AT409674B

AT409674B - Verfahren zur erfassung der messdaten von solargeneratoren zur bestimmung des punktes maximaler leistung

Info

Publication number: AT409674B
Application number: AT0051299A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2002-10-25
Also published as: ATA51299A

Description

Bei der Nutzung von photovoltaischen Anlagen stellt der Wirkungsgrad ein wichtiges Kriterium dar. Die Kosten für die Solarzelle (photovoltaischer Generator) stellen den grössten Anteil an den Gesamtkosten dar Um die Anlage optimal auszunutzen, muss daher versucht werden-wenn von der Last her möglich -, die maximal mögliche Leistung (bei vorgegebenen Einstrahlungsverhältnissen) aus den Zellen zu entnehmen
Um die Leistung zu maximieren, ist eine Strom- und eine gleichzeitige Spannungserfassung notwendig. Durch die steilen Schaltflanke des Konverters sind die zu messenden Signale durch Storungen überlagert. Durch eine Mittelung über mehrere Messungen kann der Fehler reduziert werden.

Bei der Anwendung in Solargeneratoren kann die Ermittlung der Leistung problemlos eini- ge Zeit dauern (wenn alle Sekunden die Leistung bestimmt wird, wird das im allgemeinen völlig ausreichend sein).

Der Stand der Technik wird nun wie folgt behandelt. In US 5, 648, 731 (DECKER) ist eine Methode beschrieben, um die Charakteristiken von Solarpaneelen in einem arbeitendem solarelek- trischen System zu ermitteln. Dabei werden insbesondere die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom, weiters die Spannung am Punkt maximaler Leistung und das Verhältnis von Spannung am Punkt maximaler Leistung zur Leerlaufspannung erfasst Diese Daten können gespeichert werden, bzw. durch Anpassung einer Kurve an die Messwerte zu einer Kennlinie verarbeitet werden. Ein spezielles Verfahren zur Ermittlung der erforderlichen Strom- und Spannungswerte Ist damit nicht angegeben.

In DE 19 502 762 (RUDISCHER) Ist ein Verfahren dargestellt, um eine photovoltaiische Anlage im Punkt maximaler Leistung zu betreiben. Dazu wird vorzugsweise im Minutentakt der Solargene- rator von der Anlage getrennt und Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung bestimmt. In einem Mikrorechner sind Kennlinien des Solargenerators gespeichert und es wird nach der Messung der aus der passenden Kennlinie zu entnehmende Arbeitspunkt angefahren Auch hier ist kein spezielles Verfahren zur Messdatenerfassung zu entnehmen.

In EP 0 628 901 A2 (CANON K. K. ) ist ein interessantes Verfahren zur Bestimmung des MPPs und zum Betrieb des Konverters daselbst dargestellt Der Konverter wird an mehrere Betriebspunkte gesteuert und Spannung und Strom werden gemessen. Es werden so viele Punkte bewertet wie erforderlich sind, um eine vorgegebene Kurve durch die ermittelten Punkte zu legen (z B drei Punkte, wenn eine quadratische Funktion verwendet wird). Anschliessend wird für diese Kurve das Maximum und daraus der erforderliche Arbeitspunkt bestimmt. Ein Problem bei diesem Verfahren stellt sicher die storungsarme Erfassung der Messdaten dar, es werden aber keine speziellen Massnahmen dazu angeführt.

EP 0 326 489 A1 (ROUZIES) bzw. davon abhängig US 4 899 296 wird ein Suchverfahren zur Auffindung des MPP und gleichzeitiger Steuerung des Konverters dargestellt. In Abhängigkeit von Schaltschwellen, die verstellbar sind, wird der Arbeitspunkt in zyklischer Bewegung in Richtung des Punktes maximaler Leistung getrieben Zur erforderlichen Messdatenerfassung wird keine spezielle Massnahme durchgeführt
In EP 0 090 212 A2 (SIEMENS) wird der Arbeitspunkt des an den Solargenerator angeschlossenen Konverters um einen kleinen Wert geändert und die Reaktion des Differentials der Leistung darauf untersucht. Durch die kleine Sollwertänderung wird der Normalbetneb nicht gestört. Aber gerade diese kleinen Änderungen müssen moglichst storarm gemessen werden.

In US 4, 263, 548 (CARLSON) ist ein Messgerät zur Messung der Amplitude eines Strom- oder Spannungspulses zeitlich versetzt zu einem Ausloseimpuls dargestellt. Das Messgerät dient dabei zur Erfassung von Signalparametern und zur Überprüfung von Pulsgeneratoren. Bei der vorliegenden Erfindung steht jedoch die störarme Erfassung eines Stromes, der von diesem Signal getrennt ist, im Vordergrund.

