AT413611B

AT413611B - Ansteuerverfahren zum betrieb nichtlinearer quellen im punkt maximaler leistung mit analogem zwischenspeicher

Info

Publication number: AT413611B
Application number: AT1832000A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2006-04-15
Also published as: ATA1832000A

Description

2

AT 413 611 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb nichtlinearer Quellen im Punkt maximaler Leistung. 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 auszunutzen, muss daher versucht 5 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 4o Verfahren spielen Toleranzen der Stromquelle keine Rolle, da sie sowohl für den Ladevorgang wie auch für den Entladevorgang verwendet werden. Weiters ist kein Abgleich der Quellen und Ausgleich der Leitwiderstände der Schalter erforderlich.

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 55 schlecht zu realisieren ist. Bei der gegenständlichen Erfindung wird dieser Nachteil jedoch 3

AT 413 611 B umgangen, 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 5 einem Solargenerator entnommen wird. Mit dem Inverter wird ein Drehstromsystem zur Ansteuerung 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 io durch die Änderung der Leistung des Solargenerators verursacht. Dieser Algorithmus wird 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 15 Leistungspunkts dargestellt, wobei es sich hier um einen schaltenden Algorithmus handelt, der 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 20 hier vorgelegte.

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 Referenzgenera-25 tor gewonnen. Es handelt sich dabei um keinen Suchalgorithmus, sondern um eine Regelung, 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 30 tritt prinzipbedingt für jeden derartigen Vorgang auf. Die Unterschiede zeigen sich in der speziellen 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 35 des Punktes der maximalen Leistung im Betrieb mit einer einfachen und störarmen analogen Zwischenspeicherung. 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 40 herangezogene Signal (uopt) - eine Spannung, die proportional dem Strom ist, bei Anwendung in einem Ladegerät, oder bei einem Konverter mit Ausgangsspannungsregelung; bzw. eine Spannung, die proportional einem Leistungssignal ist, bei einem allgemeinen Konverter - wird nach optionaler Filterung (Ausgangssignal (uoptFi)) gemäß einem Taktsignal (SR) abwechselnd positiv und negativ in einen proportionalen Strom umgewandelt, der einen Kondensator (7) lädt bzw. 45 entlädt. Dieser Kondensator (7) wird regelmäßig entladen und auf Spannung null gesetzt. Die Spannung wird weiters an einen Komparator (5) geführt und mit null verglichen. Dieses Komparatorsignal (uKomP) wird zu bestimmten Zeiten mit dem Takt (WU) abgetastet und gespeichert. Ist der Wert (uPzu) logisch 1, dann ist die Leistung gestiegen, ist der Wert (upzu) logisch 0, dann hat die Leistung abgenommen. Damit kann die Entscheidung getroffen werden, ob das Tastverhält-50 nis des Konverters in gleicher oder in der entgegengesetzten Richtung verändert werden muss.

Mit dem Komparator (5) bzw. dem Speicherwert (UpzU) und nach Bestimmung der erforderlichen Tastverhältnisänderungsrichtung wird die Zunahme oder Abnahme des Tastverhältnisses gesteuert. Bei einer analogen Lösung wird man dann entweder ein positives oder negatives Eines gangssignal an einen Integrierer (13) legen. Dieses Signal wird dann anschließend mit digitalem 4

AT 413 611 B

Modulator (14) in ein digitales Steuersignal für den Leistungsteil verwandelt. Das Modulationsverfahren kann z.B. eine Pulsweitenmodulation oder eine Sigma-Delta Modulation sein. Weitere Schaltsignale (S,) entsprechend der verwendeten Konvertertopologie werden dann entsprechend erzeugt. Es ist hier anzuführen, dass die digitale Modulation nicht mit einer fixen Fre-5 quenz erfolgen muss. Bei Konvertern mit resonanten Vorgängen bei der Energieumsetzung wird die Frequenz variiert, bzw. sowohl die Pulsdauer als auch die Frequenz moduliert.

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

Die Umschaltung der Stromrichtung kann beispielhaft mit einem Zweiphasenverstärker (Bipha-seamplifier), der das Steuersignal für eine Stromquelle umschaltet, realisiert werden. 15

Toleranzen des Kondensators (7) und der Stromquelle (6) spielen keine Rolle, da sie sowohl für den Ladevorgang wie auch für den Entladevorgang verwendet werden. Offset und Driftspannungen, die bei analogen Schaltungen oft problematisch sind, fallen durch die regelmäßige Entladung des Speicherkondensators (7) nicht ins Gewicht. Ein wesentlicher Vorteil der bespro-20 chenen Schaltung ist, daß sie leicht in einen CMOS IC integriert werden kann. In den IC kann dann die Ansteuerschaltung für den Konverter ebenfalls eingebaut werden.

