum Beispiel auf das Doppelte erhöht sein. Zudem stellt sich schon im Normalbetrieb vieler mehrphasiger Wechselrichter heraus, dass auf ihrer Gleichstromseite Potentialschwankungen auftreten, die nicht die Frequenz der einzelnen Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen des Wechselrichters aufweisen, sondern eine Frequenz, die in einem größeren ganzzahligen Verhältnis als 1 zur Frequenz der einzelnen Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen steht. Insbesondere bei dreiphasigen Wechselrichtern treten auf der Gleichstromseite regelmäßig Potentialschwankungen von der dreifachen Frequenz der einzelnen Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen auf, die - zum Beispiel bei einem Isolationsfehler - resistive Ströme nach Erde hervorrufen, welche sich in dem gemessenen Differenzstrom wiederfinden. Entsprechend beträgt dann die Frequenz des relevanten Wechselfehlerstromanteils das Dreifache der Frequenz der einzelnen Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen. Die som it i n ei nem kon kreten Anwendungsfall anzusetzende Frequenz der Referenzfunktion kann auf theoretische Weise aus den Eigenschaften der Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen oder auch durch Auswertung der regelmäßig vorhandenen Differenzströme ermittelt werden. Bei einem ein- phasigen Wechselrichter kann die Frequenz der relevanten Potentialschwankungen auf seiner Gleichstromseite neben dem Einfachen der Frequenz der Wechselspannung an seinem Wechselstromausgang, in bestimmten Betriebszuständen auch das Doppelte dieser Frequenz betragen. Bei einem zweiphasigen Wechselrichter, insbesondere einem solchen der an ein Split-Phase-N etz nach U S-Norm angeschlossen ist, kann die Frequenz der relevanten Potentialschwankungen auf seiner Gleichstromseite neben dem Einfachen der Frequenz der Wechselspannungen an seinen Wechselstromausgängen bereits im Normalbetrieb auch das Doppelte dieser Frequenz betragen. So zeigen sich häufig Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite, deren Frequenz bei einem n-phasigen Wechselrichter das n-fache der Frequenz der Wechselspannungen an seinen Wechselstromausgängen beträgt. Manchmal sind auch Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite eines n-phasigen Wechselrichters relevant, deren Frequenz das 2n-fache und/oder das 3n-fache der Frequenz der Wechselspannungen an seinen Wechselstromausgängen beträgt

