Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren und Signalisieren eines Kontaktfehlers innerhalb eines Photovoltaikmoduls eines

Photovoltaikgenerators, wobei das Photovoltaikmodul mindestens zwei in Reihe geschaltete Submodule aufweist, zu denen jeweils eine Bypass-Diode parallel geschaltet ist, auf die ein durch das Photovoltaikmodul fließender Strom kommutieren kann.

Schadhafte elektrische Kontakte in Photovoltaikgeneratoren, nachfolgend abgekürzt als PV-Generatoren bezeichnet, können sich im Betrieb eines PV- Generators aufgrund der am schadhaften Kontakt entstehenden Verlustleistung erhitzen und Ursache von Bränden darstellen. Zudem wird durch schadhafte Kontakte die Ausbeute an gewonnener elektrischer Energie verringert, so dass die Photovoltaikanlage (PV-Anlage) weniger effektiv betrieben wird.

Um schadhafte Kontakte möglichst im Betrieb der PV-Anlage detektieren zu können, ist aus der Druckschrift DE 10 2006 052 295 B3 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines PV-Generators mittels einer Impedanzmessung bekannt. Bei diesem Verfahren wird bevorzugt in den Nachtstunden ein Impedanzspektrum, also eine Abhängigkeit einer Impedanz des Photovoltaikgenerators von einer Frequenz gemessen und von

Veränderungen des Impedanzspektrums auf mögliche Kontaktfehler geschlossen.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der Druckschrift WO 201 1/0144649 A1 bekannt, bei dem eine gemessene Impedanz eines PV-Generators mit einem berechneten Impedanzverlauf eines modulierten PV-Generators verglichen wird. Aus einer Anpassung des modulierten an den gemessenen

Impedanzverlauf können elektrische Parameter des PV-Generators, insbesondere ein Kontaktwiderstand, ermittelt werden. Ein erhöhter

Kontaktwiderstand zeigt Kontaktfehler an.

Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2012 102 932 A1 bekannt, dass Verschattungen durch ein Vergleich der Resonanzfrequenz und der

Resonanzimpedanz zweier paralleler Teilgeneratoren in einem Arbeitspunkt des PV-Generators erkannt werden können.

Bei einem weiteren Verfahren wird ein Arbeitspunkt des PV-Generators auf eine plötzliche, beispielsweise sprunghafte Änderung überwacht. Eine solche sprunghafte Änderung des Arbeitspunkts, z.B. detektiert in einer Änderung der Photovoltaikspannung und/oder des Photovoltaikstroms, lässt ebenfalls auf Kontaktprobleme schließen.

PV-Generatoren sind üblicherweise durch ein oder mehrere

Photovoltaikmodule (PV-Module) gebildet. Ein PV-Generator umfasst häufig eine Serienverschaltung mehrerer PV-Module, einen sogenannten String. Um die im Falle einer Verschattung eines Teils der Module oder eines Teils eines Moduls entstehenden hohen negativen Spannungen und damit hohen

Verlustleistungen an den betroffenen Modulteilen zu verhindern, sind die PV- Module üblicherweise mit sogenannten Bypass-Dioden versehen. Diese werden leitend, sobald eine der durch den photovoltaischen Effekt

enstehenden Spannung (PV-Spannung) entgegengesetzt wirkende Spannung am Modul bzw. Modulteil anliegt. Häufig sind die Module intern aus einer Serienverschaltung mehrerer, mindestens zweier, üblicherweise dreier, Submodule aufgebaut, wobei jedem der Submodule eine eigene Bypass-Diode parallel geschaltet ist. Bei einer Teilverschattung werden von einem PV-Modul somit nur die von der Verschattung betroffenen Submodule durch die leitende Bypassdiode überbrückt. Der Stromfluss durch den PV-Generator führt bei den betroffenen Submodulen durch die jeweils zugeordnete Bypass-Diode.

Ansonsten tragen alle nicht von der Verschattung betroffenen PV-Module bzw. Submodule nach wie vor zur Stromerzeugung bei. Die genannten Bypass- Dioden werden nicht nur im Verschattungsfall aktiv, sondern auch dann, wenn ein Kontaktfehler innerhalb eines PV-Moduls auftritt und durch diesen Kontaktfehler innerhalb eines PV-Moduls eine höhere und der PV-Spannung entgegengesetzte Spannung abfällt, als das jeweilige vom Kontaktfehler betroffene Submodul als PV-Spannung bereitstellt (unter Vernachlässigung der Durchlassspannung der Bypass-Diode).

Bei den bekannten Verfahren zur Detektion eines Kontaktfehlers eines PV- Generators können die Bypass-Dioden dazu führen, dass der Bereich, in dem der Kontaktfehler auftritt, aufgrund eines auf die Bypass-Diode kommutierten Stroms nicht im Leistungspfad des PV-Generators liegt und damit den vorgenommenen Messungen zur Detektion des Kontaktfehlers nicht zugänglich ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dektektieren und Signaliseren eines Kontaktfehlers zu schaffen, das auch einen innerhalb eines PV-Moduls auftretenden

Kontaktfehler sicher detektiert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte

Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art umfasst die folgenden Schritte: Es wird eine erste Impedanzmessung an dem PV- Generator in einem ersten Arbeitspunkt des PV-Generators durchgeführt, wobei der erste Arbeitspunkt innerhalb eines unkommutierten

Arbeitspunktsbereichs liegt. Durch die Impedanzmessung wird mindestens ein erster Impedanzwert des PV-Generators ermittelt. Der ermittelte erste

Impedanzwert wird mit einem Referenz-Impedanzwert des PV-Generators verglichen und es wird ein Kontaktfehler innerhalb des PV-Moduls des PV- Generators abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs des gemessenen Impedanzwertes im ersten Arbeitspunkt mit dem Referenz-Impedanzwert erkannt und signalisiert. Der Referenz-Impedanzwert wird mittels einer zweiten Impedanzmessung in einem leerlauffernen Arbeitspunkt eines PV-Generators bestimmt, der in einem kommutierten Arbeitspunktsbereich liegt. Der Referenz- Impedanzwert kann sowohl am gleichen PV-Generator wie der erste

Impedanzwert, als auch an einem unterschiedlichen, vorteilhaft baugleichen, insbesondere parallel geschalteten PV-Generator bestimmt werden.

