AT413610B - Verfahren zum betrieb von nichtlinearen quellen im punkt maximaler leistung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Entnahme der maximalen Leistung aus einer nichtlinearen Quelle. Bei der Nutzung von photovoltaischen Anlagen stellt der Wirkungsgrad ein wichtiges Kriterium dar. Die Kosten für die Solarzellen (photovoltaischer Generator) stellen den größten Anteil an den Gesamtkosten dar. Um die Anlage optimal auszu-5 nutzen, muss daher versucht werden (wenn von der Last her möglich), die maximal mögliche Leistung (bei vorgegebenen Einstrahlungsverhältnissen) aus den Zellen zu entnehmen. Jedoch nicht nur Solargeneratoren haben einen nichtlinearen Spannungs-Strom-Zusammenhang, sondern auch Windgeneratoren und Brennstoffzellen. io Zur Suche des Punktes maximaler Leistung wird, ausgehend von einem Startwert, das Tastverhältnis, mit dem der Konverter angesteuert wird, etwas verändert. Solange die Leistung steigt, solange wird das Tastverhältnis in dieser Richtung geändert. Beginnt ab einem bestimmten Zeitpunkt die Leistung aus dem Solargenerator zu sinken, so muss das Tastverhältnis in der anderen Richtung verändert werden. Steigt darauf hin wieder die Leistung, so bleibt man bei 15 dieser Änderungsrichtung, solange die Leistung steigt. Sinkt die Leistung jedoch weiter, so muss das Tastverhältnis bei der nächsten Möglichkeit wieder in der anderen Richtung geändert werden. Bei gleichmäßigen Einstrahlungsbedingungen wird der Arbeitspunkt um den Punkt der maximalen Leistung oszillieren. 20 Es sei darauf hingewiesen, dass der Konverter ein Schaltnetzteil mit einem aktiven Schalter sein kann (legt die Beschreibung nahe), es können im Konverter jedoch auch mehrere aktive Schalter Vorkommen (z.B. Halb- oder Vollbrückenkonverter, oder in Form von Hilfsschaltern bei aktiven Schaltentlastungen). Dann werden aus dem Richtungssignal die erforderlichen Ansteuersignale aller aktiven Schalter erzeugt. 25

Aus der Patentliteratur sind Methoden zur maximalen Leistungsentnahme von Solargeneratoren und somit von nichtlinearen Quellen bekannt.

In US 5 867 011 A (JO) wird durch Multiplizieren eines ström- bzw. spannungsproportionalen 30 Signals ein der Leistung proportionales Signal erzeugt. Dieses steuert zwei Stromquellen, die dazu proportionale Ströme erzeugen. Während einer gewissen Zeit (Td1) ist ein Schalter geschlossen und ein Kondensator, welcher zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers liegt, geladen. Nach Ablauf dieser Zeit (Td1) wird der Schalter geöffnet und ein anderer geschlossen, der die zweite Stromquelle zwecks Entla-35 düng des Kondensators an diesen für die Zeit (Td2) schaltet. Hat sich das Leistungssignal während der Zeit Td2 vergrößert, entsteht am Ausgang des Komparators ein Impuls, der an den Eingang eines D-Flip-Flops gelegt wird. Der Ausgang des D-Flip-Flops zeigt somit die Zunahme der Leistung an. Nachteilig an diesem Verfahren sind die zwei Stromquellen und die zwei erforderlichen Schalter. Bei dem hier im Rahmen der gegenständlichen Erfindung dargestellten 40 Verfahren sind keine Stromquellen erforderlich. Das leistungsproportionale Signal wird zu bestimmten Zeiten mit einem älteren Wert, der als Spannungswert in einem Kondensator gespeichert ist, verglichen.

Beim Patent EP 0 090 212 A2 (SIEMENS AG) wird ein Anpassungswandler zur Entnahme der 45 maximalen Leistung der Quelle so angesteuert, dass dem Sollwert des Konverters in gewissen Zeitabständen ein Zusatzsollwert vorübergehend aufgeschaltet wird. Nimmt in Folge der Aufschaltung die abgegebene Leistung der Gleichspannungsquelle zu, so wird der Sollwert um einen kleinen Wert in Richtung des Zusatzsollwerts verstellt. Ist das Vorzeichen der Leistungsänderung dagegen negativ, so wird der Sollwert entgegengesetzt dem Vorzeichen des Zusatz-50 Sollwerts verändert. Dadurch wird erreicht, dass nach einer endlichen Zahl von Sollwertänderungen der momentane Arbeitspunkt jeweils dem optimalen Arbeitspunkt nachgeführt wird. Das Vorzeichen der Leistungsänderung wird durch zeitliche Ableitung des Leistungsistwertes erfaßt. Die Bildung der zeitlichen Ableitung erfordert schaltungstechnisch einen Differenzierer, der aber in einer so gestörten Umgebung, wie es ein leistungselektronischer Konverter ist, sehr schlecht 55 zu realisieren ist. Bei der gegenständlichen Erfindung wird dieser Nachteil jedoch umgangen, 3

