DE102015101870A1 - Method for compensating a portion of a differential current flowing via a leakage capacitance and suitable inverters for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Zur Kompensation eines über eine Ableitkapazität fließenden Anteils an einem Differenzstrom, der als Stromsumme über Leitungen (4, 5) erfasst wird, die den Strom eines Wechselstromgenerators (8) führen, wird ein Signal (13) ausgehend von einem Messableitstrom (itest) generiert, den Spannungen an dem Wechselstromgenerator (8) durch mindestens einen Messkondensator (10) nach Erde hervorrufen, und wird mindestens der ohmsche Widerstand (Radj) eines verstellbaren Messwiderstands (15), der zusammen mit einem weiteren Kondensator (16) ein Tiefpassfilter (14) für das Signal (13) ausbildet, in solcher Weise nachgeführt, dass ein Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals (13) bei dem aktuellen Wert des ohmschen Widerstands (Radj) ein Minimum aufweist.In order to compensate for a portion of a differential current flowing via a leakage capacitance, which is detected as current sum via lines (4, 5) which carry the current of an alternating current generator (8), a signal (13) is generated starting from a measuring leakage current (itest), at least the ohmic resistance (Radj) of an adjustable measuring resistor (15), which together with a further capacitor (16) is a low - pass filter (14) for at least one measuring capacitor (10) to ground cause the voltages at the alternator (8) the signal (13) is formed, tracked in such a way that an effective value of the differential current after subtraction of the signal (13) at the current value of the ohmic resistance (Radj) has a minimum.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation eines über eine Ableitkapazität fließenden Anteils an einem Differenzstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf einen Wechselrichter, der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist und die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 13 aufweist.The invention relates to a method for compensating a portion of a differential current flowing through a leakage capacitance with the features of the preamble of independent claim 1 and to an inverter, which is suitable for carrying out this method and has the features of the preamble of
Bei dem Wechselstromgenerator handelt es sich insbesondere um einen solchen, bei dem ein Wechselrichter vorgesehen ist, der einen von einer Gleichstromquelle bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Bei der Gleichstromquelle kann es sich insbesondere um einen Photovoltaikgenerator handeln.In particular, the AC generator is one in which an inverter is provided which converts a DC current provided from a DC power source into an AC power. The DC power source may in particular be a photovoltaic generator.
Die Überwachung eines Differenzstroms ist ein übliches Vorgehen, um das Auftreten eines kritischen Fehlerstroms zu erfassen, das aufgrund von Sicherheitsvorgaben zum Abschalten von elektrischen Anlagen führen muss. Ein auftretender Fehlerstrom erhöht den Differenzstrom. Bei dem Effektivwert des Differenzstroms macht sich ein ansteigender Fehlerstrom jedoch abhängig davon, wie groß die anderen Anteile an dem Differenzstrom sind, ganz unterschiedlich stark bemerkbar. Zu diesen anderen Anteilen zählt insbesondere ein Ableitstrom, der dann auftritt, wenn sich Spannungen gegenüber Erde ändern, so dass sich gegenüber Erde wirksame Ableitkapazitäten umladen. Ein solcher Ableitstrom mit erheblicher Stromstärke tritt zum Beispiel bei einem Wechselrichter auf, mit dem elektrische Energie von einem ungeerdeten Photovoltaikgenerator in ein Wechselstromnetz eingespeist wird. Hier wirken sich großflächige Photovoltaikpaneele des Photovoltaikgenerators in großen Ableitkapazitäten gegenüber Erde aus; und an den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters und den daran angeschlossenen Anschlussleitungen des Photovoltaikgenerators liegen variable Spannungen gegenüber Erde an. Dabei sind die großen Kapazitäten der Photovoltaikpaneele gegenüber Erde nicht konstant, sondern zum Beispiel von der Witterung abhängig.The monitoring of a differential current is a common procedure to detect the occurrence of a critical fault current, which must lead due to safety requirements for switching off electrical systems. An occurring fault current increases the residual current. In the case of the effective value of the differential current, however, an increasing fault current makes itself noticeable to varying degrees depending on how large the other components of the differential current are. In particular, these leakage rates include a leakage current that occurs when voltages to ground change such that discharge capacitances that are effective with respect to ground recharge. Such a high current leakage current occurs, for example, in an inverter that feeds electrical energy from an ungrounded photovoltaic generator into an AC grid. Here, large-area photovoltaic panels of the photovoltaic generator have large discharge capacities towards earth; and to the DC voltage inputs of the inverter and the connected leads of the photovoltaic generator are variable voltages to earth. The large capacities of the photovoltaic panels with respect to earth are not constant, but for example dependent on the weather.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aus der
In der Anwendung des aus der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation eines über eine Ableitkapazität fließenden Anteils an einem Differenzstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 13 aufzuzeigen, mit denen auch das Auftreten eines im Vergleich zu dem Differenzstrom kleinen kritischen Fehlerstroms zuverlässig erkannt wird.It is the object of the invention to provide a method for compensating a current flowing through a leakage capacitor portion of a differential current having the features of the preamble of claim 1 and a suitable for implementing this method inverter with the features of the preamble of
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Wechselrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent claim 1 and an inverter having the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation eines über eine Ableitkapazität fließenden Anteils an einem Differenzstrom wird der Differenzstrom als Stromsumme über Leitungen erfasst, die den Strom eines Wechselstromgenerators führen. Die berücksichtigten Leitungen können einen Eingangsgleichstrom oder einen Ausgangswechselstrom eines Wechselrichters des Wechselstromgenerators führen. Wichtig ist, dass ein vollständiger Satz von Leitungen berücksichtigt wird, durch die der Strom des Wechselstromgenerators fließt.In the method according to the invention for compensating a fraction of a differential current flowing via a leakage capacitance, the differential current is detected as a current sum via lines which carry the current of an alternating-current generator. The considered lines may carry a DC input current or an AC output current of an AC generator inverter. Importantly, account is taken of a complete set of lines through which the AC generator current flows.
