DE10060108A1

DE10060108A1 - Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage

Info

Publication number: DE10060108A1
Application number: DE10060108A
Authority: DE
Inventors: Dirk Bechler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: DE10060108B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage durch Messung der Generatorgrößen Ausgangsstrom, Ausgangsspannung und Temperatur und numerischer Bestimmung der Spannung oder des Stromes im MPP auf Grundlage einer vorgegebenen Strom-Spannungs-Beziehung nach der Gleichung DOLLAR F1 gekennzeichnet durch die Schritte, DOLLAR A a) Ermittlung der Parameter des Solargenerators durch einmaliges Durchlaufen der gesamten Strom-Spannungs-Kennlinie des Solargenerators und Speicherung der Meßwerte von Strom (I) und Spannung (U) bei gleichzeitiger Messung und Speicherung der Temperatur (T), DOLLAR A b) Berechnung der Parameter des Solargenerators aus der Strom-Spannungs-Beziehung, DOLLAR A c) Berechnung des Punktes maximaler Leistung (MPP) mit den Werten U¶MPP¶, I¶MPP¶ und P¶MPP¶ aus einem Meßwert-Tripel, bestehend aus I, U und T, mit der genannten Strom-Spannungs-Beziehung, DOLLAR A d) und Einstellen des MPP durch Vorgabe des Sollwertes für Spannung oder Strom an einen Regler, der auf den Ausgang eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage einwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage durch Messung der Generatorgrößen Ausgangsstrom, Ausgangsspannung und Temperatur und numerischer Bestimmung der Span nung oder des Stromes im MPP auf Grundlage einer vorgegebenen Strom-Spannungs- Beziehung.

Ein Solargenerator stellt eine elektrische Energiequelle mit arbeitspunktabhängigem Innenwi derstand dar, der eine Verringerung der Ausgangsspannung bei zunehmendem Ausgangs strom bewirkt. Dies führt zur in Fig. 2 dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinie. Diese ist durch drei Punkte gekennzeichnet. Der Schnittpunkt der I-U-Kennlinie mit der U-Achse (I = 0) ist die Leerlaufspannung U_L, der Schnittpunkt mit der I-Achse (U = 0) ist der Kurz schlußstrom I_K. Dazwischen befindet sich der Punkt maximaler Leistung MPP mit den Wer ten MPP-Spannung U_MPP, MPP-Strom I_MPP und MPP-Leistung P_MPP. Im Sinne einer vollstän digen Ausnutzung der vom Solargenerator erzeugten Elektroenergie besteht das Ziel darin, den Generator permanent in diesem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dies wird dadurch erschwert, daß die I-U-Kennlinie nicht konstant ist, sondern sich entsprechend der Umge bungsbedingungen Einstrahlung E und Temperatur T ändert. Der Generatorausgangsstrom ist einstrahlungsabhängig. Die Spannung bleibt bei Änderung der Einstrahlung dagegen nahezu unverändert (Fig. 3). Sie ist allerdings stark temperaturabhängig (Fig. 4). Die Veränderung der Kennlinie hat auch eine Verschiebung des MPP zur Folge. Daraus ergibt sich die Not wendigkeit, durch eine Regelung die Ausgangsspannung des Solargenerators der MPP- Spannung nachzuführen, um immer die maximale Leistung entnehmen zu können.

Aus der DE 40 19 710 A1 ist bekannt, daß zur Ermittlung des Punktes maximaler Leistung eine künstlich vom Regler verursachte Suchbewegung benutzt wird, in deren Folge ein per manentes Pendeln um den stationären MPP auftritt, das zu einem Energieverlust führt, der bis zu 10% betragen kann.

Weiterhin ist aus der DE 195 02 762 C2 bekannt, daß zur Ermittlung des MPP dieser zum Messen von Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung periodisch verlassen wird, woraus ebenfalls eine Energieeinbuße resultiert.

Die genannten Nachteile lassen sich mit Verfahren nach DE 43 24 701 C1 und DE 44 46 627 A1 vermeiden. Diese sind jedoch aufgrund der Notwendigkeit des Vorhanden seins von Welligkeiten in den Generatorausgangsgrößen u_SG und i_SG in ihrer Anwendbarkeit eingeschränkt auf Systeme, die derartige Welligkeiten verursachen, wie beispielsweise Anla gen mit netzgeführten oder einphasigen Wechselrichtern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereit stellung eines Verfahrens, das auf der Basis eines stationären Ausgabewertes den Punkt ma ximaler Leistung ohne Abweichung einstellt, unverzögert auf Änderungen der Umgebungs bedingungen (d. h. vor allem der Einstrahlung) reagiert und universell einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnun gen zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild für einen Solargenerator

Fig. 2 eine I-U-Kennlinie und eine P-U-Kennlinie eines Solargenerators

Fig. 3 ein Diagramm der Einstrahlabhängigkeit der I-U-Kennlinie des Solargenerators

Fig. 4 ein Diagramm der Temperaturabhängigkeit der I-U-Kennlinie des Solargenerators

Dem Verfahren liegt die bekannte aus Fig. 1 folgende Strom-Spannungs-Beziehung nach Gleichung (1) zugrunde.