AT 413 610 B da kein Differenzierer erforderlich ist, sondern ein integrales Verfahren verwendet wird.

In US 4 649 334 (NAKAJIMA) wird ein Inverter so angesteuert, dass die maximale Leistung aus einem Solargenerator entnommen wird. Mit dem Inverter wird ein Drehstromsystem zur Ansteu-5 erung eines Motors erzeugt. Durch den Mehrphasenbetrieb kommt es zu einer gleichmäßigen Belastung der Quelle und es ist kein größeres Speicherelement erforderlich. Der Betrieb wechselt dabei zwischen zwei Moden. Einerseits wird der Referenzwert des Konverters periodisch verringert, andererseits periodisch vergrößert. Welcher der beiden Moden verwendet wird, ist durch die Änderung der Leistung des Solargenerators verursacht. Dieser Algorithmus wird io digital mit einem Mikrocontroller realisiert. Es wird kein spezielles Verfahren zur Auswahl des Vergrößerns oder Verkleinerns des Sollwerts aufgezeigt.

In US 4899269 A (ROUZIES) wird ausführlich ein Verfahren zur Auffindung des maximalen Leistungspunkts dargestellt, wobei es sich hier um einen schaltenden Algorithmus handelt, der 15 letztlich zu diesem Punkt konvergiert. Es muss hier der gewünschte Spannungssollwert an der Last vorgegeben werden, der auftretende Fehler wird dann entsprechend einem Spannungsund einem Stromdetektor mit vorgegeben Schaltschwellen abwechselnd direkt oder invertiert einem Integrator zugeführt. Das Verfahren ist schaltungstechnisch deutlich aufwendiger als das hier vorgelegte. 20

In US 5 982 157 (WATTENHOFER) wird die Spannung an den Klemmen eines Solargenerators als Funktion einer Referenzspannung, die so gewählt wird, dass sie gleich der Spannung am Punkt maximaler Leistung ist, geregelt. Die Referenzspannung wird aus einem Referenzgenerator gewonnen. Es handelt sich dabei um keinen Suchalgorithmus, sondern um eine Regelung, 25 bei der der Spannungswert am Punkt maximaler Leistung bekannt sein muss.

In JP 08044445 wird ein Pendeln des Arbeitspunktes um den Punkt maximaler Leistung und ein vorheriges Konvergieren zu selbem dargestellt. Dies ist typisch für jeden Suchalgorithmus und tritt prinzipbedingt für jeden derartigen Vorgang auf. Die Unterschiede zeigen sich in der spe-30 ziellen mehr oder weniger aufwendigen Realisierung.

Aus der Besprechung der Patentliteratur geht die Neuwertigkeit des Verfahrens hervor. Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer linearen Quelle löst das Problem des Auffindens des Punktes der maximalen Leistung im Betrieb mit Hilfe einer einfachen und störarmen Zwi-35 schenspeicherung in Form eines Abtast-Halteglieds. Das Verfahren ist auch einfach z.B. in einem CMOS IC zu implementieren.

Im Rahmen dieser Erfindung wird ein sehr einfaches Verfahren dargestellt. Das zur Optimierung herangezogene Signal (uoptFi) - eine Spannung, die proportional dem Strom ist, bei Anwendung 40 in einem Ladegerät, oder bei einem Konverter mit Ausgangsspannungsregelung; bzw. eine Spannung, die proportional einem Leistungssignal ist, bei einem allgemeinen Konverter - wird mit einem Sample&Hold Glied (6) abgetastet und eine gewisse Zeit gespeichert und einem Komparator (5) zugeführt. Das zur Optimierung herangezogene Signal (uoptFi) wird gleichzeitig auch direkt dem Komparator (5) zugeführt und dort verglichen. Nimmt die Leistung während der 45 Haltezeit des S&H Glieds zu, so bedeutet dies, dass der Suchalgorithmus in der richtigen Richtung arbeitet und dass das Tastverhältnis des Konverters weiter in dieser Richtung zu ändern ist. Nimmt die Leistung während der Haltezeit des S&H Glieds (6) ab, so bedeutet dies, dass der Suchalgorithmus in der falschen Richtung arbeitet und dass das Tastverhältnis des Konverters in der anderen Richtung zu ändern ist. Der Komparator liefert eine Aussage, ob das Tast-50 Verhältnis in der richtigen Richtung verstellt wird.

