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Ausgeklügelte Algorithmen und Signalverarbeitungsverfahren erhöhen die Sicherheit

Gefährliche Lichtbögen in PV-Anlagen erkennen und abschalten

19. April 2012, 15:34 Uhr | Heinz Arnold

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Lichtbogenerkennung

Lichtbögen in PV-Anlagen sind überaus schwierig festzustellen, denn sie hinterlassen keine eindeutig identifizierbare elektronische Signatur. Hinzu kommt, dass die stromführenden Leitungen in einer PV-Anlage besonders effektive Antennen für ein breites Spektrum elektromagnetischer Interferenzen im Umfeld des Arrays sind und dass auch die Wechselrichter Störungen erzeugen, die in die stromführenden Leitungen einstreuen. Ein ausgefeiltes Signalverarbeitungs-Konzept ist eine unabdingbare Voraussetzung, um einerseits das gesamte Spektrum gefährlicher Lichtbogen-Ereignisse zuverlässig zu erkennen und andererseits Fehlalarme und somit unnötige Abschaltungen während des ordnungsgemäßen Betriebs der PV-Anlage zu vermeiden.

Texas Instruments hat ein solches Signalverarbeitungskonzept und eine MBDF-Firmware (Multi-Band Dynamic Filtering) entwickelt und zum Patent angemeldet. Gemeinsam erkennen beide den Lichtbogen und lösen einen Alarm aus, der entweder zum Abschalten des Systems oder zum Freischalten des betroffenen Anlagenteils führen.

Ein Lichtbogen in einer PV-Anlage erzeugt einen Rauschstrom in der Verkabelung des PV-Strings. Das Stromrauschen des Lichtbogens selbst weist eine Gaußsche Verteilung auf, und sein Spektrum erstreckt sich bis zu mehreren Megahertz. Die Geometrie der Verkabelung in einer typischen PV-Anlage führt zu einer gravierenden Änderung der Rauschstromdichte oberhalb von 200 kHz in Abhängigkeit von der Frequenz. Zu berücksichtigen ist ferner, dass die in PV-Anlagen verwendeten Wechselrichter ein starkes Rauschen bei ihrer (meist unter 50 kHz liegenden) Schaltfrequenz verursachen.

Aus diesen Gründen wurde Rauschen im Frequenzbereich von 40 kHz bis 100 kHz als Kriterium zur Erkennung eines möglichen Lichtbogens herangezogen. Dabei wurde die Hardware auf die typischen Anforderungen von PV-Anlagen abgestimmt und dementsprechend für eine maximale String-Spannung von 1 kV und einen String-Strom bis zu 13 A DC ausgelegt.

In Bild 2 ist die Lichtbogenerkennung als Blockschaltbild dargestellt. Zur Messung des Stroms im PV-String und zur Isolation der hohen Gleichspannungen und -ströme wird ein Isolationstransformator verwendet. Das galvanisch isolierte Signal an der Sekundärseite des Transformators wird nach Verstärkung und Filterung einem A/D-Wandler (ADC) zugeführt.

Dieser ADC muss einen ausreichend großen Dynamikbereich besitzen, um einerseits die starken Dauerstrichsignale zu verarbeiten und andererseits das schwache Rauschen zu erkennen, das von einem Lichtbogen erzeugt wird. Zur Unterdrückung der unerwünschten Störsignale, die in großen PV-Anlagen üblicherweise auftreten, wird das Signal anschließend einem digitalen Signalprozessor (DSP) zugeführt, der die eigentliche Signalverarbeitung und Lichtbogenerkennung übernimmt. Das Signal, das einen Lichtbogen meldet, kann an einem digitalen Ausgang, über einen UART (Universal Asynchrounous Receiver Transmitter) oder drahtlos ausgegeben werden.

Das System erkennt serielle und parallele Lichtbögen und funktioniert auch bei vorhandenen Störungen durch geschaltete elektronische Komponenten wie z.B. Wechselrichter, Power Optimizer usw. Speziell entwickelte Algorithmen erkennen Lichtbögen sicher und vermeiden Fehlalarme.

Das Lichtbogenerkennungs-Referenzdesign wurde so konzipiert, dass es entweder einem einzelnen String zugeordnet oder in einen intelligenten PV-Verteiler integriert werden kann, der die Überwachung mehrerer Strings an Hand der Busspannung der PV-Anlage ermöglicht.

Das Lichtbogenerkennungs-Signal lässt sich in unterschiedlichen Konfigurationen nutzen, um das Abschalten des betroffenen Anlagenteils zu veranlassen – nämlich über einen PLC oder durch drahtlose Übertragung zum Freischalten der einzelnen Panels in einer Anlage oder einem String, durch eine elektromechanische Abschalteinrichtung für einen String oder einfach über die zentrale Abschaltung im Wechselrichter.

Bild 3 gibt die spektrale Leistungsdichte des erfassten Stroms nach erfolgter Filterung und Quantisierung mit bzw. ohne Lichtbogen wieder. Der Lichtbogen tritt in einem PV-String mit einem Gleichstrom von 12 A auf.