Im Normalbetrieb, in dem Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden einer Wechselrichter- brücke des Wechselrichters angesteuert werden, um beispielsweise durch Pulsweitenmodulation die von dem Wechselrichter abgegebenen Wechselströme sinusförmig zu formen, sind die Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters typischerweise mit der Gesamtheit der Wechselspannungen an den Ausgängen des Wechselrichters in Phase, so dass in diesem Betriebszustand die Referenzfunktion bei dem erfindungsgemäßen Ver- fahren so generiert wird, dass Nulldurchgänge der Referenzfunktion mit Nulldurchgängen der erfassten Wechselspannung zusammenfallen. Wenn die Referenzfunktion dabei eine höhere Frequenz als die Wechselspannung aufweist, weist sie auch noch zusätzliche Nulldurchgänge auf, die dann typischerweise mit Nulldurchgängen anderer Wechselspannungen an anderen Ausgängen des Wechselrichters zusammenfallen. Indem der Differenzstrom mit einer Referenzfunktion multipliziert wird, die in Phase mit den antizipierten Potentialschwankungen schwingt, und anschließend über eine Periode oder eine ganze Anzahl von Perioden dieser Referenzfunktion gemittelt wird, wird der von den antizipierten Potentialschwankungen hervorgerufene Wechselfehlerstromanteil aus dem Differenzstrom heraus selektiert und insbesondere von kapazitiven Ableitströmen und jedweden Gleichstromanteilen an dem Differenzstrom separiert. Alle kapazitiven Ableitströme, die durch dieselben Potentialschwankungen hervorgerufen werden, weisen einen Phasenversatz von 90° oder π/2 zu den Potentialschwankungen auf, so dass ihr Produkt mit der Referenzfunktion im zeitlichen Mittel 0 ist. Auch das Produkt aller Gleichstromanteile an dem Differenzstrom und der Referenzfunktion ist durch deren Vorzeichenwechsel 0.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zur Bestimmung eines weiteren Wechselfehlerstromanteils an dem Differenzstrom der Differenzstrom mit mindestens einer weiteren periodischen Referenzfunktion wechselnden Vorzeichens multipliziert werden, die eine Frequenz aufweist, deren Frequenz zu der Frequenz der Referenzfunktion in ei nem ganzzahligen Verhältnis steht, wobei Nulldurchgänge der weiteren Referenzfunktion mit Nulldurchgängen der Referenzfunktion zusammenfallen, und das Produkt aus dem Differenzstrom und der weiteren Referenzfunktion über eine ganze Zahl von Perioden der weiteren Referenzfunktion gemittelt werden. Wenn die Frequenz der weiteren Referenzfunktion 2-mal so groß wie die Frequenz der Referenzfunktion, berücksichtigt dieser weitere Wechselfehlerstromanteil eine häufig wesentliche erste Oberwelle eines Gesamtwechselfehlerstromanteils an dem Differenzstrom. So treten auf der Eingangsseite des Wechselrichters insbesondere Potentialschwankungen mit einer doppelten Frequenz der Potentialschwankungen über der Gesamtheit der Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen des Wechselrichters auf. Hiervon hervorgerufene resistive Wechselströme werden durch den weiteren Wechselfehlerstromanteil, der unter Verwendung der frequenzverdoppelten Referenzfunktion bestimmt wird, abgebildet. Grundsätzlich kann die Frequenz der weiteren Referenzfunktion auch niedriger als diejenige der Referenzfunktion sein, zum Beispiel wenn die Referenzfunktion selbst bereits Potentialschwankungen mit einer mehrfachen Frequenz der Potentialschwankungen über der Gesamtheit der Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen des Wechselrichters abbildet.

Um aus einzelnen Wechselfehlerstromanteilen einen Gesamtwechselfehlerstromanteil an dem Differenzstrom zu bestimmen, sind die einzelnen Wechselfehlerstromanteile unterschiedlicher Frequenzen geometrisch zu addieren.

Alternativ zur tatsächlichen Bestimmung verschiedener Wellenanteilen können bei gegebenen Randbedingungen (Wechselrichtertyp, PV-Leistung u. ä.) deren relative Amplituden auch abgeschätzt werden, indem der mit der Referenzfunktion für die dominierende Welle ermittelte Wechselfehlerstromanteil mit einem Skalierungsfaktor multipliziert wird, um einen Näherungs- wert für den Gesamtwechselfehlerstromanteil zu ermitteln. Sofern zumindest eine Messung des Wechselfehlerstromanteils von zwei Wellen, beispielsweise der Grund- und einer Oberwelle, vorliegt, kann dieser Skalierungsfaktor aus deren relativer Amplitude überprüft und ggf. modifiziert werden.

Vorzugsweise ist die Referenzfunktion entsprechend dem typischen zeitlichen Verlauf der Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters bei sinusförmigen Wechselspannungen an seinen Wechselstromausgängen eine Si nusfunktion . Die N ulldurchgänge der Sinusfunktion werden vorzugsweise mit den Nulldurchgängen der erfassten Wechselspannungen getriggert. Dabei löst jeder Nulldurchgang ohne oder mit dem definierten Phasenversatz einen Nulldurchgang der Sinusfunktion aus. Dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest die Zeitpunkte dieser Nulldurchgänge bei der Wechsel- Spannung erfasst, die an einem Ausgang des Wechselrichters anliegt. Auch wenn die Nulldurchgänge der Sinusfunktion nur mit den Nulldurchgängen einer von mehreren Wechselspannungen an mehreren Ausgängen des Wechselrichters getriggert werden, stehen sie zu den Nulldurchgängen aller gleichmäßig phasenversetzten Wechselspannungen in einer definierten Phasenbeziehung. Wenn die Referenzfunktion einen Scheitelwert von aufweist, ist der Mittelwert des Produkts aus dem Differenzstrom und der Referenzfunktion unmittelbar der Effektivwert des von den Potentialschwankungen mit der Frequenz der Referenzfunktion auf der Gleichstromseite des Wechselrichters hervorgerufenen Wechselfehlerstromanteils an dem Differenzstrom.

