Lokalisierung von Störlichtbögen im Photovoltaiksystem

Wendl, Michael GND

Ziel der Forschungsarbeit ist die Beschreibung neuartiger Methoden zur Lokalisierung von Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen. Dafür wird systematisch die Brennspannung von Gleichstrom-Lichtbögen im Frequenzbereich bis 500kHz untersucht und dabei realistische Umgebungsbedingungen gewählt, wie sie in Photovoltaikanlagen vorherrschen. Es wird experimentell nachgewiesen, dass sich der Lichtbogen als Signal-Spannungsquelle beschreiben lässt. Ein Photovoltaiksystem wird durch die Kleinsignal-Ersatzschaltbilder der einzelnen Komponenten abgebildet und damit ein Modell für Transienten-Simulation erstellt. Damit ist es möglich, einen Störlichtbogen im PV-System simulativ im Frequenzbereich zu bewerten. Es werden verschiedene Konzepte zur Lokalisierung von Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen bewertet. Das zielführendste Konzept ist als Prototyp realisiert. Es war in einem Praxistest in einer realen PV-Anlage in der Lage, alle dort gezündeten Lichtbögen korrekt zu lokalisieren.

The issue of the present thesis is the investigation, verification and validation of methods for the automatic localization of arcing faults in photovoltaic systems. An area of particular interest is the behavior of the arcing voltage of arcing faults in photovoltaic systems at alterable conditions. The high frequency part of the burning voltage of directional current (DC) arcs were investigated in the frequency range from 1 . . . 500 kHz, and for these investigations the environmental conditions were chosen as they are in real photovoltaik (PV) systems. The current through the arc was varied between 2 . . . 17A, the distance between the electrodes was set from 0,2 . . . 4mm and the electrodes were changed from copper to aluminium and construction steel. As a result, the shapes of the observed power spectral densities differed from the shapes which are described in the literature, in most cases for higher currents. By means of experiments with arcs and a variation of the load impedance, it could be shown that in the high frequency region the arc can be described as a voltage noise source. Based on characterization measurements the equivalent circuits of the parts of a photovoltaic system were parameterized at various working points and therewith a real PV system was modeled as a network. The simulation of series arcs in photovoltaic systems with PSpice showed, in which way the power spectral density of the current behaves for alterable environmental conditions and system configurations. Different concepts for automatic locating an arc fault in a photovoltaik system were evaluated on the basis of simulation results. One of those concepts appeared to be the most reliable and it was realized as a prototype. In a field test, this system was able to locate all arcs, ignited in a real photovoltaik system. Within the scope of the research work, a conference contribution (reviewed) was presented at the „27th International Conference on Electrical Contacts“ (ICEC) 2014 in Dresden (Germany): „HF Characterization of Low Current DC Arcs at Alterable Conditions“ [142] Based on the achieved knowledge, the following inventions are patent pending: 1. DE 102014226999 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage [141] 2. DE 102015204376 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens [144] 3. DE 102013219490 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren eines Lichtbogens in einem Strompfad einer Fotovoltaikanlage [140] 4. DE 102013219494 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls [139] 5. DE 102012217878 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer aktiven Bypassdiode in einem Photovoltaiksystem [90] 6. DE 102014223593 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Degradationszustandes eines Fotovoltaikmoduls [143]

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung, Verifikation und Validierung von Methoden zur automatischen Lokalisierung von Störlichtbögen im Photovoltaiksystem. Von besonderem Interesse ist hierfür das Verhalten der Brennspannung von Störlichtbögen in Photovoltaik- (PV-) Anlagen bei variablen Umgebungsbedingungen. Es wurden systematisch die hochfrequenten Signalanteile der Brennspannung von Gleichstrom-Lichtbögen im Frequenzbereich von 1 . . . 500 kHz untersucht und dabei realistische Umgebungsbedingungen gewählt, wie sie in Photovoltaikanlagen vorherrschen. Der Strom im Lichtbogen wurde von 2 . . . 17A, der Elektrodenabstand von 0,2 . . . 4mm variiert und als Elektrodenmaterialien wurden Kupfer, Aluminium und ein unlegierter Baustahl eingesetzt. Dabei wurde ein von der Literatur abweichender Verlauf des Leistungsdichtespektrums beobachtet, welcher meist für Lichtbögen mit höheren Strömen beschrieben wird. Durch Experimente mit Lichtbögen bei variabler Lastimpedanz konnte gezeigt werden, dass sich der Lichtbogen als hochfrequente Spannungsquelle beschreiben lässt. Basierend auf Charakterisierungsmessungen wurden Ersatzschaltbilder der Bestandteile eines Photovoltaiksystems bei verschiedenen Arbeitspunkten parametrisiert und damit eine reale PV-Anlage als Netzwerk modelliert. Die Simulation von seriellen Störlichtbögen im Photovoltaiksystem mit PSpice zeigte wie sich das Leistungsdichtespektrum des PV-Stroms bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Anlagenkonfigurationen verhält. Anhand von Simulationsergebnissen wurden verschiedene Konzepte zur automatischen Lokalisierung von Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen bewertet. Das zielführendste Konzept wurde als Prototyp realisiert und einem Praxistest unterzogen. Dieses System war in der Lage, in einer realen Photovoltaikanlage alle dort gezündeten Lichtbögen korrekt zu lokalisieren. Im Rahmen der Forschungsarbeiten entstand ein Konferenzbeitrag (reviewed) zur „27th International Conference on Electrical Contacts“ (ICEC) 2014 in Dresden: „HF Characterization of Low Current DC Arcs at Alterable Conditions“ [142] Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurden folgende Erfindungen zum Patent angemeldet: 1. DE 102014226999 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage [141] 2. DE 102015204376 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens [144] 3. DE 102013219490 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren eines Lichtbogens in einem Strompfad einer Fotovoltaikanlage [140] 4. DE 102013219494 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls [139] 5. DE 102012217878 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer aktiven Bypassdiode in einem Photovoltaiksystem [90] 6. DE 102014223593 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Degradationszustandes eines Fotovoltaikmoduls [143]

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Wendl, Michael: Lokalisierung von Störlichtbögen im Photovoltaiksystem. Ilmenau 2019.

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