Lichtbögen können immer dann entstehen, wenn der Stromfluss in der Verkabelung oder den Steckverbindern unterbrochen wird. Die Lichtbögen können nicht nur die gesamte Anlage unter Strom setzen, was eine Gefahr für Personen darstellt, sondern auch Brände verursachen. Die Norm UL 1699B gilt für Systeme mit einer DC-Busspannung von 80 bis 1.000 V. Sie verlangt die Ausstattung der Lichtbogenerkennung mit einem Melder, der das Ansprechen der Lichtbogenerkennung beispielsweise optisch oder akustisch signalisiert. Je nach Anwendungsfall kann auch eine Fernanzeige erforderlich sein. Bei einer PV-Anlage ist es zudem sinnvoll, das Energieversorgungs-Unternehmen oder den Anlageneigner über die Störung zu informieren. Der Großteil der PV-Anlagen ist mit Zentralwechselrichtern bestückt, die mit langen Kabeln an eine große Zahl von PV-Modulen angeschlossen sind. Bei typischen Dachanlagen auf Wohnhäusern sind Spannungen zwischen 200 und 600 V üblich. Eine Lichtbogenerkennung wird zwischen jedem Wechselrichter und dem angeschlossenen String benötigt. Eine Alternative ist die Ausstattung jedes PV-Moduls mit einem eigenen Mikrowechselrichter. Diese Architektur bietet mehr Flexibilität und Skalierbarkeit. Da die Gleichspannung an jedem Mikrowechselrichter kleiner als 80 V ist, wird keine Lichtbogenerkennung benötigt.
Herausforderungen der Lichtbogenerkennung
Ein wichtiges Element der UL 1699B ist die Forderung, dass das Lichtbogendetektierungs-System nach erfolgter Aktivierung manuell zurückgesetzt werden muss. Die von Fehlalarmen verursachten Kosten speziell für fernüberwachte Anlagen werden dadurch zu einem wichtigen Faktor. Schaltet sich ein komplettes Array wegen eines Fehlalarms ab, kann bis zum manuellen Zurücksetzen ein beträchtlicher Einnahmeverlust entstehen. Die Entwickler befinden sich deshalb in einem Dilemma, denn sowohl nicht erkannte als auch fälschlich gemeldete Lichtbögen können hohe Kosten nach sich ziehen. Zur Detektierung eines Lichtbogens wird die anstehende Gleichspannung in ein digitales Signal verwandelt und weiterverarbeitet, um die spektrale Rauschleistungsdichte zu analysieren. In Abbildung 1 ist die spektrale Rauschdichte eines Zentralwechselrichters ohne bzw. mit Lichtbogen dargestellt. Wie man sieht, steigt durch einen Lichtbogen die Rauschleistungsdichte im Frequenzbereich von 40 bis 100 kHz an. Eine Möglichkeit der Lichtbogendetektierung besteht darin, plötzliche Anstiege des Rauschens gegenüber dem normalen Level zu erkennen. Wegen des fehlenden Bezugswerts bleiben hierbei jedoch Lichtbögen, die sofort beim Einschalten der Anlage entstehen, unentdeckt. Erschwert wird die Aufgabe dadurch, dass die gängigen Stringwechselrichter ein Rauschspektrum erzeugen, das dem eines Lichtbogens sehr ähnelt. Abbildung 2 zeigt, dass das Rauschspektrum des Wechselrichters Spitzen aufweist, die höher sind als das vom Lichtbogen erzeugte Rauschen. Der Unterschied zwischen Normalbetrieb und Lichtbogen-Ereignis ist insgesamt so gering, dass sich die sichere Detektierung schwierig gestaltet. Dieses Problem ist alles andere als trivial. Die erforderlichen Algorithmen sind recht komplex und müssen mehrere Filter gleichzeitig auswerten, um Fehlalarme auszuschließen. Abgesehen davon müssen sie schnell verarbeitet werden, damit der Stromkreis von den zwangsläufig langsam reagierenden mechanischen Schaltelementen unterbrochen werden kann, bevor es zu Schäden kommt oder ein Brand entsteht. Als Analog Front End der Detektierungs-Schaltung dient ein Stromwandler, der den Strom im String erfasst, als Bandpassfilter dient und das