DE9312710U1 - Modulares Diagnosesystem zur Erkennung und Lokalisierung von Fehlern in Photovoltaikanlagen - Google Patents

Modulares Diagnosesystem zur Erkennung und Lokalisierung von Fehlern in Photovoltaikanlagen

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Description

Beschreibung
Titel
Modulares Diagnosesystem zur Erkennung und Lokalisierung
von Fehlern in Photovoltaikanlagen
Stand der Technik
Die photovoltaische Anlagentechnik ist gekennzeichnet durch ein Array (Serien-Parallelschaltung) von Solarmodulen, die über eine zentrale Leistungselektronik mit einem elektrischen Netz und/oder einem bzw. mehreren Verbrauchern verbunden sind. Im Solargenerator können folgende Fehler auftreten:
Modul: Unterbrechung einer internen Leiterbahn
Starke Degradation der Zellen
Kurzschluß in der Anschlußdose
Dioden (Bypass und String): Stromleitung in beide Richtungen
Unterbrechung in beide Richtungen
Verkabelung: Unterbrechungen
Kurzschlüsse
In der bisherigen Anlagentechnik wird ein Fehler durch Analyse der Energieausbeute der Anlage erkannt. Dieses Verfahren ermöglicht nur eine Aussage über die Existenz eines Fehlers, informiert aber nur sehr eingeschränkt über Art und Ort des Ausfalls. Bestimmte Fehler, die lediglich zum teilweisen Ausfall der Anlage fuhren, können nicht sicher erkannt werden.
Die Fehlersuche wird manuell durch Messungen vor Ort am Solargenerator durchgeführt. Diese Messungen können sehr zeitaufwendig sein. Bei bestimmten Anlagen z.B. mit gebäudeintegriertem Photovoltaikgenerator sind die interessierenden Meßgrößen (Modulspannung, Strom durch die Bypassdiode) nur schwer zugänglich. Dieses führt im Fehlerfall zu langen Wartungszeiten, die das Betriebsergebnis der Anlage negativ
beeinflussen.
Aufgabe
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Diagnosesystem zu schaffen, das die Fehlererkennung und -lokalisierung in Photovoltaikgeneratoren wesentlich vereinfacht, ohne zusätzlichen Installationsaufwand bei der Verkabelung der Anlage zu erfordern.
Vorteile
Ein derartiges Diagnosesystem reduziert die Aufwendungen für die Wartung von Photovoltaikanlagen durch schnelle Fehlerlokalisation. Eine verbesserte Fehlererkennung ermöglicht sofortige Reaktion auf Anlagenstörungen und verringert so die Ausfallzeiten. Die Energieausbeute und der Nutzungsgrad des Generators wird auf diese Weise erhöht.
Weiterbildung der Erfindung
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-17 wiedergegeben.
Die Ausführung gemäß Anspruch 1 ermöglicht eine einfache und preiswerte Realisierung der dezentralen Komponenten, die lediglich aus passiven Elementen und Relais bestehen.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht die Fehlererkennung in großen Anlagen durch genauere Frequenzfestlegung z.B. über einen Quarz.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 3-7 zeigen einfache Realisierungsmöglichkeiten für ein Diagnosesystem nach Anspruch 1.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 8 und 9 zeigen Möglichkeiten der Erzeugung der charakteristischen Schwingung der dezentralen Komponenten für ein Diagnosesystem nach Anspruch 2.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 10 und 11 zeigen Möglichkeiten dor Energiecinsparung für den Betrieb eines Diagnosesystems nach Anspruch 2.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 12 und 13 zeigen Möglichkeiten bei einer Anlage nach Anspruch 2, die Wechselgröße mit der charakteristischen Frequenz auf die Modulanschlüsse und damit auch auf die Energieleitungen aufzuprägen.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 14 - 16 zeigen vorteilhafte Eigenschaften und Realisierungsmöglichkeiten der zentralen Auswerteeinheit.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 17 zeigt eine vorteilhafte Kombination von dezentraler Diagnosekomponente mit einem dem jeweiligen Modul zugeordneten Wechselrichter, wobei die Doppelfunktion der Leistungselektronik besonders kostengünstige Realisierungsmöglichkeiten erwarten läßt.
Darstellung der Erfindung
Abbildung 1 zeigt eine Photovoltiakanlage mit einem Diagnosesystem nach Anspruch 1.
Abbildungen 2 und 3 zeigen Möglichkeiten der Realisierung der dezentralen Komponenten einer Anlage nach Anspruch 1.
Die linke Schaltung auf Abbildung 2 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 6. Die rechte Schaltung auf Abbildung 2 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 4. Die linke Schaltung auf Abbildung 3 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 7. Die rechte Schaltung auf Abbildung 3 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 5.
Abbildung 4 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung der dezentralen Komponenten einer Anlage nach Anspruch 2.
Die linke Schaltung auf Abbildung 4 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 13. Die rechte Schaltung auf Abbildung 4 entspricht einer Realisierung gemäß Anspruch 12.
Abbildung 5 zeigt zwei Möglichkeiten der Realisierung der dezentralen Komponenten einer Anlage nach Anspruch 2, wenn die Energieaufbereitung ebenfalls dezentral vorgenommen wird.
Die linke Schaltung auf Abbildung 5 entspricht einer Parallelschaltung »dner dezentralen Diagnosekomponente mit der dezentralen Energieaufbereitung, während die rechte Schaltung ein funktional integriertes Gesamtsystem gemäß Anspruch 17 zeigt.