Die Mittelwertbildung für die Bestimmung jedes Wechselfehlerstromanteils an dem Differenz- ström erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise über eine ganze Zahl von Perioden der an dem Wechselstromausgang des Wechselrichters erfassten Wechselspannung. Hierdurch deckt der Mittelwert jedwede Asymmetrien zwischen mehreren Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen des Wechselrichters ab bzw. wird von diesen nicht beein- flusst. Eine oben im Zusammenhang mit verschiedenen Wechselfehlerstromanteilen ange- sprochene geometrische Addition ist auch erforderlich, um einen Gesamtfehlerstromanteil an dem Differenzstrom zu bestimmen, der neben dem Gesamtwechselfehlerstromanteil einen Gleichfehlerstromanteil umfasst. Dieser Gleichfehlerstromanteil an dem Differenzstrom selbst kann durch einfache zeitliche Mittlung des Differenzstroms ermittelt werden.

Bei dem neuen Verfahren können alle Wechselstromausgänge des Wechselrichters, einschließ- lieh eines etwaigen Nullleiters, von einer an den Wechselrichter angeschlossenen Wechsel- stromlast oder einem angeschlossenen Wechselstromnetz getrennt werden und/oder kann der Wechselrichter abgeschaltet werden, wenn der Wechselfehlerstromanteil oder der Gleichfehlerstromanteil oder der Gesamtfehlerstromanteil an dem Differenzstrom einen Stromgrenzwert für eine Mindestzeit überschreitet. Dabei können die Stromgrenzwerte und die zugehörigen Min- destzeiten den eingangs genannten Normen entsprechen.

Der Differenzstrom kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an dem Wechselrichter zwischen allen Wechselstromausgängen des Wechselrichters gemessen werden. Grundsätzlich ist aber auch eine Messung des Differenzstroms über die Eingangsleitungen des Wechselrichters möglich. Um die Referenzfunktion jedoch bezüglich ihrer Phase auf die Nulldurchgänge der Wechselspannungen abzustimmen, muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest eine der Wechselspannungen an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters er- fasst werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst (i) einen Summenstromwandler zum Messen eines Differenzstroms an einem Wechsel- richter; (ü) eine Einrichtung zum Erfassen einer an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters anliegenden Wechselspannung; (iii) einen Signalgenerator zum Generieren einer periodischen Referenzfunktion wechselnden Vorzeichens in Abhängigkeit von der erfassten Wechselspannung; (iv) einen Multiplikationsknoten zum Multiplizieren des Differenzstroms mit der Referenzfunktion; und (iv) einen Mittelwertbildner zum Bilden eines Mittelwerts des Produkts des Multiplikationsknotens über eine ganze Zahl von Perioden der Referenzfunktion. Der Signalgenerator ist dabei so ausgebildet, dass er die Referenzfunktion zumindest für einen Betriebszustand des Wechselrichters mit einem vorgegebenen Phasenversatz zu der erfassten Wechselspannung und/oder mit einer Frequenz generiert wird, die einganzzahliges Vielfaches der Frequenz der erfassten Wechselspannung ist . Konkret kann der Signalgenerator ein Sinusgenerator sein und mit den Nulldurchgängen der an dem Wechselstromausgang des Wechselrichters erfassten Wechselspannungen getriggert werden.