Weiter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von einem Messableitstrom, den Spannungen an dem Wechselstromgenerator durch mindestens einen Messkondensator nach Erde hervorrufen, ein Signal generiert, typischerweise zumindest zunächst als elektrisches Signal. Der Messableitstrom durch den mindestens einen Messkondensator fließt parallel zu dem kapazitiven Ableitstrom von dem Wechselstromgenerator nach Erde. Anders gesagt ist der Messkondensator der Ableitkapazität des Wechselstromgenerators parallel geschaltet, und entsprechend verhält sich der Messableitstrom zu dem über die Ableitkapazität fließenden Ableitstrom nach dem Verhältnis der Kapazität des mindestens einen Messkondensators zu der Ableitkapazität des Wechselstromgenerators.Further, in the inventive method, starting from a Meßableitstrom, the voltages on the alternator cause at least one measuring capacitor to ground, a signal generated, typically at least at first as an electrical signal. The Meßableitstrom through the at least one measuring capacitor flows parallel to the capacitive leakage current from the alternator to ground. In other words, the measuring capacitor is connected in parallel with the leakage capacitance of the alternator, and accordingly the leakage current to the leakage current flowing through the leakage capacitance behaves according to the ratio of the capacitance of the at least one measuring capacitor to the leakage capacitance of the alternator.
Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein das Signal beeinflussender ohmscher Widerstand vorgegeben, um einen Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals zu minimieren. Der vorgegebene ohmsche Widerstand ist entweder (i) derjenige eines realen, in einer den Messableitstrom führenden Leitung mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschalteten Widerstands oder (ii) derjenige eines realen Widerstands, der zusammen mit einem weiteren Kondensator ein analoges Tiefpassfilter für das Signal ausgebildet, oder (iii) derjenige eines fiktiven Widerstands, der in einer den Messableitstrom führenden Leitung mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschaltet ist und dessen Einfluss auf das Spektrum des Messableitstroms durch analoges oder digitales Filtern des Signals nachgebildet wird.Furthermore, in the method according to the invention, an ohmic resistance influencing the signal is predetermined in order to minimize an effective value of the differential current after subtraction of the signal. The predetermined ohmic resistance is either (i) that of a real, in a Meßableitstrom leading line with the at least one measuring capacitor in series resistance or (ii) that of a real resistor, which forms an analog low-pass filter for the signal together with another capacitor , or (iii) that of a fictitious resistor connected in series with the at least one measuring capacitor in a line carrying the measuring leakage current and whose influence on the spectrum of the measuring leakage current is reproduced by analog or digital filtering of the signal.
Der fiktive Widerstand ist tatsächlich nicht in der den Messableitstrom führenden Leitung mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschaltet. Statt dessen wird durch analoges oder digitales Filtern des Signals der Einfluss nachgebildet, den ein mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschalteter Widerstand auf das Spektrum des Messableitstroms und damit auch auf das Signal hätte.The fictitious resistance is actually not connected in series in the line leading the measuring leakage current to the at least one measuring capacitor. Instead, by analog or digital filtering of the signal, the influence is simulated that a resistor connected in series with the at least one measuring capacitor would have on the spectrum of the measured leakage current and thus also on the signal.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der im Betrieb eines Wechselstromgenerators über dessen Ableitkapazität fließende Ableitstrom kein rein kapazitiver Ableitstrom ist. Anders gesagt weist dieser Anteil an dem Differenzstrom keinen Phasenwinkel von π/2 zu einem resistiven Fehlerstrom auf. Ursächlich ist, dass der über die Ableitkapazität fließende Ableitstrom in der Praxis resistiv gedämpft ist, wodurch sein Phasenwinkel gegenüber einem resistiven Fehlerstrom kleiner als π/2 ist. In der Konsequenz kann der über die Ableitkapazität fließende Anteil an dem Differenzstrom mit einem elektrischen Signal, das mit einem rein kapazitiven Messableitstrom in Phase ist und das entsprechend einen Phasenwinkel von π/2 zu einem resistiven Fehlerstrom aufweist, nicht vollständig und oft nicht einmal im Wesentlichen kompensiert werden. Wenn der Ableitstrompfad eines Wechselstromgenerators jedoch durch eine Reihenschaltung seiner Ableitkapazität und eines effektiven ohmschen Widerstands modelliert wird, ist eine solche Kompensation erreichbar. