DE102010038941A1

DE102010038941A1 - Erfassung einer möglich gewesenen, aber nicht tatsächlich eingespeisten Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102010038941A1
Application number: DE102010038941A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Magnussen Björn; Dr. Klein Jens
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012017068A3; EP2601534A2; WO2012017068A2

Abstract

Zur Erfassung einer in einem Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage, die einen oder mehrere Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Energie von einem oder mehreren Photovoltaikgeneratoren in ein Wechselstromnetz (4) aufweist, wird die Photovoltaikanlage (1) in dem Zeitraum an das Wechselstromnetz gekoppelt betrieben, wobei der oder die Wechselrichter in dem Zeitraum unterschiedlich betrieben werden und wobei in dem Zeitraum keine Energie eingespeist wird oder eine gegenüber der potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge reduzierte Einspeiseenergiemenge eingespeist wird, und wird aus während dieses unterschiedlichen Betriebs erfassten Betriebsdaten des oder der Wechselrichter die in dem Zeitraum potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung einer in einem Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Bei den Photovoltaikgeneratoren der Photovoltaikanlage kann es sich um Strings aus in Reihe oder parallel geschalteten Solarzellen handeln, die ihrerseits parallel bzw. in Reihe geschaltete Substrings aufweisen können.
Die in einem Zeitraum potentiell möglich gewesene, aber tatsächlich nicht eingespeiste Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage kann aus verschiedenen Gründen von großem Interesse sein. Hierzu zählt es, festzustellen, ob es sich rentieren würde, eine inhärente Beschränkung der Einspeiseleistung durch Investition beispielsweise in einen leistungsfähigeren Wechselrichter oder eine größere Pufferbatterie zu beseitigen. So ist es bei Photovoltaikanlagen durchaus nicht unüblich, den oder die Wechselrichter nicht für die Maximalleistung der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren auszulegen, sondern für eine darunter liegende Leistung. Indem die ohne diese Unterdimensionierung maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge der Photovoltaikanlage über einen Zeitraum erfasst wird, kann überprüft werden, ob ein größer dimensionierter Wechselrichter nicht doch sinnvoll wäre. Insoweit kann es sich bei der potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge um eine solche handeln, die von der Photovoltaikanlage, so wie sie ist, aufgrund der Dimensionierung ihres Wechselrichters gar nicht eingespeist werden könnte. Dies ist allerdings eine Ausnahme. In der Regel geht es bei dem neuen Verfahren darum, die mit der Photovoltaikanlage, so wie sie ist, maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge über einen bestimmten Zeitraum zu erfassen. Diese Einspeiseenergiemenge ist beispielsweise auch dann von Interesse, wenn die tatsächlich eingespeiste Energiemenge aufgrund einer Vorgabe eines Netzbetreibers hinter der potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge zurückbleibt und der Netzbetreiber unter diesen Umständen die maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge der Photovoltaikanlage zu vergüten hat, wenn sie ihm nachgewiesen werden kann.
STAND DER TECHNIK
Zur Erfassung der in einem Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage wäre vielleicht daran zu denken, auf das Signal eines Einstrahlungssensors zurückzugreifen, wie er beispielsweise aus der DE 201 02 619 U1 oder der EP 1 223 431 A2 zur Fehlerfeststellung bei Photovoltaikanlagen verwendet wird, indem die tatsächliche Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage mit der aus dem Signal des Einstrahlungssensors abgeleiteten maximalen Generatorleistung des oder der Photovoltaikgeneratoren der Photovoltaikanlage verglichen wird. Hierfür ist dann jedoch der Einstrahlungssensor zusätzlich vorzusehen, und es ist zu berücksichtigen, dass aus dem Signal des Einstrahlungssensors die zu erwartende maximale Generatorleistung nur innerhalb eines Toleranzbereichs abzuleiten ist.
Unter anderem aus der EP 1 628 182 ist es bekannt, die Spannungs-Strom-Kennlinie der an einem Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren einer Photovoltaikanlage zu erfassen, um diese zur Fehlerüberwachung mit einer erwarteten Kennlinie zu vergleichen. Dies erfolgt nicht im laufenden, netzgekoppelten Betrieb der Photovoltaikanlage. Ein ähnliches Verfahren ist aus der US 6,111,767 bekannt. Hier wird die Spannungs-Strom-Kennlinie der Photovoltaikgeneratoren außerhalb des netzgekoppelten Betriebs der Photovoltaikanlage beim Aufladen eines eingangsseitigen Pufferkondensators des Wechselrichters erfasst.