Mit dem Begriff Impedanzwert ist bevorzugt der Betrag des Impedanz gemeint, durch den besonders zuverlässig auf das Vorliegen eines Kontaktfehlers geschlossen werden kann, wobei auch Werte, die aus dem Realteil und Imaginärteil der Impedanz auf andere Weise berechnet werden, als

Impedanzwerte im Sinne dieser Erfindung verstanden werden sollen.

Erfindungsgemäß wird durch die Wahl des Arbeitspunktes bei der ersten Impedanzmessung sichergestellt, dass ein durch den PV-Generator fließender PV-Strom tatsächlich durch die mögliche Kontaktfehlerstelle fließt und nicht auf eine zugeordnete Bypass-Diode kommutiert ist. Ein auf eine Bypass-Diode kommutierter PV-Strom würde den Kontaktfehler maskieren und einer sicheren Erkennung des Kontaktfehlers entgegenstehen. Ein innerhalb eines PV-Moduls lokalisierter Kontaktfehler kann so sicher erkannt werden.

Im Rahmen der Anmeldung ist als unkommutierter Arbeitspunktsbereich ein Bereich des Arbeitspunktes des PV-Generators zu verstehen, in dem alle Submodule eines PV-Moduls und somit keine der parallel zu einem eventuellen Kontaktfehler angeordneten Bypass-Dioden bestromt ist. Umgekehrt ist unter einem kommutierten Arbeitspunktsbereich ein Bereich des Arbeitspunktes des PV-Generators zu verstehen, in dem der PV-Strom zumindest bei Vorliegen eines Kontaktfehlers für eines der Submodule auf die parallel zu diesem vorliegenden Kontaktfehler angeordnete Bypass-Diode kommutiert ist. Insofern ist die Möglichkeit der Kommutierung des Stromes aufgrund eines

Kontaktfehlers maßgebend für die Definition des kommutierten

Arbeitspunktbereiches, nicht die tatsächliche Kommutierung.

Der Arbeitspunkt des PV-Generators kann dabei gezielt als Teil des

unkommutierten Arbeitspunktbereiches dadurch angefahren werden, dass eine PV-Spannung gewählt wird, die um einen Betrag unterhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators liegt, der kleiner als die Leerlaufspannung eines der Submodule des PV-Generators ist. Alternativ kann ein PV-Strom eingestellt werden, der kleiner als ein bestimmter Grenzstrom ist. Als dritte Möglichkeit ist die Wahl einer Spannung des PV-Generators oberhalb eines Impedanzsprunges beim Übergang zwischen dem unkommutierten und dem kommutierten Arbeitspunktsbereiches gegeben. Umgekehrt kann analog auch ein Arbeitspunkt im kommutierten Arbeitspunktsbereich gezielt

angefahren werden, indem eine Spannung gewählt wird, die um einen Betrag unterhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators liegt, der größer als die Leerlaufspannung eines der Submodul ist, oder indem ein PV-Strom eingestellt wird, der größer als der genannte Grenzstrom ist. Als dritte Möglichkeit ist die Wahl einer Spannung des PV-Generators unterhalb des Impedanzsprunges beim Übergang zwischen dem unkommutierten und dem kommutierten

Arbeitspunktsbereiches gegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zweite

Impedanzmessung an einem baugleichen PV-Generator zur Bestimmung des mindestens eines Referenz-Impedanzwertes des PV-Generators in einem Referenz-Arbeitspunkt des baugleichen PV-Generators durchgeführt. Wird die Referenz-Impedanzmessung an dem PV-Generator selbst durchgeführt, kann sie in einer Ausgestaltung auch innerhalb des unkommutierten

Arbeitspunktsbereichs durchgeführt werden, wenn dieses zu einem früheren Zeitpunkt erfolgt, zu dem kein Kontaktfehler vorliegt. Alternativ kann sie bevorzugt in einem leerlauffernen, insbesondere in einem kommutierten Arbeitspunktsbereich liegenden Arbeitspunkt des PV-Generators im Betrieb des PV-Generators durchgeführt werden.

Es wird dabei ausgenutzt, dass je nach Wahl des Arbeitspunkts die

Kontaktfehlerstelle einmal bestromt ist und einmal nicht. Es kann so der Referenz-Impedanzwert auch an dem fehlerbehafteten PV-Generator ermittelt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die erste und die zweite Impedanzmessung jeweils bei mindestens zwei

unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt, wobei der Referenz-Impedanzwert und der Impedanzwert jeweils aus einer Kombination einzelner Messwerte bei den unterschiedlichen Frequenzen gebildet wird. Bevorzugt ist die Kombination eine mit Wichtungsfaktoren gewichtete Summe. Ebenfalls bevorzugt kann der Referenz-Impedanzwert und/oder der Impedanzwert als integrale Kenngröße durch eine Integration von Impedanzwerten über einen Frequenzbereich bestimmt werden. Die Einbeziehung mehrerer Messwerte bei der Ermittlung des Referenz-Impedanzwert und/oder des Impedanzwerts erhöht die

Genauigkeit, mit der der jeweilige Impedanzwert bestimmt werden kann.

