(57)【要約】本発明は、ＰＶ発生器（１０）に接続するための少なくとも１つの入力部（２１、２２）と、インバータ（３０）に接続するための少なくとも１つの出力部（２３、２４）と、少なくとも１つの出力部（２３、２４）を切断するためのスイッチング素子（２９）とを備える、電力供給システム（５０）に電力供給するための光起電力システムに向けたセーフティデバイス（２０）に関する。このセーフティデバイス（２０）は、少なくとも１つの出力部（２３、２４）における低周波の信号に応じてスイッチング素子（２９）を切り換えるために配置された評価ユニット（２７）を備えることを特徴とする。また本発明は、このようなセーフティデバイス（２０）を動作させるための方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＶ発生器（１０）に接続するための少なくとも１つの入力部（２１、２２）と、インバータ（３０）に接続するための少なくとも１つの出力部（２３、２４）と、前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を切断するためのスイッチング素子（２９）とを備える、電力供給システム（５０）に電力供給するための光起電力システムに向けたセーフティデバイス（２０）において、
前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）にかかっている低周波の信号に応じて前記スイッチング素子（２９）を切り換えるために配置された評価ユニット（２７）を備えることを特徴とする
セーフティデバイス（２０）。
【請求項２】
前記評価ユニット（２７）が、前記低周波の信号を電圧信号として計測するために配置されている
請求項１に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項３】
アース電位（ＰＥ）に接続するための端子（２５）を備え、前記評価ユニット（２７）が、前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）と前記アース電位（ＰＥ）との間の電圧信号を求めるために配置されている
請求項２に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項４】
前記評価ユニット（２７）が、前記低周波の信号を電流信号として計測するために配置されている
請求項１から３のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項５】
前記評価ユニット（２７）に接続された電流計測デバイスを備え、前記評価ユニット（２７）が、前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を介して流れる電流を電流信号として求めるために配置されている
請求項４に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項６】
前記低周波の信号が、前記電力供給システム（５０）におけるシステム周波数の整数倍に相当する周波数を含む
請求項１から５のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項７】
前記低周波の信号が、前記電力供給システム（５０）における前記システム周波数の１倍、また多くても１０倍までに少なくとも相当する周波数を含む
請求項６に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項８】
特にバンドパスフィルタであるフィルタ（２６）を備える
請求項１から７のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項９】
前記低周波の信号のための増幅器（２７４、２７４ａ、２７４ｂ）を備える
請求項１から８のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの入力部（２１、２２）を前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）に第１のしきい値を上まわる信号レベルにおいて接続するために配置されている
請求項１から９のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を第２のしきい値を下まわる信号レベルにおいて切断するために配置されている
請求項１から１０のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１２】
前記第２のしきい値が前記第１のしきい値より低い
請求項１０および１１に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）の切断が、前記セーフティデバイス（２０）における前記入力部（２１、２２）の短絡によって行われる
請求項１から１２のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）の切断が、前記少なくとも１つの入力部（２１、２２）と前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）との接続部分の分離によって行われる
請求項１から１２のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１５】
前記スイッチング素子（２９）が、アークを消すための手段を備える
請求項１から１４のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１６】
前記評価ユニット（２７）を有する中央検出ユニット（２０ａ）と、前記スイッチング素子（２９）を有する少なくとも１つのスイッチングユニット（２０ｂ）とを備え、前記中央検出ユニット（２０ａ）および前記少なくとも１つのスイッチングユニット（２０ｂ）が別のハウジングの中に収容されている
請求項１から１５のいずれか一項に記載のセーフティデバイス（２０）。
【請求項１７】
ＰＶ発生器（１０）に接続するための少なくとも１つの入力部（２１、２２）と、インバータ（３０）に接続するための少なくとも１つの出力部（２３、２４）と、前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を切断するためのスイッチング素子（２９）とを備える、電力供給システム（５０）に電力供給するための光起電力システムに向けたセーフティデバイス（２０）を動作させるための方法において、