Zur Maximierung der Einspeiseleistung einer Photovoltaikanlage sind Verfahren bekannt, mit denen die Arbeitsspannung, bei der die an den oder die Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren eine maximale elektrische Leistung zur Verfügung stellen, kontinuierlich nachverfolgt wird. Ein solches Trackingverfahren wird beispielsweise in der EP 1 995 656 A1 beschrieben. Um bei einem solchen Tracking nicht an einen Nebenmaximum der Leistungskennlinie hängenzubleiben, ist es aus der US 5,869,956 A1 bekannt, den beim Tracking hinsichtlich der Leistung abgetasteten Spannungsbereich zu vergrößern.
Aus der EP 2 144 133 A1 ist es bekannt, zu Beginn eines Trackingverfahrens einmal die gesamte Spannungs-Leistungs-Kennlinie einer Photovoltaikanlage aufzunehmen, um das Tracking anschließend im Bereich des absoluten Maximums der Kennlinie aufzusetzen, um auf diese Weise ein Hängenbleiben des Trackings an einem Nebenmaximum zu verhindern.
Wenn eine Photovoltaikanlage – aus welchen Gründen auch immer – unterhalb ihrer aktuell maximal möglichen Einspeiseleistung betrieben wird, sind solche Trackingverfahren per definitionem nicht anwendbar, weil die Photovoltaikanlage aufgrund des Trackings gerade ihre maximale oder zumindest nahezu maximale Leistung einspeist.
Aus der DE 199 09 609 C1 ist es bekannt, zur Ermittlung der Kennlinie eines Photovoltaik-Generators abwechselnd Spannung und Strom während des Aufladens eines Puffer-Kondensators als Last aufzunehmen, jeweils nachdem dieser über einen Entladewiderstand entladen wurde. Für dieses Verfahren sind zwei separate Messungen erforderlich und es ist zusätzlicher Hardware-Aufwand zumindest in Form des zu- und abschaltbaren Entladewiderstands zu betreiben.
Aus der DE 10 2007 032 980 A1 ist es bekannt, die Arbeitsspannung mit maximaler Generatorleistung durch einen vorgegebenen Prozentsatz der Leerlaufspannung einer zu dem Photovoltaikgeneratoren äquivalenten ”PV-Referenzeinrichtungsgruppe” abzuschätzen, von der keine elektrische Energie eingespeist wird. Diese Schätzung ist nicht nur mit erheblichen Fehlern verbunden, sondern erfordert auch mindestens ein Solarzellenmodul, das energetisch ungenutzt ist.
Aus der DE 100 60 108 A1 ist es bekannt, den Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung einer Photovoltaikanlage basierend auf Strommessungen in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur unter Anwendung einer mathematischen Beschreibung deren Spannungs-Strom-Kennlinie zu bestimmen und einzustellen. Dieses Verfahren setzt voraus, dass das mathematische Modell die Kennlinie tatsächlich genau beschreibt und sich die Kennlinie bezüglich ihrer Grundparameter, die nur in größeren Abständen, beispielsweise einmal am Tag, aufgenommen werden, nicht zwischenzeitlich ändert.