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der effektive ohmsche Widerstand durch den vorgegebenen ohmschen Widerstand des Widerstands modelliert, der real oder fiktiv mit dem Messkondensator in Reihe geschaltet ist oder real zusammen mit einem weiteren Kondensator das Tiefpassfilter für das Signal ausbildet. Ebenso wie der effektive ohmsche Widerstand, der mit der Ableitkapazität des Wechselstromgenerators in Reihe geschaltet ist, bildet ein solcher Widerstand zusammen mit dem Messkondensator bzw. dem weiteren Kondensator ein RC-Glied aus, das Phase und Amplitude des Signals relativ zu den an dem Wechselstromgenerator anliegenden Spannungen gegenüber Erde verschiebt. Wenn der Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals bei dem vorgegebenen ohmschen Widerstand minimiert ist, ist dieses RC-Glied zur Abbildung des RC-Glieds aus der Ableitkapazität und des damit in Reihe geschalteten effektiven Widerstands optimal angepasst.The present invention is based on the finding that the leakage current flowing in the operation of an AC generator via its leakage capacitance is not a purely capacitive leakage current. In other words, this fraction of the differential current does not have a phase angle of π / 2 to a resistive fault current. The reason is that the leakage current flowing via the leakage capacitance is resistively damped in practice, as a result of which its phase angle is smaller than π / 2 in relation to a resistive fault current. As a consequence, the fraction of the differential current flowing across the leakage capacitance with an electrical signal which is in phase with a purely capacitive measuring leakage current and which correspondingly has a phase angle of π / 2 to a resistive fault current, may not be complete, and often not even substantially be compensated. However, if the leakage current path of an alternator is modeled by a series connection of its leakage capacitance and an effective ohmic resistance, such a compensation is achievable. In the method according to the invention, the effective ohmic resistance is modeled by the predetermined ohmic resistance of the resistor, which is real or fictitious connected in series with the measuring capacitor or real forms together with another capacitor the low-pass filter for the signal. As well as the effective ohmic resistance, which is connected in series with the leakage capacitance of the alternator, such a resistor forms together with the measuring capacitor or the further capacitor an RC element, the phase and amplitude of the signal relative to those applied to the alternator Suspensions of earth shifts. If the RMS value of the differential current after subtraction of the signal at the given ohmic resistance is minimized, this RC element is optimally adapted for imaging the RC element from the leakage capacitance and the series-connected effective resistance.
Dass ein real oder fiktiv mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschalteter Widerstand grundsätzlich dieselben Auswirkungen auf Phase und Amplitude des Signals relativ zu den Spannungen an dem Wechselstromgenerator hat wie der mit der Ableitkapazität des Wechselstromgenerators in Reihe geschaltete effektive ohmsche Widerstand, ist unmittelbar nachzuvollziehen. Aber auch das Tiefpassfilter, das von dem Widerstand zusammen mit dem weiteren Kondensator für das Signal gebildet wird, hat denselben Einfluss auf das Signal. Allerdings ergibt sich im ersten Fall ein Minimum des Effektivwerts des Differenzstroms, von dem das Signal subtrahiert wird, wenn das Produkt aus der Ableitkapazität und dem damit in Reihe geschalteten effektiven ohmschen Widerstand gleich dem Produkt des Messkondensators mit dem ohmschen Widerstand des damit in Reihe geschalteten verstellbaren Widerstands ist, während im zweiten Fall das Produkt der Ableitkapazität mit dem damit in Reihe geschalteten effektiven ohmschen Widerstand im Minimum des Effektivwerts des kompensierten Differenzstroms gleich dem Produkt des ohmschen Widerstands des verstellbaren Widerstands und der Kapazität des weiteren Kondensators ist.That a real or fictitious connected in series with the at least one measuring capacitor resistance basically has the same effect on phase and amplitude of the signal relative to the voltages on the alternator as the series connected to the leakage capacitance of the alternator effective ohmic resistance, can be immediately understood. But also the low-pass filter, which is formed by the resistor together with the other capacitor for the signal, has the same influence on the signal. However, in the first case, there is a minimum of the RMS value of the differential current from which the signal is subtracted when the product of the leakage capacitance and the series connected one effective ohmic resistance is equal to the product of the measuring capacitor with the ohmic resistance of the adjustable resistor connected in series, while in the second case the product of the leakage capacitance with the series connected effective ohmic resistance in the minimum of the RMS value of the compensated differential current equal to the product of ohmic Resistor of the variable resistor and the capacity of the other capacitor is.