前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）において低周波の信号のレベルを求めるステップと、
前記低周波の信号のレベルが第１のしきい値を上まわる場合に前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を前記少なくとも１つの入力部（２１、２２）に接続するステップと、
前記低周波の信号のレベルが第２のしきい値を下まわる場合に前記少なくとも１つの出力部（２３、２４）を切断するステップとを含む
方法。
【請求項１８】
前記低周波の信号のレベルが、前記電力供給システム（５０）におけるシステム周波数の整数倍に相当する周波数において求められる
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記低周波の信号が、前記電力供給システム（５０）における前記システム周波数の１倍、また多くても１０倍までに少なくとも相当する周波数を有する
請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力システムのためのセーフティデバイスと、光起電力システムのセーフティデバイスのための動作方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の本文でＰＶシステムと略称される、光起電力システム（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）は、太陽光を電気エネルギーに変換するために用いられる。  
このためには、以下の本文でＰＶモジュールと略称される、それぞれがいくつかの光起電力セルの相互接続を表す多数の光起電力モジュールが、光起電力発生器として通常は電気的に相互接続されている。  
光起電力発生器（ＰＶ発生器）は、しばしば遠隔に取り付けられたインバータに接続され、インバータは、ＰＶ発生器によって送出された直流を、公共または私設（単独動作）の電力供給システムに電力供給されるのに適した交流に変換するために用いられる。
【０００３】
この場合、ＰＶモジュールは、ＰＶ発生器とインバータとの間に延びている直流ラインに実質的に１００Ｖを超える範囲の電圧が加えられるように大抵は直列接続されている。  
このオーダーの大きさの電圧は、とりわけ、大きすぎるライン断面の選択を必要とせずにラインの抵抗損を許容できるほどに小さく維持するために効率面の理由で適している。  
しかし、ＰＶモジュールに対する光の入射により、火災などにおける損傷の際や、あるいは設置またはメンテナンスの作業中においては、高電圧に起因する、死に至る電気ショックの危険性がある。  
さらなる保護対策がないと、直接接触、または、消火用水などを介した間接接触の際における生命への危険性は、たとえばＰＶモジュールを暗くすることによってそのＰＶモジュールによる電力の生成を停止する場合に防ぐことができるにすぎない。  
しかしこのことは、大型のＰＶシステムの場合や、あるいは火災の場合には実施が困難である。
【０００４】
火災などにおける特定の状況や、あるいはＰＶシステムのメンテナンス作業中における、特にＰＶシステムのうちの接触可能な部品、または露出した部品における危険電圧の発生を防止するために、電気機械式スイッチ、接触器、または半導体スイッチなどのスイッチング素子を、ＰＶモジュールの接続用ソケットの中などのＰＶモジュールの空間的近傍に配置することが知られている。  
上記のスイッチング素子は、インバータまたは他の任意の制御センターによって制御ラインを介して制御され、ＰＶモジュールとインバータとの間の電力伝送用の接続ラインを切断する。  
これは、スイッチング素子によって接続ラインを遮断するか、または、非特許文献１などで開示されているようにＰＶモジュールを短絡するかのどちらかによって行われ得る。
【０００５】
また印刷文献である特許文献１で開示されているように、ＰＶ発生器とインバータとの間の接続ラインは、ＰＶ発生器の所に配置された単一のスイッチング素子によって切断されてもよい。  
印刷文献である特許文献２では同様の構成が開示されており、この場合には、ＰＶ発生器とインバータとの間の電力伝送用の接続ラインを切断するためのスイッチング素子がＰＶ発生器の近傍に配置されている。  
このスイッチング素子は、建物の電力供給システムの状態に応じて接続ラインを切断するために「電源動作」している。  
この場合、「電源動作」とは、スイッチング素子が建物の電源に直接つながっていることを意味する。  
このため、ＰＶ発生器の所には電力供給ラインが設けられている必要がある。
【０００６】
これらすべての場合において、ＰＶ発生器の所に配置されたスイッチング素子に制御信号を伝送するためにさらなるラインが設けられる必要がある。
【０００７】
代替形態として、ＰＶ発生器から電力をインバータに伝送するために用いられる直流ラインを介して制御信号を無線周波数の信号として送ることが、印刷文献である特許文献３より知られている。  
このため、スイッチング素子には、無線周波数で伝送された制御信号をデコードしてスイッチングプロセスを制御する制御ユニットが設けられている。  
無線周波数の制御信号を生成するためには、別の、一般に複雑でコストのかかる発生器が設けられる。  
また、無線周波数の制御信号を用いることによって、ＥＭＣ（電磁環境適合性）のガイドラインを満たすために信号発生器の電磁シールドにおける比較的高い費用も必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００５０１８１７３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００９０２２５０８号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００６０６０８１５号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｐｈｏｔｏｎ，Ｍａｙ  ２００５  ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐｐ．７５−７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、ＰＶ発生器をインバータに接続している少なくともかなりの長さの直流（ＤＣ）ラインに、危険などの特定の状況において高電圧が加えられることを簡単な構成で安全かつ確実に防ぐＰＶシステム用のセーフティデバイスを作ることである。  