Alle voranstehend beschriebenen Verfahren haben ausschließlich die Ziele, die Funktion einer Photovoltaikanlage zu überwachen und/oder die Photovoltaikanlage tatsächlich in einem Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung zu betreiben. Sie beschäftigen sich weder mit dem Betrag einer potentiell möglichen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseleistung noch mit deren Integral über einen bestimmten Zeitraum, d. h. der über diesen Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseenergiemenge.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das im laufenden Betriebs einer Photovoltaik-Anlage, insbesondere während des Einspeisens von elektrischer Energie von den Photovoltaikgeneratoren, ohne zusätzlichen Hardwareaufwand durchführbar ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren zur Erfassung einer in einem Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeisenergiemenge einer Photovoltaikanlage, die einen oder mehrere Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Energie von einem oder mehreren Photovoltaikgeneratoren in ein Wechselstromnetz aufweist, wird die Photovoltaikanlage in dem Zeitraum an das Wechselstromnetz gekoppelt betrieben, wobei der oder die Wechselrichter in dem Zeitraum unterschiedlich betrieben werden und wobei in dem Zeitraum keine Energie eingespeist wird oder eine gegenüber der potentiell möglich gewesenen Einspeisenergiemenge reduzierte Einspeisenergiemenge eingespeist wird. Aus während dieses unterschiedlichen Betriebs erfassten Betriebsdaten des oder der Wechselrichter wird dann die in dem Zeitraum potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge bestimmt. Unter einem unterschiedlichen Betrieb oder dem unterschiedlichen Betreiben eines oder mehrerer Wechselrichter in dem Zeitraum ist zu verstehen, dass die Photovoltaikanlage in unterschiedlichen Arbeitspunkten, d. h. unterschiedlichen Spannungen über den Photovoltaikgeneratoren betrieben wird. Dabei kann sich diese Unterschiedlichkeit der Arbeitspunkte bei einem Wechselrichter auf unterschiedliche Teilzeiträume des Zeitraums beziehen, während sie sich bei mehreren Wechselrichtern auf mehrere unterschiedliche Arbeitspunkte zur gleichen Zeit beziehen kann. Auch Kombinationen dieser beiden Aspekte der Unterschiedlichkeit sind möglich. In jedem Fall erlaubt es die Unterschiedlichkeit der Arbeitspunkte einerseits eine gegenüber der potentiell möglich gewesen Einspeiseenergiemenge reduzierte Einspeiseenergiemenge in dem Zeitraum einzuspeisen und andererseits den Betrag eben dieser in dem Zeitraum potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge oder auch nur deren Differenz zu der reduzierten, tatsächlich eingespeisten Einspeiseenergiemenge (was gleichwertig ist) zu erfassen.
Bei dem neuen Verfahren erfolgt die Erfassung des Betrags der in dem Zeitraum potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge im laufenden, d. h. netzgekoppelten Betrieb der Photovoltaikanlage, in dem mindestens ein Wechselrichter dem Wechselstromnetz zugeschaltet ist, auch wenn in dem Zeitraum keine Einspeiseenergiemenge eingespeist wird.
Konkret kann bei dem neuen Verfahren mindestens ein Wechselrichter in unterschiedlichen Teilzeiträumen des Zeitraums unterschiedlich betrieben werden. Dabei kann der eine Wechselrichter in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert werden, dass er eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie oder, was damit grundsätzlich gleichbedeutend ist, eine Spannungs-Strom-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren um einen mittleren Arbeitspunkt lokal abtastet. Damit wird ein Bereich der jeweiligen Kennlinie erfasst, und aus diesen Informationen kann aus für die jeweilige Photovoltaikanlage zu früheren Zeitpunkten erfassten oder modellierten Kennlinien die passende ausgewählt werden, um aus dieser die aktuelle maximal mögliche Einspeiseleistung und als deren Integral die in dem Zeitraum maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge abzuleiten.
Der eine Wechselrichter kann in den unterschiedlichen Teilzeiträumen auch derart unterschiedlich angesteuert werden, dass er den Photovoltaikgeneratoren eine gleiche elektrische Leistung an zwei unterschiedlichen Arbeitspunkten mit unterschiedlichen Spannungen über den angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren entnimmt und ins Wechselstromnetz einspeist. Hierdurch wird die zugrunde liegende Spannungs-Leistungs-Kennlinie an zwei Punkten, das sind die beiden Arbeitspunkte, erfasst und so aus der Anzahl der möglichen Kennlinien selektiert. In der Folge kann man wieder aus der selektierten Kennlinie auf die maximal mögliche Generatorleistung und die eigentlich interessierende maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge geschlossen werden.
Die beiden voranstehend angesprochenen Ausführungsformen des neuen Verfahrens können auch kombiniert werden, indem der eine Wechselrichter in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren um beide unterschiedlichen Arbeitspunkte lokal abtastet. Hierdurch wird die Selektivität bezüglich der tatsächlichen Kennlinie der Photovoltaikanlage deutlich gesteigert.