Störungen, die bei einer singulären Messfrequenz ein Ergebnis verfälschen könnten, werden durch die Berücksichtigung von Ergebnissen bei anderen Frequenzen weniger relevant.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein

Kontaktfehler erkannt und signalisiert, wenn der gemessene Impedanzwert größer als der Referenz-Impedanzwert ist. Kontaktfehler gehen mit einem vergrößerten Gleichstrom-Widerstand einher, der sich auch in der Impedanz widerspiegelt. Allgemein wird der Kontaktfehler bevorzugt dann erkannt und signalisiert, wenn eine Differenz der Impedanz des PV-Generators im ersten Arbeitspunkt gegenüber dem Referenz-Betriebszustand größer ist als ein erster Grenzwert. Ein Verbinderabriss als Sonderfall eines Kontaktfehlers kann dann erkannt und signalisiert werden, wenn die Differenz der Impedanz des PV- Generators im ersten Arbeitspunkt gegenüber dem Referenz-Betriebszustand größer ist als ein zweiter Grenzwert, der wiederum größer ist als der erste Grenzwert. Das Verfahren erlaubt in dieser Ausgestaltung zusätzlich eine Unterscheidung der Fehlerursache.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die folgenden zusätzlichen Schritte vorgesehen. Es wird eine weitere Impedanzmessung an dem PV-Generatoren in einem weiteren, insbesondere im kommutierten Arbeitspunktbereich liegenden Arbeitspunkt des PV-Generators im Betrieb des PV-Generators zur Bestimmung mindestens eines weiteren Impedanzwertes des PV-Generators durchgeführt. Der weitere Arbeitspunkt unterscheidet sich hierbei vom zweiten Arbeitspunkt, bei dem die Referenz-Impedanz bestimmt wird. Es wird dann ermittelt, ob ein Vergleich des weiteren Impedanzwertes mit dem Referenz-Impedanzwert eine Änderung der Impedanz des PV-Generators im weiteren Arbeitspunkt gegenüber der Referenz-Impedanz anzeigt. Wenn der Vergleich eine ausreichend hohe Änderung anzeigt, wird ein Kontaktfehler innerhalb einer externen Verkabelung des PV-Generators erkannt und ggf. signalisiert, die Signalisierung erfolgt also in Abhängigkeit des Vergleiches von Referenz-Impedanzwert und weiterem Impedanzwert. Diese Schritte bieten eine zusätzliche Überprüfung, ob ein Fehler tatsächlich innerhalb eines der PV- Module des PV-Generators vorliegt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die

Impedanzmessung bzw. die Referenz-Impedanzmessung jeweils an

zueinander parallel geschalteten PV-Teilgeneratoren des PV-Generators durchgeführt. Impedanzwerte können so getrennt für die PV-Teilgeneratoren ermittelt werden. Eine Kontaktfehlererkennung und -signalisierung ist damit auf Ebene der einzelnen PV-Teilgeneratoren möglich, wodurch ein Kontaktfehler auf der Ebene der PV-Teilgeneratoren lokalisiert werden kann.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren und Signalisieren eines Kontaktfehlers innerhalb eines PV-Moduls eines PV-Generators weist eine Impedanzmessungsvorrichtung und eine Einstelleinheit für den Arbeitspunkt des PV-Generators auf, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eines der zuvort genannten Verfahren durchzuführen.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung mindestens ein Einkoppelmittel für ein Wechselspannungs-Testsignal in den PV-Generator, sowie mindestens ein Auskoppelmittel zum Auskoppeln eines Wechselspannungssignals aus dem PV-Generator. Weiter bevorzugt ist die Vorrichtung zum Detektieren und Signalisieren eines Kontaktfehlers innerhalb eines PV-Teilgenerators eines PV- Generators geeignet, der zwei oder mehr parallel geschaltete PV- Teilgeneratoren aufweist, wobei die Vorrichtung Mittel zur Durchführung von Impedanzmessungen der einzelnen PV-Teilgeneratoren umfasst. Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung dann je ein Auskoppelmittel zum Auskoppeln eines Wechselspannungssignals aus jedem der PV-Teilgeneratoren auf.

Es ergeben sich jeweils die im Zusammenhang mit dem Verfahren

beschriebenen Vorteile. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zuzmindest die Einstelleinheit für den Arbeitspunkt des PV-Generators in einem Wechselrichter für eine PV-Anlage angeordnet. Wechselrichter weisen häufig bereits eine Einstelleinheit für den Arbeitspunkt des PV-Generators auf, die zur Auffindung und Einstellung eines optimalen Arbeitspunktes verwendet wird. Diese

Einstelleinheit kann im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Der apparative Aufwand zur Realisierung der Arbeitspunkteinstellung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so minimiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 a ein Blockschaltbild einer PV-Anlage mit einer Vorrichtung zum

Detektieren und Signalisieren eines Kontaktfehlers;

Fig. 1 b ein schematisches Schaltbild, das den internen Aufbau eines

PV-Moduls zeigt;

Fig. 2 ein schematisches Ersatzschaltbild eines PV-Moduls mit

einem internen Kontaktfehler;

Fig. 3a schematische Strom-Spannungs-Kennlinien eines PV-Moduls mit und ohne internem Kontaktfehler;

Fig. 3b ein schematischer Impedanzverlauf eines PV-Moduls mit einem internen Kontaktfehler;

Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren und

Signalisieren eines Kontaktfehlers; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren PV-Anlage mit einer

Vorrichtung zum Detektieren und Signalisieren eines

Kontaktfehlers. Fig. 1 a zeigt eine PV-Anlage in einem Blockschaltbild. Die PV-Anlage weist einen PV-Generator 10 auf, der über Gleichstromleitungen mit einem