Signal verstärkt, bevor es von einem ADC digitalisiert und zur Weiterverarbeitung an einen DSP weitergeleitet wird. Der ADC muss schnell und hochauflösend sein, um Lichtbögen in dem UL 1699B-gemäßen Zeitfenster von zwei Sekunden zuverlässig erkennen und die Abschaltung vornehmen zu können. Ein 16-Bit-ADC mit 250 kSamples/s reicht hierfür aus. Da die Verarbeitung des digitalen Signals im Frequenzbereich mithilfe komplexer Algorithmen erfolgt, wird ein echtzeitfähiger DSP benötigt. Eine 32-Bit-Architektur bietet sich hier als schnellste und effizienteste Lösung an. Mehrere FFT-basierte Filter detektieren Amplitudenspitzen im Hochfrequenz-Rauschen der Gleichstromleitung und ermitteln daraus, ob ein Lichtbogenereignis vorliegt. Ist dies der Fall, muss über analoge Ausgänge und Relais die sofortige Abschaltung des Wechselrichters veranlasst und ein akustischer und/oder visueller Alarm ausgelöst werden. Über eine digitale Schnittstelle, die sich auch für die Fernauslösung des Selbsttests nutzen lässt, kann zusätzlich eine Meldung an einen externen Controller geschickt werden.
Lichtbogenerkennung für alle Anlagen
Lichtbogenerkennungs-Systeme sind nicht nur für Neuanlagen erforderlich, sondern müssen auch an bestehenden Anlagen nachgerüstet werden. Nachrüstsätze können relativ einfach aufgebaut sein und sich auf das Lichtbogenerkennungs-Subsystem und einen Trennschalter beschränken. Bei Neuinstallationen bietet es sich dagegen an, die Lichtbogenerkennung direkt in den Wechselrichter zu integrieren. Dies ist kostengünstiger, da die Lichtbogenerkennung dann zusammen mit anderen Funktionen - zum Beispiel dem Maximum Power Point Tracking (MPPT) - auf einem Prozessor laufen kann. Ebenso ist es möglich, eine Detektierungsfunktion für mehrere Strings zu nutzen. Dies minimiert den Bauteileaufwand, vereinfacht die Installation und reduziert die Zahl der ausfallgefährdeten Komponenten. Um ein System zur Lichtbogenerkennung testen zu können, ist es erforderlich, Lichtbögen unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen. Die dafür nötigen Vorrichtungen sind jedoch nicht allgemein verfügbar, sodass die Entwickler hier auf den Selbstbau angewiesen sind. Der PV-String wird durch eine Gleichspannungsquelle simuliert, die mit einem Ohmschen Ballastwiderstand verbunden ist. Den Lichtbogen kann man dann nach Bedarf mithilfe eines Messerschalters auslösen. Da das Auslösen eines Lichtbogens zwangsläufig mit gefährlichen Spannungen einhergeht, sind besondere Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Der Detektierungsalgorithmus bedarf einer Feinabstimmung, wobei zu berücksichtigen ist, dass Umweltfaktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit Einfluss auf die Genauigkeit und das Ansprechverhalten haben können. Die von Texas Instruments (TI) implementierte Lichtbogenerkennung untersucht mehrere Frequenzbänder separat und führt die Ergebnisse zu einem Lichtbogenprofil zusammen. Vom Entwickler kann beispielsweise festgelegt werden, welche Frequenzbänder verarbeitet werden sollen und welche Grenzwerte gelten. Außerdem kann die Mindestfrequenz bestimmt und über die Gewichtung der einzelnen Filter entschieden werden. Als Hilfestellung für Entwickler bietet TI das Lichtbogen-Detektierungssystem SM73201 für PV-Anlagen an. Das aus Hard- und Software bestehende komplette Referenzdesign ermöglicht die präzise Lichtbogen-Detektierung ohne Fehlalarme. Die Evaluierung des Systems ist mit einer DC-Stromversorgung von 200 V/2 A möglich. Die Leiterplatte selbst lässt sich mit 6 V/150 mA oder einer 9-V-Batterie versorgen.
