CN103890957B - 用于光伏系统的安全设备及用于操作安全设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于馈电到电源系统（50）中的光伏系统的安全设备（20），该安全设备（20）包括用于连接到PV发电机（10）的至少一个输入（21、22）和用于连接到逆变器（30）的至少一个输出（23、24），并且包括用于给至少一个输出（23、24）断电的开关元件（29）。该安全设备（20）的区别之处在于包括评估单元（27）的事实，评估单元（27）布置成依赖于在至少一个输出（23、24）处的低频信号切换开关元件（29）。本发明还涉及用于操作这种安全设备（20）的方法。

Description

用于光伏系统的安全设备及用于操作安全设备的方法

本发明涉及用于光伏系统的安全设备以及用于光伏系统的安全设备的操作方法。

光伏系统，在下文中缩写为PV系统，用于把太阳光转换成电能。为此，多个光伏模块，在下文中缩写为PV模块，通常电互连到一起，作为光伏发电机，其中每个光伏模块都代表多个光伏电池的互连。光伏发电机(PV发电机)连接到逆变器，该逆变器常常是远程安装的，用于把由PV发电机传递的直流电流转换成适合馈送到公共或私用(隔离的操作)电源系统中的交流电流。

在这种背景下，PV模块大部分是以这样一种方式串联连接的，使得在PV发电机和逆变器之间延伸的直流电流线路被加载基本上大于100V范围内的电压。除其它的之外，为了效率，这个数量级的电压是合适的，以便保持线路中的欧姆损失小得可以容忍，而不需要选择太大的线路横截面积。但是，由于入射到PV模块上的光，存在由于损坏情况下的高电压而造成致命电击的风险，例如在着火的情况下或者在安装和维护工作期间。如果没有进一步的保护措施，那么，在直接接触或间接接触(例如，经淬火水(quenching water))的情况下对生命造成的危险只能通过停止PV模块的电力生成来禁止，例如通过使PV模块处于黑暗之中。但是，在大型PV系统的情况下或者在着火的情况下，这是难以实现的。

为了在某些情形下避免危险电压的发生，例如在着火或者PV系统维护工作期间，尤其是在PC系统的可接近或暴露组件处，把开关元件(例如机电开关、电流接触器或者半导体开关)布置在PV模块的空间附近(例如在PV模块的连接插口中)是已知的。所述开关元件经控制线受逆变器或者任何其它控制中心的控制并且给PV模块与逆变器之间的电力发送连接线断电。这可以通过经开关元件中断连接线或者通过短路PV模块来进行，如在期刊Photon，2005年5月版75-77页中所公开的。

PV发电机和逆变器之间的连接线也可以通过布置在PV发电机的信号切换元件来断电，如在印刷文档DE102005018173A1中所公开的。印刷文档DE102009022508A1公开了一种类似的设置，其中用于给PV发电机和逆变器之间的电力发送连接线断电的开关元件布置成紧靠PV发电机。对于根据建筑物电源系统的状态给连接线断电，该开关元件是干线操作的（mains-operated）。在这种情况下，“干线操作”指开关元件直接耦合到建筑物电源。因此，电源线必须在PV发电机处提供。

在所有这些情况下，必需提供附加的线路来把控制信号发送到位于PV发电机处的开关元件。

作为一种备选方案，从印刷文档DE102006060815A1已知，经用于从PV发电机向逆变器发送电力的直流电流线路把控制信号作为射频信号发送。为此，要为开关元件提供控制单元，该控制单元解码以射频发送的控制信号并且控制切换过程。为了生成射频控制信号，提供分离的而且通常是精心设计并且昂贵的信号发生器。为了满足EMC（电磁兼容）准则，射频控制信号的使用还使得信号发生器的电磁屏蔽中相对高的支出成为必需。

本发明的一个目标是为PV系统创建安全设备，利用简单的结构，该安全性设备可靠地并且安全地防止把PV发电机连接到逆变器的至少显著长度的直流电流（DC）线路在某些情形下（例如，在危险的情况下）被加载高电压。本发明的另一个目标是规定用于这种安全设备的操作方法。