本発明のさらなる目的は、このようなセーフティデバイスのための動作方法を記述することである。
【００１１】
本目的は、クレーム１の特徴を有するセーフティデバイスと、クレーム１７の特徴を有する動作方法とによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による、電力供給システムに電力供給するための光起電力システムに向けたセーフティデバイスは、ＰＶ発生器に接続するための入力部と、インバータに接続するための少なくとも１つの出力部と、少なくとも１つの出力部を切断するためのスイッチング素子とを備える。  
このセーフティデバイスは、少なくとも１つの出力部にかかっている低周波の信号に応じてスイッチング素子を切り換えるために配置された評価ユニットをさらに有することを特徴とする。
【００１３】
商用インバータの場合、動作可能な電力供給システムにそのインバータが接続されると、アース電位に対して低い振幅である低周波の信号がインバータの直流入力部の少なくとも一方に即座に印加される。  
本発明は、直流ラインを遠隔で切断するためにこのことを利用している。
【００１４】
低周波の信号は、電力供給するのに十分な電力がＰＶ発生器によって供給されない夜などにインバータの内部スイッチング素子がスイッチオフしている時でも観測される。  
低周波の信号がインバータにおける直流入力部の一方で観測されず、そのため、インバータの入力部に接続された直流ラインにおいても観測されないのは、たとえばＰＶシステムのメインスイッチ、もしくは建物全体のメインヒューズスイッチである、インバータの前にある（電力供給システムの方向に見られる）絶縁用素子が開放しているか、または、電力供給システムがいかなる電圧も供給していない場合だけである。  
したがってスイッチング素子は、インバータの前にある絶縁用素子が動作している場合に、直流ラインに印加されているか、または印加されていない低周波の信号の検出によって切り替わる。  
このためスイッチング素子は、いかなる専用のさらなる信号伝送ラインも必要とせずに、ＰＶ発生器とインバータとの間の電力伝送用の接続ライン（すなわち直流ライン）を切断する。  
さらにこのために、たとえば無線周波数の制御信号が用いられることとなる専用の信号発生器も必要とならない。  
その代わり、インバータによって固有に提供される低周波数の（干渉）信号が、スイッチング素子を制御するために利用される。  
火災などの危険の際には、絶縁用素子によってＰＶシステムを交流側から切断することが通常の手順に含まれる。  
さらに本願によるセーフティデバイスは、直流電圧側も自動的に切断し、それによってたとえば安全な消弧動作を可能にする。
【００１５】
本願におけるコンテキストでは、少なくとも１つの出力部の切断状態は、ここでは、出力部に接続された導体または素子が電気的に絶縁されていないか、またはそれらの絶縁が損なわれている場合でも、それらの導体もしくは素子の接触部分が、生命または健康に対する危険性に関与していない安全な状態であると理解される。
【００１６】
セーフティデバイスにおける有利な一実施形態では、低周波の信号は電圧信号である。  
特に好ましくは、セーフティデバイスはさらに、アース電位に接続するための端子を有し、評価ユニットは、少なくとも１つの出力部とアース電位との間の電圧信号を求めるために配置されている。  
セーフティデバイスにおける有利な一実施形態では、低周波の信号は電流信号である。  
特に好ましくは、セーフティデバイスはさらに、評価ユニットに接続された電流計測デバイスを有し、評価ユニットは、少なくとも１つの出力部を介して流れる電流を電流信号として求めるために配置されている。  
両方の計測、すなわち、電圧信号または電流信号の計測は、低周波の信号を検出するのに好適な可能性を意味する。  
電圧信号と電流信号の両方が計測される組み合わせも可能である。  
電圧または電流の計測は、ＰＶ発生器の特性と、動作条件と、湿度などの環境条件とに依存していることから、低周波の信号を確実に検出するのにいっそう適している。  
したがって、両方の計測の組み合わせは、低周波の信号における確実な検出に対して有利であり得る。
【００１７】
セーフティデバイスにおけるさらに有利な実施形態では、低周波の信号は、電力供給システムにおけるシステム周波数の整数倍に相当する周波数を有する。  
特に好ましくは、この周波数は、電力供給システムにおけるシステム周波数の１倍、また多くても１０倍までに少なくとも相当する。  
低周波の信号は、システム周波数自体、または、システム周波数の整数倍のうちの低い方の周波数において特に明瞭であり、このことが、このような周波数の測定が特に好適である理由である。
【００１８】
セーフティデバイスにおけるさらに有利な実施形態では、少なくとも１つの出力部における切断は、セーフティデバイスの入力部における短絡によって行われるか、または、少なくとも１つの入力部と少なくとも１つの出力部の接続部分の分離によって行われる。  
両方ともに、危険な電圧がかからないように出力部を切り換えるのに好適な可能性のあるものである。
【００１９】
本発明による、電力供給システムに電力供給するための光起電力システムに向けたセーフティデバイスを動作させるための方法は、インバータに接続された、セーフティデバイスにおける少なくとも１つの出力部において低周波の信号のレベルが求められるステップと、低周波の信号のレベルが第１のしきい値を上まわる場合に、ＰＶ発生器につながっている入力部に上記の出力部が接続されるステップと、低周波の信号のレベルが第２のしきい値を下まわる場合に上記の出力部が切断されるステップとを有する。  
このことは、本発明によるセーフティデバイスに関連して説明されたのと同様の利点をもたらす。
【００２０】
セーフティデバイスおよびその動作方法におけるさらなる展開、ならびにさらに有利な実施形態は、従属クレームに明記されている。
【００２１】
