WO2018059658A1 - Fehlerstromschaltung - Google Patents

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Markus Braun
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Definitions

  • the invention relates to a circuit for determining ei ⁇ nes fault current, a circuit for supplying a load, which is formed with the circuit according to the invention, and a method for determining a fault current.
  • the invention has for its object to provide a low-cost error ⁇ current protection, which can be used in particular for solar microinverters.
  • the inventive circuit for determining a Feh ⁇ lerstroms is formed with a first resistor and a second resistor. These resistors are typically in the measuring resistors or shunt resistors. The resistance values of both resistors are preferably identical ⁇ table.
  • the circuit comprises a first device (for example, Dif ⁇ ferenz amplifier) for determining a first value for a voltage difference (or a voltage drop) charak ⁇ ter alphabetde size which for the determination of the voltage drop at the first resistor (Rshunt +) CHARACTERI arranged ⁇ -stabilizing value or switched is ( "CHARACTERI ⁇ sierende size" is preferably to be understood that the values of this size can be used as a measure for this voltage difference).
  • a first device for example, Dif ⁇ ferenz amplifier
  • CHARACTERI arranged ⁇ -stabilizing value or switched is "CHARACTERI ⁇ sierende size" is preferably to be understood that the values of this size can be used as a measure for this voltage difference).
  • CHARACTERI ⁇ sierende size is preferably to be understood that the values of this size can be used as a measure for this voltage difference.
  • the circuit also includes a second, preferably the ers ⁇ th corresponding device (eg differential amplifier) for determining a second value for which thechrosdiffe ⁇ rence variable characterizing which of a located the voltage drop at the second resistor charac ⁇ r resideden value for determining or switched.
  • the Anord ⁇ voltages of the first and second device are preferably symmetrical to each other, to ensure that with the same values for the voltage drop at the resistors, the voltage applied to the devices signals correspond to each other. It is also possible to realize the circuit unbalanced or with different cons able values for the first and second resistance when appropriate Kompensati ⁇ onsffen (different signal gain, offset, ...) are provided.
  • the circuit according to the invention is additionally formed with a third device (eg differential amplifier) for determining a value of a variable characterizing the difference between the first value and the second value. Since the first value represents a measure of a voltage difference in the first resistance ⁇ and the second value is a measure of a voltage difference in the second resistor, compensate each other symmetrical structure both values, if there are no differences in the current passing through the resistors.
  • the third device then provides a result which can be ⁇ represents Festge with which, if a fault current is present.
  • an evaluation device for evaluating the value of the difference between the first value and the second value cha ⁇ rakter provided which for example comprises an analog to digital converter and a microcontroller (that is formed with two devices or components). According to an embodiment, by means of a microcontroller according to
  • the presence of a fault current is detected and, if necessary, a signal for an interruption of a circuit monitored by the circuit is generated.
  • the circuit according to the invention is, for example, wherein the first resistance of the load in front and the second abutment ⁇ stand downstream of the load placed in the circuit or connected in a circuit for supplying a load employed are (ideally symmetrical to clamping ⁇ voltage poles of a voltage applied to the supply).
  • This circuit may comprise a solar microinverter and be connected to supply the load with solar power with at least ei ⁇ nem solar module.
  • the solar micro inverter is gebil ⁇ det preferably without galvanic isolation.
  • the circuit is then preferably upstream of the solar microinverter (ie, arranged between the voltage source, eg solar module, and solar microinverter).
  • the circuit is provided with a switch, with which the circuit can be interrupted or opened in the presence of a fault current.
  • a first development comprises a switch for establishing a connection of the circuit to ei ⁇ ner one terminal side of a voltage source (eg one or more solar modules) facing away from the second Wider- state with ground. Accordingly, a development with egg ⁇ nem switch for the preparation of a compound of the circuit ⁇ circuit on a side facing away from a terminal side of a voltage source side of the first resistor to ground is possible.
  • a third further development for the determination of a relevant for the circuit size for example, is disposed on a terminal ⁇ side of a voltage source a voltage divider between at ⁇ circuit areas for the poles of the voltage source.
  • This voltage divider may be upstream or downstream of the first and the second resistor and is formed with a third resistor and a fourth resistor.
  • a device eg, differential amplifier
  • the of circuitry then comprises a microcontroller which for this is madestal ⁇ tet to perform (ie, the voltage difference between the poles) by means of the voltage drop that characterizes in the fourth resistance value, a determination of the appended on a terminal side of the power source voltage.
  • DA at the output of the device for determining the value may be one ⁇ be connected to an analog-to-digital converter characterize the voltage drop in the fourth resistor, the output of which would then in turn verbun to the microcontroller ⁇ .
  • the invention also relates to a method for determining ei ⁇ nes fault current with a circuit according to the invention.
  • a first value for a voltage difference (or a voltage drop) is determined variable characterizing which terized the voltage drop at the first resistor charak ⁇ .
  • a second value for which the voltage difference ⁇ characterizing variable is determined which characterizes the voltage drop at the second resistor.
  • the determination and evaluation of a ⁇ tes a difference between the first value and the second value variable characterizing occurs.
