DE102012109749A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Es wird ein Wechselstromanteil (I_AC) eines in dem Stromkreis fließenden Stroms (I) gemessen und analysiert und mindestens ein Parameter des Wechselstromanteils (I_AC) bestimmt. Die Höhe eines Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) wird variiert und ein Korrelationsgrad zwischen der Höhe des im Stromkreis fließenden Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) und dem mindestens einen Parameter des Wechselstromanteils (I_AC) ermittelt. Ein Lichtbogen wird abhängig von dem ermittelten Korrelationsgrad erkannt und signalisiert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie einen Wechselrichter mit einer derartigen Vorrichtung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis, bei dem ein hochfrequentes Signal im Stromkreis gemessen und analysiert wird. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen und einen Wechselrichter mit einer derartigen Vorrichtung.
• In Stromkreisen, insbesondere in Gleichstrom(DC – direct current)-Stromkreisen, in denen hohe Spannungen in Verbindung mit hohen Strömen auftreten, besteht die Gefahr einer Lichtbogenbildung. Lichtbögen können beispielsweise bei Wartungsarbeiten (Trennen einer stromdurchflossenen Leitung), bei einer Degradation von Kontakten an Schraub- oder Steckverbindern, an schlechten Lötstellen oder unzureichend befestigten Schraubverbindungen oder bei einer beschädigten Leitungsisolation entstehen. Ein Löschen eines entstandenen Lichtbogens ist üblicherweise nur durch eine drastische Reduzierung des über den Lichtbogen fließenden Stromes möglich.
• In Photovoltaikanlagen, im Folgenden abgekürzt als PV-Anlagen bezeichnet, sind Lichtbögen aufgrund der hohen Gleichspannung und den hohen vorherrschenden Gleichströmen ein nicht zu unterschätzendes Problem und sind eine der Hauptursachen von Brandfällen in PV-Anlagen.
• Sichere Methoden zum Erkennen von aufgetretenen Lichtbögen sind daher von großem Interesse. Aus Sicherheitsgründen sollte dabei ein aufgetretener Lichtbogen zuverlässig erkannt werden. Andererseits sollte die Wahrscheinlichkeit von Fehlerkennungen von angeblichen Lichtbögen so klein wie möglich gehalten werden, insbesondere wenn mit der Lichtbogenerkennung ein automatisches Abschaltsystem verbunden ist, bei dem ein automatischer Wiederanlauf der PV-Anlage unterbunden ist, wie es in manchen Ländern gefordert ist.
• Lichtbögen emittieren üblicherweise ein breitbandiges Wechselstrom(AC – alternating current)-Signal, das bis in den Hochfrequenzbereich hineinreicht. Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen von Lichtbögen, die auf einer Detektion eines solchen Wechselstromsignals in einem Stromkreis basieren, sind weitverbreitet und beispielsweise in der Druckschrift WO 95/25374 A beschrieben.
• Ein Problem bei derartigen Verfahren ist, dass hochfrequente Störsignale fälschlicherweise einem Lichtbogen zugeschrieben werden, wodurch es zu Fehlauslösungen der Vorrichtung zu Lichtbogenerkennung kommt. Mögliche Quellen von Störsignalen sind zum Beispiel Hochfrequenzfunksender, kurzzeitig auftretende Lichtbögen an den Stromabnehmern von elektrifizierten Zügen oder Straßenbahnen, die in unmittelbarer Nähe zu dem überwachten System vorbeifahren, oder elektrische oder elektronische Geräte mit einer nicht ausreichenden elektromagnetischen Abschirmung oder Störsignalunterdrückung. Auch Lichtbögen in benachbarten Stromkreisen können in ein betrachtetes System hineinkoppeln und die Vorrichtung zur Lichtbogenerkennung fälschlicherweise auslösen. Bei PV-Anlagen sind häufig mehrere parallele Gleichstromkreise vorgesehen, wobei in jedem Gleichstromkreis ein PV-Teilgenerator und ein Wechselrichter angeordnet sind. Im Folgenden werden alle hochfrequenten Signale oder Signalanteile in einem Stromkreis, die nicht von einem in diesem Stromkreis aufgetretenen Lichtbogen herrühren, zusammenfassend als „Störsignale“ und ihre Quellen als „Störer“ bezeichnet.
• Um die Zuverlässigkeit der Lichtbogenerkennung zu erhöhen, ist aus der Druckschrift US 7,633,727 B2 ein Lichtbogenerkennungssystem bekannt, das zwei schmalbandige, bei verschiedenen Frequenzen arbeitende Bandpassfilter aufweist. Ein Lichtbogen wird nur dann als aufgetreten erkannt, wenn ein Hochfrequenzsignal beobachtet wird, das Signalanteile in den beiden unterschiedlichen, von den Bandpassfiltern festgelegten Frequenzbereichen hat. Falls allerdings ein Störsignal ein Frequenzspektrum aufweist, das ähnlich breit ist wie das typische Frequenzspektrum eines Lichtbogens, kann dieses Störsignal nicht von einem Hochfrequenzsignal unterschieden werden, das von einem Lichtbogen stammt.