Die Vorrichtung kann weiterhin einen A/D-Wandler für den Differenzstrom und die erfasste Wechselspannung aufweisen. Dann sind die weiteren Bestandteile der Vorrichtung digital ausgebildet, einschließlich des Signalgenerators. Um auch mindestens eine weitere Welle der Potentialschwankungen auf der Gleichstromseite des Wechselrichters zu berücksichtigen, kann die Vorrichtung einen weiteren Multiplikationsknoten und einen weiteren Mittelwertbildner aufweisen, um den Differenzstrom zum Beispiel mit einer gegenüber der Referenzfunktion frequenzverdoppelten weiteren Referenzfunktion zu multiplizieren und um über eine ganze Zahl von Perioden der weiteren Referenzfunktion einen Mittelwert des Produkts des weiteren Multiplikationsknotens zu bilden. Grundsätzlich können bei der neuen Vorrichtung wie bei dem neuen Verfahren auch noch weitere, höher- oder tieferfrequente Wellen Berücksichtigung finden. Hierfür ist dann entsprechend der Differenzstrom mit weiteren Referenzfunktionen zu multiplizieren. Die gemittelten Produkte der einzelnen Multiplikationsknoten werden bei der neuen Vorrichtung in einem Addierer geometrisch addiert. Ein solcher geometrischer Addierer kann auch für die zusätzliche Addition des von einem Mittelwertbildner gebildeten zeitlichen Mittelwerts des Differenzstroms vorgesehen sein.

Jeder der Mittelwertbildner kann zum Beispiel als Integrator mit einer passend eingestimmten Integrationszeit, aber auch als Tiefpassfilter mit einer ausreichend tief abgestimmten Abschneidefrequenz ausgebildet sein. Bei digitaler Ausbildung des Mittelwertbildners kann dieser auch tatsächlich einen Mittelwert über eine Anzahl von Einzelwerten des jeweiligen Produkts ausbilden, die einer vorgegebenen Anzahl von Perioden des Referenzsignals entsprechen.

Bei einem erfindungsgemäßen Wechselrichter mit einer Steuerung und einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Fehlerstromanteils an einem an dem Wechselrichter gemessene Differenzstrom trennt die Steuerung zumindest alle Wechselstromausgänge des Wechselrichters an denen im normalen fehlerfreien Betrieb des Wechselrichters eine Wechselspannung anliegt, von einer Wechselstromlast oder einem Wechselstromnetz und/oder schaltet den Wechselrichter ab, wenn das gemittelte Produkt eines Multiplikationsknotens oder der gemittelte Differenzstrom oder ein Ausgangssignal eines geometrischen Addierers einen Grenzwert für eine Mindestzeit überschreitet. Ein vorhandener Nullleiter kann ebenfalls abgetrennt werden. Die von den eingangs genannten Normen vorgegebenen Grenzwerte von 30/60/150 mA, die für Zeiträume von 300/150/40 ms nicht überschritten werden dürfen, sind erfindungsgemäß leicht zu überwachen, da auch eine Mindestzeit von 40 ms bei einem 50 Hz Wechselstrom noch zwei Perioden des Wechselstroms umfasst und entsprechend bei Mittelwertbildung über eine Periode des Wechselstroms ein auftretender Fehlerstrom sehr zeitnah (ohne Berücksichtung der Signallaufzeiten binnen 20 ms) voll erfasst wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Anordnungen und Wirkverbindungen - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch- führung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

und

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Wechselspannungen an Wechselstromausgängen des Wechselrichters gemäß Fig. 1 , eines an dem Wechselrichter ge- messenen Differenzstroms und einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Referenzfunktion. FIGURENBESCHREIBUNG

