[go: up one dir, main page]

WO2025068147A1 - Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter - Google Patents

Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter Download PDF

Info

Publication number
WO2025068147A1
WO2025068147A1 PCT/EP2024/076726 EP2024076726W WO2025068147A1 WO 2025068147 A1 WO2025068147 A1 WO 2025068147A1 EP 2024076726 W EP2024076726 W EP 2024076726W WO 2025068147 A1 WO2025068147 A1 WO 2025068147A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
earth
monitoring
current
fault
generation system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/076726
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Falk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of WO2025068147A1 publication Critical patent/WO2025068147A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/16—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass
    • H02H3/167—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass combined with other earth-fault protective arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors
    • H02H3/33—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors using summation current transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/12—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to undesired approach to, or touching of, live parts by living beings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/20—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment

Definitions

  • the invention relates to a PV power generation system with a central inverter unit comprising a DC/AC converter that can both feed energy into an alternating current (AC) grid and draw energy from the AC grid.
  • the PV power generation system can be monitored for possible ground faults, wherein the system comprises a disconnecting device for the DC-side energy source, in particular a photovoltaic generator.
  • the invention relates to a method for monitoring fault currents in such a PV power generation system and for disconnecting the DC-side energy source.
  • PV power generation systems are opening up an increasingly wide range of possible applications.
  • private home-based energy generation i.e., the conversion of DC voltage provided by PV generators into AC grid voltage using an inverter and supplying a household grid or feeding into a public grid
  • PV power plants in increasingly larger power classes are assuming a significant share of the public electricity supply.
  • a PV system can comprise a multitude of electrical components, particularly PV modules, distributed in a decentralized manner over a large area.
  • a group of PV modules that is grouped in strings, i.e. in series, is also called a PV string.
  • a PV generator of a PV system can have one or more PV sub-generators or main strings, consisting of several PV strings that are connected in parallel to one another by means of a connecting device, also called a combiner box, possibly each via a separate DC/DC converter, to a common DC link of a PV inverter or, depending on the application, another
  • each of the PV sub-generators can have one or more PV strings connected in parallel.
  • the PV modules of a A PV system always has an electrical capacitance with respect to its surroundings, in particular with respect to its usually grounded mounting. This capacitance is not absolutely necessary for the function of the PV system, but inevitably arises from the mechanical structure of the PV modules. It is therefore often referred to as "parasitic capacitance” or “leakage capacitance”.
  • the parasitic capacitance of the PV system usually increases with the size of the PV generator assigned to it, which is why a powerful PV generator also has a correspondingly large parasitic capacitance.
  • the parasitic capacitance depends on the ambient conditions and increases further, for example, in the event of rain due to the associated damp surface of the PV modules and/or a change in the dielectric constant of the air due to increased humidity.
  • a fault e.g. faulty cable insulation
  • a live component of the PV generator such as the faulty cable
  • this direct contact usually results in an additional fault current against earth potential, usually abruptly.
  • a fault current of approximately 30 mA or more can be dangerous to persons and is relevant for fire protection above approximately 300 mA
  • further measures such as switching off and/or short-circuiting the PV generator, in particular the affected PV sub-generator, must be initiated upon detection.
  • Two criteria must generally be met. Firstly, the fault current must not exhibit any jumps, i.e.
  • the total residual current or capacitive leakage current measured across the connecting cables of a PV generator must not exceed a significantly higher limit value of a few 100 mA. Due to the ever-increasing nominal power of PV systems, the parasitic capacitances of the associated PV generators or PV sub-generators are also increasing, and thus also the capacitive leakage currents that are always present during normal operation of the PV system. However, the threshold value assigned to the leakage current, for example 300 mA, remains constant and can only be reduced due to stricter normative restrictions.
  • any existing fault current can be significantly smaller compared to the always present capacitive leakage current of the PV system.
  • the detection of the fault current is therefore becoming increasingly complex and expensive due to the low signal-to-noise ratio and the associated sensitive measuring systems that must be designed. It is therefore desirable to be able to detect a potentially occurring fault current reliably and cost-effectively, especially in larger PV systems, especially when the potentially occurring fault current is small compared to the capacitive leakage current that is always present during normal operation of the PV system.
  • the problem is that the parasitic capacitance of a PV field connected to a central DC link of a power conversion unit, such as a central inverter, is so large that a person or animal can be harmed by the large discharge current that occurs when the entire capacitance is transferred via their body upon touching one of the poles of the PV field due to an insulation fault.
  • parallel connection is achieved by interconnecting individual PV generators to form PV strings, which are then combined in connecting units to form sub-generators or "main strings.”
  • the currents from several of these connecting units are then combined in a DC collection unit, such as a DC busbar or a common DC link, before being fed to a power conversion unit, such as an inverter or a DC/DC converter.
  • Insulation monitoring is always in place, which performs ground current monitoring and preferably also includes a ground fault detection and interruption device (GFDI) to monitor the PV generator and disconnect it if necessary.
  • GFDI ground fault detection and interruption device
  • Normative specifications such as IEC 63112, stipulate with regard to earth faults that PV power generation systems above a certain power class must either be operated behind a fence in an electrical operating area or, if they are publicly accessible, must be equipped with so-called earth fault monitoring and safety shutdown that meets the aforementioned criteria.
  • State-of-the-art insulation monitoring always includes ground current monitoring and a ground fault detection and interruption (GFDI) device to monitor the entire PV generator and, if necessary, disconnect it from the central inverter unit.
  • GFDI ground fault detection and interruption
  • a GFDI is provided that triggers when a trigger current is exceeded, according to a trigger characteristic. The triggering time depends only on the current magnitude caused by a ground fault.
  • the invention is based on the object of providing a PV energy generation system which provides improved fault current monitoring even with high electrical power and correspondingly high capacity of connected PV generators, and which ensures that large PV energy generation systems can also be operated without a surrounding safety fence.
  • the power generation system comprises a central inverter unit and a PV generator for connection to the central inverter unit, wherein the PV generator comprises a plurality of parallel-connected PV main strings, each of which is connected to the Central inverter unit of the PV energy generation system are connected on the input side and are connected on the output side to an AC voltage network via a DC intermediate circuit, a DC/AC converter, an AC disconnector, a transformer and a grid connection device, wherein each pair of DC lines assigned to a PV main string is assigned a monitoring unit comprising a differential current measuring device, a disconnector and a monitoring control, wherein the monitoring control is configured to open the disconnector within a reaction time TR after a fault has been detected by exceeding a differential current threshold value Is, Diff in order to disconnect the PV main string, and wherein an earth fault monitoring device is arranged between a pole of the intermediate circuit and an earth connection, wherein the earth fault monitoring device comprises an earth current measuring device, a disconnecting element and a control, wherein the control of the earth
  • the monitoring units which are assigned to the individual PV main strings in order to monitor them separately, perform monitoring via a residual current measurement of the DC lines of the individual PV sub-generators.
  • the residual current measuring devices assigned to the sub-generators can thus detect a difference between an input current into a sub-generator and a return current out of the sub-generator, which flows to earth via a fault location on the affected sub-generator. This return current path is provided via the earth connection.
  • the described monitoring unit which comprises a residual current measuring device, a disconnect switch, and a monitoring controller, is also called an RCD (residual current detection and interruption).
  • RCD residual current detection and interruption
  • the aim is to ensure that only the RCD of the faulty sub-generator trips and disconnects it, while all other non-faulty sub-generators can remain connected and functional.
  • GFDI ground fault monitoring device
  • the GFDI is provided with a time-delayed tripping function. If the measured earth current exceeds a defined earth current threshold value Is, the GFDI control system triggers the isolating element only after a certain delay time T.
  • the isolating element can be designed as an earth fault switch. In the period up to the GFDI tripping, the corresponding monitoring unit of a faulty sub-generator can detect a local fault current via the associated residual current measuring device and immediately trigger a disconnection via the associated disconnect switch. If the only fault lies within the isolated sub-generator, the measured earth current of the GFDI normalizes, and tripping of the isolating element (earth fault switch) is suspended when the earth current threshold value Is is undershot.
  • the isolating element (earth fault switch) is triggered after the delay time T has elapsed.
  • An energy generation system is preferably formed by a photovoltaic energy generation system that has a plurality of parallel-connected PV main strings. These are connected via DC lines to a DC intermediate circuit, for example, a DC busbar or busbar of the central inverter unit.
  • the central inverter unit can be implemented differently depending on the application.
  • the central inverter unit can be formed by a DC/AC central inverter that is configured to convert the energy provided by the DC energy source, for example, the PV generators, and feed it into an alternating voltage (AC) grid and/or also extract energy from the AC grid.
  • the inverter can be single-stage or multi-stage, for example, comprising additional DC/AC or DC/DC converter stages.
  • the ground connection In order to be able to provide a return current path and monitoring, the ground connection must be arranged on the DC side between the power converter and the monitoring units of the sub-generators on the DC intermediate circuit or the DC busbars.
  • the GFDI and the grounding connection are present at at least one pole of the DC link to ensure the effect of the invention. Depending on the type of central inverter unit, this can be arranged at a positive pole, a negative pole, or at an intermediate potential, for example, at a common center point.
  • the delay time T is 50 ms to 500 ms.
  • the duration of the delay time T is selected depending on the earth current measured by the earth current measuring device.
  • different delay times T can preferably be assigned to different value ranges of a measured earth current.
  • different earth current threshold values Is can be defined, each of which triggers a different delay time T when the measured earth current is exceeded. It is advantageous to set a long delay time T for a measured earth current that is only slightly above the smallest earth current threshold value IS.MIN. This can, for example, be in the range of minutes.