Grundsätzlich kann der ohmsche Widerstand bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem konstanten Wert vorgegeben werden. Es stellt sich jedoch heraus, dass zum Beispiel bei einem Photovoltaikgenerator als Gleichstromquelle eines Wechselstromgenerators die resistive Dämpfung des über dessen Ableitkapazität fließenden Ableitstroms wesentlich durch die aktuell herrschende Witterung bestimmt wird. Die resultierenden Variationen des über die Ableitkapazität fließenden Anteils an dem Differenzstrom können sogar größer ausfallen als solche, die auf Änderungen der Ableitkapazität mit der Witterung zurückgehen. Es erweist sich daher als sinnvoll, Auswirkungen sich ändernder Witterung auf die Phasen- und Amplitudenverteilung des über die Ableitkapazität fließenden Ableitstroms durch Änderungen des mit der Ableitkapazität in Reihe geschalteten effektiven ohmschen Widerstands zu modellieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der ohmsche Widerstand, der das zur Kompensation dienende Signal beeinflusst, daher variabel vorgegeben werden. Konkret kann er in solcher Weise nachgeführt werden, dass ein Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals bei dem aktuellen Wert des ohmschen Widerstands ein Minimum aufweist.In principle, the ohmic resistance in the method according to the invention can be preset with a constant value. It turns out, however, that, for example, in a photovoltaic generator as a DC power source of an AC generator, the resistive damping of the discharge current flowing over its leakage capacity is substantially determined by the currently prevailing weather. The resulting variations in the leakage current component of the differential current may even be greater than those due to changes in leakage capacity with the weather. It therefore proves useful to model the effects of changing weather on the phase and amplitude distribution of the leakage current flowing via the leakage capacitance by changing the effective ohmic resistance connected in series with the leakage capacitance. In the method according to the invention, the ohmic resistance, which influences the signal used for compensation, can therefore be set variably. Specifically, it can be tracked in such a way that an effective value of the differential current after subtraction of the signal at the current value of the ohmic resistance has a minimum.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich ein Verstärkungsfaktor einer Verstärkung des Messableitstroms oder des Signals als weitere das Signal beeinflussende Größe in solcher Weise nachgeführt wird, dass der Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals bei dem aktuellen Wert des Verstärkungsfaktors ein Minimum aufweist, werden zusätzlich Variationen der Ableitkapazität des Wechselstromgenerators kompensiert. Durch das gleichzeitige Nachführen des ohmschen Widerstands des verstellbaren Widerstands und des Verstärkungsfaktors der Verstärkung werden beide Komponenten des RC-Glieds, das den über die Ableitkapazität von dem Wechselstromgenerator fließenden Ableitstrom bestimmt, bei dem Signal nachgebildet. Damit wird unabhängig von der aktuellen Dominanz der Variation der Ableitkapazität oder der resistiven Dämpfung des über sie fließenden Ableitstroms eine optimierte Kompensation dieses Anteils an dem Differenzstrom erreicht.In addition, in the method according to the invention, if a gain of the measurement leakage current or of the signal is tracked as another signal influencing the signal in such a way that the effective value of the differential current after subtraction of the signal at the current value of the amplification factor has a minimum Leakage capacity of the alternator compensated. By simultaneously tracking the ohmic resistance of the variable resistor and the gain of the gain, both components of the RC element which determines the leakage current flowing through the leakage capacitance from the alternator are replicated in the signal. Thus, regardless of the current dominance of the variation of the leakage capacitance or the resistive attenuation of the leakage current flowing through it, optimized compensation of this portion of the differential current is achieved.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Signal alle Anteile an dem Differenzstrom kompensieren, die über die Ableitkapazität fließen. Im fehlerfreien Betrieb des Wechselstromgenerators machen diese Anteile den Differenzstrom zumindest fast vollständig aus, da auftretende reine resistive Ableitströme durch hohe Isolationswiderstände des Wechselstromgenerators sehr klein bleiben. Beim fortlaufenden Nachführen des ohmschen Widerstands und des Verstärkungsfaktors, um den Effektivwert des Differenzstroms nach der Subtraktion des Signals zu reduzieren, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch ein auftretender Fehlerstrom von dem Signal zumindest teilweise kompensiert werden. Da sich kritische Fehlerströme jedoch durch viel schnellere Anstiege ihrer Stromstärke auszeichnen, als mögliche witterungsbedingte Änderungen des ohmschen Widerstands und des Verstärkungsfaktors, kann leicht dafür gesorgt werden, das die kritischen Fehlerströme bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht schon vor ihrem Erfassen kompensiert werden.In the method according to the invention, the signal can compensate for all components of the differential current which flow via the leakage capacitance. In error-free operation of the alternator, these components make up the differential current at least almost completely, because occurring pure resistive leakage currents remain very small due to high insulation resistance of the alternator. In the case of continuous tracking of the ohmic resistance and of the amplification factor in order to reduce the effective value of the differential current after the subtraction of the signal, the method according to the invention also at least partially compensates for an occurring fault current from the signal. However, since critical fault currents are characterized by much faster increases in their current strength, as possible weather-related changes in the ohmic resistance and the gain factor, it can easily be ensured that the critical fault currents in the inventive method are not compensated before their detection.
Ein typischer kritischer Fehlerstrom zeichnet sich durch einen sprunghaften Anstieg auf eine Stromstärke von 30 mA, 60 mA oder 150 mA aus und muss binnen eines Zeitraums von 300 ms, 150 ms bzw. 40 ms abgeschaltet werden. Wenn jeder kritische Anstieg des Fehlerstroms bereits binnen 40 ms detektiert wird und das Nachführen aller das Signal beeinflussenden nachgeführten Größen mit einer Zeitkonstante erfolgt, die 40 ms oder größer ist, wird ein solcher Anstieg bei dem erfindungsgemäßen Verfahren allenfalls während eines Nachführschritts und damit nur zu einem kleinen Teil kompensiert, der sein Erkennen als kritischer Fehlerstrom nicht infrage stellt.A typical critical fault current is characterized by a sudden increase to a current of 30 mA, 60 mA or 150 mA and must be switched off within a period of 300 ms, 150 ms or 40 ms. If every critical increase of the fault current is already detected within 40 ms and the tracking of all tracking variables influencing the signal takes place with a time constant which is 40 ms or greater, such an increase in the inventive method at best during a Nachführschritts and thus only one small part compensates, which does not question its recognition as a critical fault current.