Dabei bedeuten:
I: Solargeneratotausgangsstrom,
I_ph: Photostrom,
I_S: Diodensättigungsstrom,
U: Solargeneratotausgangsspannung,
R_S: Serien-Ersatzwiderstand,
c: Konstante,
T: Temperatur,
R_P: Parallel-Ersatzwiderstand.

Das Verfahren wird in folgenden Teilschritten durchgeführt:

a) Nach einmaligem Durchlaufen der gesamten Strom-Spannungs-Kennlinie des Solargene rators und Speicherung der Meßwerte von Strom (I) und Spannung (U) bei gleichzeitiger Messung und Speicherung der Temperatur (T) erfolgt eine
b) Berechnung der Parameter I_ph, I_S, R_S, c und R_P des Solargenerators aus der I-U-Beziehung gemäß Gleichung (1).
c) Danach wird die Berechnung des Punktes maximaler Leistung (MPP) mit den Werten U_MPP, I_MPP und P_MPP aus einem Meßwert-Tripel (I, U, T) mit der I-U-Beziehung gemäß Gleichung (1) unter Einsetzen der in Schritt a) ermittelten Parameter durchgeführt und es erfolgt die
d) Einstellung des MPP durch Vorgabe des Sollwertes für Spannung oder Strom.

Schritte a) und b) werden periodisch (z. B. einmal täglich) durchgeführt. Schritte c) und d) wiederholen sich kontinuierlich während der Arbeit des Reglers. Die Parameteridentifikation (Schritt b) als ein nichtlineares Quadratmittelproblem wird itera tiv (z. B. durch das Gauß-Newton-Verfahren) gelöst.

Die drei Parameter R_S, R_P und c können als konstante Größen betrachtet werden. Der ermit telte Wert für den temperaturabhängigen Diodensättigungsstrom dient der Ermittlung der Materialkonstanten c_S nach Gleichung (2).

Darin bedeuten:
E_g: Bandabstand,
k: Boltzmannkonstante.

Der Photostrom wird nur zur Bestimmung der anderen Parameter benötigt.

In Schritt c) werden kontinuierlich Strom, Spannung und Temperatur am Generator gemes sen. Aus der gemessenen Temperatur wird der aktuelle Sättigungsstrom aus Gleichung (2) unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Bandabstandes E_g berechnet. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Photostromes durch Umstellen der Gleichung (1) nach I_ph. Damit ist die aktuelle Kennlinie I = f(U) bekannt. Die Multiplikation mit der Span nung führt zur Beziehung P = g(U, I) nach Gleichung (3):

Die maximale Leistung und der dazugehörige Wert für Spannung oder Strom werden nume risch ermittelt. In einem hinreichend großen Fenster um den MPP wird für infinitesimal wachsende Werte von U_i oder I_i die Gleichung (3) gelöst. Dabei lautet das Abbruchkriterium P_i < P_i-1. Der zugehörige Wert U_i-1 oder I_i-1 ist die gesuchte MPP-Spannung oder der gesuchte MPP-Strom und wird als Sollwert an den Regler übergeben.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage durch Messung der Generatorgrößen Ausgangsstrom, Aus gangsspannung und Temperatur und numerischer Bestimmung der Spannung oder des Stromes im MPP auf Grundlage einer vorgegebenen Strom-Spannungs-Beziehung nach der Gleichung
gekennzeichnet durch die Schritte,

a) Ermittlung der Parameter des Solargenerators durch einmaliges Durchlaufen der ge samten Strom-Spannungs-Kennlinie des Solargenerators und Speicherung der Meß werte von Strom (I) und Spannung (13) bei gleichzeitiger Messung und Speicherung der Temperatur (T),
b) Berechnung der Parameter des Solargenerators aus der Strom-Spannungs-Beziehung,
c) Berechnung des Punktes maximaler Leistung (MPP) mit den Werten U_MPP, I_MPP und P_MPP aus einem Meßwert-Tripel, bestehend aus I, U, und T, mit der genannten Strom- Spannungs-Beziehung,
d) und Einstellen des MPP durch Vorgabe des Sollwertes für Spannung oder Strom an einen Regler, der auf den Ausgang eines Solargenerators einer photovoltaischen So laranlage einwirkt.

2. . Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine periodische Wiederholung des Durchlaufens der gesamten Strom-Spannungs-Kennlinie und Überschreiben der gespei cherten Meßwerte von Strom (I), Spannung (U) und Temperatur (T).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Wiederho lung der Berechnung des Punktes maximaler Leistung (MPP) während der Arbeit eines Reglers.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Parameteridentifizierung als nichtlineares Quadratmittelproblem mittels des Gauß- Newton-Verfahrens.