Wechselrichter 20 verbunden ist, der wiederum wechselstromseitig mit einem Energieversorgungsnetz 30 gekoppelt ist. Beispielhaft ist der Wechselrichter 20 zur dreiphasigen Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 30 ausgelegt. Es versteht sich, das in alternativen Ausgestaltungen ebenfalls eine andere Anzahl von Phasen, auf denen der Wechselrichter 20 in das Energieversorgungsnetz 30 einspeist, möglich ist. In der Fig. 1 a sind lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Elemente der PV-Anlage dargestellt. Auf der

Wechselstromseite des Wechselrichters 20 können beispielsweise nicht gezeigte Schaltorgane (z.B. Trenner), Filter (z.B. Sinusfilter),

Netzüberwachungseinrichtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein. Ebenso können gleichstromseitig in der Verbindung zwischen dem PV- Generator 10 und dem Wechselrichter 20 hier nicht dargestellte Elemente wie zum Beispiel Sicherungsorgane oder Schaltorgane, zum Beispiel Last- Trennschalter, Gleichstromschütze usw., angeordnet sein.

Der PV-Generator 10 ist in diesem dargestellten Beispiel als ein String, also als eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von PV-Modulen ausgebildet.

Beispielhaft sind in der Fig. 1 für den PV-Generator 10 zwei PV-Module 1 1 in Reihenschaltung dargestellt.

In Fig. 1 b ist der innere Aufbau eines der PV-Module 1 1 ebenfalls in einem schematischen Schaltbild wiedergegeben. Das PV-Modul 1 1 weist in diesem Beispiel drei Submodule 12 auf, die ihrerseits in Reihe verschaltet sind. Zu jedem der Submodule 12 ist eine Bypass-Diode 13 parallel geschaltet, die im Falle einer Verschattung und/oder bei Kontaktproblemen innerhalb eines Submoduls 12 leitend wird, so dass ein durch das PV-Modul 1 1 fließender Strom auf die entsprechende Bypass-Diode 13, die dem verschatteten und/oder kontaktfehlerbehafteten Submodul 12 zugeordnet ist, kommutiert.

Weiterhin weist die PV-Anlage eine Vorrichtung 40 zur Durchführung und Auswertung von Impedanzmessungen und zur Erkennung und Signalisierung von Kontaktfehlern in dem PV-Generator 10 auf. Die Vorrichtung 40 umfasst ein Einkoppelmittel 41 , über das ein Wechselspannungs-Testsignal auf eine der beiden Gleichstromleitungen zwischen dem PV-Generator 10 und dem Wechselrichter 20 aufgebracht werden kann. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das Einkoppelmittel 41 ein Übertrager, der mit einer Sekundärwindung in die Gleichstromleitung eingeschleift ist und mit einer Primärwicklung mit einem Signalgenerator 42 verbunden ist. Weiterhin ist dem PV-Generator 10 ein Auskoppelmittel 43 zugeordnet, das im Ausführungsbeispiel ebenfalls als ein Übertrager ausgestaltet ist. Das Auskoppelmittel 43 ist mit einer Primärwicklung jeweils mit den PV-Modulen 1 1 des PV-Generators 10 serienverschaltet. Eine Sekundärwicklung des Auskoppelmittels 43 ist mit einem Signalverstärker 44 verbunden.

Weiterhin ist eine Steuereinrichtung 45 vorgesehen, die zum einen den

Signalgenerator 42 ansteuert und zum anderen ein Ausgangssignal des Signalverstärkers 44 zur Weiterverarbeitung entgegennimmt. Die

Steuereinrichtung 45 weist zudem einen Signalausgang 46 auf, an dem ein erkannter Kontaktfehler signalisiert wird. Der Signalausgang 46 kann, wie dargestellt, in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit dem Wechselrichters 20 gekoppelt sein, um Warneinrichtungen des Wechselrichters 20 zur

Signalisierung des Kontaktfehlers zu verwenden. Alternativ oder ergänzend kann der Signalausgang 46 auch mit einem externen Gerät gekoppelt sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Vorrichtung 40 auch ganz oder teilweise in den Wechselrichter 20 integriert sein. Dieses betrifft insbesondere die Steuereinrichtung 45 und den Signalgenerator 42, ggf. kann aber auch das Einkoppelmittel 41 und/oder der Signalverstärker 44 in den Wechselrichter 20 integriert sein.

Zur Impedanzmessung wird ein von dem Signalgenerator 42 erzeugtes

Wechselspannungssignal über die Einkoppelmittel 41 in den Gleichstromkreis der PV-Anlage eingespeist. Das eingespeiste Signal überlagert einen im Gleichstromkreis gegebenenfalls fließenden Gleichstrom. Das in dem PV- Generator 10 fließende Wechselspannungssignal wird von dem Auskoppelmittel 43 ausgekoppelt, von dem Signalverstärker 44 verstärkt und zur Auswertung an die Steuereinrichtung 45 weitergeleitet.

Zur Messung eines Impedanzverlaufs, also der Abhängigkeit der Impedanz von der Frequenz eines Signals, kann beispielsweise der Signalgenerator 42 ein Signal ausgeben, dessen Frequenz mit der Zeit variiert wird. Das von dem Signalverstärker 44 ausgegebene Signal ist mit dem im Gleichstromkreis fließenden Wechselstrom korreliert und wird abhängig von der Frequenz des Signalgenerators 42 ausgewertet, beispielsweise im Hinblick auf seine

Amplitudenhöhe. Zu diesem Zweck kann der Signalverstärker 44 ein

gleichrichtender Verstärker sein, der unmittelbar eine Signalamplitude bzw. ein Gleichspannungsäquivalent des Signals erfasst und weitergibt. Unter der Voraussetzung, dass die Spannung des eingekoppelten Signals im

Gleichstromkreis konstant ist, charakterisiert die gemessene Amplitudenhöhe den Betrag der Impedanz. Alternativ kann zur Bestimmung der Impedanz im Gleichstromkreis die Höhe von Wechselspannung und Wechselstrom bestimmt werden und aus dem Verhältnis der beiden Größen die Impdanz berechnet werden.