Der eine Wechselrichter kann in den unterschiedlichen Teilzeiträumen auch derart unterschiedlich angesteuert werden, dass er unterschiedliche elektrische Leistungen einspeist, deren Integral über den Zeitraum gleich der reduzierten Energiemenge in dem Zeitraum ist und die eine maximal mögliche Einspeiseleistung umfassen. Das heißt, der Wechselrichter kann innerhalb des Zeitraums den Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung durchlaufen, um diesen bezüglich der maximal möglichen Einspeiseleistung zu messen, dies aber nur vorübergehend. In anderen Teilzeiträumen wird er zum Ausgleich so angesteuert, dass er eine kleinere als die reduzierte Einspeiseleistung einspeist, so dass seine mittlere Einspeiseleistung der reduzierten Einspeiseleistung entspricht. Alternativ kann der Wechselrichter in den unterschiedlichen Teilzeiträumen auch derart unterschiedlich angesteuert werden, dass er zumindest einen Teilbereich einer Spannungs-Leistungs-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren abrastert, in dem ein Arbeitspunkt mit maximal möglicher Generatorleistung liegt. Aus den derart ermittelten Stützstellen kann die Spannungs-Leistungs-Kennlinie und insbesondere deren Punkt maximal möglicher Generatorleistung extrapoliert werden. Der Punkt maximal möglicher Generatorleistung muss dabei vorteilhafter Weise nicht direkt getroffen, d. h. gemessen werden.
Der eine Wechselrichter kann in den unterschiedlichen Teilzeiträumen auch derart unterschiedlich angesteuert werden, dass er den an ihn angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren unterschiedliche elektrische Leistungen entnimmt, aber dennoch eine konstante elektrische Leistung in das Wechselstromnetz einspeist. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, dass die Differenz zwischen den unterschiedlichen elektrischen Leistungen und der konstanten elektrischen Leistung beispielsweise in einem Pufferkondensator zwischengespeichert und/oder in eine andere Energieform umgewandelt wird. Die Zwischenspeicherung und/oder die Umwandlung in eine andere Energieform können mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:

– Umwandlung in einem DC-Kreis, z. B. zur Rückeinspeisung in die angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren zwecks Umwandlung in Wärme, z. B. in einer Verkablung der Photovoltaikgeneratoren und/oder in den Photovoltaikgeneratoren selbst, und/oder zwecks Abstrahlung der Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung,
– interner Verbrauch der Energiemenge in dem mindestens einen Wechselrichter, z. B. zur Eigenversorgung seiner leistungselektronischen und/oder signalverarbeitenden Komponenten, wie beispielsweise Platinen, Anzeigeelemente usw.,
– Einspeisung als Leistung ohne Wirkleistungsanteil in Richtung Wechselstromnetz, z. B. als Gleichstrom oder als Wechselstrom mit einer Frequenz fernab der Netzfrequenz, wobei die Amplitude hinreichend klein zu halten ist, um EMV-Grenzwerte und dgl. einzuhalten, was durch eine Einspeisung über einen Einspeisezeitraum erreicht werden kann, der wesentlich länger als der Zeitraum ist, für den die maximal möglich gewesene Einspeiseenergiemenge bestimmt wird, und
– Einspeisung in ein externes System, insbesondere Batterien oder Kondensatoren zur Zwischenspeicherung, oder in DC- oder AC-Verbraucher, letzteres z. B. über einen zusätzlichen geschalteten Anschluss.

Bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen des neuen Verfahrens ist es bevorzugt, wenn die unterschiedlichen elektrischen Leistungen in den unterschiedlichen Teilzeiträumen die maximal mögliche Einspeiseleistung in dem Zeitraum wiederholt umfassen, d. h., dass der Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung in dem Zeitraum nicht nur einmal sondern mehrmals abgetastet wird, um bei längeren Zeiträumen Variationen dieses Arbeitspunkts zu erfassen. Insbesondere können die unterschiedlichen elektrischen Leistungen die maximal mögliche Einspeiseleistung in dem Zeitraum periodisch abtasten.