• Aus der Druckschrift EP 1 772 936 A2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen von Lichtbögen in einem Wechselstromkreis bekannt, bei denen neben den hochfrequenten Signalanteilen eine Änderungsrate des Stroms im Stromkreis erfasst wird. Falls diese Änderungsrate Vorgänge im Stromkreis anzeigt, die grundsätzlich Auslöser eines Lichtbogens sein könnten, beispielsweise ein plötzlicher Stromanstieg oder -abfall, und gleichzeitig ein auf einen Lichtbogen hinweisendes Hochfrequenzsignal beobachtet wird, wird angenommen, dass ein Lichtbogen tatsächlich vorliegt. Insbesondere in Stromkreisen, in denen sehr hohe Gesamtströme auftreten, wie beispielsweise in den Gleichstromkreisen von PV-Anlagen, sind Lichtbögen auslösende Vorgänge jedoch nicht unbedingt eindeutig anhand einer Änderungsrate des Gesamtstroms erkennbar.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen von Lichtbögen zu schaffen, das eine sichere Unterscheidung von Störsignalen gegenüber solchen hochfrequenten Signalen, die auf einem tatsächlich im Stromkreis aufgetretenen Lichtbogen beruhen, erlaubt. Es ist eine weitere Aufgabe, eine entsprechend störsignalunempfindliche Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen in Stromkreisen zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis weist die folgenden Schritte auf:
  Es wird ein Wechselstromanteil eines im Gleichstromkreis fließenden Stroms gemessen, analysiert und mindestens ein Parameter des Wechselstromanteils bestimmt. Dabei wird der in dem Gleichstromkreis fließende Gleichstromanteil des Strom in seiner Höhe variiert. Weiter wird ein Korrelationsgrad zwischen der Höhe des im Gleichstromkreis fließenden Stroms und dem mindestens einen Parameter des Wechselstromanteils des Stroms ermittelt. Abhängig von dem ermittelten Korrelationsgrad wird ein Lichtbogen erkannt und signalisiert.
• Bei Lichtbögen besteht ein Zusammenhang zwischen Eigenschaften eines vom Lichtbogen in dem Stromkreis emittierten höherfrequenten Wechselstromsignals und der Höhe des Stroms, der durch diesen Lichtbogen fließt. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um festzustellen, ob ein gemessener Wechselstromanteil, der das höherfrequente Signal enthält, tatsächlich von einem in dem Stromkreis aufgetretenen Lichtbogen herrührt. Dazu wird die Höhe des im Stromkreis fließenden Gleichstroms variiert und ermittelt, inwieweit Parameter des gemessenen höherfrequenten Signals mit der Höhe des im Stromkreis fließenden Gleichstroms korreliert sind. Abhängig vom dem so ermittelten Grad der Korrelation wird ein Lichtbogen als erkannt angesehen und signalisiert. Das Verfahren ermöglicht eine sichere Unterscheidung eines Lichtbogensignals von einem Störsignal, da Störsignale und insbesondere von extern in einen Stromkreis eingekoppelte Störsignale im allgemeinen in ihren Eigenschaften nicht von der Höhe des im betrachteten Stromkreis fließenden Gleichstroms beeinflusst werden. Im Rahmen der Anmeldung ist als relevantes höherfrequentes Wechselstromsignal ein Signal bei einer Frequenz im Bereich von etwa 10 kHz (Kilohertz) bis zu etwa 1 MHz (Megahertz) anzusehen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Parameter eine Signalstärke des gemessenen Wechselstromanteils betrachtet. Besonders bevorzugt steigt der ermittelte Korrelationsgrad, wenn die Signalstärke mit ansteigender Höhe des Stroms abfällt. Ein auf diese Weise bestimmter Korrelationsgrad spiegelt besonders gut das Auftreten eines Lichtbogens wider.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Variation der Höhe des Stroms durch eine periodische Modulation. Durch die bei der Modulation mehrfach durchlaufene Stromänderung kann eine Korrelation sicher erkannt werden. Falls in dem betrachteten Stromkreis ein Wechselrichter angeordnet ist, wird dabei bevorzugt die Variation oder Modulation des Stroms von dem Wechselrichter hervorgerufen. Besonders bevorzugt wird die Variation oder Modulation durch Schaltvorgänge von Halbleiterleistungsschaltern des Wechselrichters bei einer Spannungswandlung hervorgerufen oder wird bei einer Durchführung eines MPP-Nachführverfahrens durch den Wechselrichter hervorgerufen. Auf diese Weise kann eine beim Betrieb des Wechselrichters sowieso vorgenommene Stromvariation im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Modulation abhängig von Identifikationsparametern einer das Verfahren ausführenden Vorrichtung. Wenn in einem größeren System mehrere benachbarte Stromkreise vorhanden sind, kann ein in einem ersten Stromkreise aufgetretener Lichtbogen in einen zweiten Stromkreis übersprechen, so dass auch in dem zweiten Stromkreis ein Wechselstromsignal vorliegt. Dann besteht unter Umständen das Problem, dass bei zeitgleichem Erkennen eines Wechselstromsignals in beiden Stromkreisen eine Modulation des jeweiligen Stroms synchron vorgenommen wird, was zu einer Identifizierung eines vermeintlichen Lichtbogens in beiden Kreisen führen würde. In der genannten Ausgestaltung führen die Vorrichtungen in den jeweiligen Stromkreise Modulationen aus, die von Identifikationsparametern der Vorrichtung abhängen und damit für die beiden Vorrichtungen unterschiedlich sind und sich beispielsweise in einer Modulationsfrequenz oder einer Modulationssequenz unterscheiden. Aufgrund der unterschiedlichen Modulationen tritt eine Korrelation dann nur in dem Stromkreis auf, in dem der Lichtbogen tatsächlich brennt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Höhe des