这个目标是通过具有权利要求1的特征的安全设备和具有权利要求17的特征的操作方法实现的。

根据本发明、用于馈电到电源系统中的光伏系统的安全设备包括 用于连接到PV发电机的输入和用于连接到逆变器的至少一个输出，并且包括用于给至少一个输出断电的开关元件。其特征在于它还具有评估单元的事实，该评估单元布置成依赖于在至少一个输出处存在的低频信号切换开关元件。

在商用逆变器的情况下，逆变器一连接到功能电源系统，相对地电位处于低幅值的低频信号就被施加到逆变器的至少一个直流电流输入。本发明利用这个事实远程地给直流电流线路断电。

当逆变器的内部开关元件断开时，例如，在晚上，当没有足以馈入的电力被PV发电机供给时，也能观察到低频信号。只有当逆变器前面（从到电源系统的方向看）的隔离元件（例如PV系统的主开关或者完整的建筑物的主保险丝开关）打开时或者当电源系统不提供任何电压时，在逆变器的一个直流电流输入处才观察不到低频信号，并且因此也不会在连接到逆变器的输入的直流电流线路处观察到低频信号。因此，当逆变器前面的隔离元件由于检测到施加或未施加到直流电流线路的低频信号而操作时，开关元件被切换。因此，开关元件给PV发电机和逆变器之间的电力发送连接线（即，直流电流线路）断电，而不需要任何专用的附加信号发送线路。此外，不需要为此目的的专用信号发生器，而在别的情况下将例如需要使用射频控制信号。相反，由逆变器固有提供的低频（干扰）信号被用于控制开关元件。在危险的情况下，例如在着火的情况下，正常的过程包括通过隔离元件从交流电流侧给PV系统断电。然后，根据本申请的安全设备还自动地给直流电压侧断电并且因此提供例如安全的熄灭工作。

在本申请的背景下，至少一个输出的断电状态在这里应当理解为是这样的安全状态，其中，即使连接到该输出的导体或元件没有电绝缘或者具有被损坏的绝缘，与该导体或元件的接触也不会造成生命或健康危险。

在安全设备的一种有利的实施例中，低频信号是电压信号。特别优选的是，该安全设备具有用于连接到地电位的端子，评估单元布置成用于确定至少一个输出和地电位之间电压信号。在安全设备的一种 有利的实施例中，低频信号是电流信号。特别优选的是，该安全设备具有连接到评估单元的电流测量设备，评估单元布置成用于确定流经至少一个输出的电流作为电流信号。电压或电流信号的测量都代表用于检测低频信号的合适的可能性。其中电压和电流信号都测量的组合也是可能的。依赖于PV发电机的特性并依赖于操作和环境条件，例如湿度，电压或电流测量更适合可靠地检测低频信号。因而，这两种测量的组合对低频信号的可靠检测会是有利的。

在安全设备的一种更加有利的实施例中，低频信号具有对应于电源系统中的系统频率的整数倍的频率。特别优选的是，该频率对应于电源系统中的系统频率的至少一倍且至多10倍。低频信号在系统频率本身或者在系统频率的小整数倍下尤其独特，这是为什么在这种频率下的测量尤其适合的原因。

在安全设备的更加有利的实施例中，至少一个输出的断电经安全设备的输入处的短路或者通过分离至少一个输入与至少一个输出的连接来发生。这二种方法都是用于切换输出成没有危险的电压的合适可能性。

根据本发明、用于操作用于馈电到电源系统中的光伏系统的安全设备的方法具有以下步骤：确定连接到逆变器的安全设备的至少一个输出的低频信号的电平。如果低频信号的电平高于第一阈值，则该输出连接到耦合到PV发电机的输入。如果低频信号的电平低于第二阈值，则该输出被断电。这导致与结合根据本发明的安全设备所述的相同的优点。