In einer weiteren Variante des neuen Verfahrens, wird in dem Zeitraum nur einer Teilmenge der an einen Wechselrichter im Betrieb der Photovoltaikanlage angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren tatsächlich elektrische Leistung durch diesen Wechselrichter entnommen, um trotz Betreiben dieser Photovoltaikgeneratoren mit maximal möglicher Leistung die durch externe Randbedingungen vorgegebene reduzierte Einspeiseenergiemenge in dem Zeitraum nicht zu überschreiten. Hieraus wird dann die potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge über die Anzahl der Photovoltaikgeneratoren unter Berücksichtigung der Relation ihrer Leistungen im Normalbetrieb extrapoliert. In Teilzeiträumen des Zeitraums können auch unterschiedlichen Teilmengen der an den einen Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren elektrische Leistung entnommen werden, um deren jeweiligen Betriebsdaten zu erfassen, insbesondere die Relation ihrer Leistungen im Normalbetrieb.
Wenn die Photovoltaikanlage mehrere Wechselrichter aufweist, kann in dem interessierenden Zeitraum mindestens ein Wechselrichter im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung betrieben werden, während mindestens ein anderer Wechselrichter mit einer geringeren als seiner maximal möglichen Einspeiseleistung betrieben wird, um die reduzierte Einspeiseenergiemenge über den Zeitraum sicherzustellen. Mit den Messwerten zu der Einspeiseleistung des mindestens einen Wechselrichters wird dann auf die in den Zeitraum potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge geschlossen. Bei dieser Vorgehensweise kann auch mindestens einer der Wechselrichter während des Zeitraums zumindest vorübergehend abgeschaltet werden oder sogar Leistung aus dem Wechselstromnetz entnehmen und in andere Energieformen umwandeln, um die reduzierte Einspeiseenergiemenge über den Zeitraum sicherzustellen. Insbesondere dann, wenn die einzelnen Wechselrichter nicht im Wesentlichen identisch sind, ist es auch möglich, in dem Zeitraum alle Wechselrichter wechselweise im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung zu betreiben, um wechselweise für jeden Wechselrichter die maximal mögliche Einspeiseleistung bzw. für die angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren die maximal mögliche Generatorleistung zu bestimmen und um hieraus die potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge in dem Zeitraum zu bestimmen.
Bei dem neuen Verfahren kann die Einspeiseenergiemenge eines Wechselrichters im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung bis auf wirkungsgradbedingte Verluste des Wechselrichters einer über den Zeitraum integrierten maximal möglichen Generatorleistung der an den Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren entsprechen. Dies korrespondiert mit einem Normalbetrieb, in dem der Wechselrichter die angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren immer in oder zumindest nahe ihrem Arbeitspunkt maximaler Generatorleistung hält.
In umgekehrter Richtung kann bei dem neuen Verfahren ein Korrekturfaktor angewandt werden, um aus der ermittelten maximal möglichen Generatorleistung eine maximal möglich gewesene Einspeiseleistung und als deren Intergral die potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge zu ermitteln.
Die mit dem neuen Verfahren ermittelte potentiell mögliche Einspeiseenergiemenge für den Zeitraum wird in dem oder den Wechselrichtern oder einer übergeordneten Einheit gespeichert und/oder angezeigt und/oder über Datenkommunikation (Funk, Kabel) z. B. zum Anlagen- und/oder Netzbetreiber kommuniziert. Vorzugsweise wird der Zeitverlauf der nicht eingespeisten Leistung in dem und/oder die nicht eingespeiste Energiemenge über den Zeitraum gespeichert/kommuniziert. Weiter vorzugsweise wird die Ursache für die Reduktion, z. B. Derating oder Reduktion durch den Netzbetreiber, zusammen mit der ermittelten potentiell möglichen Einspeiseenergiemenge für den Zeitraum gespeichert. Insbesondere können in einer Meldung jeweils eine Ursache und ein zugehöriger Energieverlust gemeinsam benannt werden. Vorzugsweise wird über eine längere Zeitspanne für jede Einspeisereduktionsursache ein Energiemengenzähler angelegt, so dass z. B. zum Jahresende abgelesen werden kann, welche kumulierten Energiemengen aufgrund der jeweiligen Ursache nicht eingespeist werden konnten, z. B. 356 kWh wegen Abregelung durch den Netzbetreiber, 28 kWh wegen Netzausfall, 999 kWh wegen Derating des Wechselrichter usw.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Anordnungen und Wirkverbindungen mehrerer Bauteile zueinander – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 skizziert eine Photovoltaikanlage, an der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
2 zeigt verschiedene Spannungs-Leistungs-Kennlinien der Photovoltaikanlage gemäß 1 zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des neuen Verfahrens.