  • Figure 1 is a schematic representation of the um ⁇ field of a solar micro-inverter in the energy production with the help of a Solarmo ⁇ duls;
  • FIG. 2 shows a circuit according to the invention
  • FIG. 3 shows a method according to the invention
  • Figure 4 is a first illustration of the occurrence ei ⁇ nes fault current in the inventive circuit of Figure 2,
  • Figure 5 is a second illustration of the occurrence of a
  • FIG 7 shows the circuit according to the invention of Figure 2 with
  • Means for determining a solar module side voltage applied Means for determining a solar module side voltage applied.
  • the sun S is shown schematically, which provides energy as an energy supplier in the form of solar radiation for solar systems.
  • a solar module or So ⁇ larpanels SP solar energy is converted into a voltage puts.
  • the voltages Upv + and Upv- be ⁇ called, which abut a solar micro-inverter or solar micro-inverter MSI.
  • This solar micro-inverter MSI is connected to the grid, z. Via a WLAN or LAN, which allows cloud-based monitoring and data management (eg control, definition of settings, etc.).
  • the solar micro-inverter MSI supplies an alternating current which, for example, feeds a nanogrid consumer in a building or is coupled into a distribution network.
  • the NanoGrid which communicates with consumers or distri ⁇ lung networks is marked in Figure 1 with the reference symbol M ⁇ Be. Between the solar inverter MSI and network M, the reference symbols LI and N are used
  • Phase conductor and a neutral conductor indicated. This is purely illustrative; In particular, it should be noted that there are also three-phase microinverters for which the invention described below with reference to the embodiment can be used.
  • the invention is primarily intended for solar micro-inverters, which are realized without galvanic isolation.
  • the residual current measurement required for this case is provided by the invention.
  • ge shows ⁇ in FIG. 2
  • These shunt resistors are denoted by the reference numerals
  • the downstream differential amplifier Diffl and Diff2 ⁇ re turn the measuring signal to a Rshunt + Rshunt- or falling at the measuring resistors voltage drop or a voltage proportional thereto.
  • the result of the two Diffe ⁇ ence amplifier Diffl and Diff2 in turn is fed to a differential amplifier ⁇ Diffl2, the (possibly with ei ⁇ nem gain multiplied) difference supplied by the differential amplifiers Diffl and Diff2 voltage differences ⁇ determined. If no fault current is present, the same current flows through the measuring resistors Rshunt + and Rshunt- when the circuit is closed.
  • the voltage drop is also the same, and the result for the calculated with the differential amplifier ⁇ Diffl2 difference of the voltage drops is zero. That is, at the output of the differential amplifier Diffl2 a signal is supplied which represents a measure of the fault current.
  • the signal output by the differential amplifier Diffl2 is converted to a digital signal by means of an analog-to-digital converter ADC and forwarded to a microcontroller ⁇ C.
  • the conversion to a di ⁇ gitalen input via the analog-to-digital converter ADC is recommended because of the typically small size of the signal (residual current).
  • FIG. 3 shows a method according OF INVENTION ⁇ dung is schematically shown in multiplister shape, which is carried out with the circuit of FIG. 2 First, in the
  • Steps al and a2 the voltage drops in the resistors Rshunt + and Rshunt- using the differential amplifier Diffl and Diff2 determined.
  • a next step b the difference between the differential amplifiers Diffl and Diff2 determined voltage drops and evaluated in a last step c by the microcontroller uC.
  • the real implementation of the process can be more complex so the above simple description (eg multiplying the results of the differential amplifier with a gain, digitalization of results eg with the Darge ⁇ presented in Figure 2 analog-to-digital converter ADC ).
  • the downstream differential amplifier Diffl2 thus reduces the measuring signal on the difference current or a current to the Diffe ⁇ rence variable characterizing.
  • the differential current corresponds to a fault current.
  • the downstream Differenzver ⁇ Diffl2 also offers the advantage that a schengünsti ⁇ ger analog-to-digital converter ADC sufficient with less dynamics (bits). Only the difference is digitized.
  • a switch Son-off is typically present, which is shown in Figures 5 and 6.
  • the micro-controller UC for example, would then be by means of an electromechanical drive (not shown in the figure) to open this switch Son-off in order to break the circuit under ⁇ .
  • the fault current measuring circuit shown in Figure 1 is preferably upstream of the solar inverter, that is arranged in Figure 1 between the solar module SP and solar micro-inverter MSI.
  • FIG. 6 and 7 show the determination of the resistance of Upv + or Upv- to earth with the aid of the circuit according to the invention.
  • FIG. 8 shows how a voltage measurement of Upv + (to Upv-) can be carried out.
  • the inputs Upv + and Upv- are connected via a voltage divider formed by the resistors R3 and R4. Between the two resistors R3 and R4, a connection leads to a differential amplifier Diff whose other end is connected to the input Upv-.
  • the fixed resistor R4 ⁇ Lich smaller (for example, one or more orders of magnitude) than the resistance R3, so that the differential amplifier Diff abuts a ver ⁇ tively low voltage.