安全设备与操作方法的进一步的发展与优点在从属权利要求中规定。

在下文中，本发明将借助八个附图通过示例性实施例更具体地进行解释，其中：

图1示出了第一种示例性实施例中具有安全设备的PV系统的图示表示，

图2示出了逆变器中所包含的测量设备的等效电路，

图3至6示出了在每种情况下安全设备的进一步的示例性实施例的电路图，

图7示出了另一种示例性实施例中具有多个安全设备的PV系统的图示表示，及

图8示出了另一种示例性实施例中包括安全设备的PV系统的图示表示。

图1图示示出了第一种示例性实施例中具有安全设备的PV系统的基本配置。

该PV系统具有经连接线11、12连接到安全设备20的输入21和22的PV发电机10。安全设备20还具有输出23和24，直流电流线路13和14从这些输出通向经交流电流线路17、18经隔离元件40连接到电源系统50的逆变器30。直流电流线路13和14用于把由PV发电机10生成的光伏电力发送到逆变器30。

作为例子，图1中的PV发电机10由个体光伏电池的电路符号来符号化。在所示PV系统的实现中，PV发电机10可以是个体的PV模块，该PV模块又包含多个光伏电池。类似地，PV发电机10还可以是多个PV模块的串联连接，即所谓的串，其中个体PV模块的电压相加。PV模块的并联连接或者混合的串联与并联连接也是可能的。

逆变器30具有中心组件，DC/AC转换器31。逆变器30在其DC-侧输入处具有在图中通过与该输入并联连接的输入电容器32符号化的输入电容。例如，DC/AC转换器31——并且因此还有逆变器30——设计成用于单相馈电到电源系统50中。但是，很自然地，逆变器30也可以设计成多相，尤其是三相。作为例子，电源系统50表示为具有一个相位L和中性导体N的单相系统，在这种背景下，很自然地，它还可以具有只是在所示PV系统的情况下未连接的其它相位。此外，在电源系统50中还存在中性导体N与地电位PE之间的 连接。在安全设备20处经进一步的地电位端子和安全设备20的端子25之间的连接线15并且在逆变器30处经进一步的地电位端子和逆变器30之间的连接线16，地电位PE也可用。

如果必要，则逆变器附加地在输入电容32和DC/AC转换器31之间包含DC/DC转换器和下游的DC-链路电容（在图1中未示出）。DC/DC转换器把PV发电机的DC电压转换成在DC/AC转换器工作范围内的DC电压并且跨DC-链路电容提供转换后的DC电压。

在交流电流端，DC/AC转换器31可以经两极内部开关元件33连接到逆变器30的输出并且因此最终连接到电源系统50。于是，内部开关元件33分离到电源系统50的连接的相位L和中性导体N。在多相逆变器30的情况下，内部开关元件33对应地设计成多极，使得与电源系统50的分离扩展到所有相位。

此外，逆变器30还包括测量布置34，该测量布置34一方面连接到逆变器30的交流电流输出并且另一方面连接到DC/AC转换器31的直流电流侧。测量设备34用于确定与逆变器30的操作相关的系统电压的参数。尤其是当输出侧上的内部开关元件33打开时，关于系统电压的这些参数的信息是需要的。

因而，例如，在逆变器的启动阶段期间，DC/AC转换器的输出电压与系统电压的幅值和相位同步。这种同步利用打开的内部开关元件33发生。只有在完成同步之后逆变器才通过闭合内部开关元件33而链接到系统。这是为什么测量设备34直接连接在逆变器30的输出处而不是DC/AC转换器31的交流电流输出的原因。

在危险的情况下，独立于由PV发电机10提供的电压，安全设备20被用于防止危险的高电压在输出23、24处并因此在通向逆变器30的直流电流线路13、14处出现。由于PV发电机10在光照射的情况下向连接线11、12施加具有可能致命的幅值的电压，因此安全设备20优选地放置成尽可能靠近PV发电机10，以便保持连接线11、12的长度对应地短。

为了能够给输出23、24并因此给直流电流线路13、14断电，安全设备20具有位于输入21、22和输出23、24之间的开关元件29，该开关元件29被驱动器电路28驱动。开关元件29可以是例如电流接触器，但是半导体开关的使用也是可预期的。在这里，合适的半导体开关是例如IGBT（绝缘栅极双极晶体管）或者MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。开关元件29可以切换两个输出23和24，如所示出的。但是，通过开关元件29，有可能只切换输出23或24中的一个。还假设，例如为了增加开关可靠性，使用多个开关，例如与开关元件29串联互连的多个半导体开关。在一种特别优选的实施例中，开关元件具有熄灭和/或避免切换电弧的装置。切换电弧分别可以通过例如使用真空切换电流接触器或者通过半导体开关与机电开关的组合来熄灭或避免。