3 zeigt eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie der Photovoltaikanlage gemäß 1 zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens.
4 skizziert eine andere Photovoltaikanlage zur Durchführung des neuen Verfahrens; und
5 skizziert eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie der Photovoltaikanlage gemäß 4 zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des neuen Verfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 grob skizzierte Photovoltaikanlage 1 weist ein oder mehrere (nicht dargestellt) Photovoltaikgeneratoren 2 und einen Wechselrichter 3 auf, der von den Photovoltaikgeneratoren 2 generierte elektrische Energie in ein Wechselstromnetz 4 einspeist. Für den Wechselrichter 3 ist eine Steuerung 5 vorgesehen, mit der der Arbeitspunkt der Photovoltaikanlage 1, d. h. die Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren 2, veränderbar ist. In der Steuerung 5 werden dabei die Ausgangsspannung der Photovoltaikgeneratoren 2, die zugleich die Eingangsspannung des Wechselrichters 3 ist, und der dabei fließende Strom und somit die den Photovoltaikgeneratoren entnommene elektrische Leistung sowie die in das Wechselstromnetz 4 eingespeiste elektrische Leistung erfasst. Im Normalbetrieb wird die Eingangsspannung des Wechselrichters 3 so eingestellt, dass von den Photovoltaikgeneratoren 2 eine maximale Generatorleistung erzeugt wird, die vom Wechselrichter abzüglich dessen etwaiger Wirkungsgrad-Verluste als Einspeiseleistung in das Wechselstromnetz 4 eingespeist wird. Es kann jedoch Umstände geben, unter denen diese maximal mögliche Generatorleistung nicht eingespeist werden kann. Dennoch kann die hieraus über einen Zeitraum resultierende, dem Photovoltaik-Generator maximal entnehmbare, aber tatsächlich nicht eingespeiste Energiemenge der Photovoltaikanlage 1 von Interesse sein, wie eingangs dieser Beschreibung erläutert wurde.
2 skizziert drei Spannungs-Leistungs-Kennlinien 6, 7, 8 der Photovoltaikanlage 1, die unterschiedlichen Einstrahlungsbedingungen und anderen externen Betriebsbedingungen der Photovoltaikanlage 1 entsprechen. Zu jeder Kennlinie 6, 7, 8 gehört dabei ein anderer Arbeitspunkt 9, 10, 11 mit maximaler Generatorleistung, d. h. eine andere Spannung über den Photovoltaikgeneratoren 2, bei der dem Wechselrichter 3 eine maximale Eingangsleistung zur Einspeisung in das Wechselstromnetz 4 zur Verfügung steht. Die einzelnen Kennlinien können aus dem bisherigen Betrieb der Photovoltaikanlage 1 grundsätzlich bekannt sein oder auch für die Photovoltaikanlage 1 aus bekannten Parametern modelliert werden. Um die zu einem Zeitpunkt maximal mögliche Generatorleistung P_max zu ermitteln, muss aber die aktuell zutreffende Kennlinie 6, 7 oder 8 bzw. der zugehörige Arbeitspunkt 9, 10 oder 11 selektiert werden. Dies geschieht bei der Photovoltaikanlage 1 dann, wenn sie eine gegenüber P_max reduzierte elektrische Leistung P_red in das Wechselstromnetz 4 einspeist dadurch, dass sie die tatsächliche Kennlinie 7 um einen mittleren Arbeitspunkt 12, an dem dem Photovoltaik-Generator die reduzierte Leistung P_red entnehmbar ist, lokal abtastet, was hier durch weitere Arbeitspunkte 13 auf der Kennlinie 7 neben dem Arbeitspunkt 12 angedeutet ist. Die Arbeitspunkte 12 und 13 beschreiben einen Abschnitt der Kennlinie 7 und erlauben damit ihre Selektion aus den zu dem jeweiligen Zeitpunkt möglicherweise zutreffenden Kennlinien 6–8. Diese Selektion kann auch dadurch vorgenommen werden, dass die Photovoltaikanlage 1 einen weiteren Arbeitspunkt 14 anfährt, an dem sie die Leistung P_red in das Wechselstromnetz 4 einspeist und auch um diesen Arbeitspunkt 14 herum weitere Arbeitspunkte 15 anfährt, um einen weiteren Abschnitt der Kennlinie 7 zu deren Identifikation zu erfassen. Zumindest aus der Kenntnis über den Verlauf der Kennlinie 7 im Bereich der Arbeitspunkte 12 und 13 sowie 14 und 15 lässt sich mit guter Genauigkeit auf die Lage des Arbeitspunktes 10 und die zugehörige maximale Generatorleistung P_max schließen, ohne den Arbeitspunkt 10 selbst anzufahren. Das heißt, obwohl die Photovoltaikanlage 1 immer nur P_red einspeist, kann aus ihren Betriebsdaten auf P_max und damit auf die während eines Zeitraums dem Photovoltaik-Generator maximal entnehmbare, aber tatsächlich nicht eingespeiste Einspeiseenergiemenge geschlossen werden.