  • a maximum ground current threshold Is, MAX is defined, and if exceeded, the delay time T is set to zero. This allows for immediate response to serious faults that require a complete shutdown to protect the system.
  • a maximum ground current threshold Is, MAX can preferably be above 30 A to enable safety-compliant operation.
  • the only earth current threshold value Is or, in the case of several earth current threshold values, the minimum earth current threshold value IS.MIN of the earth fault monitoring device is greater than or equal to 1 A. Only from this value is a delay time T triggered.
  • the differential current threshold Is, Diff of the associated monitoring unit is less than or equal to 300 mA. This complies with international fire safety regulations. Furthermore, it is advantageous that the differential current threshold Is, Diff can be monitored for sudden changes in the range of 30 to 150 mA according to IEC 62109-2 or IEC 63112. The precise requirements for this are contained in the respective standards under the keyword “sudden change,” which can be considered disclosed in their currently valid versions.
  • the differential current threshold values Is, Diff of the measured differential currents are smaller than the earth current threshold values Is of the measured (total) earth current IE, since the measurement of the earth current IE is influenced by the
  • the earth fault monitoring device takes into account the sum of all leakage currents of the individual sub-generators, while the monitoring units of the individual main strings/sub-generators only consider the differential currents between the partial currents flowing into and out of the sub-generator, which, regardless of the total current intensity, are ideally even close to zero (without parasitic outflows).
  • the ground fault monitoring device comprises an overcurrent protection device.
  • the overcurrent protection device comprises a damping resistor. In this way, damage to the components of the ground fault monitoring device, which can be caused by the increased current flow that occurs during the delay time T, can be avoided.
  • the damping resistance is smaller than the total resistance of the PV generator, preferably less than 10%, particularly preferably less than 1% of the total resistance of the PV generator. This advantageously ensures that the damping resistance has only a minor influence on the total resistance of the PV system, thus preventing interference. Furthermore, the influence on the modulation of the central inverter is reduced.
  • a fuse is provided in series with the GFDI for redundancy reasons.
  • the damping resistor acts as an overcurrent protection device, dependent on the desired delay time T.
  • the energy transferred into the fuse increases quadratically with the current.
  • a 12-ohm damping resistor allows for a delay time T four times longer than a 6-ohm damping resistor, with the same load on the current-carrying components of the GFDI.
  • the central inverter unit is advantageously configured to be operated with a stable modulation that does not impose any clock-frequency common-mode voltages against ground on the AC voltage.
  • clock-frequency common-mode voltages By avoiding clock-frequency common-mode voltages, the Feedback on the measured leakage currents of the sub-generators is avoided and thus the measurement accuracy is increased.
  • the monitoring units are arranged on DC lines that are arranged within a housing of the central inverter unit and are thus part of the central inverter unit.
  • the monitoring units are part of a connecting device assigned to each main string and connecting a plurality of PV strings to form a main string.
  • the connecting device also called a combiner box
  • This decentralized arrangement is particularly advantageous for large systems with a large number of main strings or for simplified system expansion or interchangeability of individual components.
  • a further aspect of the invention relates to a method for fault current monitoring of a PV power generation system as described above, comprising a central inverter unit and monitoring units associated with each pair of DC lines associated with a PV main string (PVn), and a ground fault monitoring device (GFDI) arranged between a pole of an intermediate circuit of the central inverter unit and a ground connection.
  • PVn PV main string
  • GFDI ground fault monitoring device
  • the monitoring unit comprises a residual current measuring device, a disconnector and a monitoring control, wherein the monitoring control continuously monitors a residual current by means of the residual current measuring device, wherein a residual current fault is detected by exceeding a residual current threshold value Is, Diff.
  • the earth fault monitoring device comprises an earth current measuring device, a separating element and a control, wherein the control monitors an earth current IE by means of the earth current measuring device, wherein an earth fault is detected by exceeding an earth current threshold value Is, wherein after detection of an earth fault by the earth fault monitoring device, the tripping of its associated isolating element is delayed by a defined delay time T,
  • the monitoring control of the monitoring unit opens the disconnector within a reaction time TR, and
  • the earth fault monitoring device only trips the isolating element if the earth fault persists after the defined delay time T, where the delay time T is selected to be greater than a reaction time TR of the monitoring unit.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a PV energy generation system according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a method according to the invention for fault current monitoring of such a PV power generation system.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a PV energy generation system 1 according to the invention.
  • the PV energy generation system 1 comprises, as an embodiment of a direct current generator, a photovoltaic generator formed by a plurality of PV main strings PV1, PV2... PVn.
  • Each PV main string PV1 to PVn has a plurality of PV modules connected in series or a plurality of PV strings, which in turn consist of a plurality of PV modules.
  • the PV main strings PV1 to PVn are similar in terms of the number and type of PV modules, in particular they are of the same design.
  • the PV main strings PVn are arranged so close to one another that they are subject to at least similar ambient conditions with regard to irradiation and temperature.
  • a central inverter unit 20 is exemplarily designed as a so-called multi-string inverter. For this purpose, it has at least as many DC inputs for DC lines as there are PV main strings PVn in the system.
  • the DC inputs are preferably protected by pairs of fuses 36.
  • the individual PV main strings PVn are connected in parallel, for example via DC busbars, to a common DC intermediate circuit 7.
  • This DC intermediate circuit 7 can also be formed, for example, by a split intermediate circuit with a center point.
  • the common DC intermediate circuit 7 is in turn connected to a DC side of a DC/AC converter 5 of the central inverter unit 20.
  • a DC isolating switch 6 is preferably also provided, which can disconnect the entire PV generator from the DC/AC converter 5 if necessary and prevent a power flow from the PV generator.
  • an alternating current (AC) network 1 which is also three-phase, for example a medium-voltage network, is connected via an AC isolating switch 4, a transformer 3, in particular a medium-voltage transformer, and a grid connection device 2.
  • a single-stage DC/AC converter 5 is shown as an example. Within the scope of the invention, this can also be designed as a multi-stage converter, for example with additional DC/DC stages and both unidirectional and bidirectional.
  • a control unit (not shown) of the central inverter unit 20 controls the switches of the DC/AC converter 5 for the desired voltage conversion. Additional components such as EMC filters and line filters are not shown for clarity.
  • the PV system, in particular the DC link 7, is connected to a ground potential via a ground connection 13. Furthermore, galvanic isolation from the AC grid 1 is achieved via the transformer 3.
  • a ground fault monitoring device 22 To monitor the central inverter unit 20 for a ground fault, a ground fault monitoring device 22, a so-called GFDI ("Ground Fault Detection and Interruption"), is arranged in the grounded path between a pole of the DC link 7 and the ground connection 13.
  • This device comprises a ground current measuring device 10, a disconnecting element 11, and a controller 12.
  • the controller 12 is configured to trigger the disconnecting element 11 upon detection of a ground fault, which is detected by exceeding a ground current threshold value Is of the current flow measured by the ground current measuring device 10.
  • the controller 12 of the ground fault monitoring device 22 is configured to trigger the disconnecting element 11 only after a defined delay time T.
  • the individual PV main strings PV1 to PVn have a parasitic capacitance 14 with respect to ground potential, which can vary depending on the individual string. Leakage currents always flow towards ground potential via the parasitic capacitances 14. These are capacitive reactive currents. The leakage currents, together with the parasitic capacitances 14, depend on the ambient conditions of the PV strings, such as Humidity, temperature, precipitation, or similar factors. They can vary significantly over time, although they tend to change slowly. However, they change in a similar way for the similar main PV strings PV1 to PVn.
  • a fault current flows via the person 23 against the earth potential in addition to the leakage current on the PV string on which the fault was caused.
  • RCDs Residual Current Detection and Interruption
  • These each comprise a residual current measuring device 8.1 to 8.n, a disconnector 9.1 to 9.n, and a monitoring controller 17.1 to 17.n, and are each assigned to the PV main strings PV1 to PVn.
  • the residual current measuring devices 8.1 to 8.n each measure the residual current across a pair of DC lines of a PV main string PV1 to PVn.
  • the monitoring units 21.1 to 21.n are formed externally, in particular in a connection unit or combiner box, in which individual PV modules or PV strings are interconnected to form a PV main string PVn and in which additional monitoring and security components can also be arranged.
  • a monitoring unit 21.n can also be part of the central inverter unit. 20, for example, within a container housing of the central inverter unit 20, for example at each PV main string input of the central inverter 20.
  • Such monitoring can only be reliably carried out via the differential current measuring devices 8.1 to 8.n if a current difference occurs on the two monitored lines of a PV main string PV1 to PVn.
  • a return current path is required. This return current path is implemented via the grounding connection 13.
  • ground fault monitoring also takes place in the grounding connection 13, which results in the disconnection being triggered by the isolating element 11 and thus the grounding connection 13 being interrupted.
  • the entire power generation system is taken out of operation, in the embodiment shown, for example, by triggering the DC main disconnector 6. However, this prevents fault monitoring of the individual sub-generators from taking place.
  • the controller 12 of the earth fault monitoring device 22 is set up to trigger the isolating element 11 only after a defined delay time T, wherein the delay time T is selected to be greater than the reaction time TR of the monitoring units 21.n, so that during the duration of the delay time T, the individual monitoring units 21.1 to 21.n have sufficient time to detect fault currents and, by means of their monitoring controllers 17.1 to 17.n, to trigger a separation of the affected sub-generators PV.1 to PV.n by means of the isolating switch 9.1 to 9.n within their technical reaction time TR.
  • Fig. 1 shows a ground current fault on the main PV string PV1.