  • the Differenzverstär ⁇ ker Diff is connected to an analog-to-digital converter ADC (O) verbun ⁇ the, which generates a digital signal which is applied to an input channel ChO of the microcontroller uC.
  • ADC analog-to-digital converter
  • This signal is a measure of the voltage of + Upv to Upv-, said voltage divider forming resistors R3 and R4 are ⁇ be withdrawn and used for the calculation of the voltage by the Mik-rokontroller uC.
  • Parallel as in FIG 1 described the fault current measured and transmitted the corresponding signal to the microcontroller uC.
  • This signal is applied to another input or channel of the microcontroller uC, which is named here by Chi.
  • the voltage divider formed with the resistors R3 and R4 connected between the power source and the Meßwider ⁇ + stands Rshunt and Rshunt- is arranged.
  • the voltage divider may alternatively be arranged on the other side of the measuring resistors Rshunt + and Rshunt-.
  • the invention thus describes a simple fault current measurement with a downstream differential amplifier.
  • An off ⁇ train the much higher operating current and the associated inaccuracies is not necessary.
  • the ground insulation resistance can be measured.
  • the arrangement allows a cost AD conversion with less conversion depth (bits). As a result of this simple solution, in addition to a better robustness, a more favorable cost position results.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für die Ermittlung eines Fehlerstroms mit einem ersten Widerstand (Rshunt+), einem zweiten Widerstand (Rshunt-), einer ersten Vorrichtung (Diff1) zur Ermittlung eines ersten Wertes für eine eine Spannungsdifferenz charakterisierende Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand (Rshunt+) charakterisierenden Wertes angeordnet ist. Die Schaltung umfaßt zudem eine zweite Vorrichtung (Diff2) zur Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdifferenz charakterisierende Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem zweiten Widerstand (Rshunt-) charakterisierenden Wertes angeordnet ist und eine dritte Vorrichtung (Diff12) zur Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe. Sie ist zudem mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe ausgestattet. Die erfindungsgemäße Schaltung ist aufwandsarm und besonders geeignet zum Einsatz in Verbindung von Solar-Mikro-Wechselrichtern.

Description

Beschreibung
FehlerStromschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaltung für die Ermittlung ei¬ nes Fehlerstroms, einen Schaltkreis zur Versorgung einer Last, welcher mit der erfindungsgemäßen Schaltung gebildet ist, und ein Verfahren zur Ermittlung eines Fehlerstroms. Ein wichtiger Trend bei der Entwicklung moderner Energienetze ist die dezentrale Energieerzeugung und die Verteilung dieser dezentral gewonnenen Energie. Die damit verbundene Feinstruk- turierung von Energienetzen führt zu Netzen, welche für de¬ zentrale Energiequellen bzw. für die individuelle Versorgung einzelner Lasten konzipiert sind. In diesem Kontext wurden die Begriffe „Mikrogrid" und „Nanogrid" geprägt, welche die Entwicklung derartiger Netze charakterisieren. Der Begriff „Nanogrid" wird dabei häufig für Netze verwendet, die von ih¬ rer Struktur für wenige Gebäude bzw. Lasten oder evtl. nur ein einziges Gebäude bzw. eine einzige Last gedacht sind. De¬ rartige Netze bilden die Grundlage für eine feinstrukturelle Vernetzung, mit welcher eine intelligente, dezentral konzi¬ pierte Energieversorgung mit hoher Energieeffizienz und Fle¬ xibilität realisiert werden kann.
Eine wichtige Rolle für die Generierung von Energie, die über Mikrogrids und Nanogrids verteilt wird, spielen dabei Solar¬ module, die dezentral, z. B. auf einzelnen Gebäuden, instal¬ liert sind. Diese Solarmodule (häufig findet man dafür auch unter Anlehnung an das englische Fachvokabular den Ausdruck „Solarpanel") liefern typischerweise eine Gleichspannung, welche für Transport und Lastspeisung zu Wechselstrom umge¬ wandelt werden muß. Für die Umwandlung zu Wechselstrom werden so genannte Solar-Mikro-Wechselrichter (auch als „Solar- Mikro-Inverter" bezeichnet) verwendet. Der Einsatz eines Mik- ro-Wechselrichters pro Solarmodul oder pro Zusammenschaltung einer Reihe von Solarmodulen erlaubt eine sehr flexible Hand¬ habung und Optimierung der Energieversorgung mit Sonnenener- gie. Da derartige Solar-Mikro-Wechselrichter in großer Anzahl verwendet werden sollen, ist es wichtig, diese Komponenten möglichst ressourceneffizient bereitzustellen, d. h. den Auf¬ wand bzw. die Kosten für diese Komponente möglichst zu redu- zieren. Dabei ist zu berücksichtigen, daß aufgrund der physi¬ kalischen und schaltungstechnischen Gegebenheiten