3 zeigt eine andere Möglichkeit der Erfassung der maximalen Generatorleistung P_max, ohne zumindest im Mittel eine höhere Einspeiseleistung als P_red mit der Photovoltaikanlage 1 einzuspeisen. Hierzu werden Arbeitspunkte 16 und 17 etwas unterhalb von P_red angefahren und beim Wechsel zwischen diesen Arbeitspunkten 16 und 17 wird die Kennlinie 7 abgefahren und dabei die Lage dessen Maximums ermittelt. Dabei wird kurzzeitig mehr elektrische Leistung aus den Photovoltaikgeneratoren entnommen und unmittelbar in das Wechselstromnetz 4 eingespeist als die durch P_red vorgegebene reduzierte Einspeiseleistung. Dies wird aber durch die Lage der Arbeitspunkte 16 und 17 unterhalb von P_red kompensiert, so dass in einem Zeitraum eine der über diesen Zeitraum integrierten reduzierten Einspeiseleistung P_red entsprechende Einspeiseenergiemenge ins Wechselstromnetz eingespeist wird. Die Wiederholungshäufigkeit des Abfahrens der Kennlinie 7 kann darauf abgestimmt werden, wie stark der Verlauf der Kennlinie 7 und damit die Amplitude des Arbeitspunktes 10 schwankt.
Alternativ zur unmittelbaren Einspeisung der über die reduzierte Einspeiseleistung hinausgehenden dem Photovoltaik-Generator während des lokalen Abtastens bzw. Abfahrens der Kennlinie entnommenen Leistung kann diese in einem Pufferkondensator (nicht dargestellt) zwischengespeichert und/oder in andere Energieformen umgewandelt, insbesondere dissipiert, werden.
Die Photovoltaikanlage 1 gemäß 4 weist mehrere Wechselrichter 3 auf, an die jeweils ein oder mehrere Photovoltaikgeneratoren 2 angeschlossen sind. Die Wechselrichter 3 werden dabei gemeinsam von der Steuerung 5 derart angesteuert, dass eine unter der aktuell möglichen maximalen Einspeiseleistung liegende elektrische Leistung in das Wechselstromnetz eingespeist wird.
5 zeigt die Spannungs-Leistungs-Kennlinie 7, die hier für alle an alle Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren 2 gelten möge. (In der Praxis weichen die Kennlinien der einzelne Photovoltaikgeneratoren voneinander ab, was aber für die hier zu erläuternden Aspekte der Erfindung unerheblich ist.) Um die zugehörige maximale Generatorleistung im Arbeitspunkt 10 zu erfassen, wird von der Steuerung 5 einer der Wechselrichter 3 gemäß 4 in dem Arbeitspunkt 10 betrieben und dieser Arbeitspunkt 10 durch ein für den Normalbetrieb bezüglich der Leistungsmaximierung übliches Trackingverfahren verfolgt. Die beiden anderen Wechselrichter 3 werden bei einer selbst gegenüber der mittleren reduzierten Leistung P_red weiter reduzierten Restleistung P_Rest1 betrieben, so dass sie gemeinsam die von dem einen Wechselrichter 3 ”zu viel” eingespeiste Leistung so kompensieren, dass im Mittel über alle Wechselrichter P_red eingespeist wird. Alternativ kann einer der beiden verbleibenden Wechselrichter 3 auch ganz ausgeschaltet werden oder elektrische Leistung aus dem Wechselstromnetz 4 entnehmen und in eine andere Energieformen umwandeln, während der andere verbleibende Wechselrichter 3 an einem – hier über P_red liegenden – Arbeitspunkt 19 betrieben wird. Dabei können diese Zuordnungen, d. h. Normalbetrieb am Arbeitspunkt 10 und Betrieb mit reduzierter Leistung an den Arbeitspunkten 18 und 19 sowie ggf. Betrieb mit Leistungsentnahme aus dem Wechselstromnetz 4, zwischen den Wechselrichtern 3 zyklisch getauscht werden, um die jeweilige tatsächliche maximale Generatorleistung am Arbeitspunkt 10 für alle drei Wechselrichter bzw. die an sie angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren 2 zu erfassen.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage
2: Photovoltaikgenerator
3: Wechselrichter
4: Wechselstromnetz
5: Steuerung
6: Kennlinie
7: Kennlinie
8: Kennlinie
9: Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung
10: Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung
11: Arbeitspunkt mit maximaler Generatorleistung
12: Arbeitspunkt
13: Arbeitspunkt
14: Arbeitspunkt
15: Arbeitspunkt
16: Arbeitspunkt
17: Arbeitspunkt