Allgemein kann der Effektivwert des Differenzstroms bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Subtraktion des Signals mit einem Grenzwert für sprungartige Veränderungen verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlersignal ausgegeben werden, das insbesondere ein Abschalten des Wechselstromgenerators zur Folge haben kann. Dabei erfolgt das Nachführen aller das Signal beeinflussenden nachgeführten Größen mit einer Zeitkonstante, die mindestens so groß ist wie eine Zeitkonstante des Grenzwerts für sprungartige Veränderungen. Die Zeitkonstante des Nachführens kann auch mindestens 5 mal oder 10 mal größer ist als eine Zeitkonstante des Grenzwerts für sprungartige Veränderungen sein.In general, the effective value of the differential current in the method according to the invention can be compared after subtraction of the signal with a limit value for sudden changes and, when the limit value is exceeded, output an error signal, which can result in particular in switching off the alternator. In this case, the tracking of all tracking signals influencing the signal takes place with a time constant which is at least as great as a time constant of the limit value for sudden changes. The time constant of the tracking may also be at least 5 times or 10 times greater than a time constant of the threshold value for sudden changes.
Wenn zudem das Signal unter Berücksichtigung aller das Signal beeinflussenden nachgeführten Größen mit einem absoluten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlersignal ausgegeben wird, zeigt das erfindungsgemäße Verfahren auch kritische Ableitströme an, die unabhängig von ihrer Zusammensetzung Anlass sind, den Wechselstromgenerator abzuschalten.If, in addition, the signal is compared with an absolute limit value taking into account all the tracking quantities influencing the signal and an error signal is output when the limit value is exceeded, the method according to the invention also displays critical leakage currents which regardless of their composition are cause to turn off the alternator.
Konkret kann das Signal bei dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt als analoges elektrisches Signal mittels eines den Differenzstrom erfassenden Summenstromwandlers von dem Differenzstrom subtrahiert werden. In diesem Fall wird der unkompensierte Differenzstrom selbst gar nicht gemessen. Er ist jedoch aus dem gemessenen kompensierten Differenzstrom und dem Signal rekonstruierbar.Specifically, in the method according to the invention, the signal can be subtracted directly from the differential current as an analog electrical signal by means of a differential current transformer detecting the differential current. In this case, the uncompensated residual current itself is not measured at all. However, it can be reconstructed from the measured compensated differential current and the signal.
Alternativ kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Signal von einem Spannungssignal eines den Differenzstrom erfassenden Summenstromwandlers subtrahiert werden, wobei das Spannungssignal den nichtkompensierten Differenzstrom anzeigt. Diese Subtraktion kann auch auf Basis digitalisierter Werte erfolgen. Dazu kann das Signal – vor oder nach einer etwaigen Verstärkung und vor oder nach einer etwaigen Filterung – digitalisiert und dann in digitaler Form von dem ebenfalls digitalisierten Spannungssignal des Summenstromwandlers subtrahiert werden.Alternatively, in the method according to the invention, the signal can be subtracted from a voltage signal of a differential current-detecting summation current transformer, the voltage signal indicating the uncompensated differential current. This subtraction can also be based on digitized values. For this purpose, the signal - before or after any amplification and before or after any filtering - digitized and then subtracted in digital form from the also digitized voltage signal of the summation current transformer.
Der ohmsche Widerstand eines verstellbaren Widerstands kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem grundsätzlich bekannten Trackingverfahren nachgeführt werden. Parallel kann auch der Verstärkungsfaktor der Verstärkung des Messableitstroms bzw. des Signals nach einem Trackingverfahren nachgeführt werden. Damit sich diese beiden Trackingverfahren nicht gegenseitig stören, sollten sie unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen. Dabei kann die Zeitkonstante des Trackingverfahrens für den ohmschen Widerstand des verstellbaren Widerstands größer als diejenige für den Verstärkungsfaktor sein, weil Schwankungen der Ableitkapazität, beispielsweise bei einem Photovoltaikpaneel, mit höherer Frequenz auftreten können als Schwankungen des damit in Reihe geschalteten effektiven ohmschen Widerstands.The ohmic resistance of an adjustable resistor can be tracked in the inventive method according to a basically known tracking method. In parallel, the amplification factor of the gain of the Meßableitstroms or the signal can be tracked by a tracking method. So that these two tracking methods do not interfere with each other, they should have different time constants. In this case, the time constant of the tracking method for the ohmic resistance of the variable resistor can be greater than that for the gain factor, because fluctuations in the leakage capacitance, for example in a photovoltaic panel, can occur at a higher frequency than fluctuations in the series-connected effective ohmic resistance.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es bevorzugt sein, die Spannungen an dem Wechselstromgenerator gegenüber Erde vor dem Wechselrichter, d. h. an dessen Gleichspannungseingangsseite, und den Differenzstrom nach dem Wechselrichter, d. h. auf dessen Wechselspannungsausgangsseite, zu berücksichtigen. Dann umfasst der Differenzstrom auch in dem Wechselrichter auftretende Fehlerströme, und das Auftreten solcher Fehlerströme wird beim Überwachen des Differenzstroms erkannt. Zudem werden speziell die Spannungen an dem Wechselstromgenerator gegenüber Erde berücksichtigt, die auf der Gleichspannungseingangsseite des Wechselrichters an einem Gleichstromgenerator, zum Beispiel an einem Photovoltaikgenerator, mit großer Ableitkapazität gegenüber Erde anliegen.In the method according to the invention, it may be preferable to measure the voltages on the alternator with respect to ground in front of the inverter, i. H. at its DC input side, and the residual current after the inverter, d. H. on the AC output side, to be considered. Then, the differential current also includes fault currents occurring in the inverter, and the occurrence of such fault currents is detected when monitoring the differential current. In addition, particular consideration is given to the voltages on the alternator to ground which are applied to the DC input side of the inverter to a DC generator, for example to a photovoltaic generator, with high leakage capacitance to ground.