In einer alternativen Ausgestaltung ist es möglich, dass der Signalgenerator 42 ein breitbandiges Rauschsignal abgibt, das Frequenzkomponenten einer Vielzahl von Frequenzen enthält. Zur Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz wird dann mittels eines in der Auswerteeinheit 45 oder in den Signalverstärker 44 vorhandenen durchstimmbaren Bandpassfilters eine Signalamplitude innerhalb der PV-Generator 10 in Abhängigkeit der

Filterfrequenz erfasst, während die Filterfrequenz variiert wird.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass einmalig zu Beginn einer Kontaktfehlererkennung ein Impedanzverlauf des PV- Generators 10 gemessen wird. Hieraus werden dann charakteristische

Parameter des Impedanzverlaufes bestimmt, beispielsweise eine

Resonanzfrequenz und ein Betrag des Impedanzminimums. Anschließend wird durch weitere kontinuierlich erfolgende Messungen analysiert, ob - und gegebenenfalls in welche Richtung - sich diese charakteristischen Parameter des Impedanzverlaufes im Laufe der Zeit verändern. Für diese kontinuierlich erfolgenden Messungen ist daher nicht mehr ein vollständiger Durchlauf eines vordefinierten Frequenzspektrums erforderlich. Vielmehr lässt sich anhand weniger Frequenz-Stützstellen in der Nähe der ursprünglich bestimmten

Resonanzfrequenz schnell und auf einfache Art und Weise ermitteln, ob - und gegebenenfalls in welche Richtung - eine Veränderung dieser

charakteristischen Parameter des Impedanzverlaufes stattgefunden hat.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird vom Einkoppelmittel 41 das

Testsignal induktiv eingeprägt und durch das Auskoppelmittel 43 ein

Wechselstrom innerhalb des PV-Generators 10 gemessen. Es versteht sich, dass alternativ das Testsignal auch kapazitiv eingekoppelt werden kann. Das Auskoppelmittel 43 kann zudem alternativ und/oder zusätzlich als

spannungsmessendes Elemente ausgebildet sein.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Prinzipien werden zunächst anhand der Figuren 2 bis 4 näher erläutert. Fig. 2 zeigt in ähnlicher Weise wie Fig. 1 b ein Blockschaltbild eines PV-Moduls 1 1 . Bei dem in Fig. 2 dargestellten PV-Modul liegt bei dem in der Figur unten dargestellten Submodul 12 ein Kontaktfehler vor, der über einen Widerstand R als Ersatzschaltbild symbolisiert ist. Fig. 3a zeigt schematische Strom- / Spannungskennlinien, nachfolgend auch als I/U-Kennlinien bezeichnet, des PV-Moduls 1 1 der Fig. 2 in einem Diagramm. Dazu ist auf der vertikalen Achse des Diagramms ein durch das PV-Modul 1 1 fließender Strom I in Abhängigkeit von der vom PV- Modul 1 1 bereitgestellten Spannung U (auch PV-Spannung U genannt) dargestellt.

In Fig. 3a ist eine erste, gestrichelt dargestellte I/U-Kennlinie 50 eines PV- Moduls 1 1 ohne Kontaktfehler wiedergegeben. Im Blockschaltbild der Fig. 2 würde das einem Widerstandswert R = 0 entsprechen. Die I/U-Kennlinie 50 zeigt einen typischen Verlauf für ein nicht verschattetes PV-Modul, wobei im Grenzfall kleiner Ströme sich eine PV-Leerlaufspannung der Größe 3 ^■ Uo einstellt. Die Spannung Uo bezeichnet dabei die Leerlaufspannung eines jeden der hier drei Submodule 12. Mit abnehmender Spannung U steigt der durch das PV-Modul 1 1 fließende Strom I bis zu einem Kurzschlussstromwert l ₀ .

Eine zweite Kennlinie 51 in Fig. 4a gibt den Kontaktfehlerfall wieder, bei dem der Wert des Widerstands R signifikant größer als 0 ist. Bei kleinen

Spannungswerten verläuft die Kennlinie 51 fast Deckungsgleich zur Kennlinie 50, insbesondere wird der gleiche Kurzschlussstrom l ₀ erreicht. Mit wachsender PV-Spannung durchläuft die Kennlinie 51 dann einen Bereich, in dem der Strom I mit steigender PV-Spannung U zunächst langsam, dann steiler abfällt. Ähnlich wie die Kennlinie 50 dabei exponentiell auf den Strom 0 bei der

Spannung 3 ^■ Uo abfällt, fällt die Kennlinie 51 exponentiell gegen einen Wert von l=0 bei einer Spannung 2 ^■ Uo ab. Für PV-Spannungen U zwischen 2 ^■ Uo und 3 ^■ Uo fällt der Strom I linear von einem Wert nahe 0 bei der PV-Spannung 2 ^■ Uo auf 0 bei der PV-Spannung 3 ^■ Uo ab. Der Spannungsabfall bestimmt sich nach dem ohmschen Gesetz aus der Größe des Widerstandswertes des Kontaktfehlers. Der Spannungsbereich zwischen 2 ^■ Uo und 3 ^■ Uo ist in der Fig. 3a als ein erster Bereich I gekennzeichnet. Der Spannungsbereich kleiner 2 ^■ Uo ist als ein zweiter Bereich II gekennzeichnet.

Fig. 2 zeigt anhand von Strompfaden, warum die Kennlinie 51 in dem ersten und zweiten Bereich I, II einen so unterschiedlichen Verlauf aufweist. Der mit I bezeichnete Strompfad liegt im ersten Bereich I vor, der mit II bezeichnete Strompfad im zweiten Bereich II. In dem ersten Bereich I ist der

Spannungsabfall am Widerstand R kleiner als die vom Submodul 12

bereitgestellte Spannung. Entsprechend sperrt die zugehörige Bypass-Diode 13 und der Strom I fließt durch den Widerstand R und die drei Submodule 12.