Fehlerströ¬ me auftreten können, die mit Schutzmaßnahmen abgesichert wer¬ den müssen. Im Hinblick auf Fehlerströme wurden Solar-Mikro- Inverter vorgeschlagen, welche mit einer galvanischen Tren- nung operieren. Ein derartiger Mikro-Inverter bzw. Mikro¬ Wechselrichter ist beispielsweise in der US 20130051092 AI offenbart. Die galvanische Trennung wird dabei typischerweise mittels eines Transformators realisiert. Dadurch ergibt sich ein schlechterer Wirkungsgrad als bei einem Gerät ohne Trans- formator, eine höhere Komplexität und damit einhergehend ein höherer Preis. Die Verwendung von herkömmlichen Fehlerstrom- Schutzmaßnahmen, beispielsweise Schaltungen mit herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschaltern, wie z. B. ACBs, ist mit einem zu hohen Aufwand und mit zu hohen Kosten verbunden, um eine ech- te Alternative zu Solar-Mikro-Wechselrichtern mit galvani¬ scher Trennung zu sein.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen aufwandsarmen Fehler¬ strom-Schutz anzugeben, der insbesondere für Solar-Mikro- Wechselrichter einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung nach Anspruch 1, ei¬ nen Schaltkreis nach Anspruch 6 und ein Verfahren zur Ermitt¬ lung eines Fehlerstroms nach Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltung für die Ermittlung eines Feh¬ lerstroms ist mit einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand gebildet. Bei diesen Widerständen handelt es sich typischerweise im Meßwiderstände bzw. Shunt-Widerstände . Die Widerstandswerte beider Widerstände sind vorzugsweise iden¬ tisch. Zudem umfaßt die Schaltung eine erste Vorrichtung (z.B. Dif¬ ferenzverstärker) zur Ermittlung eines ersten Wertes für eine eine Spannungsdifferenz (bzw. einen Spannungsabfall) charak¬ terisierende Größe, welche für die Ermittlung eines den Span- nungsabfall bei dem ersten Widerstand (Rshunt+) charakteri¬ sierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet ist („charakteri¬ sierende Größe" ist dabei vorzugsweise so zu verstehen, daß die Werte dieser Größe als Maß für diese Spannungsdifferenz herangezogen werden können) . Dabei umfaßt z.B. die erste Vor- richtung zwei Eingänge für zwei Signale, deren Differenz er¬ mittelt werden soll. Diese beiden Eingänge sind dann mit dem Bereich vor bzw. hinter dem ersten Widerstand verbunden, so dass zwei Signale an der ersten Vorrichtung anliegen, deren Differenz den Spannungsabfall charakterisieren.
Die Schaltung umfaßt zudem eine zweite, vorzugsweise der ers¬ ten entsprechende Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdiffe¬ renz charakterisierende Größe, welche für die Ermittlung ei- nes den Spannungsabfall bei dem zweiten Widerstand charakte¬ risierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet ist. Die Anord¬ nungen von erster und zweiter Vorrichtung sind vorzugsweise zueinander symmetrisch, um sicherzustellen, daß bei gleichen Werten für den Spannungsabfall bei den Widerständen die an den Vorrichtungen anliegenden Signale einander entsprechen. Es ist aber auch möglich, die Schaltung unsymmetrisch bzw. mit unterschiedliche Widerstandeswerten für den ersten und zweiten Widerstand zu realisieren, wenn geeignete Kompensati¬ onsmittel (unterschiedliche Signalverstärkung, Offsets, ...) vorgesehen werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist zudem mit einer dritten Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe gebildet. Da der erste Wert ein Maß für eine Spannungsdifferenz beim ersten Wider¬ stand und der zweite Wert ein Maß für eine Spannungsdifferenz beim zweiten Widerstand darstellen, kompensieren sich bei symmetrischem Aufbau beide Werte, wenn es keine Differenzen bei dem die Widerstände passierenden Strom gibt. Die dritte Vorrichtung liefert dann ein Resultat, mit welchem festge¬ stellt werden kann, ob ein Fehlerstrom vorliegt. Es ist dafür eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert cha¬ rakterisierenden Größe vorgesehen, welche z.B. einen Analog- Digital-Umsetzer und einen Mikrokontroller umfaßt (d.h. mit zwei Vorrichtungen bzw. Komponenten gebildet ist) . Gemäß ei- ner Ausgestaltung kann mittels eines Mikrokontrollers nach
Maßgabe des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe das Vorliegen eines Fehlerstroms festgestellt und ggf. ein Signal für eine Unterbrechung eines mit der Schaltung überwachten Schaltkrei- ses erzeugt werden.
Die vorgeschlagene Schaltung ist aufwandsarm zu realisieren und damit insb. in Verbindung mit Solar-Mikro- Inverterschaltung eine attraktive Option, weil keine aufwen- dige galvanische Trennung vorgesehen werden muß und die Feh- lerstromdetektion ohne aufwendige Elemente herkömmlicher Feh¬ lerstromschaltungen (z.B. RCDs) konzipiert ist.