In Fig. 1 ist ein Wechselrichter 1 gezeigt, der eingangsseitig an eine Photovoltaikanlage 2 als Gleichstromquelle 3 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter an ein dreiphasiges Wechselstromnetz 4 angeschlossen. Er weist dazu Wechselstromausgänge 5 bis 8 auf. Dabei sind die Wechselstromausgänge 5 bis 7 für Außenleiter L1 bis L3 und der Wechselstromausgang 8 für den Nullleiter N des dreiphasigen Wechselstromnetzes 4 vorgesehen. Entsprechend liegen an den Wechselstromausgängen 5 bis 7 die drei phasenversetzte Wechselspannungen u _A c(t) des Wechselstromnetzes 4 an. Ein Summenstrom- wandler 9 ist zum Erfassen des Differenzstroms i _diff (t) zwischen allen Wechselstromausgängen 5 bis 8 des Wechselrichters 1 vorgesehen. Eine Messeinrichtung 10 erfasst eine der drei Wechselspannungen u _A c(t) an der Ausgangsleitung 7 gegenüber dem Nullpotential an dem Wechselstromanschluss 8. Der Differenzstrom i _diff (t) und die Wechselspannung u _AC (t) werden in einem A/D-Wandler 1 1 digitalisiert und dann einer Auswertungseinrichtung 12 zugeführt, die aus den hier zugeführten Werten einen Fehlerstrom l _F bestimmt. Dieser Fehlerstrom wird in einer Bewertungseinrichtung 13 mit Grenzwerten verglichen, und für den Fall des Ü berschreitens eines der Grenzwerte für einen dem jeweiligen Grenzwert zugeordneten Zeitraum wird ein Trennschalter 14 betätigt, um den Wechselrichter 1 allphasig von dem Wechselstromnetz 4 zu trennen. Die aus dem Summenstromwandler 9, der Messeinrichtung 10, dem A/D-Wandler 1 1 , der Auswerteeinrichtung 12 und der Beurteilungseinrichtung 13 gebildete Vorrichtung 9 bis 13 misst also den Differenzstrom i _diff (t) an dem Wechselrichter 1 , bestimmt daraus den Fehlerstrom l _F und trennt beim Überschreiten von Grenzwerten für den Fehlerstrom den Wechselrichter 1 vom Netz und kann ihn zusätzlich abschalten.

Das Blockdiagramm gemäß Fig. 2 zeigt die Schritte, die in der Auswerteeinrichtung 12 durchgeführt werden, um aus dem gemessenen Differenzstrom i _diff (t) den Fehlerstrom l _F zu bestimmen. Aus dem Differenzstrom i _diff (t) wird einmal ein Gleichfehlerstromanteil I _F ermittelt, indem in einem Mittelwertbildner 19 ein Mittelwert des Differenzstrom i _diff (t) gebildet wird, was durch I ntegration über einen Zeitraum und anschließende Division durch den Zeitraum angedeutet ist. Zusätzlich wird der Fehlerstrom i _diff (t) in einem Multiplizierknoten 15 mit einer periodischen Referenzfunktion y(t) mit wechselndem Vorzeichen multipliziert, die von einem Signalgenerator 16 generiert wird, dem die Wechselspannung u _AC (t) zugeführt wird. Der Signalgenerator 16 generiert die Referenzfunktion y(t) als Sinusfunktion, deren Frequenz bei der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration z.B. der dreifachen Frequenz der Wechselspannung u _A c(t) entspricht, wobei jeder Nulldurchgang der Wechselspannung u _A c(t) einen Nulldurchgang der Referenzfunktion y(t) triggert. Je nach Betriebszustand des Wechselrichters werden die Nulldurchgänge der Referenzfunktion y(t) zusätzlich um einen vorgegebenen, zum Beispiel einen vorab ermittelten Phasenversatz verzögert. Da di e drei Wechselspannungen des Wechselrichters 1 gemäß Fig. 1 gleiche Phasenversätze zueinander aufweisen, bedeutet dies, dass die Referenzfunktion y(t) bei jedem Nulldurchgang jeder der Wechselspannungen an den Wechselstromausgängen 5 bis 7 des Wechselrichters 1 ebenfalls einen Nulldurchgang aufweist. Die Referenzfunktion y(t) bildet die Grundwelle der Potentialschwankungen auf der Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters 1 gemäß Fig. 1 ab, und durch ihre Multiplikation mit dem Differenzstrom i _diff (t) in dem Multiplizierknoten 15 und eine anschließende Mittelwertbildung in einem Mittelwertbildner 17 wird der resistive Wechselfehlerstromanteil I _F des

Differenzstroms i _diff (t) besti mmt, der mit diesen Potentialschwankungen in Phase ist. Abschließend werden der Gleichfehlerstromanteil I _F und der Wechselfehlerstromanteil I _F in einem geometrischen Addierer 18 quadratisch addiert, um den Fehlerstromanteil l _F zu erhalten. Der gemessene Differenzstrom i _diff (t) kann inklusive aller Oberwellenanteile durch folgende Summe aus Fourierreihen beschrieben werden:

¹ Diff ( ^t ) = ^a o +Σ ^a k sin(ko ⁾ ₀ t) + ^ b _k cos(k ₀ t)

k=l k=l (|)

Dabei entspricht der Summand a ₀ dem Gleichstromanteil des Differenzstroms, der zweite Summand dem Gesamtwechselfehlerstromanteil einschließlich aller Oberwellenanteile und der dritte Summand dem kapazitiven Ableitstromanteil, der ebenfalls ein Wechselstromanteil ist, aber zu dem resistiven Gesamtwechselfehlerstromanteil eine Phasenverschiebung von 90° aufweist.