Fällt dagegen am Widerstand R eine Spannung ab, die größer ist als die von dem Kontaktfehler behafteten Submodul 12 bereitgestellte Spannung, wird die zugeordnete Bypass-Diode 13 leitend und der PV-Strom im PV-Modul 1 1 kommutiert auf diese Bypass-Diode 13. Diese Situation liegt im zweiten Bereich II vor, wie durch den entsprechenden Strompfad II in Fig. 2 dargestellt ist. Der zweite Bereich II wird daher im Rahmen der Anmeldung auch als kommutierter Bereich bezeichnet, da der Strom auf zumindest eine der Bypass-Dioden 13 kommutiert ist und die Kontaktfehlerstelle umgangen wird. Der erste Bereich I wird auch als unkommutierter Bereich I bezeichnet, da bei einem Arbeitspunkt des PV-Moduls 1 1 in diesem unkommutierten Arbeitspunktbereich I der Kontaktfehler bestromt ist, also auf dem Strompfad durch das PV-Modul 1 1 liegt.

Es wird darauf hingewiesen, das in der Fig. 3a der unkommutierte Bereich I und kommutierte Bereich II abhängig von der vom PV-Modul 1 1

bereitgestellten PV-Spannung U dargestellt sind. Ebenso kann der

unkommutierte Bereich I bzw. der kommutierter Bereich II auch stromabhängig dargestellt werden. Dabei liegt der kommutierte Bereich II oberhalb eines Grenzstroms IG und der unkommutierte Bereich I unterhalb des Grenzstroms l _G . Die Höhe des Grenzstroms IG ist näherungsweise durch den Quotienten Uo/R gegeben.

In Fig. 3b ist ein Absolutwert eines Imdepanzwertes |Z| des PV-Moduls abhängig von der PV-Spannung U dargestellt. Die PV-Spannung U ist auf gleicher horizontaler Achse angegeben wie in der Fig. 3a. Der Impedanzwert |Z| ist beispielhaft bei einer bestimmten, hier nicht näher definierten Frequenz der Wechselspannung angegeben. Ein charakteristisches Merkmal des dargestellten Verlaufs ist ein deutlicher Sprung, hier ein Anstieg auf einen Impedanzwert |Z| _G , des Betrags der Impedanz |Z| beim Übergang von dem kommutierten Bereich II zum unkommutierten Bereich I. Der Impedanzwert |Z| _G ist ein Maß für den Widerstand R.

Bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren wird ein erster Arbeitspunkt des PV-Generators derart gewählt, das er innerhalb des unkommutierten

Arbeitspunktbereichs I liegt. Bei diesem ersten Arbeitspunkt des PV- Generators wird mindestens ein Impedanzwert des PV-Generators bestimmt und mit einem Referenzimpedanzwert verglichen. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird ein Kontaktfehler erkannt und signalisiert.

Entsprechend den oben gemachten Ausführungen kann eine Einstelleinheit für den Arbeitspunkt, die die Steuereinrichtung 45 umfassen kann und/oder auch Teil des Wechselrichters 20 sein kann, einen Arbeitspunkt des PV-Generators 10 gezielt als Teil des unkommutierten Arbeitspunktbereches I dadurch anfahren, dass eine Spannung gewählt wird, die um einen Betrag unterhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators 10 liegt, der kleiner als die

Leerlaufspannung Uo eines Submoduls 12 ist, oder indem ein Modulstrom I eingestellt wird, der kleiner als der Grenzstrom l _G ist. Als dritte Möglichkeit ist die Wahl einer Spannung des PV-Generators 10 oberhalb des

Impedanzsprunges beim Übergang zwischen dem unkommutierten und dem kommutierten Arbeitspunktsbereiches gegeben. Analog kann auch ein

Arbeitspunkt im kommutierten Arbeitspunktsbereich II gezielt angefahren werden, indem eine Spannung gewählt wird, die um einen Betrag unterhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators 10 liegt, der größer als die

Leerlaufspannung Uo eines Submoduls 12 ist, oder indem ein Modulstrom I eingestellt wird, der größer als der Grenzstrom l _G ist. Als dritte Möglichkeit ist die Wahl einer Spannung des PV-Generators 10 unterhalb des

Impedanzsprunges beim Übergang zwischen dem unkommutierten und dem kommutierten Arbeitspunktsbereiches gegeben.

Ein Ausführungsbeispiel eines anmeldungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 in einem Flussdiagramm detaillierter dargestellt. Das Verfahren kann

beispielsweise mit der in Fig. 1 dargestellten PV-Anlage durchgeführt werden und wird mit Bezug auf dieses Ausführungsbeispiel und unter Benutzung der dort angegebenen Bezugszeichen nachfolgend beschrieben.

In einem ersten Schritt S1 wird ein erster Arbeitspunkt des PV-Generators im unkommutierten ersten Arbeitspunktbereich I eingestellt und ein erster

Imdedanzwert |Z| gemessen. Zur Einstellung des Arbeitspunkts kann

beispielsweise von der Steuereinrichtung 45 in Fig. 1 ein entsprechendes Signal über eine Steuerleitung, z.B. eine Kommunikationsverbindung, an den Wechselrichter 20 ausgegeben werden, der einen entsprechenden

Arbeitspunkt am PV-Generator 10 einstellt. Ein solcher erster Arbeitspunkt kann beispielsweise durch Vorgabe einer hohen PV-Spannung U eingestellt werden, die im Bereich der Leerlaufspannung des PV-Generators liegt. Ebenso kann, falls vom Wechselrichter 20 eine Steuerung des Arbeitpunkts über den PV-Strom I erfolgt, ein gegen Null gehender PV-Strom vorgegeben werden.