Durch das fortlaufende Anpassen des ohmschen Widerstands und des Verstärkungsfaktors kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine sehr gute Kompensation des über die Ableitkapazität des Wechselstromgenerators nach Erde fließenden Anteils an dem Differenzstrom erreicht werden; es ist auch möglich, aus der Kapazität des mindestens einen Messkondensators und den aktuellen Werten des ohmschen Widerstands und des Verstärkungsfaktors – ggf. unter Berücksichtung des Werts des weiteren Kondensators – auf die Ableitkapazität und den mit dieser in Reihe geschalteten effektiven ohmschen Widerstand zu schließen. Diese Werte können ebenso wie die unmittelbaren Werte des ohmschen Widerstands und des Verstärkungsfaktors zusätzlich auf Unregelmäßigkeiten überwacht oder auch nur zu Informationszwecken ausgegeben werden.Due to the continuous adaptation of the ohmic resistance and the amplification factor, with the method according to the invention not only a very good compensation of the portion of the differential current flowing via the leakage capacitance of the alternator to earth can be achieved; It is also possible to deduce from the capacitance of the at least one measuring capacitor and the current values of the ohmic resistance and the amplification factor - optionally taking into account the value of the further capacitor - the leakage capacitance and the effective ohmic resistance connected in series therewith. These values, as well as the immediate values of the ohmic resistance and the amplification factor, can additionally be monitored for irregularities or even output for informational purposes only.
In der Praxis stellt sich heraus, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kompensation der über die Ableitkapazität fließenden Anteile an dem Differenzstrom, der an einem Wechselrichter gemessen wird, mit dem elektrischer Strom von einem Photovoltaikgenerator in ein Wechselstromnetz eingespeist wird, in einem viel größeren Ausmaß gelingt, als wenn ein rein kapazitiver Messableitstrom nur durch Nachführen seines Verstärkungsfaktors an die aktuelle Ableitkapazität des Photovoltaikgenerators angepasst wird.In practice, it turns out that with the method according to the invention the compensation of the components flowing through the leakage capacitance on the differential current, which is measured at an inverter, with the electric current from a photovoltaic generator is fed into an AC network, to a much greater extent as if a purely capacitive Meßableitstrom is adjusted only by tracking its gain to the current dissipation capacity of the photovoltaic generator.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, weist eine Differenzstromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Differenzstroms als Stromsumme über Leitungen, die einen gesamten Eingangsgleichstrom oder einen gesamten Ausgangsgleichstrom des Wechselrichters führen, auf. Weiterhin ist eine Kompensationseinrichtung zum Kompensieren eines durch den Betrieb des Wechselrichters bedingten Anteils an dem Differenzstrom vorhanden. Diese Kompensationseinrichtung weist mindestens einen Messkondensator in einem Strompfad von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters nach Erde, einen Signalgenerator, der ausgehend von einem Messableitstrom durch den mindestens einen Messkondensator ein Signal generiert, einen Subtrahierer, der das Signal von dem erfassten Differenzstrom subtrahiert, und eine Effektivwertmesseinrichtung auf, die einen Effektivwert des Differenzstroms nach Subtraktion des Signals durch den Subtrahierer misst.An inverter according to the invention, which is suitable for carrying out the method according to the invention, has a differential current detection device for detecting a differential current as current sum via lines which carry a total input DC current or a total DC output current of the inverter. Furthermore, a compensation device for compensating a conditional by the operation of the inverter portion of the differential current is present. This compensation device has at least one measuring capacitor in a current path from the DC voltage side of the inverter to ground, a signal generator, which generates a signal based on a Meßableitstrom through the at least one measuring capacitor, a subtractor, which subtracts the signal from the detected differential current, and a rms value measuring device which measures an RMS value of the differential current after subtraction of the signal by the subtractor.