以下の本文では、８枚の図面を使い、いくつかの例示的実施形態によって本発明をさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の例示的実施形態におけるセーフティデバイスを有するＰＶシステムを表した図を示す。
【図２】インバータに含まれる計測デバイスの等価回路を示す。
【図３】セーフティデバイスにおけるさらなる例示的実施形態の回路図を示す。
【図４】セーフティデバイスにおけるさらなる例示的実施形態の回路図を示す。
【図５】セーフティデバイスにおけるさらなる例示的実施形態の回路図を示す。
【図６】セーフティデバイスにおけるさらなる例示的実施形態の回路図を示す。
【図７】別の例示的実施形態におけるいくつかのセーフティデバイスを有するＰＶシステムを表す図を示す。
【図８】別の例示的実施形態におけるセーフティデバイスを備えるＰＶシステムを表す図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、第１の例示的実施形態におけるセーフティデバイスを有するＰＶシステムの基本構成を図によって示す。
【００２４】
このＰＶシステムは、セーフティデバイス２０の入力部２１および２２に接続ライン１１、１２を介して接続されたＰＶ発生器１０を有する。  
またセーフティデバイス２０は、出力部２３および２４を有しており、これらの出力部２３および２４から直流ライン１３および１４がインバータ３０につながっている。  
インバータ３０は、絶縁用素子４０を介する交流ライン１７および１８を介して電力供給システム５０に接続されている。  
直流ライン１３および１４は、ＰＶ発生器１０によって生成された光起電力をインバータ３０に伝送するために用いられる。
【００２５】
例として、図１のＰＶ発生器１０は、単一の光起電力セルの回路記号によって表されている。  
図示されているＰＶシステムの実装形態では、ＰＶ発生器１０は単一のＰＶモジュールでもよく、このＰＶモジュールは多数の光起電力セルを含んでいる。  
同様に、ＰＶ発生器１０は、ストリングと呼ばれる、いくつかのＰＶモジュールが直列接続されたものでもよく、この場合には個々のＰＶモジュールの電圧が足し合わさる。  
ＰＶモジュールの並列接続、または、直列接続と並列接続の組み合わせも可能である。
【００２６】
インバータ３０は、中心的な部品としてＤＣ／ＡＣコンバータ３１を有する。  
インバータ３０は、自身のＤＣ側入力部において入力キャパシタンスを有しており、この入力キャパシタンスは、図では入力部と並列に接続された入力コンデンサ３２によって表されている。  
たとえば、ＤＣ／ＡＣコンバータ３１、すなわちインバータ３０は、電力供給システム５０への単相供給用に設計されている。  
しかし当然ながら、インバータ３０は、多相、特に三相となるように設計されていてもよい。  
電力供給システム５０は、例として１つの相Ｌと中性線Ｎとを有する単相のシステムとして表されている。  
このコンテキストでは当然ながら、電力供給システム５０は、図示されているＰＶシステムの場合には触れられてないにすぎない他の相を有していてもよい。  
さらに電力供給システム５０には、中性線Ｎとアース電位ＰＥとの間の接続部分が存在する。  
アース電位ＰＥは、さらなるアース電位端子とセーフティデバイス２０の端子２５との間の接続ライン１５を介してセーフティデバイス２０において利用することも可能であり、また、さらなるアース電位端子とインバータ３０との間の接続ライン１６を介してインバータ３０において利用することも可能である。
【００２７】
インバータは、必要である場合には、入力キャパシタンス３２とＤＣ／ＡＣコンバータ３１との間の（図１には示されていない）ＤＣ／ＤＣコンバータと、下流のＤＣリンクキャパシタンスとをさらに含む。  
ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＰＶ発生器のＤＣ電圧を、ＤＣ／ＡＣコンバータの動作範囲内におけるＤＣ電圧に変換し、変換されたＤＣ電圧をＤＣリンクキャパシタンスに供給する。
【００２８】
ＤＣ／ＡＣコンバータ３１は、交流の先端部において、２極の内部スイッチング素子３３を介してインバータ３０の出力部、また最終的には電力供給システム５０に接続され得る。  
さらに内部スイッチング素子３３は、接続部分の相Ｌと中性線Ｎとの両方を電力供給システム５０に対して分離する。  
多相のインバータ３０の場合、それに応じて内部スイッチング素子３３は、電力供給システム５０からの分離がすべての相に及ぶよう、多極となるように設計される。
【００２９】
さらにインバータ３０は、一方においてインバータ３０の交流出力部に接続され、また他方においてＤＣ／ＡＣコンバータ３１の直流側に対する接続部分を有する計測装置３４を備える。  
この計測デバイス３４は、インバータ３０の動作に関連するシステム電圧のパラメータを求めるために用いられる。  
システム電圧におけるこれらのパラメータに関する情報は、特に、出力側の内部スイッチング素子３３が開放している場合にも必要となる。
【００３０】
ＤＣ／ＡＣコンバータの出力電圧は、インバータの開始段階中などでは、システム電圧に関係する振幅および位相と同期している。  
この同期は、内部スイッチング素子３３が開放している状態で行われる。  
内部スイッチング素子３３を閉じることによってインバータが電力供給システム５０につながるのは、同期の完了後だけである。  
このことが、計測デバイス３４がインバータ３０の出力部に直接的に接続され、ＤＣ／ＡＣコンバータ３１の交流出力部に接続されていない理由である。
【００３１】
セーフティデバイス２０は、ＰＶ発生器１０によって供給される電圧に関係なく、危険のある場合に、出力部２３、２４、すなわち、インバータ３０につながっている直流ライン１３、１４における危険なほど高い電圧の発生を防ぐために用いられる。  
光の照射の際には、死に至る可能性のある振幅の電圧をＰＶ発生器１０が接続ライン１１、１２に印加するため、セーフティデバイス２０は、接続ライン１１、１２の長さを短く保つようにＰＶ発生器１０にできるだけ近く位置決めされることが好ましい。
【００３２】
セーフティデバイス２０は、出力部２３、２４、すなわち直流ライン１３、１４の切断ができるように、入力部２１、２２と出力部２３、２４との間にドライバ回路２８によってドライブされるスイッチング素子２９を有する。  