In einem nächsten Schritt S2 wird ein Referenz-Impedanzwert |Z _R | in einem zweiten Arbeitspunkt gemessen. Eine zugrundeliegende Impedanzmessung kann bei einer oder mehreren vorgegebenen Frequenzen erfolgen oder aber durch Variation der Frequenz für einen bestimmten Frequenzbereich.

Unabhängig davon, ob Impedanzwerte bei diskreten Frequenzen oder ein Impedanzverlauf in einem (quasi-) kontinuierlichen Frequenzbereich ermittelt wird, kann daraus ein gemittelter Impedanzwert bestimmt werden. Impedanzen sind üblicherweise komplexe Größen, ohne Beschränkung wird im folgenden davon ausgegangen, dass ein Betragswert |Z| des ermittelten Impedanzwerts Z der weiteren Auswertung zugrunde liegt. Eine Auswertung kann aber ebenso auf Basis des Real- und/oder Imaginärteils eines gemessenen Impedanzwerts erfolgen.

In einem nächsten Schritt S3 wird eine Differenz zwischen den gemessenen ersten Impedanzwert |Z| und Referenz-Impedanzwert |Z _R | berechnet. Der Referenz-Impedanzwert wird einer Messung entnommen, die bei einem

Arbeitspunkt des PV-Generators oder eines anderen, insbesondere

baugleichen PV-Generator aus dem kommutierten Arbeitspunktbereich II vorgenommen wurde. Im Folgenden wird aber zur einfacheren Beschreibung nur der Fall behandelt, dass beide Messungen am gleichen PV-Generator vorgenommen werden.

In einem nächsten Schritt S4 wird die im Schritt S3 bestimmte Differenz der Impedanzwerte ΔΖ mit einem ersten Grenzwert ΔΖι verglichen. Falls die gemessene Differenz ΔΖ nicht größer als der erste Grenzwert ΔΖι ist, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S5, in dem eine Wartezeit abgewartet wird, bevor das Verfahren erneut mit dem Schritt S1 durchgeführt wird. Während der Wartezeit wird der PV-Generator 10 bevorzugt zur Erzeugung von elektrischer Energie in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben. Bei einer zu kurzen Wartezeit sinkt die Effektivität der PV-Anlage, da während des Durchführens der Diagnoseschritte S1 bis S4 der PV-Generator nicht in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Bei zu langer Wartezeit im Schritt S5 wird die Diagnose unter Umständen zu selten durchgeführt, um vor Folgeschäden eines nicht rechtzeitig erkannten Kontaktfehlers zu schützen. Bevorzugt wird im Schritt S5 eine Wartezeit eingestellt, die einen Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen darstellt.

Wenn im Schritt S4 erkannt wurde, dass die Differenz ΔΖ größer ist als der erste Grenzwert ΔΖ1 , verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S6, in dem ein Kontaktfehler erkannt und signalisiert wird. In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens kann dieses mit dem Detektieren und Signalisieren des

Kontaktfehlers im Schritt S6 beendet sein. Gegebenenfalls kann der

Wechselrichter 20 angewiesen werden, in dem ersten Arbeitspunkt zu verweilen, um durch den geringen Stromfluss in diesem Arbeitspunkt eine Überhitzung des Kontaktfehlerbereichs zu vermeiden.

Optional können die beiden in Fig. 4 gestrichelten Blöcke einzeln oder nacheinander zusätzlich durchlaufen werden. In einem ersten Block mit Schritten S7 bis S9 kann zwischen verschiedenen wahrscheinlichen Typen des Kontaktfehlers unterschieden werden. In einem zweiten Block mit den Schritten S10 bis S14 kann plausibilisiert werden, dass ein Fehler tatsächlich innerhalb eines der PV-Module des PV-Generators vorliegt und nicht extern in der Verkabelung zwischen den Modulen bzw. zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter.

In einem ersten Schritt S7 des ersten Blocks wird die gemessene Differenz ΔΖ der Impedanzwerte mit einem zweiten Grenzwert ΔΖ ₂ verglichen. Dieser zweite Grenzwert ΔΖ ₂ ist größer als der erste Grenzwert ΔΖι . Falls die Differenz ΔΖ größer ist als dieser zweite Grenzwert ΔΖ ₂ , verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S8, in dem als Typ des Kontaktfehlers ein möglicher Verbinderabriss innerhalb eines PV-Moduls 1 1 angezeigt wird. Hintergrund ist, dass ein

Kontaktfehler, der mit derartig großen Impedanzwerten einhergeht, auf eine weitgehende oder vollständige Unterbrechung innerhalb des PV-Moduls, die mit großer Wahrscheinlichkeit auf ein Lösen eines Zellverbinders hinweist, vorliegt. Falls in dem Schritt S7 festgestellt wird, dass die Differenz ΔΖ nicht größer als der zweite Grenzwert ΔΖ ₂ ist, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S9, in dem ein nicht näher spezifizierter hochohmiger Kontaktfehler angezeigt wird. Nach Ausführen eines der Schritte S8 oder S9 ist der erste optionale Block beendet.

In dem zweiten optionalen Block, der ausgehend vom Schritt S6 oder nach Beendigung des ersten optionalen Blocks durchlaufen werden kann, wird in einem Schritt S10 ein weiterer Arbeitspunkt des PV-Generators 10 eingestellt, der in dem kommutierten zweiten Arbeitspunktbereich II (vgl. Fig. 3a) des PV- Generators liegt.