Stroms variiert, wenn der Parameter des Wechselstromanteils einen Schwellenwert übersteigt. Auf diese Weise wird zunächst der Wechselstromanteil des Stroms zunächst daraufhin überwacht, ob ein Indiz für einen Lichtbogen im Stromkreis vorliegt. Erst dann werden die weiteren Verfahrensschritte ausgeführt. Bevorzugt wird dabei der Schwellenwert mit Hilfe einer Tiefpass-Filterung aus dem Parameter des Wechselstromanteils bestimmt. Lichtbögen bilden sich üblicherweise nicht langsam, sondern schlagartig. Durch die Tiefpassfilterung wird der Schwellenwert adaptiv ermittelt. Er kann einerseits langsam ändernden Störsignalen folgen, so dass diese nicht fälschlicherweise detektiert werden, und wird doch andererseits von einem sprunghaft auftreten Lichtbogen überschritten.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die folgenden weiteren Schritten durchgeführt, nachdem ein Lichtbogen erkannt wurde: Es wird die Höhe des Gleichstromanteils des Stroms auf null oder annähernd auf null verringert und eine weiteren Messung des Wechselstromanteils des in dem Stromkreis fließenden Stroms durchgeführt. Weiter wird festgestellt, ob die weitere Messung das Vorliegen eines Wechselstromsignals in dem weiteren Stromkreis anzeigt. Es wird dann das Vorliegen eines parallelen Lichtbogens signalisiert, falls ein Wechselstromsignal vorliegt. Falls kein Wechselstromsignal mehr festgestellt wird oder ein nur sehr geringes Wechselstromsignal festgestellt wird, wird signalisiert, dass ein Serienlichtbogen aufgetreten war. Auf diese Weise kann das Verfahren genutzt werden, um zwischen zwei möglichen Arten eines Lichtbogens unterscheiden zu können. Diese beiden Arten sind einerseits ein Serienlichtbogen, der in Serie zu dem PV-Generator auftritt, und andererseits ein Parallellichtbogen, der parallel zum PV-Generator oder parallel zu einem Teil des PV-Generators auftritt.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis weist Mittel zum Variieren der Höhe eines Gleichstromanteils des in dem Stromkreis fließenden Stroms und eine Auswerteeinheit zum Analysieren eines gemessenen Wechselstromanteils des Stroms und zum Bestimmen mindestens eines Parameters des Wechselstromanteils auf. Weiter ist eine Korrelationseinheit zum Ermitteln eines Korrelationsgrad zwischen der Höhe des im Stromkreis fließenden Stromanteils und dem mindestens einen Parameter des Wechselstromanteils vorgesehen sowie ein Signalisierungsausgang, an dem abhängig von dem ermittelten Korrelationsgrad ein Vorliegen eines Lichtbogens signalisiert wird. Die mit der Vorrichtung verbundenen Vorteile entsprechen denen des Verfahrens.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von vier Figuren näher erläutert.
• Die Figuren zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage mit einer Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen,
• 2 ein Diagramm mit Signalspektren von Lichtbögen bei unterschiedlichem Stromfluss,
• 3 ein schematisches Diagramm von in einem Stromkreis gemessenen Signalen in Abhängigkeit der Zeit und
• 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Stromkreis.
• 1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer PV-Anlage 1 mit einer Vorrichtung 10 zum Erkennen eines Lichtbogens.
• Die PV-Anlage 1 weist einen Photovoltaik(PV)-Generator 2 auf, von dem aus Gleichstromleitungen 3, 4 zu einer Gleichstromeingangsstufe eines Wechselrichters 5 führen, der mit einem Energieversorgungsnetz 6 verbunden ist.
• Beispielhaft ist der PV-Generator 2 in der 1 durch das Schaltzeichen einer einzelnen Photovoltaikzelle symbolisiert. In einer Umsetzung der dargestellten PV-Anlage kann es sich beim PV-Generator 2 um ein einzelnes Photovoltaik(PV)-Modul handeln, das seinerseits eine Vielzahl von Photovoltaikzellen enthält. Ebenso kann es bei dem PV-Generator 2 auch um eine Serienschaltung mehrerer PV-Module handeln, einem sogenannten String. Auch eine Parallelschaltung oder eine gemischte Serien- und Parallelschaltung von PV-Modulen ist möglich.
• Das Energieversorgungsnetz 6 kann ein öffentliches Versorgungsnetz oder ein privates Netz (Inselbetrieb) sein. Beispielhaft ist der Wechselrichter 5 mit drei Wechselstromausgängen für ein dreiphasiges Einspeisen in das Energieversorgungsnetz 6 ausgelegt. Es versteht sich, dass auch eine andere als die dargestellte dreiphasige Auslegung des Wechselrichters 5 und/oder des Energieversorgungsnetzes 6 möglich ist, zum Beispiel eine einphasige Auslegung. Zudem sind in 1 lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Teile der PV-Anlage 1 dargestellt. Weitere gleich- oder wechselstromseitig vom Wechselrichter 5 angeordnete Elemente, wie zum Beispiel Trenn- oder Schaltorgane, Filter, Überwachungseinrichtungen oder Transformatoren, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