Die erfindungsgemäße Schaltung kommt z.B. in einem Schalt- kreis zur Versorgung einer Last zum Einsatz, bei welchem der erste Widerstand der Last vorgelagert und der zweite Wider¬ stand der Last nachgelagert in dem Schaltkreis angeordnet bzw. eingeschleift sind (idealerweise symmetrisch zu Span¬ nungspolen einer für die Versorgung anliegenden Spannung) . Dieser Schaltkreis kann einen Solar-Mikroinverter umfassen und zur Versorgung der Last mit Solarstrom mit mindestens ei¬ nem Solarmodul verbindbar sein. In diesem Fall ist der Solar- Mikroinverter vorzugsweise ohne galvanische Trennung gebil¬ det. Die Schaltung ist dann präferentiell dem Solar- Mikroinverter vorgelagert (d.h. zwischen Spannungsquelle, z.B. Solarmodul, und Solar-Mikroinverter angeordnet). Vor¬ zugsweise ist der Schaltkreis mit einem Schalter versehen, mit dem bei Vorliegen eines Fehlerstroms der Schaltkreis unterbrochen bzw. geöffnet werden kann.
Für die Bestimmung von für den Schaltkreis relevanter Größen kann der Schaltkreis mit dafür verwendeten Elementen weiter¬ gebildet sein. Eine erste Weiterbildung umfaßt einen Schalter für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkreises an ei¬ ner einer Anschlußseite einer Spannungsquelle (z.B. ein oder mehrere Solarmodule) abgewandten Seite des zweiten Wider- Stands mit Erde. Entsprechend ist eine Weiterbildung mit ei¬ nem Schalter für die Herstellung einer Verbindung des Schalt¬ kreises an einer einer Anschlußseite einer Spannungsquelle abgewandten Seite des ersten Widerstands mit Erde möglich. Bei einer dritten Weiterbildung für die Bestimmung einer für den Schaltkreis relevanten Größe ist z.B. auf einer Anschlu߬ seite einer Spannungsquelle ein Spannungsteiler zwischen An¬ schlußbereichen für die Pole der Spannungsquelle angeordnet. Dieser Spannungsteiler kann dem ersten und dem zweiten Wider- stand vor- oder nachgelagert sein und ist mit einem dritten Widerstand und einem vierten Widerstand gebildet. Weiter ist eine Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charak¬ terisierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet. Die Schal- tung umfaßt dann einen Mikrokontroller, der dafür ausgestal¬ tet ist, mit Hilfe des den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charakterisierende Werts eine Bestimmung der auf einer Anschlußseite der Spannungsquelle anliegenden Spannung (d.h. Spannungsdifferenz zwischen den Polen) vorzunehmen. Da- bei kann der Ausgang der Vorrichtung zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charakterisieren¬ den Wertes mit einem Analog-Digital-Umsetzer verbunden sein, dessen Ausgang dann wiederum mit dem Mikrokontroller verbun¬ den wäre .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung ei¬ nes Fehlerstroms mit einer erfindungsgemäßen Schaltung. Dabei wird ein erster Wert für eine eine Spannungsdifferenz (bzw. einen Spannungsabfall) charakterisierende Größe bestimmt, welcher den Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand charak¬ terisiert. Zudem wird ein zweiter Wert für die die Spannungs¬ differenz charakterisierende Größe ermittelt, welcher den Spannungsabfall bei dem zweiten Widerstand charakterisiert. Schließlich erfolgt die Ermittlung und Auswertung eines Wer¬ tes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im
von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 Eine schematische Darstellung des Einsatzum¬ feldes eines Solar-Mikro-Wechselrichters bei der Energieerzeugung mit Hilfe eines Solarmo¬ duls;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Schaltung;
Figur 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren;
Figur 4 eine erste Illustration für das Auftreten ei¬ nes Fehlerstromes bei der erfindungsgemäßen Schaltung von Figur 2,
Figur 5 eine zweite Illustration des Auftretens eines
Fehlerstromes bei der erfindungsgemäßen Schal¬ tung von Figur 2;
Figur 6 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit
Mitteln zur Bestimmung des Erdschluß-Stromes am positiven Spannungsanschluß;
Figur 7 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit
Mitteln zur Bestimmung des Erdschluß-Stromes am negativen Spannungsanschluß;
Figur 8 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit
Mitteln zur Bestimmung von einer solarmodul- seitig anliegenden Spannung.
In Figur 1 ist schematisch die Sonne S dargestellt, die als Energielieferant Energie in Form von Sonneneinstrahlung für Solaranlagen bereitstellt. Mittels eines Solarmoduls bzw. So¬ larpanels SP wird die Sonnenenergie in eine Spannung umge- setzt. In der Figur sind die Spannungen Upv+ und Upv- be¬ nannt, welche an einem Solar-Mikro-Inverter bzw. Solar-Mikro- Wechselrichter MSI anliegen. Dieser Solar-Mikro-Inverter MSI ist an das Netz angeschlossen, z. B. über ein WLAN oder LAN, welches ein cloudbasiertes Monitoring und Datenmanagement (z. B. Steuerung, Festlegung von Einstellungen etc.) erlaubt. Dieses cloudbasierte Überwachen und Management von Daten wird in Figur 1 durch die Wolke mit dem Bezugszeichen COM reprä¬ sentiert. Der Solar-Mikro-Inverter MSI liefert einen Wechsel- ström, welcher beispielsweise einen Nanogrid-Verbraucher in einem Gebäude speist oder in ein Verteilungsnetz eingekoppelt wird. Das Nanogrid, welches mit Verbrauchern bzw. Vertei¬ lungsnetzen in Verbindung steht, ist in Figur 1 mit dem Be¬ zugszeichen M gekennzeichnet. Zwischen dem Solar-Wechselrich- ter MSI und Netz M sind mit den Bezugszeichen LI und N ein
Phasenleiter und ein Neutralleiter angedeutet. Dies ist rein illustrativ; insbesondere ist zu berücksichtigen, daß es auch dreiphasige Mikroinverter gibt, für welche die im Folgenden anhand des Ausführungsbeispiels beschriebene Erfindung zum Einsatz kommen kann.