  • the residual current measuring device 8.1 can now detect a sudden change in the usual leakage currents and/or an exceedance of a specified limit. This signal is sent to the monitoring controller 17.1, which then opens the disconnector 9.1 and disconnects the faulty sub-generator PV1.
  • a damping resistor (not shown) is provided on the earth fault monitoring device 20 so that recharging currents can flow for a sufficiently long time without damaging the components of the GFDI to damage, while at the same time ensuring that the RCD's tripping time is not exceeded in the event of a dangerous fault current occurring.
  • the damping resistor is designed to be smaller than the total resistance of the PV generator, preferably smaller than 10%, particularly preferably smaller than 1% of the total resistance of the PV generator.
  • the differential current threshold value Is, Diff of the monitoring unit 21.1 is preferably smaller than or equal to 300 mA, and sudden changes in the range from 30 to 150 mA are additionally monitored. In this way, the damping resistor only has a very slight influence on the total resistance of the system and therefore only has a negligible impact on the efficiency of the PV system.
  • Fig. 2 shows a schematic process flow for fault current monitoring of a PV power generation system according to the invention. Upon commissioning of the PV power generation system, permanent fault current monitoring is also initiated via its overall control system (step 50).
  • step S1 the ground current monitoring device 22 continuously monitors the ground current IE using its ground current measuring device 10, as described above.
  • This measured ground current IE is compared with ground current threshold values Is.
  • the ground current monitoring device 22 is configured to open the isolating element 11 using its controller 12 after a ground current fault is detected in step S2, i.e., after the measured ground current IE exceeds the minimum ground current threshold value IS.MIN, and thus to disconnect the current path.
  • the controller 12 initiates a delay time T (step S4), after which the isolating element 11 is only triggered (step S5).
  • the delay time T can advantageously be selected depending on the level of the measured earth current IE, but is selected to be longer than the typical technically determined reaction time TR of the monitoring units 21. n. If, in the event of a fault, the comparison of the measured earth current IE in step S3 shows that the measured earth current IE is greater than a defined maximum earth current threshold value Is, MAX, then, as an alternative to initiating the delay time T, the isolating element 11 is triggered directly (step 4), or the defined delay time T is set to zero.
  • the monitoring units 21.n monitor the differential currents in the individual main string lines using the differential current measuring devices 8.n. If these exceed a defined differential current threshold value Is, Diff, the monitoring control 17.n of the relevant monitoring unit 21.n triggers the disconnector 9.n and disconnects the relevant main string (step 5).
  • This part of the process sequence is only possible during the triggered delay time T, since if the earth fault switch (disconnecting element 11) is triggered, the earth connection 13 is disconnected and thus monitoring of the differential current by the monitoring unit would no longer be possible due to the missing return current path.
  • the system control system can appropriately generate an error message that alerts the user to the fault and enables localization of the fault that has occurred in the disconnected sub-generator.
  • Isolating element (earth fault switch)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Anmeldung beschreibt eine PV-Energieerzeugungsanlage mit einer Zentralwechselrichtereinheit (20) zum Anschluss an einen PV-Generator, wobei der PV-Generator eine Mehrzahl von parallel geschalteten PV-Haupt-Strings (PVn) umfasst, die über jeweils DC-Leitungen mit der Zentralwechselrichtereinheit 20 eingangsseitig verbunden sind. Jedem Paar von einem PV-Haupt-String (PVn) zugeordneten DC-Leitungen ist eine Überwachungseinheit (21.n), umfassend eine Differenzstrommesseinrichtung (8.n), ein Trennschalter (9.n) und eine Überwachungssteuerung (17.n) zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, nach einem Überschreiten eines Differenzstromschwellwertes IS,Diff den Trennschalter (9.n) zu schalten und den PV-Haupt-String (PV.n) zu trennen. Zusätzlich ist eine Erdschlussüberwachungsvorrichtung (GFDI) (22) zwischen einem Pol eines Zwischenkreises (7) und einer Erdungsverbindung (13) angeordnet, die eine Erdstrommesseinrichtung (10) ein Trennelement (11) und eine Steuerung (12) umfasst, wobei die Steuerung (12) dazu eingerichtet ist, nach einem Erkennen eines Erdschlussfehlers durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes IS, das Trennelement (11) nach einer definierten Verzögerungszeit T auszulösen, wenn nach Ablauf der Verzögerungszeit T der Erdschlussfehler fortbesteht. Weiter beschreibt die die Anmeldung ein Verfahren zur Fehlerstromüberwachung für eine derartige Anlage.

Description

PV-ENERGIEERZEUGUNGSANLAGE MIT ZENTRALWECHSELRICHTER
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine PV-Energieerzeugungsanlage mit einer Zentralwechselrichtereinheit die einen DC/AC-Wandler umfasst, der sowohl Energie in ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) einspeisen kann, als auch Energie aus dem AC-Netz entnehmen kann. Konkret kann die PV-Energieerzeugungsanlage auf mögliche Erdschlussfehler überwacht werden, wobei diese eine Trennvorrichtung für die DC-seitige Energiequelle, insbesondere einen Photovoltaik-Generator, aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fehlerstromüberwachung einer derartigen PV-Energieerzeugungsanlage und zur Trennung der DC-seitigen Energiequelle.
Stand der Technik
PV-Energieerzeugungsanlagen erschließen im Rahmen von Großanlagen eine immer größere Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten. Neben privater hausgebundener Energieerzeugung, also Umwandlung der von PV-Generatoren bereitgestellten DC- Gleichspannung in eine AC-Netzspannung mittels eines Wechselrichters und Versorgung eines Hausnetzes oder Einspeisung in ein öffentliches Versorgungsnetz, übernehmen PV-Kraftwerke in immer größeren Leistungsklassen als Großkraftwerke einen wesentlichen Anteil an der öffentlichen Stromversorgung.
Eine PV-Anlage kann dabei eine Vielzahl an elektrischen Komponenten, insbesondere an PV-Modulen umfassen, die in dezentraler Weise über eine große Fläche verteilt sind. Eine Gruppe von PV-Modulen, die stringweise, also untereinander in Form einer Reihenschaltung gruppiert ist, wird auch PV-String genannt. Ein PV-Generator einer PV-Anlage kann einen oder mehrere PV-Teilgeneratoren oder Haupt-Strings aufweisen, die aus mehreren PV-Strings besteht, die mittels einer Verbindungseinrichtung, auch Combiner-Box genannt, parallel zueinander, gegebenenfalls jeweils über einen separaten DC/DC-Wandler, mit einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis (DC-Zwischenkreis) eines PV- Wechselrichters oder, je nach Anwendungsfall, einer anderen
Leistungswandlereinheit, wie zum Beispiel eines DC/DC-Wandlers, verbunden sind. Jeder der PV-Teilgeneratoren kann einen oder mehrere parallel zueinander verschaltete PV-Strings aufweisen. Konstruktionsbedingt weisen die PV-Module einer PV-Anlage stets eine elektrische Kapazität gegenüber ihrer Umgebung, insbesondere gegenüber ihrer meist geerdeten Aufständerung auf. Diese Kapazität ist zur Funktion der PV-Anlage nicht zwingend erforderlich, ergibt sich jedoch unweigerlich aus dem mechanischen Aufbau der PV-Module. Sie wird daher oftmals als „parasitäre Kapazität“ oder „Ableitkapazität“ bezeichnet. Die parasitäre Kapazität der PV-Anlage steigt üblicherweise mit der Größe des ihr zugeordneten PV-Generators, weswegen ein leistungsstarker PV-Generator auch eine entsprechend große parasitäre Kapazität aufweist. Zudem ist die parasitäre Kapazität abhängig von Umgebungsbedingungen und steigt beispielsweise bei Regen aufgrund einer damit verbundenen feuchten Oberfläche der PV-Module und/oder einer wegen einer erhöhten Luftfeuchtigkeit geänderten Dielektrizitätskonstante der Luft weiter an.
Aufgrund der parasitären Kapazität der PV-Module gegenüber dem Erdpotential ergibt sich im normalen Betrieb der PV-Anlage stets ein mehr oder weniger starker Ableitstrom des PV-Generators gegen das Erdpotential.
Kommt es nun aufgrund eines Fehlers, z. B. einer schadhaften Leitungsisolierung, zu einem Kontakt einer geerdeten Person mit einer spannungsführenden Komponente des PV-Generators, beispielsweise der schadhaften Leitung, so ergibt sich, aufgrund des direkten Kontaktes üblicherweise sprungartig, ein zusätzlicher Fehlerstrom gegen das Erdpotential. Da ein Fehlerstrom ab einem Wert von ca. 30 mA personengefährdend sein kann und ab ca. 300 mA brandschutzrelevant ist, ist es in frei zugänglichen PV-Anlagen - nicht jedoch in einem geschlossenen elektrischen Betriebsgelände - normativ gefordert, einen derartigen Fehlerstrom sicher zu erkennen und bei Detektion eines derartigen Fehlerstroms weitere Maßnahmen, beispielsweise ein Abschalten und/oder Kurzschließen des PV-Generators, insbesondere des betreffenden PV-Teilgenerators einzuleiten. Dabei sind in aller Regel zwei Kriterien einzuhalten. Zum einen darf der Fehlerstrom keine Sprünge, d. h. keine schnellen Anstiege über einen vergleichsweisen niedrigen Grenzwert von zum Beispiel 30 mA aufweisen, um einen maximalen Personenschutz sicherzustellen. Zum anderen darf aus Brandschutz- und Anlagenschutzgründen ein insgesamt auftretender, über die Anschlussleitungen eines PV-Generators gemessener Differenzstrom, beziehungsweise kapazitiver Ableitstrom, einen deutlich höher liegenden Grenzwert von einigen 100 mA nicht überschreiten. Aufgrund immer größer werdender Nominalleistungen von PV-Anlagen steigen auch die parasitären Kapazitäten der zugeordneten PV-Generatoren oder PV- Teilgeneratoren und somit auch die im Normalbetrieb der PV-Anlage stets vorhandenen kapazitiven Ableitströme. Der dem Ableitstrom zugeordnete Schwellwert von beispielsweise 300 mA bleibt jedoch konstant, kann allenfalls aufgrund strengerer normativer Beschränkungen noch verkleinert werden. Daher kann ein eventuell vorhandener Fehlerstrom bedeutend kleiner im Vergleich zu dem stets vorhandenen kapazitiven Ableitstrom der PV-Anlage sein. Die Detektion des Fehlerstroms wird daher aufgrund des geringen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und den damit verbundenen empfindlich auszulegenden Messsystemen zunehmend aufwendiger und teurer. Es ist daher wünschenswert, insbesondere auch bei größeren PV-Anlagen einen potenziell auftretenden Fehlerstrom sicher und dennoch kostengünstig detektieren zu können, insbesondere dann, wenn der potenziell auftretende Fehlerstrom klein gegen den im normalen Betrieb der PV-Anlage stets vorhandenen kapazitiven Ableitstrom ist.
