DE10060108B4

DE10060108B4 - Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer photovoltaischen Solaranlage

Info

Publication number: DE10060108B4
Application number: DE10060108A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Bechler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: DE10060108A1

Abstract

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

gekennzeichnet durch die Schritte,
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),
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 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 Spannung oder des Stromes im MPP auf Grundlage einer vorgegebenen Strom-Spannungs-Beziehung.
Ein Solargenerator stellt eine elektrische Energiequelle mit arbeitspunktabhängigem Innenwiderstand dar, der eine Verringerung der Ausgangsspannung bei zunehmendem Ausgangsstrom bewirkt. Dies führt zur in 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 Kurzschlußstrom I_K. Dazwischen befindet sich der Punkt maximaler Leistung MPP mit den Werten MPP-Spannung U_MPP, MPP-Strom I_MPP und MPP-Leistung P_MPP. Im Sinne einer vollständigen 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 Umgebungsbedingungen Einstrahlung E und Temperatur T ändert. Der Generatorausgangsstrom ist einstrahlungsabhängig. Die Spannung bleibt bei Änderung der Einstrahlung dagegen nahezu unverändert (3). Sie ist allerdings stark temperaturabhängig (4). Die Veränderung der Kennlinie hat auch eine Verschiebung des MPP zur Folge. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, durch eine Regelung die Ausgangsspannung des Solargenerators der MPP-Spannung nachzuführen, um immer die maximale Leistung entnehmen zu können.

Aus der Druckschrift Quaschning, V. und Hanitsch, R.: Influence of shading on electrical parameters of solar cells. In: Photovoltaic Specialists Conference, 1996., Conference Record ofthe Twenty Fifth IEEE, 13-17.05.1996, S.1287 -1290 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem auf die Strom-Spannungs-Beziehung gemäß der, Gleichung (1) zurückgegriffen wird.

Aus einer vereinfachten Gleichung, ohne Berücksichtigung des parallelen und des seriellen Widerstandes im Ersatzschaltbild, werden dort, mit Hilfe einer Taylor-Reihenentwicklung temperaturabhängige Näherungswerte für Spannung U_MPP und Strom I_MPP im Punkt maximaler Leistung MPP errechnet und mit der exakten Simulation nach der Strom-Spannungs-Beziehung verglichen.

Mit diesem Verfahren werden jedoch keine Konstanten aus der gemessenen Kennlinie gewonnen, sondern, es wird eine Formel für die Abhängigkeit der MPP-Parameter vom Grad S der Abschattung der Solarzellen ermittelt. Die angenäherten MPP-Parameter eignen sich somit nicht zur MPP-Regelung.

In der Druckschrift Glass, M. C.: Improved solar array power point model with SPICE realization. In:
Energy Conversion Engineering Conference, 1996.IECEC 96. Proceedings of the 31 st Intersociety, Volume: 1, 11-16.08.1996, S. 286 -291 wird ebenfalls von einer vereinfachten Strom-Spannungs-Beziehung ohne Berücksichtigung des parallelen Widerstandes des Ersatzschalbildes ausgegangen. Mit Hilfe von Messwerten von drei Lastpunkten werden die temperaturabhängigen Konstanten angenähert. Die Berechnung dient als Modell zur numerischen Simulation von Stromversorgungssystemen von Satelliten.

Eine Formel für die Strom-Spannungs-Beziehung eines Solargenerators findet sich beispielsweise in R. J. van Overstraeten, R. P. Mertens: Physics, Technology and Use of Photovoltaics. Adam Hilger Ltd, 1986, S. 187, wobei die dort gezeigte Formel von einem Modell mit zwei Dioden ausgeht.

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 permanentes 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 Vorhandenseins von Welligkeiten in den Generatorausgangsgrößen u_SG und i_SG in ihrer Anwendbarkeit eingeschränkt auf Systeme, die derartige Welligkeiten verursachen, wie beispielsweise Anlagen mit netzgeführten oder einphasigen Wechselrichtern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens, das auf der Basis eines stationären Ausgabewertes den Punkt maximaler Leistung ohne Abweichung einstellt, unverzögert auf Änderungen der Umgebungsbedingungen (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 Zeichnungen zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild für einen Solargenerator
2 eine I-U-Kennlinie und eine P-U-Kennlinie eines Solargenerators
3 ein Diagramm der Einstrahlabhängigkeit der I-U-Kennlinie des Solargenerators
4 ein Diagramm der Temperaturabhängigkeit der I-U-Kennlinie des Solargenerators
Dem Verfahren liegt die folgende bekannte Strom-Spannungs-Beziehung nach Gleichung (1) zugrunde, wobei hier im Gegensatz zum oben genannten Stand der Technik von einem vereinfachten Modell mit nur einer Diode gemäß dem Ersatzschaltbild aus 1 ausgegangen wird.

I:: Solargeneratoausgangsstrom,
I_ph:: Photostrom,
I_S:: Diodensättigungsstrom,
U:: Solargeneratorausgangsspannung,
R_S:: Serien-Ersatzwiderstand,
c:: Konstante,
T:: Temperatur, am Solargenerator
R_p:: Parallel-Ersatzwiderstand.

Das Verfahren wird in folgendenTeilschritten durchgeführt:

a) Nach einmaligem 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) 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 durchgeführ 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 iterativ (z. B. durch das Gauß-Newton-Verfahren) gelöst.
Die drei Parameter R_S, R_P und c können als konstante Größen betrachtet werden. Der ermiftelte Wert für den temperaturabhängigen Diodensättigungsstrom dient der Ermittlung der Materialkonstanten c_S nach Gleichung (2).

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 gemessen. 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 Spannung führt zur Beziehung P = g (U, I) nach Gleichung (3):
Die maximale Leistung und der dazugehörige. Wert für Spannung oder Strom werden numerisch ermittelt. In einem hinreichend großen Fenster um den MPP wird für infinitesimal wachsende Werte von U; oder 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

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
gekennzeichnet durch die Schritte, 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), 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 Solaranlage einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine periodische Wiederholung des Durchlaufens der gesamten Strom-Spannungs-Kennlinie und Überschreiben der gespeicherten Meßwerte von Strom (I), Spannung (U) und Temperatur (T).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Wiederholung der Berechnung des Punktes maximaler Leistung (MPP) während der Arbeit des Reglers.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3 gekennzeichnet durch eine Parameteridentifizierung als nichtlineares Quadratmittelproblem mittels des Gauß-Newton-Verfahrens.