Die Erfindung ist primär für Solar-Mikro-Inverter gedacht, die ohne galvanische Trennung realisiert sind. Die für diesen Fall nötige Fehlerstrom-Messung wird durch die Erfindung be- reitgestellt. Eine Grundschaltung dafür ist in Figur 2 ge¬ zeigt. Der Strom des Pluspoles Upv+ und der des Minuspoles Upv- werden jeweils mittels eines Shunt-Widerstandes gemes¬ sen. Diese Shunt-Widerstände sind mit den Bezugszeichen
Rshunt+ und Rshunt- gekennzeichnet und hinreichend klein di- mensioniert, damit die verwendenden Differenzverstärker Ein¬ gangsspannungen haben, die nicht den vorgegebenen Arbeitsbe¬ reich überschreiten. Die beiden Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt- sind jeweils mit Anschlüssen auf beiden Seiten der Widerstände mit einem Differenzverstärker (Differenzverstär- ker Diffl für Meßwiderstand Rshunt+ und Differenzverstärker Diff2 für Meßwiderstand Rshunt-) verbunden. Hier und im Fol¬ genden wird der Begriff „Differenzverstärker" so interpre¬ tiert, daß eine Differenzbildung vorgenommen wird und fakul- tativ gebildete Differenzen mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden. Dabei ist der Gewichtungsfaktor vor¬ zugsweise, aber nicht notwendigerweise größer eins. D.h. der Begriff „Differenzverstärker" umfaßt insbesondere auch die bloße Differenzbildung ohne weitere Gewichtung des Ergebnis¬ ses .
Die nachgeschalteten Differenzverstärker Diffl und Diff2 re¬ duzieren das Meß-Signal auf einen bei den Meß-Widerständen Rshunt+ bzw. Rshunt- abfallenden Spannungsabfall bzw. eine dazu proportionale Spannung. Das Ergebnis der beiden Diffe¬ renzverstärker Diffl und Diff2 wird wiederum einem Differenz¬ verstärker Diffl2 zugeleitet, der die (möglicherweise mit ei¬ nem Verstärkungsfaktor multiplizierte) Differenz der von den Differenzverstärkern Diffl und Diff2 gelieferten Spannungs¬ differenzen bestimmt. Wenn kein Fehlerstrom vorhanden ist, fließt bei geschlossenem Schaltkreis derselbe Strom über die Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt-. Bei gleichen Widerstands¬ werten der beiden Meßwiderstände ist der Spannungsabfall ebenfalls gleich, und das Ergebnis für den mit dem Differenz¬ verstärker Diffl2 ermittelte Unterschied der Spannungsabfälle ist null. Das heißt, am Ausgang des Differenzverstärkers Diffl2 wird ein Signal geliefert, welches ein Maß für den Fehlerstrom darstellt. Das von dem Differenzverstärker Diffl2 ausgegebene Signal wird mittels eines Analog-Digital-Konver- ters ADC zu einem digitalen Signal umgesetzt und an einen Mikrokontroller uC weitergegeben. Die Umwandlung zu einem di¬ gitalen Input über den Analog-Digital-Umsetzer ADC empfiehlt sich wegen der typischerweise geringen Größe des Signals (Fehlerstrom) .
In Figur 3 ist schematisch in einfachster Form ein erfin¬ dungsgemäßes Verfahren gezeigt, welches mit der Schaltung nach Figur 2 durchgeführt wird. Zunächst werden in den
Schritten al und a2 die Spannungsabfälle bei den Widerständen Rshunt+ und Rshunt- mit Hilfe der Differenzverstärker Diffl und Diff2 ermittelt. In einem nächsten Schritt b wird die Differenz der durch die Differenzverstärker Diffl und Diff2 ermittelten Spannungsabfälle gebildet und in einem letzten Schritt c durch den Mikrokontroller uC ausgewertet. Die reale Implementierung des Verfahrens kann komplexer sein also die obige einfache Beschreibung (z.B. Multiplikation der Ergeb- nisse der Differenzverstärker mit einem Verstärkungsfaktor, Digitalisierung von Resultaten z.B. mit dem in Figur 2 darge¬ stellten Analog-Digital-Umsetzer ADC ...) .