このスイッチング素子２９は接触器などでもよいが、半導体スイッチの使用も考えられる。  
好適な半導体スイッチは、ここではＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、またはＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）などである。  
スイッチング素子２９は、図示されているように出力部２３および２４の両方を切り換えることができる。  
しかし、スイッチング素子２９によって出力部２３または２４の一方だけを切り換えることも可能である。  
たとえばスイッチング素子２９として、直列に相互接続されたいくつかの半導体スイッチなどの、いくつかのスイッチを用いるスイッチング素子２９がたとえばスイッチングの信頼性を高めるために設けられてもよい。  
特に好ましい実施形態では、スイッチング素子は、スイッチングアークを消弧および／または防止するための手段を有する。  
スイッチングアークは、真空切り換え接触器（ｖａｃｕｕｍ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）などを用いることによって消弧されるか、または、半導体スイッチと電気機械式スイッチとの組み合わせなどを用いることによって防止され得る。
【００３３】
入力部２１、２２と出力部２３、２４との間の接続部分を分離する代わりに、入力部２１、２２が切断の代わりに短絡されるようにしてスイッチング素子を配置することも可能である。
【００３４】
ドライバ回路２８は評価ユニット２７によってドライブされるとともに、スイッチング素子２９はドライバ回路２８を介して評価ユニット２７によってドライブされる。  
評価ユニット２７は、フィルタ２６を介して出力部２４に接続され、それによってインバータ３０における負の直流電圧電位ＤＣ−に接続されるとともに、入力部２５を介してアース電位ＰＥに接続されている。  
セーフティデバイス２０の部品は、入力部２１、２２にかかっているＰＶ電圧を介して通電される。  
これらの部品に電力を供給することに該当するデバイス（降圧コンバータ、電圧レギュレータなど）は、説明を明瞭にするために図示されていない。
【００３５】
フィルタ２６は、低周波の交流電圧、特に、システム周波数の整数倍のうちの低い方の周波数の交流電圧の通過させることが好ましい。  
このようにフィルタ２６は、たとえばシステム周波数（基本周波数）の１倍、２倍、または数倍に設計され得る。  
しかし、フィルタ２６が設計される周波数は、通常はシステム周波数の１０倍を超えない。  
フィルタ２６は、たとえばアナログのバンドパスフィルタまたはハイパスフィルタとして構成されてもよい。  
このフィルタ２６を実現するためには、バンドパスフィルタまたはハイパスフィルタの特徴に対応するフィルタ特性を有するデジタル信号処理も考えられる。
【００３６】
評価ユニット２７は、フィルタ２６の出力部における、アース電位ＰＥに対する信号レベルを求めるとともに、そのレベルの大きさに応じてスイッチング素子２９を切り換えるために配置されている。  
スイッチング素子２９がスイッチオンして出力部２３、２４を入力部２１、２２に接続し、それによってＰＶ電圧を直流ライン１３、１４に印加するのは、所定の大きさのレベルが超えられた場合だけである。
【００３７】
図２に関連してさらに詳細に説明されるように、アース電位に比べて低い振幅の低周波の信号、一般にはシステム周波数の信号は、動作中の電力供給システム５０に商用インバータ３０が接続されるとすぐにそのインバータ３０における負の直流入力部（ＤＣ−）に印加される。  
このことは、電力供給するのに十分な電力がＰＶ発生器１０によって供給されない夜などにインバータ３０の内部スイッチング素子３３がスイッチオフしている場合にも当てはまる。  
低周波の信号がインバータ３０における負の直流入力部（ＤＣ−）で観測されないのは、たとえばＰＶシステムのメインスイッチ、もしくは建物全体のメインヒューズスイッチである、インバータ３０の前にある絶縁用素子４０が開放しているか、または、電力供給システム５０がいかなる電圧も供給していない場合だけである。  
したがってスイッチング素子２９は、システム周波数の信号の検出により、インバータ３０の前にある絶縁用素子４０と単に比べると、同時に切り替わるか、またはわずかな遅延時間をもって切り替わる。  
このため、セーフティデバイス２０におけるスイッチング素子２９の制御機構は、信号伝送用の専用の信号ラインを必要とせずに設けられる。  
また、無線周波数の制御信号を生成するための専用の信号発生器も必要とならない。  
その代わりに、インバータ３０によって固有に作り出されるシステム周波数の（干渉）信号が、スイッチング素子２９を制御するために利用される。  
火災などの危険の際には、絶縁用素子４０によってＰＶシステムを交流側から切断することが通常の手順に含まれる。  
さらに本願によるセーフティデバイス２０は、直流ライン１４に接続された出力部２４において低周波の信号が評価ユニット２７により検出されないことによって、直流電圧側も自動的に切断する。  
したがって安全な消弧動作が保証される。
【００３８】
以下の本文では、スイッチング素子２９を制御するために用いられる低周波の信号の出所が、図２によって説明される。
【００３９】
図２は、インバータ３０における計測デバイス３４の等価回路を示す。  
計測デバイス３４の目的は、たとえばインバータ３０や、特にＤＣ／ＡＣコンバータ３１を制御するためのシステム電圧の大きさや時間変化など、電力供給システムのパラメータを害のない低い電圧の形式で提供することである。  
図示されている場合では、負の直流入力部、すなわち、図１の直流ライン１４に接続されたインバータ３０の入力部におけるＤＣ電位は、ＤＣ／ＡＣコンバータ３１の内部における基準電位を表す。  
計測デバイス３４の内部では、電力供給システム５０の相Ｌと中性線Ｎは、基準電位としてのこのＤＣ電位によって、コンデンサ３４１〜３４４と、抵抗器３４５および３４６とのネットワークを介してより簡単に管理される低い信号レベルとなる。  
システム電圧におけるパラメータの実際の計測は、図２の等価回路には示されていない。  
この計測は、矢印のポイントによって示されているテストポイント３４７および３４８で行われる。
【００４０】