代替分离输入21、22和输出23、24之间的连接，还有可能以使得输入21、22为了断电而被短路这样一种方式布置开关元件。

驱动器电路28并且经此还有开关元件29被评估单元27驱动，其中评估单元27经滤波器26连接到输出24并因此连接到逆变器30的负直流电压电位DC-并且经输入25连接到地电位PE。安全设备20的组件经在输入21、22处存在的PV电压通电。为了清晰，用于给组件供电的对应设备（降压转换器、电压调节器等）没有示出。

滤波器26优选地允许低频交流电压通过，尤其是其频率为系统频率的小整数倍的交流电压。滤波器26因此可以设计成例如系统频率的一倍（基频）、系统频率的两倍或者若干倍。但是，滤波器26设计成的频率一般不超过系统频率的10倍。例如，它可以构造成作为模拟带通滤波器或者高通滤波器。具有带通或高通滤波器的对应滤波器特性的数字信号处理也是实现滤波器26可预期的。

评估单元27布置成用于关于地电位PE确定在滤波器26的输出处的信号的电平并且依赖该电平的量级切换开关元件29。只有当该电平的预定量级被超过时，开关元件29才接通并且把输出23、24连接到输入21、22并因此把PV电压施加到直流电流线路13、14。

如将结合图2更具体解释的，逆变器30一连接到操作电源系统50，与地电位相比而言具有低幅值的低频（通常是系统频率）信号就施加到商用逆变器30的负直流电流输入（DC-）。当逆变器30的内部开关元件33断开时，例如在晚上没有足以馈入的电力被PV发电机10供给时，这也适用。只有当逆变器30前面的隔离元件40（例如PV系统的主开关或者整个建筑物的主保险丝开关）打开时或者当电源系统50不提供任何电压时，才没有低频信号在逆变器30的负直流电流输入（DC-）处被观察到。因此，由于系统频率信号的检测，开关元件29与逆变器30前面的隔离元件40同时地或者与其相比只有很短延迟时间地切换。为此，提供安全设备20的开关元件29的控制机制，而不需要用于信号发送的专用信号线。而且，不需要专用的信号发生器生成射频控制信号。相反，由逆变器30固有地产生的系统频率（干扰）信号用于控制开关元件29。在危险的情况下，例如在着火的情况下，正常的过程包括通过隔离元件40从交流电流侧给PV系统断电。然后，由于没有低频信号在连接到直流电流线路14的输出24处被评估单元27检测到的事实，根据本申请的安全设备20自动地还给直流电压侧断电。因此，保证了安全的熄灭工作。

在下文中，通过图2解释用于控制开关元件29的低频信号的起源。

图2示出了逆变器30的测量设备34的等效电路。测量设备34的目的是提供电源系统的参数，例如以无害低电压的形式用于控制逆变器30并且尤其是用于控制DC/AC转换器31的系统电压随时间的量级和变化。在所示出的例子中，位于负直流电流输入处，即位于连接到图1中直流电流线路14的逆变器30的输出处，的DC-电位代表DC/AC转换器31中的参考电位。在测量设备34中，利用这个DC-电位作为参考电位，经电容器341至344和电阻器345和346的网络，电源系统50的相位L和中性导体N都被带入更容易管理的低信号电平。系统电压参数的实际测量在图2的等效电路中没有示出。它发生在由箭头点符号化的测试点347和348处。

在这种背景下，由于在AC侧与DC侧之间的耦合，关于地电位PE的系统频率交流电压施加到逆变器30的负和/或正直流电流输入处，这与本申请的主题相关。这种交流电压信号的幅值依赖于系统电压的量级、耦合元件的尺寸，即耦合电容器341至344和耦合电阻器345、346的尺寸，并且依赖于泄漏电容350，该泄漏电容350代表PV系统直流电压侧的，尤其是PV发电机10和直流电流线路11、12及13、14的，关于地电位PE的电容。在图2中，这个泄漏电容通过等效的电容器350符号化。