Der nachgeschaltete Differenzverstärker Diffl2 reduziert also das Meß-Signal auf den Differenzstrom bzw. eine den Diffe¬ renzstrom charakterisierende Größe. Der Differenzstrom ent¬ spricht einem Fehlerstrom. Der nachgeschaltete Differenzver¬ stärker Diffl2 bietet zudem den Vorteil, daß ein preisgünsti¬ ger Analog-Digital-Konverter ADC mit weniger Dynamik (Bits) ausreicht. Es wird ja nur die Differenz digitalisiert. In der Schaltung aus Figur 1 ist typischerweise ein Schalter Son-off vorhanden, welcher in den Figuren 5 und 6 eingezeichnet ist. Im Falle des Vorliegens eines Fehlerstromes würde dann bei¬ spielsweise der Mikrokontroller uC, z.B. mittels eines elektromechanischen Antriebes (in der Figur nicht gezeigt) , diesen Schalter Son-off öffnen, um den Stromkreis zu unter¬ brechen. Die in Figur 1 gezeigte Fehlerstrom-Meßschaltung ist vorzugsweise dem Solar-Wechselrichter vorgelagert, d. h. in Figur 1 zwischen dem Solarmodul SP und Solar-Mikro-Inverter MSI angeordnet.
In den Figuren 4 und 5 ist jeweils eine Last RLast einge¬ zeichnet und ein Fehlerstrom angedeutet. In Figur 4 wäre die¬ ser Fehlerstrom FUpv+ bei dem Spannungseingang Upv+ lokali- siert und in der Figur 5 wäre der Fehlerstrom FUpv- am Span¬ nungseingang Upv- aufgetreten. In diesen Fällen würde - wie anhand der Figur 2 beschrieben - der Mikrokontroller uC den Stromkreis unterbrechen. In den unten beschriebenen Figuren ist die Schaltung aus Fi¬ gur 2 mit Mittel versehen, um relevante Spannungsgrößen zu bestimmen. In Figur 6 wird der Widerstand von dem Eingang Upv+ zu Erde ermittelt. Dazu wird der Schalter Son-off geöff- net . Bei geöffnetem Schalter Son-off wird auf der in Bezug auf den Eingang Upv- abgewandten Seite des Meßwiderstandes Rshunt- über den Schalter Utest- eine Verbindung zu Erde rea¬ lisiert. Der bei dem Meß-Widerstand Rshunt- abfallende Strom entspricht dann dem Erdschluß-Strom. Mit Hilfe des Wertes für die anliegende Spannung Upv+ bzw. genauer die Spannungsdiffe¬ renz (Upv+ - Upv-) kann der Widerstand des Einganges Upv+ zu Erde ermittelt werden.
Ein im Wesentlichen entsprechendes Vorgehen zur Ermittlung von Upv- ist in Figur 7 gezeigt. Wiederum ist der Schalter Son-off geöffnet, und es wird mittels des Schalters Utest+ die Upv+ abgewandte Seite von dem Widerstand Rshunt+ auf Erde gelegt. Das heißt, der Schalter Utest+ wird temporär bei ge¬ öffnetem Schalter Son-off geschlossen. Der Strom im Meßwider¬ stand Rshunt+ entspricht dann dem Erdschluß-Strom. Zusammen mit dem Wert von Upv+ bzw. von (Upv+ - Upv-) kann der Wider¬ stand von Upv- zur Erde ermittelt werden. Figuren 6 und 7 zeigen somit die Ermittlung des Widerstandes von Upv+ bzw. Upv- zur Erde mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung.
In Figur 8 ist schließlich gezeigt, wie eine Spannungsmessung von Upv+ (zu Upv-) durchgeführt werden kann. Dabei sind die Eingänge Upv+ und Upv- über einen durch die Widerstände R3 und R4 gebildeten Spannungsteiler verbunden. Zwischen den beiden Widerständen R3 und R4 führt eine Verbindung zu einem Differenzverstärker Diff, dessen anderes Ende bei dem Eingang Upv- verbunden ist. Vorzugsweise ist der Widerstand R4 erheb¬ lich kleiner (z.B. eine oder mehrere Größenordnungen) als der Widerstand R3, damit am Differenzverstärker Diff eine ver¬ gleichsweise geringe Spannung anliegt. Der Differenzverstär¬ ker Diff ist mit einem Analog-Digital-Wandler ADC(O) verbun¬ den, welcher ein digitales Signal erzeugt, welches an einem Eingangskanal ChO des Mikrokontrollers uC anliegt. Dieses Signal ist ein Maß für die Spannung von Upv+ zu Upv-, wobei die den Spannungsteiler bildenden Widerstände R3 und R4 be¬ kannt sind und für die Berechnung der Spannung durch den Mik- rokontroller uC verwendet werden. Parallel wird wie in Figur 1 beschrieben der Fehlerstrom gemessen und das entsprechende Signal an den Mikrokontroller uC übermittelt. Dieses Signal liegt an einem anderen Eingang bzw. Kanal des Mikrokontrol- lers uC an, welcher hier mit Chi benannt ist.
In Figur 8 ist der mit den Widerständen R3 und R4 gebildete Spannungsteiler zwischen der Energiequelle und den Meßwider¬ ständen Rshunt+ und Rshunt- angeordnet. Der Spannungsteiler kann alternativ auch auf der anderen Seite der Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt- angeordnet werden.