Aus störungstechnischen Gründen können natürlich auch den Messsignalen (oder Steuersignalen) proportionale Ströme verwendet werden. 25

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. Am einfachsten jedoch wird man ein einfaches kontinuierliches (aktives oder passives) Filter 30 verwenden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen, die ein mögliches Ausführungsbeispiel zeigen, näher erläutert. Figur 1 zeigt eine mögliche Erzeugung des Entscheidungssignals (Upzu) für die Tastverhältnisänderung. Figur 2 zeigt ein Timingdiagramm, Fig.3 eine mögliche 35 Realisierung des Timings, Fig.4 die Auswertung des Entscheidungssignals und Fig.5 eine mögliche Realisierung der gesteuerten Stromquelle.

In Fig.1 ist die Erzeugung des (uopt) Signals mit einem Multiplizierer (3) aus einem spannungs-(um) und einem stromproportionalen (im) Signal als Teil der Messvorrichtung (3) des Gesamtge-40 rätes dargestellt. Das Signal (uopt) wird durch ein Filter (4) in ein Signal (ϋορι,π) umgeformt, das entsprechend dem Steuersignal (SR) in der gesteuerten Stromquelle (6) in einen proportionalen positiven oder negativen Strom umgeformt wird, der den Kondensator (7) lädt bzw. entlädt. Zum periodischen Kurzschließen und Entladen des Kondensators (7) dient ein Schalter (8) (z.B. realisiert mit einem Transistor), der vom Kondensatorrücksetzsignal (KR) angesteuert wird. 45 Mit dem Komparator (5) wird die Kondensatorspannung (uc) mit einem Referenzsignal uref (z.B. 0) verglichen. Das Ausgangssignal (uKomP) des Komparators (5) wird immer am Ende eines Lade-Entlade Zyklus durch den Takt (WU) in ein D-Flip-Flop (9) übernommen. Das Ausgangssignal (uPzu) des digitalen Speichers (9) liefert die Information, ob die Quellenleistung im abgeschlossenem Lade-Entlade Zyklus zugenommen oder abgenommen hat (hier gezeichnet, daß so ein logisch 1 eine Zunahme der Leistung bedeutet).

Figur 2 zeigt ein zugehöriges Timing Diagramm mit (SR) als Steuersignal für die Stromquelle (6) . Ein Low bedeutet Laden des Kondensators (7), ein High ein Entladen des Kondensators (7) . Mit dem Kondensatorrücksetzsignal (KR) wird der Kondensator (7) entladen. Die Übernah-55 me des Komparatorsignals (uKOmP) in den Speicher (9) erfolgt bei der steigenden Flanke des