この場合、ＡＣ側とＤＣ側との間の結合により、アース電位ＰＥに対するシステム周波数の交流電圧がインバータ３０における負および／または正の直流入力部に印加されるということが、本願の主題に関係している。  
この交流電圧信号の振幅は、システム電圧の大きさと、結合用素子、すなわち、結合用コンデンサ３４１〜３４４および結合用抵抗器３４５、３４６のサイズと、リークキャパシタンス（ｌｅａｋａｇｅ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）３５０とに依存する。  
リークキャパシタンス３５０は、ＰＶシステムにおける直流電圧側のキャパシタンス、特に、ＰＶ発生器１０におけるキャパシタンスと、アース電位ＰＥに対する直流ライン１１、１２および１３、１４のキャパシタンスとを意味する。  
図２では、このリークキャパシタンスは、等価のコンデンサ３５０によって表されている。
【００４１】
多くの場合、システム周波数の信号は、ＤＣ−の直流ライン１４から入力コンデンサ３２および／またはＤＣリンクコンデンサ（図示せず）を介してＤＣ＋の直流ライン１３にも結合しており、それによってシステム周波数の信号は、最終的には直流ライン１３、１４の両方にかかる。  
図示されている場合の代わりの選択肢として、ＤＣ−電位の代わりにＤＣ＋電位が電圧計測用の基準電位として選択されることも考えられる。  
この場合には、システム周波数の信号は、まずＤＣ＋の直流ライン１３に結合し、ＤＣ＋の直流ライン１３から入力コンデンサ３２、および／または、場合によってはＤＣリンクコンデンサを介してＤＣ−の直流ライン１４に伝送される。  
この場合においても、信号は最終的に直流ライン１３、１４の両方にかかる。  
ＤＣ−の直流ライン１４にかかっている信号をセーフティデバイス２０の出力部２４においてフィルタ２６がタップオフする、図１および図２に示されている例示的実施形態に対する代替形態として、このフィルタ２６は、ＤＣ＋の直流ライン１３にかかっている信号をタップオフするために出力部２３に接続されていてもよい。
【００４２】
図３は、図１に示されているＰＶシステムに用いられ得るセーフティデバイス２０における第２の例示的実施形態を示す。  
この図と、さらに以降の図では、同一の参照符号は、図１におけるものと同一または等価である要素を特定するものである。  
セーフティデバイス２０における部品に電力を供給するためのデバイスは、ここでも同様に図示されていない。
【００４３】
図３におけるセーフティデバイス２０の基本構成は、図１の基本構成に対応している。  
入力部および出力部２１〜２４、スイッチング素子２９、およびドライバ回路２８に関しては、図１に関連する説明への参照がなされる。  
システム周波数の信号を出力部２４において結合するため、ここではロゴスキーコイルなどによって実現される誘導結合２６１が用いられている。  
ロゴスキーコイルは、出力部２４を介して流れる低周波の電流のための電流計測デバイスを構成する。  
結合した電流信号は、フィルタ２６によるフィルタリングの後、アース電位ＰＥと共に評価ユニット２７に供給される。  
評価ユニット２７は、たとえば整流増幅器に続くコンパレータとして構成されている。  
ドライバ回路２８は、フィルタ２６の出力部における信号レベルが第１の所定値を超えるとスイッチング素子２９をターンオンする。  
ドライバ回路２８は、このレベルが第２の所定値を下まわるとスイッチング素子２９を再びターンオフする。  
第１の所定値は、信号に対する第１のターンオンしきい値に相当し、第２の所定値はターンオフしきい値に相当する。  
確実なスイッチング動作を実現するために、ターンオフしきい値がターンオンしきい値より低くなるようにスイッチングヒステリシスが設けられていることが好ましい。  
さらに、評価ユニット２７における増幅器の利得は、セーフティデバイス２０をシステム周波数の信号の信号レベルに適合させるために調整可能であることが好ましく、これは、図２に関連して述べられているように、システム周波数の信号の信号レベルが、異なるＰＶシステムに対してそれぞれ異なり得るためである。  
またシステム周波数の信号の信号レベルは、単一であるが固定のＰＶシステムに対してもある特定の許容帯域内で時間に関して変動し得る。  
これは、ＰＶ発生器とアース電位ＰＥとの間のリークキャパシタンスが、パラメータの中でもとりわけ、時間を通じて変化し得る天気などの環境条件に依存するためである。
【００４４】
図３の例示的実施形態では、システム周波数の信号は電流信号として検出される。  
スイッチング素子２９が開放している場合でも低周波の電流信号が少なくともＤＣ−の直流ライン１４を流れて出力部２４において観測され得ることを確実なものとするために、アース電位ＰＥに向かう低周波の電流のための経路を提供するコンデンサ２６２が設けられている。  
代替形態として、出力部２４に接続された、スイッチング素子２９のスイッチング接点をブリッジする（図３に破線で示されている）コンデンサ２６３が設けられてもよい。  
このようなコンデンサ２６３は、ＰＶ発生器１０が自身の端子の一方でアースされている場合（単極アース）などに、ＰＶ発生器１０を介してアース電位に向かう低周波の電流の流れを可能にする。
【００４５】
図４は、セーフティデバイス２０におけるさらなる例示的実施形態を示す。  
図３の例示的実施形態と異なり、ここではフィルタ２６が出力部２４に直接的に結合している。  
したがって、検出されるのは電流信号ではなく電圧信号である。  
代替形態として、電流信号と電圧信号の両方を検出することも可能である。  
動作状態や湿度などの環境条件は、ＰＶ発生器１０の（図２における等価のコンデンサ３５０と対照されたい）リークキャパシタンス、すなわち、アース電位ＰＥに対する自身のインピーダンスに影響を及ぼす。  
電圧信号または電流信号は、アース電位ＰＥに対するインピーダンスに応じて出力部２４においてより明瞭となる。  
電流信号と電圧信号の両方を検出することにより、インバータ３０およびＰＶ発生器１０の動作状態ならびに環境条件とは関係なく、有益な信号が得られるという利点がもたらされる。
【００４６】
さらに、この例示的実施形態ではスイッチング素子２９が三段階で構成されている。  
ターンオン段階およびターンオフ段階とは別に、入力部２１および出力部２３が高抵抗の抵抗器２９１を介して接続され、入力部２２および出力部２４が高抵抗の抵抗器２９２を介して接続される中間の切り換え段階が設けられている。