• Beispielhaft sind bei der PV-Anlage der 1 zwei mögliche Lichtbögen in dem von dem PV-Generator 2, den Gleichstromleitungen 3, 4 und der Gleichstromeingangsstufe des Wechselrichters 5 gebildeten Stromkreis auftreten können, dargestellt. Ein erster Lichtbogen ist ein serieller Lichtbogen 7, auch Serienlichtbogen 7 genannt, der elektrisch in Serie mit dem PV-Generator 2 an einer Unterbrechung innerhalb einer der Gleichstromleitungen 3, 4, hier beispielhaft der Gleichstromleitung 3, auftritt. Ein zweiter Lichtbogen ist ein Parallellichtbogen 8, der parallel zum PV-Generator 2, auftritt. Grundsätzlich können Parallel-Lichtbögen zwischen zwei Punkten des Stromkreises auftreten, an denen unterschiedliches Potenzial vorherrscht. Ein Parallel-Lichtbogen kann somit auch parallel zu einem Teil des PV-Generators 2 auftreten, also beispielsweise parallel zu einem einzelnen PV-Modul.
• Die Vorrichtung 10 zum Erkennen von Lichtbögen umfasst einen Stromsensor 11 zur Bestimmung eines im Stromkreis fließenden Stroms I und insbesondere zur Bestimmung von hochfrequenten Anteilen des im Stromkreis fließenden Stroms. Im Folgenden wird ein Gleichstromanteil des Stroms I als I_DC und ein höherfrequenter Wechselstromanteil als I_AC bezeichnet. Der Stromsensor 11 ist vorliegend als eine mit einer der Gleichstromleitungen 3, 4, hier beispielhaft der Gleichstromleitungen 4, zusammenwirkende Koppelspule (Pickup-Spule) ausgeführt. In einer Realisierung des Stromsensors 11 kann zum Beispiel eine Rogowski-Spule eingesetzt werden, oder ein galvanisch trennender Übertrager, der mit einer seiner Spulen in den Stromkreis eingeschleift ist. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von Hall-Sensoren oder von niederohmigen Shunts in einer der Gleichstromleitungen 3, 4. Das vom Stromsensor 11 abgegriffene Signal wird einer Auswerteeinheit 12 zugeführt, die signalverstärkende und signalfilternde Elemente umfassen kann. An einem Ausgang stellt die Auswerteeinheit 12 ein Signal bereit, das eine Eigenschaft (Parameter) des Wechselstromanteils I_AC wiedergibt. Eine solche Eigenschaft kann z.B. eine Signalstärke sein, die bevorzugt in einem oder in mehreren vorgegebenen Frequenzbereichen des hochfrequenten Signals erfasst wird, in denen Lichtbögen charakteristischer Weise spektrale Energie aufweisen, insbesondere innerhalb des zuvor bereits genannten Bereichs von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz.
• Die Vorrichtung 10 umfasst weiter einen Modulationsgenerator 13, der über eine Stromvorgabeleitung 14 mit dem Wechselrichter 5 verbunden ist. Über die Stromvorgabeleitung 14 kann der Modulationsgenerator 13 über den Wechselrichter 5 Einfluss auf den im Gleichstromkreis fließenden Strom I nehmen. Dieser wird vom Wechselrichter 5 üblicherweise im Rahmen eines sogenannten MPP(Maximum Power Point)-Nachführverfahrens, auch MPP-Tracking genannt, so variiert, dass der PV-Generator 2 an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung betrieben wird. Über die Stromvorgabeleitung 14 kann vom Modulationsgenerator 13 eine Variation des Stroms I abweichend von dem grundsätzlich eingestellten Stromfluss im optimalen Arbeitspunkt erreicht werden. Als Variation ist dabei eine Erniedrigung und/oder Erhöhung des Stromes denkbar. Vom Modulationsgenerator 13 kann eine periodische oder aperiodische Stromvariation in einem beliebigen Muster erzeugt werden, beispielsweise eine sinus- oder rechteckförmige Variation, eine Variation nach einem Impuls- oder Binärcode-Verfahren oder auch eine Variation in Form eines Wavelets.
• Die Auswerteeinheit 12 und der Modulationsgenerator 13 sind mit einer Korrelationseinheit 15 verbunden. Von der Auswerteeinheit 12 wird der Korrelationseinheit 15 der betrachtete Parameter des Wechselstromanteils I_AC des Stroms I, beispielsweise die Signalstärke eines gemessenen hochfrequenten Signals im Stromkreis übergeben und von dem Modulationsgenerator 13 ein die Stromvariation des Gleichstromanteils I_DC des Stroms I repräsentierendes Signal. Die Korrelationseinheit 15 ermittelt einen Korrelationsgrad zwischen den beiden zugeführten Signalen. Der Korrelationsgrad spiegelt wider, inwieweit Änderungen der Signale zeitlich miteinander in Verbindung stehen. Zur Ermittlung eines Korrelationsgrades ist beispielsweise eine mathematische Korrelationsfunktion geeignet, die sich einer Verknüpfung von Fourier-Transformationen, in einer Realisierung insbesondere von schnellen Fourier-Transformationen (FFT – Fast Fourier Transform), bedient. Insbesondere bei einer Variation des Stroms I in Form eines Wavelets kann der Korrelationsgrad alternativ mittels einer Kreuzkorrelation aus der Stromvariation und dem Zeitverlauf des Parameters ermittelt werden.
• Eine Möglichkeit der Darstellung eines Korrelationsgrades ist eine Abbildung der Korrelation auf einem Wertebereich von –1 bis +1, wobei ein Wert von +1 eine maximale gleichsinnige Korrelation, ein Wert von –1 eine maximale gegensinnige Korrelation und einen Wert von 0 keine Korrelation repräsentiert. Als gleichsinnige Korrelation ist eine Korrelation zu verstehen, bei der eine Erhöhung eines Signals mit einer Erhöhung des anderen Signals einhergeht. Eine gegensinnige Korrelation ist eine solche, bei der eine Erhöhung eines Signals mit einer Verringerung des anderen Signals verknüpft ist. Eine hohe Korrelation liegt bei einem großen Absolutwert des so definierten Korrelationsgrades vor.