Claims

5 AT 413 611 B Signals Wertübernahme (WU). Figur 3 zeigt eine Möglichkeit der Erzeugung der nötigen Digitalsignale aus dem Konvertertakt-signal (fT). Über einen Vorteiler (15) wird die Schaltfrequenz z.B. um den Faktor 256 verkleinert 5 und einem Vierbitteiler (16) zugeführt. Die Ausgänge des Teilers (16) werden drei UND-Verknüpfungen (17,18,19) zugeführt. Ein Punkt am Eingang der UND-Gatter (17,18,19) zeigt eine logische Invertierung des Eingangsignals an. Der Ausgang von UND-Gatter (17) triggert ein JK-Flip-Flop (20) im Togglemode und erzeugt damit das Steuersignal (SR) für die Umschaltung der Stromquelle (6). UND-Gatter (18) steuert die Kondensatorrücksetzung über das Signal io (KR) (Ansteuersignal für einen Transistor (22)). Mit der steigenden Flanke des Ausgangs von UND-Gatter (19) (WU) wird Wert des Komparators (5) (uKOmp) ausgelesen und im Speicher (9) geladen und nach einer kurzen (zur Kompensation der Laufzeiten) Verzögerung wird der Speicher (11) ebenfalls mit dem Steuersignal (fiu) mit der Ausgangsgröße des Äquivalenzgliedes (10) neu geladen. 15 In Fig.4 ist eine mögliche Weiterverarbeitung des Leistungszunahmesignals (upzU) gezeigt. Durch die Äquivalenzschaltung (10) in Zusammenarbeit mit dem Speicher (11) erfolgt die Entscheidung, ob das Tastverhältnis des Konverters gesteigert oder reduziert werden muß. Dazu wird entsprechend ein positiver oder negativer Integrand mit Hilfe der Umschaltvorrichtung (12) 20 einem Integrator (13) zugeführt (hier ist ein nichtinvertierender Integrator gezeichnet, je nach der Wahl der Polarität der Logik und des Integrators muß ein entsprechendes Signal verwendet werden), dessen Ausgangssignal (ui) entsprechend der Konverterschaltfrequenz (fT) in einem digitalen Modulator (14) in ein digitales Ansteuersignal (uDmod) verwandelt wird, aus dem in (21) die Ansteuersignale (S,) für die aktiven Schalter und Hilfsschalter des Konverters (2) erzeugt 25 werden. Figur 5 zeigt eine Realisierung der umschaltbaren gesteuerten Stromquelle (6). Der erste Operationsverstärker (25) ist als Biphase-Verstärker geschaltet; durch Anlegen des Logiksignals (SR) an den Transistor (22) (über den Vonwiderstand (23)) kommt das Signal (uopt.Fi) entweder 30 direkt oder invertiert an den Ausgang von (25), der den Eingang der gesteuerten Stromquelle, aufgebaut mit dem Operationsverstärker (24), bildet. Der Ausgang der Stromquelle (uc) ist direkt an den Speicherkondensator geschaltet. Die hier dargestellten Schaltungen zeigen eine mögliche Realisierung. Entsprechend der zur 35 Verfügung stehenden Mittel kann die Steuerung auch mit ASICs, Controllern, FPGAs und ähnlichem realisiert werden. Ebenso können positive oder negative Logik, Analogschalter, Diodenschalter, andere Flip-Flop-Typen und ähnliches zur Realisierung der Vorrichtung herangezogen werden. 40 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen wie Solarzellen, Solarpaneele oder Brennstoffzellen mit einem leistungselektronischen Konverter 45 (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 mit einer einzigen Stromquelle (6), deren Stromrichtung umschaltbar ist, in einen proportionalen Strom umgeformt wird, der so einen Kondensator (7) lädt und entlädt, die Kondensatorspannung (uc) durch einen Kom parator (5) mit einem Referenzsignal (uref) verglichen wird, dessen Ausgangswert (uKomP) zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet und gespeichert wird und dieses dadurch entstehende Leistungszunahmesignal (Up^) das Integrandenumschaltsignal (ui.st), das das Ausgangssignal (ui st) eines Speicherelementes (11), bei dem das mit dem Taktsignal (fiu) übemom-55 mene Äquivalenzsignal aus dem Leistungszunahmesignal (up^,) und Integrandenumschalt- 6 AT 413 611 B Signal (ui,st) gespeichert wird, bildet, das dazu dient, den Integralanteil einer zumindest einen integralen Anteil (13) enthaltenden Schaltung umzuschalten und das Ausgangssignal dieser Schaltung mit Hilfe einer digitalen Modulation (14) zur Erzeugung der Steuersignale (Si) des Leistungsteils (2) verwendet wird. 5
2. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorspannung (uc) regelmäßig auf null gesetzt wird. io 3. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Stromrichtung durch Umpolung des Kondensators (7) mit Analogschaltern, Dioden oder analogen Schaltern erfolgt.
4. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anis spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Stromrichtung durch Umpolung des Eingangssignals einer gesteuerten Stromquelle erfolgt.
5. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Stromquelle (6) den Um- 20 Schalter für den Integranden (12) synchronisiert.
6. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Stromquelle (6) mit einem Tastverhältnis von 50% erfolgt. 25
7. Ansteuervorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (SR) für die Umschaltung der Stromquelle (6), das Signal (KR) für das Rücksetzen des Kondensators (7) und das Signal (WU) für die Übernahme des Vergleichsignals (uKomP) in den Speicher (9) zueinander in einem exakten Verhältnis stehen und mit dem Konverter- 30 takt (fT) synchronisiert sind.
8. Ansteuervorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Stromquelle (6) mit einem Bruchteil der Schaltfrequenz (fT) des Konverters erfolgt.
9. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß An spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zu optimierende Signal (uopt) proportional einer gemessenen Leistung ist.
10. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß An- 40 spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zu optimierende Signal (uopt) proportional einem gemessenen Strom ist.
11. Verfahren zur Entnahme der maximalen Leistung aus nichtlinearen Quellen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Steuer- und Messsignale in Form von 45 Strömen realisiert sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 50 55