Multiplikation mit der Sinusfunktion y(t) = V2 - sin(o ₀ /) , d . h. der Referenzfunktion y(t) mit dem Scheitelwert oder der Amplitude 2 , ergibt: i _Djff (t ) · -J2 · sin(ff> ₀ t ) = a ₀ -J2 · sin(ff> ₀ 1 ) + ^ -J2 · a _k sin(fcff> ₀ 1 ) · sin(ff> ₀ 1 ) + ^ -J2 · b _k cos(to ₀ i)-sin(ffl ₀ i)

k=l k=l (II) Anschließende Mittelwertbildung über die Periodendauer 7 ergibt:

1 I X 2 · ^ cos(&co ₀ t) · sin (p ₀ t)dt (III) n k=l

Für die Summanden auf der rechten Seite der Gleichung III gilt:

^Γ ° ⁱ⁼¹ (IV)

Da alle Summanden bis auf den Fehlerstromanteil der Grundwelle (k=1) gleich null sind, folgt:

Nach der Multiplikation des gemessenen Differenzstroms i _diff (t) mit der Referenzfunktion y(t) und der Mittelwertbildung ergibt sich also der Effektivwert des Fehlerwechselstromanteils des Differenzstroms i _diff (t) bei der Frequenz der Grundwelle.

Für die Berechnung der Oberwellenanteile des Wechselfehlerstromanteils an dem Differenzstrom kann analog verfahren werden , i n dem die Frequenz des Referenzsignals y(t) entsprechend der betrachteten Ordnung der Oberwelle mit ganzzahligen Werten (k> 1 ) multipliziert wird. Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der drei Wechselspannungen u1 _A c(t) bis u3 _A c(t), des Differenzstroms i _diff (t) und der im Normalbetrieb des Wechselrichters zu verwendenden Referenzfunktion y(t), die wie die Wechselspannungen u1 _A c(t) bis u3 _A c(t) eine Sinusfunktion ist und die bei jedem Nulldurchgang einer der drei Wechselspannungen u1 _AC (t) bis u3 _AC (t) ihrerseits einen Nulldurchgang aufweist. Da die Frequenz der Referenzspannung y(t) genau dreimal so groß ist wie diejenige der einzelnen Wechselspannungen u _AC (t), weist sie keine weiteren Nulldurchgänge auf. Zur Erfassung eines ersten Oberwellenanteils des Differenzstroms i _diff (t) wäre eine gegenüber der Referenzfunktion y(t) frequenzverdoppelte Referenzfunktion zu verwenden und mit dem Differenzstroms i _diff (t) zu multiplizieren.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Wechselrichter

2 Photovoltaikanlage

3 Gleichstromquelle

4 Wechselstromnetz

5 Wechselstromanschluss

6 Wechselstromanschluss

7 Wechselstromanschluss

8 Wechselstromausgang

9 Summenstromwandler

10 Messeinrichtung

1 1 A/D-Wandler

12 Auswerteeinrichtung

13 Beurteilungseinrichtung

14 Trennschalter

15 Multiplizierknoten

16 Signalgenerator

17 Mittelwertbildner

18 Addierer

19 Mittelwertbildner

9-13 Vorrichtung

L1 Außenleiter

L2 Außenleiter

L3 Außenleiter

N Nullleiter

idiff(t) Differenzstrom

u _A c(t) Wechselspannung

IF Gesamtfehlerstromanteil

y(t) Referenzfunktion

Gleichfehlerstromanteil

Wechselfehlerstromanteil

T Periode