• Abhängig von dem Korrelationsgrad gibt die Korrelationseinheit 15 an einem Signalisierungsausgang 16 ein einen Lichtbogen anzeigendes Signal aus. Dieses wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 einer Signaleinrichtung 20 zugeführt, die beispielsweise genutzt werden kann, um eine manuelle Abschaltung des PV-Systems zur Lichtbogenlöschung anzuregen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass am Signalisierungsausgang 16 ausgegebene Signal dem Wechselrichter 5 oder einem Trennorgan, das im Stromkreis angeordnet ist, zuzuführen, um eine automatische Stromunterbrechung zur Lichtbogenlöschung vorzunehmen.
• Die Vorrichtung 10 kann wie dargestellt als separate Einheit ausgeführt sein. Bevorzugt ist es jedoch auch möglich, die Vorrichtung 10 in den Wechselrichter 5 zu integrieren.
• Im Folgenden wird anhand der 2 bis 4 ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Stromkreis dargestellt, wie es beispielsweise von der in 1 gezeigten PV-Anlage ausgeführt werden kann. Im Folgenden benutzte Bezugszeichen beziehen sich beispielhaft auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel.
• 2 zeigt in einem Diagramm gemessene Signalspektren eines Lichtbogens, durch den Gleichströme mit verschiedener Stromstärke fließen. Dargestellt ist auf der Y-Achse des Diagramms eine Signalstärke |I_AC| eines Wechselstromstroms I_AC in einem Stromkreis in beliebigen Einheiten (a.u. – arbitrary units) gegenüber der Frequenz, aufgetragen auf der X-Achse des Diagramms. Beide Achsen weisen eine logarithmische Skala auf.
• In dem Diagramm sind drei Signalspektren 30, 31, 32 (Frequenzspektren) eines gemessenen Stromsignals wiedergegeben. Das Signalspektrum 31 stellt das Spektrum eines Lichtbogens bei einem kleinen durch den Lichtbogen fließenden Gleichstrom dar, wohingegen das Signalspektrum 32 das eines Lichtbogens ist, durch den ein etwa um den Faktor 5 größerer Strom fließt. Zum Vergleich ist mit dem Signalspektrum 30 das Spektrum des gleichen Stromkreises ohne brennenden Lichtbogen wiedergegeben. Es ist zu erkennen, dass nahezu über den gesamten dargestellten Frequenzbereich das Signalspektrum 31 des Lichtbogens mit kleinerem Stromfluss eine größere Signalstärke aufweist, als das Signalspektrum 32 des Lichtbogens mit größerem Gleichstromfluss. Bei beiden Signalspektren 31, 32 liegt die Signalstärke jedoch im gesamten dargestellten Frequenzbereich über der des Referenz-Signalspektrums 30, wobei von einzelnen Spitzen (Peaks) in den Signalspektren 30–32 abzusehen ist, die entweder auf kurzzeitigen Störungen beruhen oder Oberschwingungen von Schaltprozessen im Wechselrichter darstellen.
• Die gemessenen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Signalstärke und der durch einen Lichtbogen fließenden Strom gegenläufig miteinander korreliert sind.
• 3 veranschaulicht, wie die anhand von 2 nachgewiesene gegenläufige Korrelation zur Lichtbogenerkennung eingesetzt werden kann. 3 zeigt in einem oberen Teil eine Zeitabhängigkeit eines in einem Stromkreis, beispielsweise in dem Gleichstromkreis der PV-Anlage 1 der 1, gemessenen Stroms I. Im unteren Teil der Figur ist in gleichem Maßstab der Wechselstromanteil I_AC des gemessenen Stroms I wiedergegeben.
• Zunächst wird zu Zeiten t < t* ein konstanter Gleichstrom I der Größe I₀ ohne nennenswerte Wechselstromanteile beobachtet. Bei einem Zeitpunkt t = t* treten deutliche Wechselstromanteile I_AC in Form eines Rauschsignals auf dem gemessenen Stromsignal auf. Eine mögliche Ursache dieser Wechselstromanteile könnte in der Ausbildung eines Lichtbogens liegen. Beginnend mit einem Zeitpunkt t₀ wird nun eine periodische niederfrequente Variation, im Folgenden auch als Modulation bezeichnet, der Höhe des Gleichstromteils I_DC des Stroms I vorgenommen, die in etwa sinusförmig verläuft, wobei mit den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄ im Diagramm in etwa die Wendepunkte des Kurvenverlaufs angegeben sind.
• Im Verlauf der niederfrequenten Modulation nimmt der Gleichstromanteil I_DC des gemessenen Stroms zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ sowie den Zeitpunkten t₃ und t₄ ab und erreicht in dem dazwischen liegenden Zeitraum zwischen t₂ und t₃ wieder den ursprünglichen Wert von I₀. Insbesondere bei dem im unteren Teil der Figur extrahierten höherfrequenten Wechselstromanteil I_AC ist zu erkennen, dass dieser in den Zeiträumen zwischen t₁ und t₂ sowie zwischen t₃ und t₄, in denen der Gleichstromanteil des Stroms abgesenkt ist, deutlich zunimmt, wohingegen er für den Zeitraum zwischen t₂ und t₃ und für Zeiten t > t₄ wieder auf den ursprünglichen, zum Zeitpunkt t₀ vorliegenden Wert der Signalstärke abnimmt. Damit ist ein hoher Korrelationsgrad einer gegenläufigen Korrelation zwischen dem im Stromkreis fließenden Gleichstromanteil I_DC und dem im Stromkreis zu beobachtenden höherfrequenten Wechselstromanteil I_AC nachgewiesen. Mit großer Wahrscheinlichkeit beruht damit das beobachtete höherfrequente Wechselstromsignal auf einem in diesem Stromkreis aufgetretenen Lichtbogen.