在许多情况下，系统频率信号还从DC-直流电流线路14经输入电容器32和/或DC-链路电容器（未示出）耦合到DC+直流电流线路13，使得最后该系统频率信号出现在直流电流线路13、14上。作为所示情况的一种备选选项，还可预期，代替DC-电位，DC+电位被选作用于电压测量的参考电位。在这种情况下，系统频率的信号首先耦合到DC+直流电流线路13中，然后它从那里经输入电容器32和/或有可能经DC-链路电容器发送到DC-直流电流线路14。在这里，信号最终也出现在直流电流线路13、14上。作为图1和图2中所示的其中滤波器26在安全设备20的输出24处分接在DC-直流电流线路14上出现的信号的示例性实施例的备选方案，滤波器26还可以连接到输出23，以便分接在DC+直流电流线路13上出现的信号。

图3示出了可以用在图1所示的PV系统中的安全设备20的第二种示例性实施例。在这个图以及以后的图中，相同的标号识别与图1中的相同或者等效的元件。用于向安全设备20的组件供电的设备没有再示出。

图3的安全设备20的基本结构与图1的那些对应。关于输入和输出21-24、开关元件29和驱动器电路28，参考结合图1所进行的描述。为了在输出24处把系统频率的信号耦合出去，在这里使用电感耦合261，例如通过Rogowski线圈所实现的。因而，Rogowski线圈构成用于流经输出24的低频电流的电流测量设备。在被滤波器26过滤之后，连同地电位PE一起，把耦合出去的电流信号提供给评估 单元27。评估单元27构造成作为例如比较器，其前面有整流放大器。当位于滤波器26的输出处的信号的电平超过第一预定值时，驱动器电路28接通开关元件29。如果该电平降至低于第二预定值，则驱动器电路28再次断开开关元件29。第一预定值对应于用于信号的第一接通阈值，而第二预定值对应于断开阈值。优选地，为了实现安全的切换行为而提供切换滞后作用，因为断开阈值低于接通阈值。此外，评估单元27中的放大器的增益优选地是可以调节的，以便使安全设备20适应系统频率信号的信号电平，因为，如结合图2所陈述的，后者对于不同的PV系统可以是个体上不同的。还可以关于时间在某个容限带内对个体但固定的PV系统进行区分。这是由于PV发电机和地电位PE之间的泄漏电容除其它参数之外还依赖于可能随时间变化的环境条件——例如天气——的事实。

在图3的示例性实施例中，系统频率信号作为电流信号来检测。为了确保：即使开关元件29打开，低频电流信号也可以在至少DC-直流电流线路14上流动并且可以在输出24处被观察到，提供电容器262，该电容器262为低频电流提供朝着地电位PE的路径。作为一种备选方案，也可以提供电容器263（在图3中以虚线示出），该电容器263桥接开关元件29的连接到输出24的开关触点。这种电容器263提供了经PV发电机10朝着地电位的低频电流流，例如，当PV发电机10以其端子中的一个接地时（单极接地）。

图4示出了安全设备20的另一种示例性实施例。与图3的示例性实施例不同，滤波器26在这里直接耦合到输出24。因而，检测的不是电流信号而是电压信号。作为一种备选方案，还有可能既检测电流又检测电压信号。操作状态及环境条件，例如湿度，关于地电位PE影响PV发电机10的泄漏电容（比较图2中的等效电容器350）并且因此影响其阻抗。依赖于关于地电位PE的阻抗，电压或电流信号在输出24处更加独特。既检测电流又检测电压提供了信息信号可以独立于逆变器30和PV发电机10的操作状态和环境条件而获得的优点。

此外，在这种实施例中，开关元件29在三个阶段中构造。除接通和断开阶段之外，还提供了中间切换阶段，其中，输入和输出21、22和23、24分别在每种情况下经一个高电阻电阻器291、292连接。