Wenn der im Schritt S6 erkannte Kontaktfehler tatsächlich innerhalb eines PV- Moduls 1 1 liegt, würde der Kontaktfehlerbereich beim Betreiben des PV- Generators im kommutierten Bereich II durch Kommutieren des PV-Stroms auf die dem Kontaktfehlerbereich zugeordnete Bypass-Diode 13 (vgl. Fig 2) umgangen. Der Kontaktfehlerbereich wäre damit nicht mehr im Strompfad enthalten.

In einem nächsten Schritt S1 1 wird analog zum Schritt S1 der Impedanzwert |Z| ein weiteres Mal gemessen. Von diesem gemessenen Wert wird wiederum die Differenz ΔΖ zum Referenz-Impedanzwert |Z _R | analog zum Schritt S3 bestimmt und in einem nachfolgenden Schritt S12 mit einem dritten Grenzwert ΔΖ ₃ verglichen. Wenn in diesem Fall die Differenz ΔΖ des gemessenen

Impedanzwertes zum Referenz-Impedanzwert nicht größer als der dritte

Grenzwert ΔΖ ₃ ist, zeigt dieses an, dass mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit der Kontaktfehler tatsächlich innerhalb des PV-Moduls 1 1 vorlag. In der Messung im Schritt S1 1 wurde der Kontaktfehler durch Kommutieren des PV-Stroms auf die Bypass-Diode 13 maskiert.

Wenn dagegen im Schritt S12 festgestellt wird, dass auch in diesem zweiten Arbeitspunkt des PV-Generators die Differenz AZ der Impedanzwerte größer als der dritte Grenzwert ΔΖ ₃ ist, zeigt dieses einen Fehler in der Verkabelung der PV-Module 1 1 untereinander oder der Verkabelung zwischen dem PV- Generator 10 und dem Wechselrichter 2 an, der nicht zu einer Kommutierung des PV-Stroms auf eine Bypass-Diode 13 führt. Der dritte Grenzwert ΔΖ ₃ kann identisch mit dem ersten Grenzwert ΔΖι gewählt werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten PV-Anlage. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in Fig. 1 .

Vom Grundaufbau her entspricht die in Fig. 5 dargestellte PV-Anlage der in Fig. 1 gezeigten, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der PV-Generator der PV-Anlage der Fig. 5 eine Parallelschaltung von zwei PV-Teilgeneratoren 10a und 10b. Jeder dieser PV-Teilgeneratoren 10a, 10b ist im angegebenen

Beispiel als ein String, also eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von PV- Modulen 1 1 a bzw. 1 1 b ausgebildet.

Jedem der Teilgeneratoren 10a, 10b ist ein Auskoppelmittel 43a bzw. 43b zugeordnet, das wiederum wie das Auskoppelmittel 43 beim

Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als Übertrager ausgestaltet ist. Die

Auskoppelmittel 43a, 43b sind mit einer Primärwicklung jeweils mit den PV- Modulen 1 1 a bzw. 1 1 b der PV-Teilgeneratoren 10a bzw. 10b serienverschaltet. Eine jeweilige Sekundärwinklung der Auskoppelmittel 43a, 43b ist mit einem jeweiligen separaten Signalverstärker 44a, 44b verbunden. Die Ausgänge der Signalverstärker 44a, 44b werden von der Steuereinrichtung 45

entgegengenommen und weiterverarbeitet. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein Einkoppelmittel 41 mit zugeordnetem Signalgenerator 42 vorhanden.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung erlaubt es, Impedanzwerte innerhalb der PV-Teilgeneratoren 10a und 10b durch Auswertung der entsprechenden Signale des Signalverstärkers 44a bzw. 44b unabhängig voneinander zu ermitteln. Das in Fig. 4 dargestellte Verfahren kann entsprechend in unterschiedlichen Durchläufen getrennt für den PV-Teilgenerator 10a bzw. den PV-Teilgenerator 10b durchgeführt werden. Eine Kontaktfehlererkennung und -signalisierung ist damit auf Ebene der einzelnen PV-Teilgeneratoren 10a, 10b möglich, wodurch ein Kontaktfehler auf der Ebene der PV-Teilgeneratoren 10a, 10b lokalisiert werden kann. Insbesondere im Fall von baugleichen PV-Teilgeneratoren kann der Referenz-Impedanzwert des einen PV-Teilgenerator auch als Referenz- Impedanzwert des anderen PV-Teilgenerator bei der Kontaktfehlererkennung verwendet werden, ohne dass eine eigenständige Messung hierzu erforderlich wäre.

Die dargestellte Anzahl von zwei PV-Teilgeneratoren 10a, 10b im

Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist rein beispielhaft und nicht einschränkend. Das in Fig. 5 dargestellte Messprinzip der Impedanzmessung innerhalb eines einzelnen PV-Teilgenerators kann auch auf eine größere Anzahl von PV- Teilgeneratoren innerhalb eines PV-Generators übertragen werden.

Bezuqszeichenliste

10 PV-Generator

10a, 10b PV-Teilgenerator

1 1 , 1 1 a, 1 1 b PV-Modul

12, 12a, 12b Submodul

13 Bypass-Diode

20 Wechselrichter

30 Energieversorgungsnetz

40 Vorrichtung zum Detektieren und Signalisieren eines

Kontaktfehlers

41 Einkoppelmittel

42 Signalgenerator

43, 43a, 43b Auskoppelmittel

44, 44a, 44b Signalverstärker

45 Steuereinrichtung

46 Signalausgang

50, 51 , 52 Kennlinie

I unkommutierter Arbeitspunktbereich

11 kommutierter Arbeitspunktbereich

I PV-Strom

U PV-Spannung

Uo Leerlaufspannung eines Submoduls

|Z| Impedanzwert

|Z _R | Referenz-Impedanzwert

ΔΖ Differenz

ΔΖι erster Grenzwert

ΔΖ ₂ zweiter Grenzwert