Claims (1)

  1. 4. Schutzansprüche
    1. Diagnosesystem zur Fehlererkennung und Fehlerlokalisierung in Photovoltaikanlagen bestehend aus mindestens zwei dezentralen Komponenten, die den Modulen oder Modulgruppen oder Teilen von Modulen (im folgenden kurz mit Modul bezeichnet) zugeordnet sind und mindestens einer zentralen Auswerteeinheit, die aufgrund der von den dezentralen Komponenten übermittelten bzw. erhaltenen Informationen Fehler und Ausfälle im Photovoltaikgenerator ermittelt und anzeigt, wobei die Informationsübertragung über die Energieleitungen erfolgt
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die dezentralen Komponenten aus mit den externen Anschlüssen der Module verbundenen frequenzabhängigen Impedanzen bestehen, deren Frequenzgang charakteristisch für das jeweilige Modul und dessen Betriebszustand ist und die zentrale Auswerteeinheit eine Impedanzmessung der Energieleitungen über den interessierenden Frequenzbereich durchführt, um auf diese Weise Informationen über den Zustand der Anlage zu erhalten.
    2. Diagnosesystem zur Fehlererkennung und Fehlerlokalisierung in Photovoltaikanlagen bestehend aus mindestens zwei dezentralen Komponenten, die den Modulen oder Modulgruppen oder Teilen von Modulen zugeordnet sind und mindestens einer zentralen Auswerteeinheit, die aufgrund der von den dezentralen Komponenten übermittelten bzw. erhaltenen Informationen Fehler und Ausfälle im Photovoltaikgenerator ermittelt und anzeigt, wobei die Informationsübertragung über die Energieleitungen erfolgt
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die dezentralen Komponenten aus aktiven Schaltungen bestehen, die eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom auf die Anschlüsse des Moduls einprägen bzw. der Gleichspannung oder dem Gleichstrom des Moduls überlagern, wobei Frequenz bzw. Frequenzspektrum der Wechselgröße charakteristisch für das jeweilige Modul und dessen Betriebszustand sind und die zentrale Auswerteeinheit eine Messung des Frequenzspektrums von Spannung und/oder Strom auf den
    Energieleitungen durchführt und auf diese Weise den Betriebszustand der Anlage ermittelt.
    3. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die frequenzabhängige Impedanz mit einem Serienschwingkreis, der mindestens aus einem Kondensator und einer Induktivität besteht, parallel zu einem weiteren Kondensator gebildet wird, wobei der Serienschwingkreis mit Hilfe eines Relais, dessen Erregerspule in Serie mit einer Bypassdiode geschaltet ist, auf die Anschlüsse des Moduls geschaltet wird, so daß je nach Schaltung des Relais Auftreten oder Ausbleiben der für dieses Modul spezifischen Resonanzfrequenz einen Fehler anzeigen und der parallele Kondensator die Analyse weiterer in Serie geschalteter Module erlaubt und eine weitere Induktivität, die das Modul vom Schwingkreis wechselspannungsmäßig entkoppelt, eine Bedämpfung des Schwingkreises durch das Modul verhindert.
    4. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die frequenzabhängige Impedanz mit einem Serienschwingkreis, der aus einem Kondensator und einer Induktivität besteht, parallel zu einem weiteren Kondensator gebildet wird, wobei der Serienschwingkreis mit Hilfe eines Relais, dessen Erregerspule in Serie mit einer Solarzelle geschaltet ist, auf die Anschlüsse des Moduls geschaltet wird, so daß je nach Schaltung des Relais Auftreten oder Ausbleiben der für dieses Modul spezifischen Resonanzfrequenz einen Fehler anzeigen und der dem Schwingkreis parallel geschaltete Kondensator die Analyse weiterer in Serie geschalteter Module erlaubt und eine weitere Induktivität, die das Modul vom Schwingkreis wechselspannungsmäßig entkoppelt, eine Bedämpfung des Schwingkreises durch das Modul verhindert.
    5. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die frequenzabhängige Impedanz mit einem Serienschwingkreis, der mindestens aus einem Kondensator und einer Induktivität besteht, parallel zu einem weiteren Kondensator gebildet wird, wobei die Induktivität des Schwingkreises über einen gemeinsamen Kern mit einer weiteren Induktivität, die in Serie mit einer Bypassdiode des Moduls geschaltet ist, magnetisch gekoppelt ist, derartig, daß der Kern durch einen Strom durch die Bypassdiode in die Sättigung gerät und daher sich die Induktivität im Serienschwingkreis verringert, so daß sich die Resonanzfrequenz vergrößert, was von der zentralen Auswerteeinheit detektiert werden kann, wobei der dem Schwingkreis parallel geschaltete Kondensator die Analyse weiterer in Serie geschalteter Module erlaubt und eine weitere Induktivität, die das Modul vom Schwingkreis wechselspannungsmäßig entkoppelt, eine Bedämpfung des Schwingkreises durch das Modul verhindert.