在隔离元件40最初接通但逆变器30的内部开关元件33被断开（例如，在晚上）的情况下，系统频率的信号只在输出24处显示低电平。然后，当PV电压上升并且安全设备20开始操作时，它检测到系统频率信号的存在，并且在图3的示例性实施例中，立即接通开关元件29。在接通开关元件29之后，由于PV发电机10关于地电位PE的增加的泄漏电容，信号的电平降低。这会导致系统频率信号的电平降至低于开关元件29再次断开的阈值。为了防止这种情况，当在图4的示例性实施例中接通阈值被超过时，开关元件29的中间切换阶段首先被激活，而且，如果接通阈值在经过例如几十秒范围内的预定时间之后还被超过，开关元件29就首先完全接通。通过中间切换阶段，直流电压施加到逆变器30的输入，就此它开始操作并且接通内部开关元件33。PV发电机的电容的影响被电阻器291、292减小，这是为什么接通电平最初被进一步超过的原因。通常，由于内部开关元件33被接通，系统频率信号的电平也上升。在经过预定时间之后，开关元件29完全接通。因此，在这种情况下，系统频率信号的电平足够高，使得即使由于PV发电机10的完全有效的泄漏电容，它也不再降至低于断开阈值。

在开关元件29的断开过程中，还可预期使用开关元件29的中间切换阶段作为对释放信号存在的附加控制。如果在输出24处的信号的电平降至低于第二预定值，则中间切换阶段首先被激活。在这个切换阶段，为了完全断开而检查电平是否仍然降至低于第二预定值。如果情况是这样，就实现完全断开，否则，开关元件就在经过预定时间后再次完全接通。

在安全设备20的一种备选实施例中，还可预期低频电压和低频电流信号都检测。然后，如果电流或电压信号中任何一个高于预定电 平，开关元件29就接通。在这种情况下，有可能实现系统频率信号独立于环境条件（例如湿度）被可靠地检测，其中湿度会关于地电位PE影响PV发电机10的阻抗。

图5示出了安全设备20的进一步的示例性实施例。与前面所示出的示例性实施例不同，在这里，除了输出24处的低频信号，输入21和22处的PV电压的幅值也进行评估，并且在控制开关元件29时考虑。为此，提供电压阈值开关281，其输出连接到驱动器电路28。只有当PV电压超过预定值并且系统频率信号满足前面已经描述过的预定标准时开关元件29才接通。考虑PV电压的幅值，可以防止逆变器在该PV电压（并且因此导致由PV发电机最大可能提供的电力）还不足以操作逆变器时（例如在破晓时分）进行接通尝试。这种接通尝试导致开关元件29并且还可能有内部开关元件33不必要的切换过程，这种切换过程会缩短它们的服务寿命。

就像在图4的示例性实施例中一样，输出24处的系统频率信号被检测到是电压耦合的。在所给出的例子中，可以稍微更具体地示出。经电阻器271的分压器和与齐纳（Zener）二极管布置273并联连接的另一个电阻器272，在滤波器26的输出处出现的信号幅值是有限的，以防止后续组件的破坏或过度驱动。电压受限的信号首先被放大器274放大。放大器274优选地具有可调节的增益因子，该增益因子为系统频率信号的量级并因此为个体PV系统提供最优适应。放大后的信号在下游整流器275被整流、平滑并提供给比较器277，在那里与由连接到地电位的参考电压源276提供的参考电压进行比较。

图6示出了图5电路的扩展。在这里提供了从滤波器26的输出开始的两个检测电路。第一个对应于图5中所示出的并且现在由两个电阻器271a、272a、齐纳二极管布置273a、放大器274a、整流器275a、参考电压源276a和比较器277a构成。第二个检测电路具有第二整流器275b、第二参考电压源276b和第二比较器277b。第二整流器275b经开关278连接到滤波器26的输出，电阻器272b和齐纳二极管布置273b的提供又是为了电压限制。两个比较器277a、277b 的输出彼此经Or元件282链接，然后提供给驱动器电路28。在这种布置中，第二检测电路比第一检测电路具有明显更高的灵敏度。开关278首先闭合。第二检测电路适合即使在输出24的系统频率信号预期最低信号电压时也可靠地接通开关元件29。如果在逆变器30操作过程中出现明显更高的信号电平，则第一检测电路也响应并且也经Or元件282和驱动器电路28驱动开关元件29。在存在相对高信号电平的情况下，开关278优选地打开并且因此第二检测电路被保护不过度驱动。