Mit dem Komparator wird die Zunahme oder Abnahme des Tastverhältnisses gesteuert. Bei einer analogen Lösung wird man dann entweder ein positives oder negatives Eingangssignal an einen Integrierer (10) legen. Dieses Signal wird dann anschließend mit digitalem Modulator (11) 55 in ein digitales Steuersignal für den Leistungsteil verwandelt. 4

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Das zur Optimierung herangezogene Signal (u0pt) kann auch gefiltert (uoptFi) sein, um Störungen, verursacht durch den Schaltvorgang, zu vermeiden. Dabei sind abtastende Filter oder ganz normale Tiefpässe (4) ersetzbar. Da das Signal (u0pt) immer über das gleiche Filter (4) verarbeitet wird, spielt dessen Laufzeit (Signalverzögerung) keine Rolle. 5

Ein wesentlicher Vorteil der besprochenen Schaltung ist, dass nur ein S&H-Glied benötigt wird und damit nur ein Kondensator, der als Analogspeicher dient, notwendig ist.

Aus störungstechnischen Gründen können natürlich auch den Messsignalen (oder Steuersigna-io len) proportionale Ströme verwendet werden.

Wenn das Optimierungssignal (Uopt) schon entsprechend entstört ist, was durch eine entsprechende Signalaufbereitung geschehen kann, so kann das Filter (4) entfallen. Das Filter (4) kann auch als abtastendes Filter realisiert sein, dies kann bei einer integrierten Lösung sinnvoll sein. 15 Am einfachsten jedoch wird man ein einfaches kontinuierliches (aktives oder passives) Filter verwenden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen, die ein mögliches Ausführungsbeispiel zeigen, näher erläutert. Figur 1 zeigt eine mögliche Realisierung und Fig.2 ein dazu gehö-20 riges mögliches Zeitdiagramm.

Aus einer Datenerfassung (1) kommt ein Signal (Uopt), das durch die Filterstufe (4) von eventuellen Störanteilen gereinigt wird. Dieses gefilterte Signal (Uopt,Fi) wird nun einerseits direkt einem Komparator (5) und andererseits einem Abtast-Halteglied (6), das mit einem Steuersignal (fsn) 25 getaktet wird, zugeführt. Das Komparatorsignal (Ukonip) wird einem Äquivalenzgatter (7) zugeführt, an dessen zweitem Eingang der Ausgang eines D-Flip-Flops (8) gelegt wird. Der Ausgang des Äquivalenzgatters (7) ist mit dem Eingang des D-Flip-Flops (8) verbunden. Das Signal (Ust) am Ausgang des D-Flip-Flops (8) dient zum Umschalten des Integranden mit Hilfe des Umschalters (9) für den Integrator (10). Es handelt sich dabei nicht notwendig um einen Integrator 30 allein, wesentlich ist, dass ein integrierender Anteil in der Funktion vorhanden ist. Es wird zwischen einem positiven Wert - führt zum Ansteigen des Signals (Ui) am Ausgang des Integrators (10) - und einem negativen Wert - führt zum Absinken des Signals (Uj) am Ausgang des Integrators (10) - hin und her geschaltet. Das Signal (ui) wird mit einem digitalen Modulator (11), der mit der Trägerfrequenz (fT) arbeitet, in ein Digitalsignal (uDMod) umgewandelt. Der Block (12) 35 symbolisiert den Steuergenerator für die digitale Modulation. Der Block (13) stellt die Taktzentrale dar, mit der aus dem Ausgangssignal des digitalen Modulators (uDMod) die Ansteuersignale (Si) für die aktiven Schalter des Konverters im Leistungsteil (2) erzeugt werden. Dies ist immer dann erforderlich, wenn der Konverter mehrere aktive Schalter besitzt, wie es beispielweise bei einem Brückenkonverter der Fall ist, oder wenn bei einem einfachen Konverter eine aktive 40 Entlastung vorgesehen ist. Hat der Leistungsteil (2) nur einen aktiven Schalter, so dient das Signal direkt zur Ansteuerung der Treiberschaltung des aktiven Schalters des Konverters. Die ganzen Maßnahmen zum Schutz, zur optimalen Ansteuerung und zum Hochlauf von Konverterschaltungen sind Stand der Technik und müssen hier nicht näher erläutert werden. In der Taktzentrale werden auch die erforderlichen Signale für das Abtast-Halteglied (6) das Signal 45 (fSH) und für das D-Flip-Flop (8) das Steuersignal für die Integrandenumschaltung (f(U) erzeugt. Es sind bewusst zwei verschiedene Signale gezeichnet, um anzudeuten, dass es sich um verschiedene Signale handeln kann, oft wird es jedoch sinnvoll sein, beide Signale gleich oder in enger Korrelation zueinander zu erzeugen. Die Messdatenerfassung (1) beinhaltet prinzipiell einen Multiplizierer (3) um aus einem dem Strom proportionalen Messsignal (iM) und einem so spannungsproportionalen Messsignal (uM) ein leistungsproportionales Signal (Uopt), das optimiert werden soll, zu gewinnen. Wie bereits beschrieben, gibt es Anwendungsfälle, bei denen es genügt, die Optimierung nach einem einzigen Messsignal durchzuführen.