    6. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die frequenzabhängige Impedanz mit einem Serienschwingkreis, der mindestens aus einem Kondensator und einer Induktivität besteht, parallel zu einem weiteren Kondensator gebildet wird, wobei die Induktivität des Schwingkreises über einen gemeinsamen Kern mit einer weiteren Induktivität, die in Serie mit einer Zelle des Moduls geschaltet ist, magnetisch gekoppelt ist, derartig, daß der Kern durch einen Strom durch die Zelle in die Sättigung gerät und daher sich die Induktivität im Serienschwingkreis verringert, so daß sich die Resonanzfrequenz vergrößert, was von der zentralen Auswerteeinheit detektiert werden kann, wobei der dem Schwingkreis parallel geschaltete Kondensator die Analyse weiterer in Serie geschalteter Module erlaubt und eine weitere Induktivität, die das Modul vom Schwingkreis wechselspannungsmäßig entkoppelt, eine Bedämpfung des Schwingkreises durch das Modul verhindert.
    7. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die den Solarzellen eigene Kapazität zur Bildung der charakteristischen Frequenz beiträgt, indem z.B. mit Hilfe einer externen Induktivität ein Schwingkreis gebildet wird, wobei eine Verschiebung der Resonanzfrequenz Rückschlüsse auf die Kapazität und damit auf den Zustand des jeweiligen Moduls zuläßt.
    8. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erzeugung der charakteristischen Frequenz der jeweiligen dezentralen Komponente mit Hilfe eines Quarzoszillators und einer digitalen Teilerschaltung erzeugt wird.
    9. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erzeugung der charakteristischen Frequenz der jeweiligen dezentralen Komponente mit Hilfe einer analogen Oszillatorschaltung erzeugt wird.
    10. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Oszillatorschaltung der dezentralen Komponente zur Energieersparnis nur intermittierend betrieben wird, wobei zur Steuerung dieses Aussetzbetriebs die Schaltung um einen entsprechenden Zeitgeberteil erweitert wird und die Auswerteeinheit diesen intermittierenden Betrieb entsprechend berücksichtigt.
    11. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Oszillatorschaltung der dezentralen Komponente zur Energieersparnis nur betrieben wird, wenn die zentrale Auswerteeinheit es über ein entsprechendes Signal, das ebenfalls über die Energieleitungen übertragen wird, anfordert, wobei zur Detektion dieses Steuersignals die dezentrale Einheit um eine entsprechende Empfängerschaltung und die zentrale Auswerteeinheit um eine entsprechende Sendeschaltung erweitert wird.
    12. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Aufprägung der Schwingung auf die Modulanschlüsse über einen entsprechend steuerbaren Leistungsschalter, der parallel zu den Anschlüssen des Moduls liegt, erfolgt, wobei der Leistungsschalter durch gesteuerte oder geregelte Aufnahme eines Teils des Modulstroms die Spannung an den Anschlüssen des Moduls verändert.
    13. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Aufprägung der Schwingung auf die Modulanschlüsse kapazitiv oder mit Übertrager erfolgt, wobei die in Serie geschalteten Solarzellen über eine Induktivität wechselspannungsmäßig von den Modulanschlüssen entkoppelt sein können, um die notwendige Wechselleistung zu verringern.
    14. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zentrale Auswerteeinheit bei fehlender Einstrahlung zusätzlich eine Gleichspannung, die der Polarität der Ausgangsspannung des Solargenerators entsprechen oder entgegengesetzt sein kann, auf den Solargenerator einprägt, um auf diese Weise weitere Informationen über das System zu erhalten.
    15. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zentrale Auswerteeinheit die Analyse mit Hilfe von Methoden der digitalen Signalverarbeitung z.B. von Signalprozessoren durchführt.
    16. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zentrale Auswerteeinheit baulich und/oder funktional in der zentralen Leistungselektronik z.B. dem Wechselrichter integriert ist:
    17. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die dezentralen Komponente baulich in einem dem Modul zugeordneten Wechselrichter integriert ist und durch eine jeweils charakteristische Variation der Taktfrequenz der Leistungselektronik, die von der zentralen Auswerteeinheit erkannt wird, den Zustand des Moduls beschreibt.
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