• In 4 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Stromkreis dargestellt.
• In einem ersten Schritt S1 wird der Stromkreis so betrieben, dass keine Modulation eines Gleichstromanteils I_DC im Stromkreis vorliegt. Dieses kann beispielsweise durch Deaktivierung des Modulationsgenerators 13 beim Ausführungsbeispiel der 1 geschehen.
• In einem zweiten Schritt S2 wird ein Wechselstromanteil I_AC des im Stromkreis fließenden Stroms I gemessen und analysiert, indem seine Signalstärke |I_AC|, beispielsweise in einem vorgegebenen Frequenzband, als eine Eigenschaft des Wechselstromanteils I_AC ermittelt wird.
• In einem Schritt S3 wird die ermittelte Signalstärke mit einem vorgegebenen Schwellenwert |I*| verglichen, wobei I* ein zum Schwellenwert der Signalstärke korrespondierender Strom-Schwellenwert ist. Der Schwellenwert |I*| kann dabei fest vorgegeben sein oder auch in einem adaptiven Verfahren an im Stromkreis aktuell vorliegende Bedingungen angepasst werden. Ein Beispiel eines adaptiven Verfahrens wird weiter unten genauer erläutert. Wenn die Signalstärke unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, verzweigt das Verfahren zurück zu dem Schritt S2. Falls in dem Schritt S3 jedoch ein Signal beobachtet wird, dessen Signalstärke über dem Schwellenwert |I*| liegt, wird das als ein Indiz für ein Auftreten eines Lichtbogens angesehen und das Verfahren verzweigt zu einem Schritt S4. Bei dem Beispiel der 3 ist dieses zu einem Zeitpunkt t = t* gegeben.
• In dem Schritt S4 wird eine Modulation der Höhe des Gleichstromanteils I_DC Stroms I im Stromkreis gestartet, wie dieses beispielsweise in 3 ab dem Zeitpunkt t₀ zu sehen ist. Beim Ausführungsbeispiel der 1 könnte eine entsprechende, in etwa sinusförmige Modulation durch den Modulationsgenerator 13 erzeugt und über die Stromvorgabeleitung 14 und den Wechselrichter 5 im Stromkreis umgesetzt werden.
• In einem folgenden Schritt S5 wird der Wechselstromanteil I_AC des Stromflusses im Stromkreis erneut gemessen und analysiert. Eine Messung wird dabei als eine Messfolge von Messwerten durchgeführt, die sich bevorzugt über einen Zeitraum von mehreren Modulationsperioden erstreckt.
• In einem nachfolgenden Schritt S6 wird ermittelt, ob die Signalstärke des I_AC-Signals mit der Modulation des Gleichstromanteils I_DC des Stroms I korreliert ist. Falls dem so ist, wird in einem Schritt S7 ein Lichtbogen signalisiert, beispielsweise durch Ausgeben eines entsprechenden Signals am Signalisierungsausgang 16 in der 1.
• In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, einen Lichtbogen im Schritt S7 nicht nur zu signalisieren, sondern auch zu löschen, indem der Stromfluss im Stromkreis kurzzeitig oder dauerhaft auf null oder annähernd auf null reduziert wird. Fall der erkannte Lichtbogen ein Serienlichtbogen ist, beispielsweise wie der in 1 gezeigte Serienlichtbogen 7, kann der Lichtbogen auf diese Weise gelöscht werden. In einer Weiterbildung kann dann vorgesehen sein, den Wechselstromanteil im Stromkreis erneut zu messen, nachdem der Gleichstromanteil entsprechend auf null oder auf annähernd null verringert wurde. Es wird dann ermittelt, ob gemäß dieser weiteren Messung nach wie vor ein Wechselstromsignal im Stromkreis vorliegt. Fall ein solches Wechselstromsignal vorliegt, wurde der Lichtbogen nicht gelöscht und das beobachtete Signal deutet auf das Vorliegen eines Parallellichtbogens hin, dessen Vorliegen entsprechend signalisiert wird.
• Falls dagegen ein Wechselstromsignal nicht mehr beobachtet wird oder eine nur sehr geringe Signalstärke hat, die einem Störer zugeschrieben werden kann oder im Bereich eines Rauschpegels liegt, wird signalisiert, dass der zuvor erkannte Lichtbogen ein Serienlichtbogen war.
• Wenn im Schritt S6 keine Korrelation der Signalstärke |I_AC| des I_AC-Signals mit der Modulation des Stroms festgestellt wird, kann dieses als Indiz angesehen werden, dass das in den Schritten S2 und S3 beobachtete Signal nicht von einem im Stromkreis ausgetretenen Lichtbogen herrührt, sondern ein von einem externen oder internen Störer hervorgerufenes Störsignal ist. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zurück zu dem Schritt S1, in dem ein konstanter Gleichstromanteil I_DC im Stromkreis eingestellt wird, beispielsweise durch Inaktivierung des Modulationsgenerators 13 der 1.
• Die Information, dass das beobachtete Signal in dem Fall einem Störer zugeschrieben wird, kann zudem benutzt werden, um das Verfahren selbst-adaptiv an diese Situation anzupassen. Dazu kann beispielsweise der der Entscheidung in Schritt 3 zugrunde liegende Schwellenwert |I*| so verändert werden, dass das gemessene Signal nicht als Indiz für das Vorliegen eines Lichtbogens gewertet wird. Auch ist es denkbar, dass die in Schritt S2 vorgenommene Analyse des Signals angepasst wird, beispielsweise indem ein Frequenzbereich ausgewählt wird, in dem das beobachtete Signal möglichst nur geringe spektrale Anteile aufweist.