Problematisch ist, dass die parasitäre Kapazität eines PV-Feldes, das an einem zentralen DC-Zwischenkreis einer Leistungswandlereinheit, wie beispielsweise eines Zentralwechselrichters, angeschlossen ist, so groß ist, dass ein Mensch oder Tier durch den großen Entladestrom geschädigt werden können, der auftritt, wenn bei Berührung eines Pols des PV-Feldes aufgrund eines Isolationsfehlers die gesamte Kapazität über seinen Körper umgeladen wird.
Im Falle von besonders großen PV-Feldern erfolgt eine Parallelschaltung, indem einzelne PV-Generatoren zu PV-Strings zusammengeschaltet werden und diese wiederum in Verbindungseinheiten zu Teilgeneratoren oder „Haupt-Strings“ zusammengeführt werden und die Ströme von mehreren dieser Verbindungseinheiten dann in einer DC-Sammeleinheit, wie beispielsweise einer DC-Sammelschiene oder einem gemeinsamen DC-Zwischenkreis, zusammengeführt werden, bevor sie einer Leistungswandlereinheit, wie beispielsweise einem Wechselrichter oder einem DC/DC-Wandler, zugeführt werden. Dabei findet stets eine Isolationsüberwachung statt, die eine Erdstromüberwachung durchführt und bevorzugt auch eine Fehlertrenneinrichtung (GFDI - „Ground Fault Detection and Interruption“) umfasst, um den PV-Generator zu überwachen und im Bedarfsfall trennen zu können. Normative Vorgaben, beispielsweise die IEC 63112, schreiben bezüglich Erdschlussfehlem vor, dass PV-Energieerzeugungsanlagen ab einer gewissen Leistungsklasse entweder hinter einem Zaun in einem elektrischen Betriebsbereich betrieben werden müssen oder, wenn sie allgemein zugänglich sind, mit einer sogenannten Erdschlussfehlerüberwachung und Sicherheitsabschaltung ausgestattet sein müssen, die die genannten Kriterien erfüllt.
Im Stand der Technik findet stets eine Isolationsüberwachung statt, die eine Erdstromüberwachung durchführt und auch eine Fehlertrenneinrichtung (GFDI - „Ground Fault Detection and Interruption“) umfasst, um den gesamten PV-Generator zu überwachen und im Bedarfsfall von der Zentralwechselrichtereinheit trennen zu können. Dabei ist ein GFDI vorgesehen, der bei der Überschreitung eines Auslösestroms entsprechend einer Auslösecharakteristik auslöst. Dabei ist die Auslösezeit nur von der Stromhöhe abhängig, die durch einen Erdschluss entsteht.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine PV-Energieerzeugungsanlage bereitzustellen, die auch bei großer elektrischer Leistung und entsprechend großer Kapazität angeschlossener PV-Generatoren eine verbesserte Fehlerstromüberwachung bereitstellt, und die dafür sorgt, dass große PV- Energieerzeugungsanlagen auch ohne einen umgebenden Sicherheitszaun betrieben werden können.
Lösung
Die Aufgabe wird durch eine PV-Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Fehlerstromüberwachung einer derartigen PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 15 wiedergegeben.
Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage umfasst eine Zentralwechselrichtereinheit einen PV-Generator zum Anschluss an die Zentralwechselrichtereinheit, wobei der PV-Generator eine Mehrzahl von parallel geschalteten PV-Haupt-Strings umfasst, die jeweils über DC-Leitungen mit der Zentralwechselrichtereinheit der PV-Energieerzeugungsanlage eingangsseitig verbunden sind und über einen DC-Zwischenkreis, einen DC/AC-Wandler, einen AC- Trennschalter, einen Transformator und einer Netzzuschaltvorrichtung ausgangsseitig mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sind, wobei jedem Paar von einem PV- Haupt-String zugeordneten DC-Leitungen eine Überwachungseinheit, umfassend eine Differenzstrommesseinrichtung, einen Trennschalter und eine Überwachungssteuerung zugeordnet sind, wobei die Überwachungssteuerung dazu eingerichtet ist, nach einem Erkennen eines Fehlers durch Überschreiten eines Differenzstromschwellwertes Is, Diff den Trennschalter innerhalb einer Reaktionszeit TR zu öffnen, um den PV-Haupt-String zu trennen, und wobei eine Erdschlussüberwachungsvorrichtung zwischen einem Pol des Zwischenkreises und einer Erdungsverbindung angeordnet ist, wobei die Erdschlussüberwachungsvorrichtung eine Erdstrommesseinrichtung, ein Trennelement und eine Steuerung umfasst, wobei die Steuerung der Erdschlussüberwachungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, nach einem Erkennen eines Erdschlussfehlers durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes Is das Trennelement nach einer definierten Verzögerungszeit T auszulösen, wenn nach Ablauf der Verzögerungszeit T der erkannte Erdschlussfehler fortbesteht, wobei die Verzögerungszeit T größer als die Reaktionszeit TR gewählt ist.
Die Überwachungseinheiten, welche den einzelnen PV-Hauptstrings zugeordnet sind, um diese separat zu überwachen, führen eine Überwachung über eine Differenzstrommessung der DC-Leitungen der einzelnen PV-Teilgeneratoren durch. Die den Teilgeneratoren zugeordneten Differenzstrommesseinrichtungen können somit eine Differenz zwischen einem Eingangsstrom in einen Teilgenerator hinein und einem Rückstrom aus dem Teilgenerator heraus detektieren, der über eine Fehlerstelle an dem betroffenen Teilgenerator gegen Erde abfließt. Dieser Rückstrompfad wird über die Erdungsverbindung bereitgestellt. Die beschriebene Überwachungseinheit, die eine Differenzstrommesseinrichtung, einen Trennschalter und eine Überwachungssteuerung umfasst, wird auch RCD („residual current detection and interruption“) genannt. Der Begriff RCD wird im Folgenden auch synonym für die Baugruppe der Überwachungseinheit verwendet.
Das Trennen mittels des Trennschalters der Überwachungseinheit nach Fehlererkennung durch die Differenzstrommesseinrichtung wird nach Überschreiten eines definierten Differenzstromschwellwertes Is, Diff unverzögert ausgelöst, wobei unverzögert bedeutet, dass das Auslösen innerhalb einer Reaktionszeit TR geschieht, die technisch bedingt natürlich nicht exakt null sein kann. Das ermöglicht einerseits eine Anpassung an normative Vorgaben bezüglich eines erlaubten Fehlerstroms, beispielsweise im Absolutwert oder in der Dynamik einer schnellen Änderung, andererseits wird verhindert, dass ein Auslösen bereits bei kleinen Strömen, die über die parasitären Kapazitäten der nicht-fehlerbehafteten Teilgeneratoren eingetragen werden, geschieht.
Es soll dadurch erreicht werden, dass nur der RCD des fehlerbehafteten Teilgenerators auslöst und diesen trennt, während alle anderen, nicht-fehlerbehafteten Teilgeneratoren funktionstüchtig verbunden bleiben können.
Da sämtliche Ableitströme aller Teilgeneratoren sowie die fehlerinduzierten Erdströme von fehlerbehafteten Teilgeneratoren gemeinsam über die Erdungsverbindung und auch durch die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (GFDI) fließen, würden diese jedoch den GFDI, beziehungsweise dessen Trennelement auslösen, was zu einer Trennung oder Sicherheitsabschaltung des gesamten PV-Generators, also auch aller nicht-fehlerbehafteten Teilgeneratoren, führen würde. Durch den GFDI ist eine Erdungsverbindung für den Normalbetrieb verwirklicht.
Aus diesem Grund ist das GFDI erfindungsgemäß mit einer zeitlich verzögerten Auslösung versehen. Wenn der gemessene Erdstrom einen definierten Erdstromschwellwert Is überschreitet, veranlasst die Steuerung des GFDI ein Auslösen des Trennelements erst nach einer gewissen Verzögerungszeit T. Das Trennelement kann dabei als Erdschluss-Schalter ausgebildet sein. In dem Zeitraum bis zu einer Auslösung des GFDI kann die entsprechende Überwachungseinheit eines fehlerbehafteten Teilgenerators durch die zugehörige Differenzstrommesseinrichtung einen lokalen Fehlerstrom feststellen und unverzögert eine Trennung mittels des zugehörigen Trennschalters auslösen. Liegt der einzige Fehler innerhalb des getrennten Teilgenerators, normalisiert sich der gemessene Erdstrom des GFDI und ein Auslösen des Trennelements (Erdschluss-Schalter) wird bei Unterschreiten des Erdstrom schwellwertes Is ausgesetzt. Falls der Fehler nicht einzig im getrennten Teilgenerator begründet ist, oder falls der Fehler an anderer Stelle entstanden ist, beispielsweise durch eine Beschädigung des Gehäuses oder der Kabelführungen, und somit kein RCD eines Teilgenerators auslöst, wird nach Ablauf der Verzögerungszeit T das Trennelement (Erdschluss-Schalter) ausgelöst.
Eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage ist bevorzugt durch eine Photovoltaik-Energieerzeugungsanlage gebildet, die über eine Mehrzahl parallel geschalteter PV-Hauptstrings verfügt. Diese sind über DC-Leitungen mit einem DC- Zwischenkreis, beispielsweise einer DC-Sammelleitung oder Sammelschiene der Zentralwechselrichtereinheit, verbunden. Die Zentralwechselrichtereinheit kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich realisiert sein. So kann die Zentralwechselrichtereinheit durch einen DC/AC-Zentralwechselrichter gebildet sein, der dazu eingerichtet ist, die aus der DC-Energiequelle, also beispielsweise den PV- Generatoren, bereitgestellte Energie zu wandeln und in ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) einzuspeisen und/oder auch Energie aus dem AC-Netz zu entnehmen. Dabei kann der Wechselrichter einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein, beispielsweise weitere DC/AC oder DC/DC-Wandlerstufen umfassen. Um einen Rückstrompfad und eine Überwachung bereitstellen zu können, muss die Erdungsverbindung dabei DC-seitig zwischen dem Leistungswandler und den Überwachungseinheiten der Teilgeneratoren am DC-Zwischenkreis bzw. den DC- Sammelleitungen angeordnet sein. Dabei sind das GFDI und die Erdungsverbindung an mindestens einem Pol des DC-Zwischenkreises vorhanden, damit die erfindungsgemäße Wirkung eintreten kann. Dies kann je nach Art der Zentralwechselrichtereinheit an einem Pluspol, einem Minuspol oder an einem Zwischenpotential, zum Beispiel an einem gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen PV- Energieerzeugungsanlage beträgt die Verzögerungszeit T 50 ms bis 500 ms. Besonders bevorzugt ist die Dauer der Verzögerungszeit T abhängig von dem durch die Erdstrommesseinrichtung gemessenen Erdstrom gewählt. So können bevorzugt verschiedenen Wertebereichen eines gemessenen Erdstroms unterschiedliche Verzögerungszeiten T zugeordnet sein. Dementsprechend können unterschiedliche Erdstrom schwellwerte Is definiert sein, die jeweils durch Überschreiten des gemessenen Erdstroms eine andere Verzögerungszeit T auslösen. Dabei ist es vorteilhaft, bei einem gemessenen Erdstrom, der nur knapp über dem kleinsten Erdstromschwellwert IS.MIN liegt, eine lange Dauer der Verzögerungszeit T einzustellen. Diese kann beispielsweise im Minutenbereich liegen. Bei höheren gemessenen Erdströmen, beziehungsweise bei Überschreiten von weiteren höheren Erdstrom schwellwerten Is, ist es vorteilhaft eine kürzere Verzögerungszeit T zu wählen, um Schäden an der Anlage durch den ungewollten Stromfluss zu verringern oder zu vermeiden. Die exakte Dimensionierung der Erdstromschwellwerte Is und der Verzögerungszeiten T ist dabei individuell an die Gegebenheiten der speziellen PV- Anlage angepasst auszulegen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen PV-Anlage ist ein maximaler Erdstromschwellwert Is, MAX definiert, bei dessen Überschreitung die Verzögerungszeit T auf null gesetzt ist. So kann auf schwerwiegende Fehler, die zum Schutz der Anlage auf jeden Fall eine Gesamtabschaltung erfordern, verzögerungsfrei reagiert werden. Bevorzugt kann ein maximaler Erdstromschwellwert Is, MAX bei über 30 A liegen, um einen normgerechten sicherheitstechnischen Betrieb zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen PV-Anlage ist der einzige Erdstromschwellwert Is oder im Falle mehrerer Erdstromschwellwerte der minimale Erdstromschwellwert IS.MIN der Erdschlussüberwachungsvorrichtung größer oder gleich 1 A. Ab diesem Wert wird überhaupt erst eine Verzögerungszeit T ausgelöst.
Für die Überwachung der einzelnen Teilgeneratoren ist es vorteilhaft, dass der Differenzstromschwellwert Is, Diff der zugehörigen Überwachungseinheit kleiner oder gleich 300 mA ist. Auf diese Weise wird internationalen normativen Brandschutzbestimmungen entsprochen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Differenzstromschwellwert Is, Diff auf plötzliche Änderungen im Bereich von 30 bis 150 mA gemäß Norm IEC 62109-2, bzw. IEC 63112 überwachbar ist. Die genauen Anforderungen hierzu sind in den jeweiligen Normen unter dem Stichwort „sudden change“ hinterlegt, die in ihren jeweils gültigen Fassungen als offenbart angesehen werden können.
In der Regel sind die Differenzstrom schwellwerte Is, Diff der gemessenen Differenzströme in kleiner als die Erdstromschwellwerte Is des gemessenen (Gesamt)-Erdstroms IE, da in die Messung des Erdstroms IE durch die Erdschlussüberwachungsvorrichtung die Summe aller Ableitströme der einzelnen Teilgeneratoren einfließt, während die Überwachungseinheiten der einzelnen Hauptstrings/Teilgeneratoren nur die Differenzströme in zwischen den in den Teilgenerator hinein- und herausfließenden Teilströmen betrachtet, die unabhängig von der Gesamtstromstärke im Idealfall (ohne parasitäre Abflüsse) sogar nahe null liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Erdschlussüberwachungsvorrichtung eine Überstromschutzeinrichtung auf. Besonders bevorzugt umfasst die Überstromschutzeinrichtung einen Dämpfungswiderstand. Auf diese Weise können Beschädigungen an den Komponenten der Erdschlussüberwachungsvorrichtung vermieden werden, welche durch den erhöhten Stromfluss entstehen können, der während der Dauer der Verzögerungszeit T auftritt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Dämpfungswiderstand kleiner als der Gesamtwiderstand des PV-Generators, bevorzugt kleiner als 10%, besonders bevorzugt kleiner als 1 % des Gesamtwiderstands des PV-Generators. So ist vorteilhaft sichergestellt, dass der Dämpfungswiderstand nur einen geringfügigen Einfluss auf den Gesamtwiderstand der PV-Anlage ausübt und somit Störungen vermieden werden können. Zudem ist der Einfluss auf die Modulation des Zentralwechselrichters verringert.
Für einen normkonformen Betrieb einer vorangehend beschriebenen PV- Energieerzeugungsanlage ist aus Gründen der Redundanz eine in Reihe mit dem GFDI geschaltete Sicherung vorgesehen. Um diese zu schützen ist der Dämpfungswiderstand als Überstromschutzeinrichtung abhängig von der gewünschten Verzögerungszeit T. Die Energie, die in die Sicherung eingetragen wird, steigt quadratisch mit dem Strom. Beispielsweise ermöglicht ein 12 Ohm Dämpfungswiderstand gegenüber einem 6 Ohm Dämpfungswiderstand eine vierfach längere Verzögerungszeit T bei gleicher Belastung der stromführenden Komponenten des GFDI.
Die Zentralwechselrichtereinheit ist in einer Ausführungsform vorteilhaft dazu eingerichtet, mit einer stabilen Modulation betrieben zu werden, die keine taktfrequenten Gleichtaktspannungen gegen Erde auf die AC-Spannung aufprägt. Durch das Vermeiden von taktfrequenten Gleichtaktspannungen wird die Rückkopplung auf die gemessenen Ableitströme der Teilgeneratoren vermieden und somit die Messgenauigkeit erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Überwachungseinheiten an DC- Leitungen angeordnet, die innerhalb eines Gehäuses der Zentralwechselrichtereinheit angeordnet und somit Teil der Zentralwechselrichtereinheit sind.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Überwachungseinheiten Teil einer Verbindungseinrichtung sind, die jedem Hauptstring zugeordnet sind, und die eine Mehrzahl von PV-Strings zu einem Hauptstring verbinden, wobei die Verbindungseinrichtung (auch Combiner-Box genannt) außerhalb eines Gehäuses der Zentralwechselrichtereinheit angeordnet ist. Diese dezentrale Anordnung ist insbesondere vorteilhaft für große Anlagen mit einer Vielzahl von Hauptstrings beziehungsweise für eine vereinfachte Aufstockung der Anlage oder Austauschbarkeit der einzelnen Komponenten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerstromüberwachung einer vorangehend beschriebenen PV-Energieerzeugungsanlage mit einer Zentralwechselrichtereinheit sowie Überwachungseinheiten, die jedem Paar von einem PV-Haupt-String (PVn) zugeordneten DC-Leitungen zugeordnet sind und einer Erdschlussüberwachungsvorrichtung (GFDI), die zwischen einem Pol eines Zwischenkreises der Zentralwechselrichtereinheit und einer Erdungsverbindung angeordnet ist.
Die Überwachungseinheit umfasst eine Differenzstrommesseinrichtung, einen Trennschalter und eine Überwachungssteuerung, wobei die Überwachungssteuerung dauerhaft einen Differenzstrom in mittels der Differenzstrommesseinrichtung überwacht, wobei ein Differenzstromfehler durch Überschreiten eines Differenzstromschwellwertes Is, Diff erkannt wird.