Es geht dabei nicht, den Strom- oder Spannungswert an einer bestimmten Stelle des Pulssignals, sondern den Strom in einem leistungselektronischen Konverter möglichst störarm zur weiteren Verarbeitung zu erfassen Das hier in dieser Anmeldung vorgeschlagenen Verfahren muss auch nicht zu ganz bestimmten Zeitpunkten das Stromsignal erfassen, da die Störunterdrückung erst durch die folgende willkürlich gleichverteilte Abtastung erfolgt.

Das in der Anmeldung dargestellte Verfahren arbeitet prinzipiell unabhängig vom gewählten Verfahren zur MPP Bestimmung, ist jedoch am besten für Suchalgorithmen geeignet, die gleichzeitig mit dem Betrieb der Anlage ablaufen
Blickt man auf den Stand der Technik der Verfahren zur Auffindung des Punktes maximaler

Leistung, so ist die Bedeutung eines störunempfindlichen Messverfahrens für die relevanten Grö- ssen von entscheidender Bedeutung. Hier kann die gegenständliche Erfindung einen Beitrag leisten.

Aus messtechnischen Gründen wird man, wenn von der Schaltungstopologie her möglich, die Stromerfassung in Serie mit der Konverterinduktivität legen, da dort der Strom nicht springen kann, oder in die Zuleitung zum Akkumulator bei einem Ladegerät. Befindet sich im Konverter eine Stromerfassung, zum Beispiel in Serie mit einem aktiven Schalter (zwecks Überstromschutz, oder weil der Konverter mit current mode control geregelt wird), so kann auch diese verwendet werden.

Man wird dann als Messwert den unmittelbar vor dem Abschalten fliessenden Strom verwenden.

Die Leistungserfassung kann durch eine stochastisch ergodische Multiplikation mit geringer Störung erfolgen. Die Abtastung des Messsignales kann dabei zu einem bestimmten Zeitpunkt in Bezug auf den Einschalt- oder Ausschaltzeitpunkt erfolgen, oder rein zufällig nicht korreliert mit dem Schaltsignal des Transistors durchgeführt werden. Als Referenzsignal für den Komparator (die Komparatoren) dient ein Rauschsignal. Bei der Leistungsmessung sind zwei statistisch voneinander unabhängige Rauschgeneratoren erforderlich.

Bei einer analogen Realisierung wird man als Referenzsignal einen Sagezahn verwenden.

Dieser wird durch einen Kondensator, der über eine Stromquelle geladen und über eine Schalter entladen wird, realisiert. Die Variation des Referenzsägezahns kann durch unterschiedliche Steigung, die über ein Zufallsignal gesteuert wird, erreicht werden ; damit bleibt die Grundfrequenz konstant, die Pulsweite jittert jedoch. Man kann aber auch einen konstanten Strom, der proportio- nal der Solargeneratorspannung ist, verwenden und die Taktfrequenz über ein Rauschen verändern. Die Amplitude des Sägezahns ist dabei begrenzt. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des Referenzsignals ist die Nutzung des Störsignals, das durch den Schaltvorgang verursacht wird, dem ein stromproportionaler Offset hinzugefügt ist.

Der Messwert des Stromkanals wird mit dem Referenzsignal verglichen ; ist das Messsignal höher als das Vergleichssignal, wird ein logisch Eins ausgegeben und anschliessend eine Mittelwertbildung (Integration, Tiefpass beispielhaft mit einem RC Glied) durchgeführt. Damit ist eine störungsarme Messung des Stromes erreicht. Möchte man die Leistung erfassen, so ist sowohl für die Spannung als auch für den Strom so ein Messkanal aufzubauen, wobei die beiden Komparatorausgangssignale über z. B. ein EXOR Gatter verknüpft werden und anschliessend die Mittelwertbildung erfolgt. Damit ist störungsarm die Leistung erfasst und kann für den Algorithmus zur Bestimmung des Steuersignals für die Ansteuerung des aktiven Schalters verwendet werden.

Digital lässt sich dies sehr einfach realisieren. Die Messwerte von Strom und Spannung werden mit Analog/Digital Wandler in digitale Form gebracht, als Referenzsignale werden digital erzeugte Rauschsignale, oder digital erzeugte, in der Frequenz variierende Dreieck- oder Trapezspannungen verwendet, der erforderliche Vergleich (Komparator) und die EXOR Verknüpfung sind Grundbefehle und die Mittelung erfolgt durch Addition (z. B. 256 Werte) und anschliessende Verschiebung.

Dies Ist leicht mit einem Microcontroller mit 8 Bit ADC absetzbar. Der Vorteil ist neben der Einfachheit die grosse Störunempfindlichkeit, da die Multiplikation auf eine stochastisch ergodische Multiplikation zurückgeführt ist. In Fig. 2 ist das Prinzip des Algorithmus zur Bestimmung der Leistung zusammengefasst.