图7在另一种示例性实施例中在与图1相似的表示中图示示出了具有安全设备的PV系统的基本结构。

在图7的PV系统中，提供了多个PV发电机10，例如在这个例子中是三个，在下文中也被称为PV部分-发电机10。PV部分-发电机10中的每一个都连接到分离的安全设备20。安全设备20的输出彼此串联连接，为了清晰而没有在该图中利用标号提供这些输出。在开关元件29在每种情况下都闭合的情况下，安全设备20的串联电路还对应于PV部分-发电机10的串联电路。PV部分-发电机的所述串联电路连接到逆变器30的输入。后者又经隔离元件40（例如，系统主开关）链接到电源系统50。因为空间的原因，隔离元件40和电源系统50在图5中没有示出。

关于安全设备20和逆变器30，参考结合前面的图所进行的描述。但是，与前面所示的示例性实施例不同，在图7的例子中，电容器264附加地在安全设备20的输出之间提供。类似于图3中的电容器262和263，电容器264确保：即使开关元件29打开，低频信号也在所有安全设备20的输出处出现。因而，在对应的安全设备20接通其开关元件29时，这种低频（尤其是系统频率）信号可以分离地被每个安全设备20检测。当这种情况在每个安全设备20出现时，被串联电路加到一起的PV部分-发电机的PV电压施加到直流电流线路13、14并因此施加到逆变器30的输入。

这种在输出处具有电容器264的安全设备20尤其适合与作为 PV部分-发电机10的单个PV模块集成。在一种特别优选的实施例中，安全设备20因此可以集成到PV模块的连接插口中，这完全避免了暴露潜在危险电压施加到其的线路。

图8图示示出了另一种示例性实施例中包括安全设备的PV系统的基本结构。在该基本结构中，这种PV系统对应于图7中所示的系统。多个PV部分-发电机10再次布置成可串联互连并且耦合到逆变器30。与图7中所示的示例性实施例不同，现在为每个PV部分-发电机10提供一个开关单元20b。每个开关单元20b经控制线20c连接到中心检测设备20a。开关单元20b连同控制线20c和中心检测设备20a一起构成安全设备20。中心检测设备20a优选地布置成靠近发电机，以便保持控制线20c中的布线支出尽可能低。中心检测设备20a具有安全设备20中可以结合所有PV部分-发电机10一起使用的此类组件，诸如滤波器26和评估单元27。每种情况下的开关单元20b都包括至少开关元件29并且，如在所给出的例子中，还可能包括用于开关元件29的驱动器电路28。但是，驱动器电路28也有可能布置在检测设备20a的中心。

附图标记列表

10 PV发电机

11、12 连接线

13、14 直流电流线路

15、16 连接线

17、18 交流电流线路

20 安全设备

20a 中心检测设备

20b 开关单元

20c 控制线

21、22 输入

23、24 输出

25 端子

26 滤波器

261 电感耦合

262-264 电容器

27 评估单元

271、272 电阻器

273 齐纳二极管布置

274 放大器

275 整流器

276 参考电压源

277 比较器

28 驱动器电路

281 电压阈值开关

282 Or元件

29 开关元件

291、292 高电阻电阻器

30 逆变器

31 DC/AC转换器

32 输入电容器

33 内部开关元件

34 测量布置

341-344 耦合电容器

345-346 耦合电阻器

347、348 测试点

350 泄漏电容

40 隔离元件

50 电源系统

N 中性导体

L 相位

PE 地电位

Claims (20)

1.一种用于馈电到电源系统(50)中的光伏系统的安全设备(20)，该安全设备(20)包括用于连接到PV发电机(10)的至少一个输入(21、22)和用于连接到逆变器(30)的至少一个输出(23、24)，并且包括用于给所述至少一个输出(23、24)断电的开关元件(29)，