【００４７】
絶縁用素子４０がまずターンオンし、インバータ３０における内部スイッチング素子３３が（夜などに）ターンオフする場合、システム周波数の信号は、出力部２４において単に低いレベルを示すだけである。  
次にＰＶ電圧が上昇し、セーフティデバイス２０が動作を開始すると、セーフティデバイス２０は、システム周波数の信号がかかっていることを検出し、図３の例示的実施形態と同様にスイッチング素子２９を即座にターンオンする。  
スイッチング素子２９をターンオンすると、アース電位ＰＥに対するＰＶ発生器１０のリークキャパシタンスの付加によって信号レベルが低下する。  
このことは、システム周波数の信号のレベルが、スイッチング素子２９が再びターンオフするしきい値を下まわることにつながり得る。  
これを防ぐために、図４の例示的実施形態においてターンオンしきい値が超えられると、スイッチング素子２９における中間の切り換え段階がまずアクティブとなり、たとえば数十秒の範囲である、所定時間が経過した後でもターンオンしきい値が超えられている場合には、スイッチング素子２９がまず完全にターンオンする。  
中間の切り換え段階によって直流電圧がインバータ３０の入力部に印加され、その後すぐにインバータ３０が動作を開始して内部スイッチング素子３３をターンオンする。  
ＰＶ発生器におけるキャパシタンスの影響が抵抗器２９１、２９２によって低減するため、初めのうちにターンオンレベルがよりいっそう超えられる。  
そのため、内部スイッチング素子３３がターンオンすることによって、システム周波数の信号のレベルも上昇する。  
所定時間が経過した後、スイッチング素子２９は完全にターンオンする。  
したがってこの場合には、十分に効力のあるＰＶ発生器１０のリークキャパシタンスによってでさえ、もはやターンオフしきい値を下まわらないようにシステム周波数の信号のレベルは十分に高くなる。
【００４８】
また、スイッチング素子２９における中間的な切り換え段階を、スイッチング素子２９におけるターンオフ処理中のリリース信号のためのさらなる制御として用いることも考えられる。  
出力部２４における信号レベルが第２の所定値を下まわると、中間的な切り換え段階がまずアクティブとなる。  
この切り換え段階では、完全にターンオフするために信号レベルが第２の所定値を依然として下まわっているかどうかがチェックされる。  
依然として下まわっている場合には完全なターンオフが行われ、そうでない場合には、所定時間が経過した後にスイッチング素子が再度完全にターンオンする。
【００４９】
セーフティデバイス２０の代替実施形態では、低周波の電圧信号と電流信号の両方が検出されることも考えられる。  
次にスイッチング素子２９は、電流信号または電圧信号のどちらかが所定のレベルを上まわっている場合にターンオンする。  
このような場合、システム周波数の信号は、アース電位ＰＥに対するＰＶ発生器１０のインピーダンスに影響を及ぼす湿度などの環境条件に関係なく確実に検出され得る。
【００５０】
図５は、セーフティデバイス２０のさらなる例示的実施形態を示す。  
これまでに示された例示的実施形態と異なり、ここでは出力部２４における低周波の信号とは別に入力部２１および２２におけるＰＶ電圧の振幅も評価され、スイッチング素子２９を制御する際に考慮される。  
このため電圧しきい値スイッチ２８１が設けられ、その出力部はドライバ回路２８に接続されている。  
スイッチング素子２９がターンオンするのは、ＰＶ電圧が所定値を超え、システム周波数の信号が既に前に述べられた所定の基準を満たす場合だけである。  
ＰＶ電圧の振幅を考慮しているため、夜明けなどにＰＶ電圧、すなわち、ＰＶ発生器によって最大限に供給される電力がインバータを動作させるのに未だ十分でない場合にインバータがターンオンを試みることが防止され得る。  
このようなターンオンの試みは、スイッチング素子２９における不要なスイッチング処理につながり、また場合によっては、内部スイッチング素子３３の寿命を縮める、内部スイッチング素子３３の不要なスイッチング処理にもつながり得る。
【００５１】
出力部２４におけるシステム周波数の信号は、図４の例示的実施形態と同様に電圧結合して検出される。  
そのことをこの場合についていくらか詳しく示す。  
フィルタ２６の出力部にかかっている信号は、後段の部品の破壊またはオーバードライブを防ぐために、抵抗器２７１とツェナーダイオード構成体２７３に並列に接続されているさらなる抵抗器２７２との分圧器によって振幅において制限される。  
電圧制限された信号は、まず増幅器２７４によって増幅される。  
増幅器２７４は、システム周波数の信号の大きさ、すなわち個々のＰＶシステムに対する最適な適合を可能とする調整可能な利得係数を有していることが好ましい。  
増幅された信号は、下流の整流器２７５で整流され、平滑化されてコンパレータ２７７に供給され、コンパレータ２７７では、供給された信号が、アース電位につながっている基準電圧源２７６によって提供される基準電圧と比較される。
【００５２】
図６は、図５の回路の拡張を示す。  
ここでは、フィルタ２６の出力部から端を発する２つの検出回路が設けられている。  
第１の検出回路は、図５に示されている検出回路に相当しており、現在のところ、２つの抵抗器２７１ａ、２７２ａ、ツェナーダイオード構成体２７３ａ、増幅器２７４ａ、整流器２７５ａ、基準電圧源２７６ａ、およびコンパレータ２７７ａによって構成されている。  
第２の検出回路は、第２の整流器２７５ｂ、第２の基準電圧源２７６ｂ、および第２のコンパレータ２７７ｂを有する。  
第２の整流器２７５ｂは、スイッチ２７８と、抵抗器２７２ｂと、ここでも同様に電圧制限のために設けられているツェナーダイオード構成体２７３ｂとを介してフィルタ２６の出力部に接続されている。  
２つのコンパレータ２７７ａ、２７７ｂの出力はＯＲ素子２８２を介して互いにリンクし、次にドライバ回路２８に供給される。  
この構成では、第２の検出回路は、第１の検出回路より明らかに高い感度を有する。  
スイッチ２７８は最初は閉じている。  
第２の検出回路は、出力部２４におけるシステム周波数の信号について予想される最も低い信号レベルにおいてもスイッチング素子２９を確実にターンオンするのに適している。  