Erfindungsgemäß ist ein das Signal beeinflussender ohmscher Widerstand vorgebbar, um den von der Effektivwertmesseinrichtung gemessenen Effektivwert zu minimieren. Der vorgebbare ohmsche Widerstand ist dabei wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entweder (i) derjenige eines realen Widerstands, der in einer den Messableitstrom führenden Leitung mit dem mindestens einen Messkondensator in Reihe geschaltet ist, oder (ii) derjenige eines realen Widerstands, der zusammen mit einem weiteren Kondensator ein Tiefpassfilter für das Signal ausbildet, oder (iii) derjenige eines fiktiven Widerstands in Reihe mit dem mindestens einen Messkondensator, dessen Einfluss auf das Spektrum des Messableitstroms durch ein Filter für das Signal nachgebildet wird. Anders gesagt wird durch das Filter ein mit dem Messkondensator in Reihe geschalteter verstellbarer Widerstand bezüglich seiner Auswirkung auf die Phasen- und Amplitudenverteilung des Signals simuliert. Dieses Filter kann grundsätzlich durch das analoge Tiefpassfilter realisiert sein, das von dem realen Widerstand zusammen mit dem weiteren Kondensator für das Signal gebildet wird. Es kann aber zum Beispiel auch ein verstellbares digitales Filter sein.According to the invention, an ohmic resistance influencing the signal can be predetermined in order to minimize the rms value measured by the rms value measuring device. The predeterminable ohmic resistance is, as in the method according to the invention, either (i) that of a real resistor, which in one the Meßableitstrom or (ii) that of a real resistor which together with another capacitor forms a low pass filter for the signal, or (iii) that of a fictitious resistor in series with the at least one measuring capacitor, whose influence on the spectrum of the measuring leakage current is simulated by a filter for the signal. In other words, the filter simulates an adjustable resistor connected in series with the measurement capacitor with respect to its effect on the phase and amplitude distribution of the signal. This filter can in principle be realized by the analog low-pass filter, which is formed by the real resistor together with the further capacitor for the signal. But it can also be an adjustable digital filter, for example.
Der vorgebbare ohmsche Widerstand kann insbesondere derjenige eines verstellbaren Widerstands sein. Jeder reale verstellbare Widerstand kann dabei durch ein Potentiometer verwirklicht sein.The specifiable ohmic resistance may in particular be that of an adjustable resistor. Each real adjustable resistor can be realized by a potentiometer.
Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Wechselrichter einen Verstärker für den Messableitstrom oder das Signal aufweisen, wobei ein Verstärkungsfaktor des Verstärkers als weitere das Signal beeinflussende Größe vorgebbar ist, um den von der Effektivwertmesseinrichtung gemessenen Effektivwert zu minimieren.In addition, the inverter according to the invention can have an amplifier for the measured leakage current or the signal, wherein a gain factor of the amplifier can be specified as a further variable influencing the signal in order to minimize the effective value measured by the rms value measuring device.
Eine Veränderungseinrichtung des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann vorgesehen sein, um jede das Signal beeinflussende veränderbare Größe so in automatischer Weise nachzuführen, dass der von den Effektivwertmesseinrichtungen gemessene Effektivwert ein Minimum aufweist. Diese Veränderungseinrichtung kann insbesondere ein Trackingverfahren für jede dieser Größen implementieren.A changing device of the inverter according to the invention can be provided to automatically track each variable variable influencing the signal in such a way that the effective value measured by the rms value measuring devices has a minimum. In particular, this alteration means may implement a tracking method for each of these quantities.
Zudem kann eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, die den von der Effektivwertmesseinrichtung gemessenen Effektivwert mit einem Grenzwert für sprungartige Veränderungen und/oder das Signal mit einem absoluten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten eines der Grenzwerte ein Fehlersignal ausgibt. Dieses Fehlersignal kann zum sofortigen Abschalten des Wechselrichters führen.In addition, an evaluation device can be provided which compares the rms value measured by the rms value measuring device with a limit value for sudden changes and / or the signal with an absolute limit value and outputs an error signal when one of the limit values is exceeded. This error signal can lead to the immediate shutdown of the inverter.
Der Subtrahierer des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann das Signal mittels eines den Differenzstrom erfassenden Summenstromwandlers von dem Differenzstrom subtrahieren. Alternativ kann der Subtrahierer das Signal von einem Spannungssignal eines den Differenzstrom erfassenden Summenstromwandlers subtrahieren. Dabei können A/D-Wandler vorgesehen sein, die das Signal und das Spannungssignal des Summenstromwandlers noch vor dem Subtrahierer digitalisieren. Der A/D-Wandler für das Signal kann vor dem Verstärker für das Signal angeordnet sein, wobei der Verstärker dann digital auszuführen ist. Der Digitalisierer kann vor dem Filter für das Signal angeordnet sein, mit dem der Einfluss des fiktiven verstellbaren Widerstands in der den Messableitstrom führenden Leitung nachgebildet wird, wenn dieses digital ausgeführt ist.The subtractor of the inverter according to the invention can subtract the signal from the differential current by means of a summation current transformer detecting the differential current. Alternatively, the subtractor may subtract the signal from a voltage signal of a differential current sensing sum current transformer. In this case, A / D converters can be provided which digitize the signal and the voltage signal of the summation current transformer before the subtractor. The A / D converter for the signal may be arranged in front of the amplifier for the signal, the amplifier then being to be implemented digitally. The digitizer may be arranged in front of the filter for the signal, which simulates the influence of the fictitious variable resistor in the line carrying the measuring leakage current, if this is carried out digitally.
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 dargestellten 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.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Without thereby altering the subject matter of the appended claims, the following applies with regard to the disclosure content of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated arrangement and operative connection of several components. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.
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.The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood in terms of their number that exactly this number or a greater number than the said number is present, without requiring an explicit use of the adverb "at least". For example, when talking about an element, it should be understood that there is exactly one element, two elements or more elements. These features may be supplemented by other features or be the only characteristics that make up the product in question.