• Die Information, dass das beobachtete Signal in dem Fall einem Störer zugeschrieben wird, kann zudem benutzt werden, um das Vorhandensein eines Störsignals über den Signalisierungsausgang 16 anderen Einrichtungen wie benachbarten Wechselrichter oder auch Kommunikationseinrichtungen zur Weiterleitung an Anlagenüberwachungen oder dem Anlagenbetreiber mitzuteilen.
• Ein weiteres adaptives Verfahren macht von der Tatsache Gebrauch, dass Lichtbögen sich üblicherweise nicht langsam entwickeln, sondern schlagartig auftreten. Der Schwellenwert |I*| wird bei diesem Verfahren ständig aus dem gleitenden Mittelwert der in dem Schritt S2 wiederkehrend ausgeführten Messungen der Signalstärke |I_AC| bestimmt. Äquivalent zur Bildung des gleitenden
• Mittelwertes ist eine Tiefpassfilterung der gemessenen Signalstärke. Beispielsweise kann der Schwellenwert |I*| als ein Mehrfaches, z.B. das dreifache, des gleitenden Mittelwertes angesetzt werden. Ein entstehender Lichtbogen ist mit einem sprunghaften Anstieg der Signalstärke |I_AC| verbunden, die daraufhin den gleitenden Mittelwert zumindest zeitweise deutlich übersteigt und über dem Schwellenwert |I*| liegt. Der gleitende Mittelwert wird dabei mit einer Zeitkonstante gebildet, die groß genug ist, um nicht dem sprunghaften Anstieg der Signalstärke |I_AC| zu folgen, und klein genug, um den Schwellenwert langsamen Änderungen der Signalstärke, die zum Beispiel auf einer Änderung der Impedanz im Stromkreis aufgrund von geänderten Umgebungsbedingungen beruhen, anzupassen.
• In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, die Modulation des Gleichstromanteils I_DC des Stroms I dauerhaft durchzuführen. Dabei kann, wie zuvor beschrieben, diese Modulation beispielsweise mit Hilfe des Modulationsgenerators 13 eigens aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, auf eine inhärent im Stromkreis vorhandene periodische Stromvariation als Modulation zurückzugreifen. Die Ursache einer solchen geeigneten wiederkehrenden Stromvariation kann beispielsweise in Schaltzyklen von Leistungshalbleiterschaltern von Gleichspannungswandlern oder Wechselstrombrücken des Wechselrichters 5 begründet sein. Die Schaltzyklen beruhen dabei auf Modulationsverfahren, die innerhalb des Gleichspannungswandlers oder des Wechselrichters zur Wandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom durchgeführt werden. Beispiele für dabei eingesetzte Modulationsverfahren sind das Sinus-Dreieck-Modulationsverfahren oder das Raumzeiger-Modulationsverfahren. Auch eine periodische Stromvariation, die mit einer im Energieversorgungsnetz 6 vorherrschenden Netzfrequenz korreliert ist, kann als Modulation in diesem Sinne angesehen werden. Verglichen mit dem Frequenzbereich, in dem Lichtbogen üblicherweise ihr charakteristisches Hochfrequenzsignal abgeben, treten die genannten Prozesse, die zu einer Stromvariation führen, in einem niederfrequenten Frequenzbereich auf.
• Das genannte Verfahren kann besonders vorteilhaft auch eingesetzt werden, wenn innerhalb eines PV-Systems mehrere Gleichstromkreise jeweils unterschiedlichen Wechselrichtern zugeordnet sind. Dabei besteht jedoch unter Umständen das Problem, dass nach Erkennen eines höherfrequenten Signals benachbarte Wechselrichter eine Modulation des jeweiligen Stroms in dem ihnen zugeordneten Gleichstromkreis gleichzeitig beginnen und dann synchron ausführen, was zu einer Identifizierung eines vermeintlichen Lichtbogens in beiden Kreisen führen könnte. Zur Vermeidung dieses Problems kann vorgesehen sein, einen Zeitverlauf der Modulation individuell für jeden Gleichstromkreis auszugestalten. Dieses kann beispielsweise durch eine Kommunikation der Vorrichtungen 10 untereinander oder mit einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise einer Anlagenüberwachung geschehen, bei der Absprachen über den Startzeitpunkt oder über eine Modulationsfrequenz oder -folge im Einzelfall getroffen werden bzw. von der übergeordneten Steuereinheit vorgegeben werden. Auch ist es denkbar, anhand von eindeutigen Identifikationsparametern der Vorrichtungen 10 oder der im Stromkreis eingesetzten Wechselrichter 5, beispielsweise anhand von einer Seriennummer, individuelle Modulationsmuster zu generieren.
• In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgte die Ermittlung des Korrelationsgrads jeweils anhand eines Vergleichs der Signalhöhe des höherfrequenten Signals und der Höhe des im Stromkreis fließenden Gleichstroms. Alternativ oder zusätzlich kann auch die in einem bestimmten Spektralbereich beobachtete Leistung oder ein in einem bestimmten Spektralbereich beobachteter Maximalwert oder eine Halbwertsbreite einer Resonanz ähnlichen Struktur im Signalspektrum des Signals als betrachtete Eigenschaft bzw. Parameter des Wechselspannungsanteils des Stroms und damit als Basis für eine Korrelationsbestimmung dienen. Jeder dieser Parameter kann im Übrigen entweder absolut betrachtet werden oder in ein Verhältnis zu weiteren Parametern im Stromkreis, beispielsweise zur Höhe des gemessenen Stroms oder zur Größe der vom Stromkreis übertragenden Leistung, gesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