In Fig. 2 sind beispielhaft die bei diesem Verfahren wichtigen Zeitverläufe skizziert. Das oberste 55 Diagramm zeigt den Verlauf des zu optimierenden Signals (Uopt), das zweite Diagramm stellt

Claims (7)

1. 5 AT 413 610 B das sich ergebende Signal (Ush) am Ausgang des Sample&Hold-Gliedes (6) dar. Der dritte Signalverlauf zeigt das am Ausgang des Komparators (5) auftretende Signal (Ukomp). das vierte Diagramm den Sample Takt (fSh) und das fünfte Diagramm zeigt das Umschaltsignal für den Integranden (UiSt). Man erkennt, dass zuerst das zu optimierende Signal zunimmt, der Um-5 Schalter für den Integranden (9) bleibt daher in seiner Stellung; verursacht durch eine Abnahme des Optimierungssignals kommt es jedoch zu einer Umschaltung, die dann wieder ein kurzfristiges Ansteigen des zu optimierenden Signals bewirkt. Zwei Samplepulse schwingt der Arbeitspunkt um ein lokales Maximum, um dann in diesem Beispiel weiter anzusteigen. 10 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen wie Solarzellen, Solarpaneele oder Brennstoffzellen mit einem leistungselektronischen Konverter 15 (DC/DC bzw. DC/AC Konverter) unter Verwendung eines Signals (Uopt), das proportional der der nichtlinearen Quelle entnommenen Leistung ist und das zur Vermeidung von Störungen einer Filterung unterzogen werden kann (das kann auch durch ein Tastverfahren erfolgen) dadurch gekennzeichnet, dass dieses Signal einem Komparator (5) direkt bzw. über ein Abtast-Halteglied (6) verzögert (Ush) zugeführt wird und dass das Ausgangssignal 20 (Ukomp) des Komparators (5) abgetastet wird und damit der Integrand einer zumindest einen integralen Anteil (10) enthaltenden Schaltung umgeschaltet wird und das Ausgangssignal (Ui) dieser Schaltung mit Hilfe einer digitalen Modulation (11) zur Erzeugung des Steuersignals (S|) (oder der Steuersignale) des Leistungsteils (2) dient.
2. 2. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß An spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Integranden-Umschaltung (9) durch das Ausgangssignal (ui.st) eines Speicherelementes (8) erfolgt, das gemäß einem Taktsignal (fiu) das Äquivalenzsignal aus Komparatorausgangssignal (uKOmP) und Integrandenumschalt-signal (U|,st) speichert. 30
3. 3. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate des Abtasthaltegliedes (6) den Umschalter für den Integranden (9) synchronisiert.
4. 4. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß An spruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate des Abtasthaltegliedes (6) ein Bruchteil der Schaltfrequenz des Konverters (2) ist.
5. 5. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß An- 40 spruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das zu optimierende Signal (uopt) proportional einer gemessenen Leistung ist.
6. 6. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das zu optimierende Signal (uopt) proportio- 45 nal einem gemessenen Strom ist.
7. 7. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Steuer- und Messsignale in Form von Strömen realisiert sind. 50 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 55