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.The reference numerals contained in the claims do not limit the scope of the objects protected by the claims. They are for the sole purpose of making the claims easier to understand.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying drawings and described.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Wenn eine Stromsumme über Anschlussleitungen
Eine Ausführungsform einer solchen Kompensation des über die Ableitkapazität CGen fließenden Anteils an dem Differenzstrom ist in
Unter Berücksichtigung der in
- u
- die treibende Spannung gegenüber Erde ist,
- CGen
- die Ableitkapazität ist,
- RGen
- der mit der Ableitkapazität CGen in Reihe geschaltete ohmsche Widerstand ist,
- CPE
- die
Kapazität der Messkondensatoren 10 ist, - S
- das Verhältnis des Spannungssignals umess zu dem Testableitstrom itest ist,
- G
- der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
20 ist, - Radj
- der ohmsche Widerstand des verstellbaren Widerstands
15 ist, - Cadj
- die Kapazität des Kondensators
16 desTiefpassfilters 14 ist, - N
- die
Anzahl der Kompensationswicklungen 17 ist und - Rb
- der ohmsche Widerstand des Schutzwiderstands
26 ist.
- u
- is the driving tension towards earth,
- C gene
- the leakage capacity is,
- R gene
- the series resistor connected in series with the leakage capacitance C Gen is ohmic resistance,
- C PE
- the capacity of the measuring
capacitors 10 is - S
- the ratio of the voltage signal u mess to the test leakage current i test is,
- G
- the amplification factor of the
amplifier 20 is - R adj
- the ohmic resistance of the
adjustable resistor 15 is - C adj
- the capacity of the
capacitor 16 the low-pass filter 14 is - N
- the number of
compensation windings 17 is and - R b
- the ohmic resistance of the
protective resistor 26 is.
Weiterhin gilt im Minimum des Effektivwerts des Spannungssignals UDI:
Daraus ergibt sich die Ableitkapazität CGen in dem kapazitiven Ableitzweig
Und der mit der Ableitkapazität CGen in Reihe geschaltete ohmsche Widerstand RGen zu:
So kann bei dem Wechselstromgenerator
Bei der Ausführungsform des Wechselstromgenerators
Durch die hier nicht bereits im Bereich des Summenstromwandlers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Photovoltaikgeneratorphotovoltaic generator
- 22
- resistiver Zweigresistive branch
- 33
- kapazitiver Zweigcapacitive branch
- 44
- Anschlussleitungconnecting cable
- 55
- Anschlussleitungconnecting cable
- 66
- Wechselrichterinverter
- 77
- WechselstromnetzAC power
- 88th
- WechselstromgeneratorAlternator
- 99
- SummenstromwandlerSummation current transformer
- 1010
- Messkondensatormeasuring capacitor
- 1111
- StrommesseinrichtungCurrent measurement device
- 1212
- Signalgeneratorsignal generator
- 1313
- Signalsignal
- 1414
- TiefpassfilterLow Pass Filter
- 1515
- verstellbarer Widerstandadjustable resistance
- 1616
- Kondensatorcapacitor
- 1717
- Kompensationswicklungcompensation winding
- 1818
-
Kern des Summenstromwandlers
9 Core of the summationcurrent transformer 9 - 1919
- Logiklogic
- 2020
- Verstärkeramplifier
- 2121
- Filterfilter
- 2222
- Leitungmanagement
- 2323
- Ausgangsleitungoutput line
- 2424
- Ausgangsleitungoutput line
- 2525
- Ausgangsleitungoutput line
- 2626
- Schutzwiderstandprotection resistor
- 2727
- verstellbarer Widerstandadjustable resistance
- 2828
- EffektivwertmesseinrichtungRMS measuring device
- 2929
- Subtrahierersubtractor
- 3030
- A/D-WandlerA / D converter
- 3131
- A/D-WandlerA / D converter
- 3232
- Sample&Hold-StufeSample & hold stage
- 3333
- Subtrahierknotensubtracting node
- 3434
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- 3535
- JK-FlipflopJK flip-flop
- 3636
- Integriererintegrator
- 3737
- Taktsignalclock signal
- CGen C gene
- Ableitkapazitätleakage capacitance
- RGen R gene
- ohmscher Widerstand in Reihe mit der Ableitkapazität CGen ohmic resistance in series with the leakage capacitance C gene
- iGen i gene
- kapazitiver Ableitstromcapacitive leakage current
- CPE C PE
-
Kapazität eines Messkondensators
10 Capacitance of a measuringcapacitor 10 - itest i test
- MessableitstromMessableitstrom
- umess u mess
-
Spannungssignal der Strommesseinrichtung
11 Voltage signal of the current measuring device11 - SS
- Verhältnis von umess zu itest Ratio of u mess to i test
- GG
-
Verstärkungsfaktor des Verstärkers
20 Amplification factor of theamplifier 20 - Radj R adj
-
ohmscher Widerstand des verstellbaren Widerstands
15 ,27 ohmic resistance of theadjustable resistor 15 .27 - Cadj C adj
-
Kapazität des Kondensators
16 Capacitance of thecapacitor 16 - Rb R b
-
ohmscher Widerstand des Schutzwiderstands
26 ohmic resistance of theprotective resistor 26 - IDiff I Diff
- Differenzstromdifferential current
- ikomp i comp
- Kompensationsstromcompensating current
- UDI U DI
-
Spannungssignal des Summenstromwandlers
9 Voltage signal of the summationcurrent transformer 9 - NN
-
Anzahl der Kompensationswindungen
17 Number of compensation turns17
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2372857 A1 [0004, 0005] EP 2372857 A1 [0004, 0005]
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-
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