インバータ３０の動作中に明らかに高い信号レベルが生じた場合には第１の検出回路も応答し、ＯＲ素子２８２とドライバ回路２８とを介してスイッチング素子２９を同様にドライブする。  
比較的高い信号レベルである場合には、スイッチ２７８が開放し、それによって第２の検出回路がオーバードライブから保護されることが好ましい。
【００５３】
図７は、図１と同様の図において、さらなる例示的実施形態におけるセーフティデバイスを有するＰＶシステムの基本構成を図によって示す。
【００５４】
図７のＰＶシステムでは、たとえばこの場合には３つであり、以下の本文ではＰＶ部分発生器（ＰＶ  ｐａｒｔ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１０とも呼ばれるいくつかのＰＶ発生器１０が設けられている。  
それぞれのＰＶ部分発生器１０は別々のセーフティデバイス２０に接続されている。  
この図では説明を簡単にするために参照符号が与えられていないセーフティデバイス２０の出力部は、互いに直列に接続されている。  
スイッチング素子２９がそれぞれにおいて閉じている場合、セーフティデバイス２０の直列回路は、ＰＶ部分発生器１０の直列回路にも相当している。  
上記のＰＶ部分発生器の直列回路は、インバータ３０の入力部に接続されている。  
インバータ３０は、絶縁用素子４０（たとえば、システムのメインスイッチ）を介して電力供給システム５０につながっている。  
絶縁用素子４０および電力供給システム５０は、スペースの理由で図５には示されていない。
【００５５】
セーフティデバイス２０とインバータ３０に関しては、これまでの図に関連する説明への参照がなされる。  
しかし、これまでに示された例示的実施形態と異なり、図７の例ではセーフティデバイス２０の出力部にコンデンサ２６４がさらに設けられている。  
これらのコンデンサ２６４は、図３のコンデンサ２６２および２６３と同様に、スイッチング素子２９が開放している場合においてもすべてのセーフティデバイス２０の出力部に低周波の信号がかかることを確実なものとしている。  
したがって、このような低周波の信号、特にシステム周波数の信号は、それぞれのセーフティデバイス２０によって別々に検出され、その後すぐに、対応するセーフティデバイス２０がそれらのスイッチング素子２９をスイッチオンしてもよい。  
このことがそれぞれのセーフティデバイス２０において行われると、直列回路によって足し合わされたＰＶ部分発生器のＰＶ電圧が直流ライン１３、１４に印加され、またそれによってインバータ３０の入力部にも印加される。
【００５６】
出力部にコンデンサ２６４を有するこのようなセーフティデバイス２０は、ＰＶ部分発生器１０としての単一のＰＶモジュールとの一体化に特に適している。  
特に好ましい実施形態では、セーフティデバイス２０はさらに、ＰＶモジュールの接続用ソケットの中に組み込まれていてもよい。  
これにより、潜在的に危険な電圧が印加されるラインの露出が完全に防止される。
【００５７】
図８は、さらなる例示的実施形態におけるセーフティデバイスを備えるＰＶシステムの基本構成を図によって示す。  
この基本構成では、このＰＶシステムは、図７に示されているＰＶシステムに対応している。  
ここでも同様に、いくつかのＰＶ部分発生器１０が、直列に相互接続可能となるように配置され、インバータ３０につながっている。  
図７に示されている例示的実施形態と異なり、現在のところではＰＶ部分発生器１０のそれぞれに対して１つのスイッチングユニット２０ｂが設けられている。  
それぞれのスイッチングユニット２０ｂは、制御ライン２０ｃを介して中央検出デバイス２０ａに接続されている。  
これらのスイッチングユニット２０ｂは、制御ライン２０ｃおよび中央検出デバイス２０ａと共にセーフティデバイス２０を構成している。  
中央検出デバイス２０ａは、制御ライン２０ｃの配線費用をできるだけ低く維持するために発生器の近くに配置されることが好ましい。  
中央検出デバイス２０ａは、フィルタ２６および評価ユニット２７などの、すべてのＰＶ部分発生器１０に関連して共通で用いることができるセーフティデバイス２０の構成要素を有する。  
それぞれのスイッチングユニット２０ｂは、少なくともスイッチング素子２９と、この例のように可能な場合にはスイッチング素子２９用のドライバ回路２８とを備える。  
しかしドライバ回路２８は、可能な場合には中央検出デバイス２０ａの中に集中的に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０  ＰＶ発生器
１１、１２  接続ライン
１３、１４  直流ライン
１５、１６  接続ライン
１７、１８  交流ライン
２０  セーフティデバイス
２０ａ  中央検出デバイス
２０ｂ  スイッチングユニット
２０ｃ  制御ライン
２１、２２  入力部
２３、２４  出力部
２５  端子
２６  フィルタ
２６１  誘導結合
２６２〜２６４  コンデンサ
２７  評価ユニット
２７１、２７２  抵抗器
２７３  ツェナーダイオード構成体
２７４  増幅器
２７５  整流器
２７６  基準電圧源
２７７  コンパレータ
２８  ドライバ回路
２８１  電圧しきい値スイッチ
２８２  ＯＲ素子
２９  スイッチング素子
２９１、２９２  高抵抗の抵抗器
３０  インバータ
３１  ＤＣ／ＡＣコンバータ
３２  入力コンデンサ
３３  内部スイッチング素子
３４  計測装置
３４１〜３４４  結合用コンデンサ
３４５〜３４６  結合用抵抗器
３４７、３４８  テストポイント
３５０  リークキャパシタンス
４０  絶縁用素子
５０  電力供給システム
Ｎ  中性線
Ｌ  相
ＰＥ  アース電位
【図１】
2014531886.tif 000003
【図２】
2014531886.tif 000004
【図３】
2014531886.tif 000005
【図４】
2014531886.tif 000006
【図５】
2014531886.tif 000007
【図６】
2014531886.tif 000008
【図７】
2014531886.tif 000009
【図８】
2014531886.tif 000010
【国際調査報告】
2014531886.tif 000011
2014531886.tif 000012
2014531886.tif 000013