Die Erdschlussüberwachungsvorrichtung umfasst eine Erdstrommesseinrichtung, ein Trennelement und eine Steuerung, wobei die Steuerung einen Erdstrom IE mittels der Erdstrommesseinrichtung überwacht, wobei ein Erdschlussfehler durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes Is erkannt wird, wobei nach Erkennen eines Erdschlussfehlers durch die Erdschlussüberwachungsvorrichtung ein Auslösen dessen zugehörigen Trennelements um eine definierte Verzögerungszeit T verzögert wird,
- nach Erkennen eines Differenzstromfehlers die Überwachungssteuerung der Überwachungseinheit den Trennschalter geschaltet innerhalb einer Reaktionszeit TR öffnet, und
- die Erdschlussüberwachungsvorrichtung das Trennelement nur auslöst, falls der Erdschlussfehler nach der definierten Verzögerungszeit T fortbesteht, wobei die Verzögerungszeit T größer als eine Reaktionszeit TR der Überwachungseinheit gewählt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere der relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen PV- Energieerzeugungsanlage;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung einer solchen PV-Energieerzeugungsanlage.
Figurenbeschreibung
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen PV- Energieerzeugungsanlage 1 dargestellt. Die PV-Energieerzeugungsanlage 1 umfasst als Ausführungsform für einen Gleichstromgenerator einen Photovoltaikgenerator, der durch mehrere PV-Hauptstrings PV1 , PV2... PVn gebildet ist. Jeder PV-Hauptstring PV1 bis PVn weist mehrere in Reihe geschaltete PV-Module oder mehrere PV-Strings auf, die wiederum aus mehreren in PV-Modulen bestehen. Die PV-Hauptstrings PV1 bis PVn sind hinsichtlich Anzahl und Typ der PV-Module ähnlich, insbesondere gleich ausgebildet. Zusätzlich sind die PV-Hauptstrings PVn so nah beieinander angeordnet, dass sie zumindest ähnlichen Umgebungsbedingungen hinsichtlich Einstrahlung und Temperatur unterworfen sind. Eine Zentralwechselrichtereinheit 20 ist exemplarisch als sogenannter Multistringwechselrichter ausgebildet. Hierzu weist er mindestens so viele DC-Eingänge für DC-Leitungen auf, wie es PV-Hauptstrings PVn in der Anlage gibt. Die DC-Eingänge sind bevorzugt über Paare von Sicherungen 36 abgesichert. Die einzelnen PV-Hauptstrings PVn sind, beispielsweise über DC-Sammelschienen, auf einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis 7 parallelgeschaltet. Dieser DC- Zwischenkreis 7 kann beispielsweise auch durch einen geteilten Zwischenkreis mit Mittelpunkt gebildet sein. Der gemeinsame DC-Zwischenkreis 7 ist wiederum mit einer DC-Seite eines DC/AC-Wandlers 5 der Zentralwechselrichtereinheit 20 verbunden. Dabei ist bevorzugt auch ein DC-Trennschalter 6 vorgesehen, welcher im Bedarfsfall den gesamten PV-Generator vom DC/AC-Wandler 5 trennen und einen Leistungsfluss vom PV-Generator unterbinden kann. An die AC-Seite des in Fig. 1 exemplarisch dreiphasig ausgelegten DC/AC-Wandlers 5 ist ein ebenfalls dreiphasig ausgelegtes Wechselspannungs-(AC-)Netz 1 , beispielsweise ein Mittelspannungsnetz, über einen AC-Trennschalter 4, ein Trafo 3, insbesondere ein Mittelspannungstransformator, und eine Netzzuschaltvorrichtung 2 angeschlossen. Es ist exemplarisch ein einstufiger DC/AC-Wandler 5 gezeigt. Dieser kann im Rahmen der Erfindung auch als mehrstufiger Wandler, beispielsweise mit zusätzlichen DC/DC-Stufen und sowohl unidirektional als auch bidirektional, ausgeführt sein. Eine Steuerungseinheit (nicht gezeigt) der Zentralwechselrichtereinheit 20 steuert die Schalter des DC/AC-Wandlers 5 zur gewünschten Spannungswandlung an. Weitere Komponenten wie beispielsweise EMV-Filter und Netzfilter sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die PV-Anlage, insbesondere der DC-Zwischenkreis 7, ist über eine Erdungsverbindung 13 mit einem Erdpotential verbunden. Weiter findet eine galvanische Trennung über den Trafo 3 vom AC-Netz 1 statt.
Zur Überwachung der Zentralwechselrichtereinheit 20 auf einen Erdschlussfehler ist in dem geerdeten Pfad zwischen einem Pol des DC-Zwischenkreises 7 und der Erdungsverbindung 13 eine Erdschlussüberwachungsvorrichtung 22, ein sogenanntes GFDI („Ground Fault Detection and Interruption“), angeordnet, die eine Erdstrommesseinrichtung 10, ein Trennelement 11 und eine Steuerung 12 umfasst. Die Steuerung 12 ist dazu eingerichtet ist, nach einem Erkennen eines Erdschlussfehlers, der durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes Is des durch die Erdstrommesseinrichtung 10 gemessenen Stromflusses erkannt wird, das Trennelement 11 auszulösen. Insbesondere ist die Steuerung 12 der Erdschlussüberwachungsvorrichtung 22 dazu eingerichtet, das Trennelement 11 erst nach einer definierten Verzögerungszeit T auszulösen.
Die einzelnen PV-Hauptstrings PV1 bis PVn weisen eine parasitäre Kapazität 14 gegenüber dem Erdpotential auf, die jeweils unterschiedlich sein kann. Über die parasitären Kapazitäten 14 fließen stets Ableitströme in Richtung Erdpotential. Dabei handelt es sich um kapazitive Blindströme. Die Ableitströme sind zusammen mit den parasitären Kapazitäten 14 von den Umgebungsbedingungen der PV-Strings wie Feuchtigkeit, Temperatur, Niederschlag, oder ähnlichem abhängig. Sie können sich zeitlich gegebenenfalls stark, wenn auch zeitlich eher langsam ändern. Allerdings ändern sie sich dabei für die ähnlichen PV-Hauptstrings PV1 bis PVn in ähnlicher Weise.
Im Fehlerfall, zum Beispiel wenn eine geerdete Person 23 einen Kontakt zwischen einem der PV-Module, in Fig. 1 beispielhaft für PV-Hauptstring PV1 dargestellt, und dem Erdpotential herstellt, fließt zusätzlich zu dem Ableitstrom an demjenigen PV- String, an dem der Fehlerfall verursacht wurde, ein Fehlerstrom über die Person 23 gegen das Erdpotential.
Für den Schutz gegen elektrischen Schlag von Personen 23 müssen nun plötzliche Änderungen der Ströme detektiert werden können, wie sie durch das Fließen lebensgefährlicher Ströme durch menschliche Körper von Personen 23 entstehen können. Derartige Fehlerströme sind bereits bei Stromstärken lebensgefährlich, die deutlich unter den üblichen Stromstärken der ungefährlichen kapazitiven Ableitströme liegen können. Aus diesem Grund ist für derartige PV-Energieerzeugungsanlagen ein Betrieb normativ nur mit (Gesamt)-Erdschlussfehlerüberwachung (GFDI) und in einem gesicherten elektrischen Betriebsbereich, d.h. in der Regel hinter einer Umzäunung, gestattet. Auf eine Umzäunung kann nur verzichtet werden, wenn die PV-Strings selbst, mittels eines RCD, auf normativ festgelegte Werte überwacht werden.
Ein Überwachen kritischer Fehlerströme, die einen Hinweis auf Fehlerstellen im Bereich der PV-Strings und ihrer Parallelschaltung geben, sind daher mehrere Überwachungseinheiten 21.1 bis 21. n vorgesehen, sogenannte RCDs („Residual Current Detection and interruption“). Diese umfassen jeweils eine Differenzstrommesseinrichtung 8.1 bis 8.n, einen Trennschalter 9.1 bis 9.n und eine Überwachungssteuerung 17.1 bis 17.n. und sind jeweils den PV-Hauptstrings PV1 bis PVn zugeordnet. Mit den Differenzstrommesseinrichtungen 8.1 bis 8. n wird jeweils der Differenzstrom in über ein Paar von DC-Leitungen eines PV-Hauptstrings PV1 bis PVn erfasst. Die Überwachungseinheiten 21.1 bis 21. n sind in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform extern ausgebildet, insbesondere in einer Verbindungseinheit oder Combiner-Box, in der einzelne PV-Module oder PV-Strings zu einem PV-Hauptstring PVn zusammengeschaltet sind und in der auch noch weitere Überwachungs- und Sicherungskomponenten angeordnet sein können. Alternativ kann eine Überwachungseinheit 21. n auch als Teil der Zentralwechselrichtereinheit 20, beispielsweise innerhalb eines Containergehäuses der Zentralwechselrichtereinheit 20 ausgebildet sein, beispielsweise an jedem PV- Hauptstring-Eingang des Zentralwechselrichters 20.