Erfindungsgemäß ist somit eine einfache Fehlerstrommessung mit nachgeschaltetem Differenzverstärker beschrieben. Ein Ab¬ zug des wesentlich höheren Betriebsstromes und der damit einhergehenden Ungenauigkeiten ist nicht nötig. Außerdem kann mit dieser Anordnung der Erdisolationswiderstand gemessen werden. Die Anordnung ermöglicht eine kostengünstige AD- Wandlung mit weniger Wandeltiefe (Bits) . Aufgrund dieser ein¬ fachen Lösung ergibt sich neben einer besseren Robustheit ei- ne günstigere Kostenposition.
Die Erfindung wurde im Kontext von Solar-Mikro-Wechselrich- tern beschrieben, wo sie besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Sie ist aber keineswegs auf dieses Einsatzgebiet be- schränkt, sondern generell für Schaltkreise geeignet, bei de¬ nen eine Fehlerstrommessung erfolgen soll.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltung für die Ermittlung eines Fehlerstroms mit
- einem ersten Widerstand (Rshunt+) ,
- einem zweiten Widerstand (Rshunt-) ,
- einer ersten Vorrichtung (Diffl) zur Ermittlung eines ers¬ ten Wertes für eine eine Spannungsdifferenz charakterisieren¬ de Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand (Rshunt+) charakterisierenden Wer¬ tes angeordnet ist,
- einer zweiten Vorrichtung (Diff2) zur Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdifferenz charakterisie¬ rende Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsab¬ fall bei dem zweiten Widerstand (Rshunt-) charakterisierenden Wertes angeordnet ist,
- einer dritten Vorrichtung (Diffl2) zur Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe, und
- einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert cha¬ rakterisierenden Größe.
2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei der ersten Vorrichtung (Diffl) und bei der zwei¬ ten Vorrichtung (Diff2) um Differenzverstärker handelt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei der dritten Vorrichtung (Diffl2) um einen Diffe¬ renzverstärker handelt.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) und einen Mikrokontroller (uC) umfaßt.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Auswertevorrichtung einen Mikrokontroller (uC) umfaßt,
- der Mikrokontroller (uC) dafür ausgestaltet ist, nach Maß- gäbe des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe das Vorliegen eines Fehlerstroms festzustellen und ein Signal für eine Unterbrechung eines mit der Schaltung überwachten Schaltkrei¬ ses zu erzeugen.
6. Schaltkreis zur Versorgung einer Last (RLast) , gebildet mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der erste Widerstand (Rshunt+) der Last (RLast) vor¬ gelagert und der zweite Widerstand der Last (RLast) nachgela- gert in dem Schaltkreis angeordnet sind.
7. Schaltkreis nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Schaltkreis einen Solar-Mikroinverter (MSI) umfaßt, und - zur Versorgung der Last (RLast) mit Strom zur Verbindung mit mindestens einem Solarmodul ausgestaltet ist.
8. Schaltkreis nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Solar-Mikroinverter (MSI) ohne galvanische Trennung ge¬ bildet ist.
9. Schaltkreis nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dem Solar- Mikroinverter (MSI) vorgelagert ist.
10. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
mit einem Schalter (Son-off) , mit dem bei Vorliegen eines Fehlerstroms der Schaltkreis unterbrochen werden kann.
11. Schaltkreis nach Anspruch 10, mit einem Schalter (Utest-) für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkreises an ei- ner einen Anschlußseite einer Spannungsquelle abgewandten Seite des zweiten Widerstands (Rshunt-) mit Erde.
12. Schaltkreis nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Schalter (Utest+) für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkrei¬ ses an einer einen Anschlußseite einer Spannungsquelle abge¬ wandten Seite des ersten Widerstands (Rshunt+) mit Erde.
13. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
- ein Spannungsteiler zwischen Anschlußbereichen für die Pole der Spannungsquelle angeordnet ist, welcher mit einem dritten Widerstand (R3) und einem vierten Widerstand (R4) gebildet ist ,
- eine Vorrichtung (Diff) zur Ermittlung eines den Spannungs¬ abfall bei dem vierten Widerstand (R4) charakterisierenden Wertes angeordnet ist, und
- ein Mikrokontroller (uC) dafür ausgestaltet ist, mit Hilfe des den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand (R4) cha- rakterisierende Werts eine Bestimmung der auf einer Anschlu߬ seite der Spannungsquelle anliegenden Spannung vorzunehmen.
14. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Ausgang der Vorrichtung (Diff) zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand (R4) charakteri¬ sierenden Wertes mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC(0)) verbunden ist, und
- der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzer (ADC(0)) mit dem Mikrokontroller (uC) verbunden ist.
15. Verfahren zur Ermittlung eines Fehlerstroms mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend
- Ermittlung eines ersten Wertes für eine eine Spannungsdif- ferenz charakterisierende Größe, welcher ein Maß für den
Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand darstellt, - Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdiffe¬ renz charakterisierende Größe, welcher für den Spannungsab¬ fall bei dem zweiten Widerstand ein Maß darstellt,
- Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe, und
- Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe.
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