其特征在于，所述安全设备(20)包括布置成依赖于在所述至少一个输出(23、24)处存在的低频信号而切换所述开关元件(29)的评估单元(27)，

其中所述低频信号包括等于电源系统(50)中的系统频率的整数倍的频率。

2.如权利要求1所述的安全设备(20)，其中评估单元(27)布置成将所述低频信号作为电压信号来测量。

3.如权利要求2所述的安全设备(20)，包括用于连接到地电位(PE)的端子(25)，评估单元(27)布置成确定所述至少一个输出(23、24)和地电位(PE)之间的电压信号。

4.如权利要求1所述的安全设备(20)，其中评估单元(27)布置成将所述低频信号作为电流信号来测量。

5.如权利要求4所述的安全设备(20)，包括连接到评估单元(27)的电流测量设备，评估单元(27)布置成确定流经所述至少一个输出(23、24)的电流作为电流信号。

6.如权利要求2至3中任一项所述的安全设备(20)，其中评估单元(27)还布置成将所述低频信号作为电流信号来测量。

7.如权利要求6所述的安全设备(20)，包括连接到评估单元(27)的电流测量设备，评估单元(27)还布置成确定流经所述至少一个输出(23、24)的电流作为电流信号。

8.如权利要求1所述的安全设备(20)，其中所述低频信号包括等于电源系统(50)中的系统频率的至少一倍且至多10倍的频率。

9.如权利要求1所述的安全设备(20)，包括滤波器(26)。

10.如权利要求9所述的安全设备(20)，其中所述滤波器(26)是带通滤波器。

11.如权利要求1所述的安全设备(20)，包括用于所述低频信号的放大器(274、274a、274b)。

12.如权利要求1所述的安全设备(20)，所述安全设备(20)布置成在高于第一阈值的信号电平下把所述至少一个输入(21、22)连接到所述至少一个输出(23、24)。

13.如权利要求1所述的安全设备(20)，所述安全设备(20)布置成在低于第二阈值的信号电平下给所述至少一个输出(23、24)断电。

14.如权利要求1所述的安全设备(20)，所述安全设备(20)布置成在高于第一阈值的信号电平下把至少一个输入(21、22)连接到所述至少一个输出(23、24)，并且所述安全设备(20)布置成在低于第二阈值的信号电平下给所述至少一个输出(23、24)断电，其中所述第二阈值低于所述第一阈值。

15.如权利要求1所述的安全设备(20)，所述至少一个输出(23、24)的断电经所述安全设备(20)的输入(21、22)的短路而发生。

16.如权利要求1所述的安全设备(20)，所述至少一个输出(23、24)的断电经所述至少一个输入(21、22)和所述至少一个输出(23、24)的连接的分离而发生。

17.如权利要求1所述的安全设备(20)，开关元件(29)包括用于熄灭电弧的装置。

18.如权利要求1所述的安全设备(20)，包括具有所述评估单元(27)的中心检测单元(20a)和具有所述开关元件(29)的至少一个开关单元(20b)，所述中心检测单元(20a)和所述至少一个开关单元(20b)容纳在分离的外罩中。

19.一种用于操作用于馈电到电源系统(50)中的光伏系统的安全设备(20)的方法，该安全设备(20)包括用于连接到PV发电机(10)的至少一个输入(21、22)和用于连接到逆变器(30)的至少一个输出(23、24)，并且包括用于给所述至少一个输出(23、24)断电的开关元件(29)，该方法包括以下步骤：

-确定在所述至少一个输出(23、24)处的低频信号的电平；

-如果该低频信号的电平高于第一阈值，则把所述至少一个输出(23、24)连接到所述至少一个输入(21、22)，及

-如果该低频信号的电平低于第二阈值，则给所述至少一个输出(23、24)断电，以便提供切换滞后作用，

其中所述低频信号的电平被确定为处于等于电源系统(50)中的系统频率的整数倍的频率。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述低频信号具有等于电源系统(50)中的系统频率的至少一倍且至多10倍的频率。