In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Messkanal und seine Eingliederung In das Gesamtsystem dargestellt. Der Solargenerator (1) ist an den Eingang (Vm) der Konverterstruktur (2), die entweder ein DC/DC (Gleichspannungswandler) oder ein DC/AC (Wechselrichter) Konverter sein kann, angeschlossen. Am Ausgang des Konverters (Vom) Ist die Last (3) angeschlossen. Das Steuersignal für den/die aktiven Schalter wird über die Steuersignalzuführung (4) zum Konverter (2) aus dem Steuersignalgenerator (5) geführt. In den Steuersignalgenerator (5) können verschiedene Daten aus dem Leistungsteil des Konverters (2) übermittelt werden. Beispielhaft ist die Eingangsspannungssignalzufuhrung (6) gezeichnet.

Im weiteren ist ein Messkanal für den Strom dargestellt. Über die Stromsignalzuführung (7) wird das stromproportionale, pegelangepasste Signal entweder direkt dem Komparator (10) zugeführt, wo es mit einem Referenzsignal aus dem Referenzgenerator (9) verglichen wird, oder es wird analog-digital gewandelt (8) und mit einem digitalen Referenzsignal aus dem Referenzgenerator (9) mit einem dann digital ausgeführten Komparator (10) verglichen und zur Weiterverarbeitung an den Block (11), der Auswertung, Modulator und Aufbereitung des Steuersignals enthält, geführt.

Das Verfahren ist auch zur Erfassung des Stromes zur reinen Strommaximierung bei der Batteneladung sinnvoll, um störungsfrei den Strom zu erfassen.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Datenerfassung zur Erfassung der notwendigen Daten zur Bestimmung des Punktes maximaler Leistung von Solargeneratoren (Solarzellen, Solarpaneele) wobei die die erfor- derlichen Signalwerte von Strom und Spannung nach einer Pegelanpassung, abgetastet werden, wobei der Abtastzeitpunkt in Relation mit einem Ansteuersignal für einen aktiven
Schalter der verwendeten Konverterstruktur liegt, oder völlig unkorreliert mit den Ein- bzw.
Ausschaltbefehlen der Schalter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastwerte mit einem in der Frequenz veränderlichen, amplitudengleichverteilten Signal mit einem Kom- parator verglichen werden und das entstehende digitale Signal einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

Claims

2. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Komparatorsignal gemittelt wird.

3 Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Relation zwischen dem Einschaltzeitpunkt eines Schalters im Konverter und dem Abtastzeitpunkt vorhanden ist.

4. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Relation zwischen dem Ausschaltzeitpunkt eines Schalters im Konverter und dem Abtastzeitpunkt vorhanden 1St.

5. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass keine zeitliche Relati- on zwischen dem Ausschaltzeitpunkt eines Schalters im Konverter und dem Abtastzeit- punkt vorhanden ist.

6. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Relation zwischen dem Einschaltzeitpunkt eines Schalters im Konverter und dem Abtastzeitpunkt vorhanden 1St.

7. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung digital realisiert wird.

8. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ana- log realisiert wird.

9. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vomchtung ge- mischt analog digital realisiert wird.

10. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoraus- gangssignale des Stromsignals und des Spannungssignals, die durch Vergleich mit jeweils voneinander unabhängigen Vergleichssignalen gewonnen wurden, einer logischen Ver- knupfung, beispielhaft einer EXOR-Verknüpfung, zugeführt werden 11 Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung In einem von einem Solargenerator gespeisten Ladegerät der Strom in der Akkumulatorzulei- tung gemessen wird.

12. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom In der vom Solargenerator zum Konverter führenden Verbindungsleitung gemessen wird.

13. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom in Serie mit der im Konverter befindlichen Induktivität gemessen wird.

14. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom In Serie mit einem im Konverter befindlichen Schalter gemessen wird.

15. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom unmittelbar vor dem Abschalten des aktiven Schalters gemessen wird.

16. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung parallel zum Eingangskondensator des Konverters gemessen wird.

17 Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsmes- sung ein kompensierter oder mit einem Tiefpassfilter versehener Spannungsteiler verwen- det wird <Desc/Clms Page number 4> 18. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal durch einen Dreiecksgenerator mit von der Schaltfrequenz abweichenden Frequenz er- zeugt wird.

19. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal durch einen Dreiecksgenerator sich kontinuierlich oder diskontinuierlich ändernder Fre- quenz erzeugt wird 20 Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal durch einen Dreiecksgenerator, dessen Frequenz uber einen Zufallsprozess geändert wird, erzeugt wird.

21. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal durch einen Dreiecksgenerator dessen Frequenz und/oder Amplitude proportional der Ein- gangsspannung geändert wird, erzeugt wird.

22. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal durch einen digitalen oder analogen Zufallsgenerator erzeugt wird.

23. Datenerfassung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzsignal für den Vergleich das Störsignal, verursacht durch den Schaltvorgang, dem ein stromproporti- onaler Offset hinzugefügt ist und das zufällig abgetastet wird, dient.