Eine derartige Überwachung kann über die Differenzstrommesseinrichtungen 8.1 bis 8.n nur dann verlässlich durchgeführt werden, wenn eine Strom differenz an den beiden überwachten Leitungen eines PV-Hauptstrings PV1 bis PVn auftritt. Um die über die Ableitkapazitäten 14 und, im Fehlerfall, über die geerdete Person 23 abfließenden Ströme erkennen zu können, wird ein Rückstrompfad benötigt. Dieser Rückstrompfad ist über die Erdungsverbindung 13 realisiert. Allerdings findet in der Erdungsverbindung 13 ebenfalls eine Erdfehlerüberwachung statt, die dazu führt, dass die Trennung mittels des Trennelementes 11 ausgelöst und somit die Erdungsverbindung 13 unterbrochen wird. Außerdem wird die gesamte Energieerzeugungsanlage außer Betrieb genommen, in der gezeigten Ausführung beispielsweise durch Auslösen des DC-Haupttrennschalters 6. Das verhindert allerdings, dass eine Fehlerüberwachung der einzelnen Teilgeneratoren stattfinden kann. Aus diesem Grund ist die Steuerung 12 der Erdschlussüberwachungsvorrichtung 22 dazu eingerichtet, das Trennelement 11 erst nach einer definierten Verzögerungszeit T auszulösen, wobei die Verzögerungszeit T größer als die Reaktionszeit TR der Überwachungseinheiten 21. n gewählt ist, so dass während der Dauer der Verzögerungszeit T, die einzelnen Überwachungseinheiten 21.1 bis 21. n ausreichend Zeit haben Fehlerströme zu erkennen und mittels ihrer Überwachungssteuerungen 17.1 bis 17.n eine Trennung der betroffenen Teilgeneratoren PV.1 bis PV.n mittels des Trennschalters 9.1 bis 9.n innerhalb ihrer technischen Reaktionszeit TR auszulösen.
Exemplarisch wird in Fig.1 ein Erdstromfehler am PV-Hauptstring PV1 verursacht. Durch die Differenzstrommesseinrichtung 8.1 kann nun eine plötzliche Änderung der üblichen Ableitströme und/oder eine Überschreitung eines festgelegten Grenzwertes festgestellt werden. Dieses Signal wird an die Überwachungssteuerung 17.1 gesendet, die daraufhin den Trennschalter 9.1 öffnet, und den fehlerbehafteten Teilgenerator PV1 trennt.
Als Überstromschutzeinrichtung ist an der Erdschlussüberwachungsvorrichtung 20 ein Dämpfungswiderstand (nicht gezeigt) vorgesehen, damit Umladeströme über eine ausreichend lange Zeit fließen können, ohne einerseits die Komponenten des GFDI zu schädigen, wobei es andererseits ermöglicht wird, die Auslösezeit des RCD bei einem auftretenden gefährlichen Fehlerstrom nicht zu unterschreiten. Der Dämpfungswiderstand ist kleiner als der Gesamtwiderstand des PV-Generators, bevorzugt kleiner als 10%, besonders bevorzugt kleiner als 1 % des Gesamtwiderstands des PV-Generators ausgelegt. Der Differenzstromschwellwert Is, Diff der Überwachungseinheit 21.1 ist bevorzugt kleiner oder gleich 300 mA und zusätzlich werden plötzliche Änderungen im Bereich von 30 bis 150 mA überwacht. Auf diese Weise beeinflusst der Dämpfungswiderstand den Gesamtwiderstand der Anlage nur sehr geringfügig und hat daher auch nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Wirkungsgrad der PV-Anlage.
In Fig. 2 ist ein schematischer Verfahrensablauf zur Fehlerstromüberwachung einer erfindungsgemäßen PV-Energieerzeugungsanlage dargestellt. Dabei wird mit der Inbetriebnahme der PV-Energieerzeugungsanlage über deren Gesamtsteuerung auch die dauerhafte Fehlerstromüberwachung initiiert (Schritt SO).
Die Erdstromüberwachungsvorrichtung 22 überwacht in Schritt S1 dauerhaft, wie vorstehend beschrieben, den Erdstrom IE mittels dessen Erdstrommesseinrichtung 10. Dieser gemessene Erdstrom IE wird dabei mit Erdstromschwellwerten Is verglichen. Dabei sind in der Regel mehrere Erdstromschwellwerte gemeint, beispielsweise ein minimaler Erdstromschwellwert IS.MIN, dessen Überschreitung einem Erkennen eines Erdstromfehlers gleichgesetzt ist (Schritt S2), und ein maximaler Erdstromschwellwert Is, MAX, der, wie nachfolgend beschrieben, weitere Schutzmaßnahmen initiiert. Die Erdstrom überwachungsvorrichtung 22 ist dazu eingerichtet, nach einem Erkennen eines Erdstromfehlers in Schritt S2, also nach Überschreiten des minimalen Erdstrom schwellwertes IS.MIN durch den gemessenen Erdstrom IE mittels seiner Steuerung 12 das Trennelement 11 zu öffnen und somit den Strompfad zu trennen. Dabei wird durch die Steuerung 12 eine Verzögerungszeit T initiiert (Schritt S4) nach deren Ablauf das Trennelement 11 erst ausgelöst wird (Schritt S5). Die Verzögerungszeit T kann dabei vorteilhaft in Abhängigkeit von der Höhe des gemessenen Erdstroms IE gewählt sein, ist aber größer gewählt als die typische technisch bedingte Reaktionszeit TR der Überwachungseinheiten 21. n. Ergibt im Fehlerfall der Vergleich des gemessenen Erdstroms IE in Schritt S3, dass der gemessene Erdstrom IE größer als ein definierter maximaler Erdstromschwellwert Is, MAX ist, so wird alternativ zur Initiierung der Verzögerungszeit T das Trennelement 11 direkt ausgelöst (Schritt 4), beziehungsweise wird die definierte Verzögerungszeit T auf null gesetzt.
Ebenso wie durch die Erdstromüberwachungsvorrichtung 22 werden in Schritt 1 durch die Überwachungseinheiten 21. n die Differenzströme in der einzelnen Hauptstringleitungen mittels der Differenzstrommesseinrichtungen 8.n überwacht. Überschreiten diese einen definierten Differenzstromschwellwert Is, Diff so wird durch die Überwachungssteuerung 17. n der betreffenden Überwachungseinheit 21. n der Trennschalter 9.n ausgelöst und der betreffende Hauptstring getrennt (Schritt 5). Dieser Teil des Verfahrensablaufs ist nur während der ausgelösten Verzögerungszeit T möglich, da bei einem Auslösen des Erdschlussschalters (Trennelement 11 ) die Erdungsverbindung 13 getrennt ist und somit aufgrund des fehlenden Rückstrom pfads gar keine Überwachung des Differenzstroms durch die Überwachungseinheit mehr möglich wäre. Wenn auch der gemessene Erdstrom IE der Erdstrom überwachungsvorrichtung 22 unter den fehler-induzierenden Schwellwert sinkt, ist der Fehlerzustand aufgehoben und das verzögerte Auslösen des Trennelements 11 (Erdschluss-Schalter) wird ausgesetzt, so dass das Überwachungssystem wieder in den dauerhaften Überwachungszustand (Schritt 1 ) übergehen kann. Nichtsdestotrotz kann durch die Anlagensteuerung in geeigneter Weise eine Fehlermeldung generiert werden, welche den Nutzer auf den Fehler hinweist und eine Lokalisierung des aufgetretenen Fehlers in dem abgeschalteten Teilgenerator ermöglicht.
Bezuqszeichenliste
1 Wechselspannungsnetz
2 Netzzuschaltvorrichtung
3 Trafo
4 AC-Trennschalter
5 DC/AC-Wandler
6 DC-Trennschalter
7 DC-Sammelstromschiene (DC+, DC-)
8.1 - 8.n Differenzstrommesseinrichtung
9.1 - 9.n Trennschalter
10 Erdstrommessung
11 Trennelement (Erdschluss-Schalter)
12 GFDI-Steuerung
13 Erdungsverbindung
14 Parasitäre Kapazität
17.1 - 17. n, 17' Überwachungssteuerung
20 Zentralwechselrichtereinheit
21.1 - 21. n Überwachungseinheit
22 Erdschlussüberwachungsvorrichtung (GFDI)
23 Person
PV1 - PVn Teilgeneratoren/PV-Haupt-Strings
SO Initialisierung der Überwachung
S1 - S5 Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. PV-Energieerzeugungsanlage mit einem PV-Generator und einer Zentralwechselrichtereinheit (20), wobei der PV-Generator eine Mehrzahl von parallel geschalteten PV-Haupt-Strings (PVn) umfasst, die jeweils über DC- Leitungen mit der Zentralwechselrichtereinheit (20) eingangsseitig verbunden sind und über einen DC-Zwischenkreis (7) der Zentralwechselrichtereinheit (20), einen DC/AC-Wandler (5), einen AC-Trennschalter (4), einem Transformator (3) und einer Netzzuschaltvorrichtung (2) ausgangsseitig mit einem Wechselspannungsnetz (1 ) verbunden sind, wobei jedem Paar von einem PV- Haupt-String (PVn) zugeordneten DC-Leitungen eine Überwachungseinheit (21. n), umfassend eine Differenzstrommesseinrichtung (8.n), einen Trennschalter (9.n) und eine Überwachungssteuerung (17.n) zugeordnet ist, wobei die Überwachungssteuerung (17.n) dazu eingerichtet ist, nach einem Überschreiten eines Differenzstromschwellwertes Is, Diff den Trennschalter (9.n) innerhalb einer Reaktionszeit TR zu öffnen, um den PV-Haupt-String (PV.n) zu trennen, und wobei eine Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) zwischen einem Pol des Zwischenkreises (7) und einer Erdungsverbindung (13) angeordnet ist, wobei die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) eine Erdstrommesseinrichtung (10) ein Trennelement (11 ) und eine Steuerung (12) umfasst, wobei die Steuerung (12) der Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) dazu eingerichtet ist, nach einem Erkennen eines Erdschlussfehlers durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes Is, das Trennelement (11 ) nach einer definierten Verzögerungszeit T auszulösen, wenn nach Ablauf der Verzögerungszeit T der erkannte Erdschlussfehler fortbesteht, wobei die Verzögerungszeit T größer als die Reaktionszeit TR gewählt ist.
2. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 , wobei die Verzögerungszeit T 50 ms bis 500 ms beträgt.
3. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dauer der Verzögerungszeit T abhängig von dem durch die Erdstrommesseinrichtung (10) gemessenen Erdstrom ist.
4. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3, wobei mehrere Erdstromschwellwerte Is definiert sind, denen unterschiedliche Verzögerungszeiten T zugeordnet sind.
5. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3, wobei bei Überschreitung eines definierten maximalen Erdstromschwellwertes Is, MAX die Verzögerungszeit T auf null gesetzt ist.
6. PV-Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der einzige Erdstromschwellwert Is, oder, im Falle mehrerer Erdstromschwellwerte der minimale Erdstromschwellwert IS.MIN der Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) größer oder gleich 1 A ist.
7. PV-Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Differenzstrom schwellwert Is, Diff der Überwachungseinheit (21. n) kleiner oder gleich 300 mA ist.
8. PV-Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzstrommesseinrichtung (8.n) dazu eingerichtet ist, gemäß Norm IEC 62109-2, bzw. IEC 63112 Änderungen im Differenzstrom zu erfassen.
9. PV-Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) eine Überstromschutzeinrichtung aufweist.
10. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 9, wobei die Überstromschutzeinrichtung einen Dämpfungswiderstand umfasst.
11. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 10, wobei der Dämpfungswiderstand kleiner als der Gesamtwiderstand des PV-Generators, bevorzugt kleiner als 10%, besonders bevorzugt kleiner als 1 % des Gesamtwiderstands des PV-Generators ist.
12. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 , wobei die Zentralwechselrichtereinheit dazu eingerichtet ist, mit einer Modulation betrieben zu werden, die keine taktfrequenten Gleichtaktspannungen gegen Erde auf die AC-Spannung aufprägt.
13. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 , wobei die
Überwachungseinheiten (21 n) an DC-Eingangsleitungen der PV-Haupt-Strings (PVn) angeordnet sind, die innerhalb eines Gehäuses der
Zentralwechselrichtereinheit (20) angeordnet und somit Teil der
Zentralwechselrichtereinheit (20) sind.
14. PV-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 , wobei die Überwachungseinheiten (21 n) Teil einer Verbindungseinrichtung sind, die jedem PV-Haupt-String (PVn) zugeordnet ist und die eine Mehrzahl von PV-Strings zu einem PV-Haupt-String (PVn) verbindet, wobei die Verbindungseinrichtungen außerhalb eines Gehäuses der Zentralwechselrichtereinheit (20) angeordnet sind.
15. Verfahren zur Fehlerstromüberwachung einer PV-Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Überwachungseinheit (21. n) eine Differenzstrommesseinrichtung (8.n), einen Trennschalter (9.n) und eine Steuerung (17.n) umfasst, wobei die Steuerung (17.n) einen Differenzstromfehler überwacht durch Messung eines Differenzstroms in mittels der Differenzstrommesseinrichtung (8.n), wobei ein Differenzstromfehler durch Überschreiten eines Differenzstrom schwellwertes Is, Diff erkannt wird, wobei die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) eine Erdstrommesseinrichtung (10) ein Trennelement (11 ) und eine Steuerung (12) umfasst, wobei die Steuerung (12) einen Erdschlussfehler überwacht durch Messung eines Erdstroms IE mittels der Erdstrommesseinrichtung (10), wobei ein Erdschlussfehler durch Überschreiten eines Erdstromschwellwertes Is erkannt wird, wobei nach Erkennen eines Erdschlussfehlers durch die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) ein Auslösen des Trennelements (11) um eine definierte Verzögerungszeit T verzögert wird,
- nach Erkennen eines Differenzstromfehlers die Überwachungssteuerung (17.n) der Überwachungseinheit (21. n) den Trennschalter (9.n) innerhalb einer Reaktionszeit TR öffnet, und
- die Erdschlussüberwachungsvorrichtung (22) das Trennelement (11 ) nur dann auslöst, falls der Erdschlussfehler nach der definierten Verzögerungszeit T fortbesteht, wobei die Verzögerungszeit T größer als eine Reaktionszeit TR der Überwachungseinheit (21. n) gewählt ist.
PCT/EP2024/076726 2023-09-26 2024-09-24 Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter Pending WO2025068147A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023126151.7A DE102023126151A1 (de) 2023-09-26 2023-09-26 Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter
DE102023126151.7 2023-09-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025068147A1 true WO2025068147A1 (de) 2025-04-03

Family

ID=92899802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2024/076726 Pending WO2025068147A1 (de) 2023-09-26 2024-09-24 Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102023126151A1 (de)
WO (1) WO2025068147A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110301772A1 (en) * 2010-06-07 2011-12-08 Zuercher Joseph C Protection, monitoring or indication apparatus for a direct current electrical generating apparatus or a plurality of strings
US20140239968A1 (en) * 2011-08-01 2014-08-28 Jx Nippon Oil & Energy Corporation Ground fault detection device, ground fault detection method, solar energy system, and ground fault detection program
DE102020121593A1 (de) * 2020-08-18 2022-02-24 Sma Solar Technology Ag Photovoltaisch gespeiste elektrolyse
WO2023146176A1 (ko) * 2022-01-26 2023-08-03 주식회사 엘지에너지솔루션 Pv-ess 직접 연계형 에너지관리 시스템 및 태양광발전 시스템 연동 장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013111869A1 (de) * 2012-11-05 2014-05-08 Sma Solar Technology Ag Photovoltaikanlage und Vorrichtung zum Betreiben einer Photovoltaikanlage

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110301772A1 (en) * 2010-06-07 2011-12-08 Zuercher Joseph C Protection, monitoring or indication apparatus for a direct current electrical generating apparatus or a plurality of strings
US20140239968A1 (en) * 2011-08-01 2014-08-28 Jx Nippon Oil & Energy Corporation Ground fault detection device, ground fault detection method, solar energy system, and ground fault detection program
DE102020121593A1 (de) * 2020-08-18 2022-02-24 Sma Solar Technology Ag Photovoltaisch gespeiste elektrolyse
WO2023146176A1 (ko) * 2022-01-26 2023-08-03 주식회사 엘지에너지솔루션 Pv-ess 직접 연계형 에너지관리 시스템 및 태양광발전 시스템 연동 장치

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023126151A1 (de) 2025-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2296244B1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zum Verbinden mindestens eines Strings einer Photovoltaikanlage mit einem Wechselrichter
EP2284973B1 (de) Rückstromsensor für parallel geschaltete Solarmodule
EP3047556B1 (de) Schaltungsanordnung für einen photovoltaikwechselrichter zur ausschaltentlastung mit kurzschlussschaltern und verwendungen der schaltungsanordnung
EP2817828B1 (de) Schutz von photovoltaikmodulen eines photovoltaikgenerators vor überspannungen gegenüber erde
DE102012109012B4 (de) Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit einer Gleichspannungsquelle für eine Offsetspannung
DE102013103753A1 (de) Photovolatische energieerzeugungsanlage und verfahren zum betreiben einer pv-anlage
EP2282388A1 (de) Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie von einer Vielzahl von Strings von Photovoltaikmodulen in ein Stromnetz
EP3022814A1 (de) Verfahren und schaltungsanordnung mit mitteln zur ableitstromkompensation in einer photovoltaikanlage mit mehreren differenzstromsensoren
WO2015059195A1 (de) Wechselrichter-system und pv-system
EP3565074A1 (de) Ankopplungsschaltung mit schaltender funktion zur ankopplung eines isolationsüberwachungsgerätes an ein ungeerdetes stromversorgungssystem
DE102013111869A1 (de) Photovoltaikanlage und Vorrichtung zum Betreiben einer Photovoltaikanlage
EP2960945A2 (de) Mit einem zentralen Wechselrichter verbundener Generator-Anschlusskasten zum lichtbogenfreien Schalten von PV-Modulen
WO2010020411A1 (de) Begrenzungsvorrichtung für fehlerströme in einer wechselstrom-niederspannungsanlage
DE202010008123U1 (de) Umschalteinrichtung
DE102015115284B3 (de) Schutzvorrichtung für eine elektrische Energieversorgungseinrichtung und elektrische Energieversorgungseinrichtung mit einer derartigen Schutzvorrichtung
WO2025068147A1 (de) Pv-energieerzeugungsanlage mit zentralwechselrichter
DE102019124213A1 (de) Galvanisch verbundenes AC-Ladegerät mit Überwachungs- und Diagnosesystem
DE102023115773A1 (de) Energieerzeugungsanlage mit leistungswandlereinheit
EP2608343B1 (de) Stromversorgung
WO2014154233A1 (de) Sammelbox zum elektrischen verbinden einer mehrzahl von photovoltaikgeneratoren und photovoltaische energieerzeugungsanlage
DE102012100193B4 (de) Photovoltaikanordnung, die eine Solaranlage und einen Solarwechselrichter umfasst, und Verfahren zum Betrieb einer solchen Photovoltaikanordnung
DE102012106505A1 (de) Freischalteinrichtung für einen eine Gleichspannung erzeugenden Photovoltaik-Strang
WO2019076405A1 (de) Batteriesystem, lokales stromnetz und trennschalter
AT504894B1 (de) Verfahren zum schutz einer dezentralen einspeiseanlage und dezentrale einspeiseanlage
DE202024101179U1 (de) Gleichstrom-Photovoltaik-Einspeisesystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24776912

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1