PV-Anlage

2

PV-Generator

3, 4

Gleichstromleitungen (DC-Leitung)

5

Wechselrichter

6

Energieversorgungsnetz

7

(Serien-)Lichtbogen

8

(Parallel-)Lichtbogen

10

Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens

11

Stromsensor

12

Auswerteeinheit

13

Modulationsgenerator

14

Stromvorgabeleitung

15

Korrelationseinheit

16

Signalisierungsausgang

20

Signaleinrichtung

30

(Referenz-)Signalspektrum

31, 32

Signalspektrum bei Vorliegen eines Lichtbogens

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 95/25374 A [0005]
• US 7633727 B2 [0007]
• EP 1772936 A2 [0008]

Claims (16)

1. Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromkreis mit den folgenden Schritten: – Messen und analysieren eines Wechselstromanteils (I_AC) eines in dem Gleichstromkreis fließenden Stroms (I) und bestimmen mindestens eines Parameters des Wechselstromanteils (I_AC); – Variieren der Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I); – Ermitteln eines Korrelationsgrades zwischen der Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des im Gleichstromkreis fließenden Stroms (I) und dem mindestens einen Parameter des Wechselstromanteils (I_AC) und – Erkennen und signalisieren eines Lichtbogens abhängig von dem ermittelten Korrelationsgrad.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Parameter eine Signalstärke (|I_AC|) des gemessenen Wechselstromanteils (I_AC) betrachtet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem dann ein Lichtbogen erkannt und signalisiert wird, wenn der ermittelte Korrelationsgrad größer als ein vorgegebener Korrelationsgrad ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der ermittelte Korrelationsgrad steigt, wenn die Signalstärke (|I_AC|) mit ansteigender Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) abfällt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Variation der Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) durch eine periodische Modulation erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Modulation sinus- oder rechteckförmig oder in Form eines Wavelets erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Modulation abhängig von Identifikationsparametern einer das Verfahren ausführenden Vorrichtung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem im Stromkreis ein Wechselrichter (5) angeordnet ist und bei dem die die Variation bzw. Modulation der Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) von dem Wechselrichter (5) hervorgerufen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Variation bzw. Modulation durch Schaltvorgänge von Halbleiterleistungsschaltern des Wechselrichters (5) bei einer Spannungswandlung hervorgerufen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Variation bzw. Modulation durch eine Durchführung eines MPP-Nachführverfahrens durch den Wechselrichter (5) hervorgerufen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) variiert wird, wenn der Parameter des Wechselstromanteils (I_AC) einen Schwellenwert (I*, |I*|) übersteigt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schwellenwert (I*, |I*|) mit Hilfe einer Tiefpass-Filterung aus dem Parameter des Wechselstromanteils (I_AC) bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem nach dem Schritt des Erkennens eines Lichtbogens die folgenden weiteren Schritten durchgeführt werden: – Verringern der Höhe des Gleichstromanteils (I_DC) des Stroms (I) auf null oder annähernd auf null; – Durchführen einer weiteren Messung des Wechselstromanteils (I_AC) des in dem Stromkreis fließenden Stroms (I); – Feststellen, ob die weitere Messung das Vorliegen eines Wechselstromsignals anzeigt; und – Signalisieren des Vorliegens eines Parallellichtbogens (8), falls ein Wechselstromsignal vorliegt, oder signalisieren, dass ein Serienlichtbogen (7) aufgetreten war, falls kein Wechselstromsignal festgestellt wird.
14. Vorrichtung (10) zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Stromkreis, aufweisend: – Mittel zum Variieren eines in dem Stromkreis fließenden Stroms (I); – eine Auswerteeinheit zum Analysieren eines gemessenen Wechselstromanteils (I_AC) des Stroms (I) und zum Bestimmen mindestens eines Parameters des Wechselstromanteils (I_AC); – eine Korrelationseinheit zum Ermitteln eines Korrelationsgrades zwischen der Höhe eines Gleichstromanteils (I_DC) des im Stromkreis fließenden Stroms (I) und dem mindestens einen Parameter des Wechselstromanteils (I_AC), und – einen Signalisierungsausgang (16), an dem abhängig von dem ermittelten Korrelationsgrad ein Vorliegen eines Lichtbogens signalisiert wird.
15. Wechselrichter (5), aufweisend eine Vorrichtung (10) nach Anspruch 14.
16. Wechselrichter (5) nach Anspruch 15, ausgebildet als Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage (1).

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