18: Arbeitspunkt
19: Arbeitspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20102619 U1 [0004]
EP 1223431 A2 [0004]
EP 1628182 [0005]
US 6111767 [0005]
EP 1995656 A1 [0006]
US 5869956 A1 [0006]
EP 2144133 A1 [0007]
DE 19909609 C1 [0009]
DE 102007032980 A1 [0010]
DE 10060108 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Erfassung einer in einem Zeitraum potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeisten Einspeiseenergiemenge einer Photovoltaikanlage (1), die einen oder mehrere Wechselrichter (3) zur Einspeisung elektrischer Energie von einem oder mehreren Photovoltaikgeneratoren (2) in ein Wechselstromnetz (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (1) in dem Zeitraum an das Wechselstromnetz gekoppelt betrieben wird, wobei der oder die Wechselrichter (3) in dem Zeitraum unterschiedlich betrieben werden und wobei in dem Zeitraum keine Energie eingespeist wird oder eine gegenüber der potentiell möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge reduzierte Einspeiseenergiemenge eingespeist wird, und dass aus während dieses unterschiedlichen Betriebs erfassten Betriebsdaten des oder der Wechselrichter (3) die in dem Zeitraum potentiell möglich gewesene Einspeiseenergiemenge bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wechselrichter (3) in unterschiedlichen Teilzeiträumen des Zeitraums unterschiedlich betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) um einen mittleren Arbeitspunkt (12) lokal abtastet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) eine gleich große elektrische Leistung an zwei unterschiedlichen Arbeitspunkten (12, 14) mit unterschiedlichen Spannungen über den angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) entnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er eine Spannungs-Leistungs-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) um beide unterschiedlichen Arbeitspunkte (12, 14) lokal abtastet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er unterschiedliche elektrische Leistungen einspeist, deren Integral über dem Zeitraum die gegenüber der in dem Zeitraum möglich gewesenen Einspeiseenergiemenge reduzierte Einspeiseenergiemenge ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen elektrischen Leistungen eine maximal mögliche Einspeiseleistung im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung des mindestens einen Wechselrichters (3) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er einen Teilbereich einer Spannungs-Leistungs-Kennlinie der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) abrastert, in dem ein Arbeitspunkt mit maximal möglicher Generatorleistung liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-Leistungs-Kennlinie und deren Punkt maximal möglicher Generatorleistung aus ihren beim Abrastern erfassten Punkten extrapoliert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wechselrichter (3) in den unterschiedlichen Teilzeiträumen derart unterschiedlich angesteuert wird, dass er den angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) unterschiedliche elektrische Leistungen entnimmt, aber eine konstante elektrische Leistung einspeist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die den angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) in dem Zeitraum entnommenen unterschiedlichen elektrischen Leistungen die maximal mögliche Generatorleistung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine einer Differenz zwischen den unterschiedlichen elektrischen Leistungen und der konstanten elektrischen Leistung entsprechende Energiemenge zwischengespeichert und/oder in eine andere Energieform umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicherung und/oder die Umwandlung in eine andere Energieform mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: – Umwandlung in einem DC-Kreis, insbesondere durch Rückeinspeisung in die angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) zwecks Umwandlung in Wärme in einer Verkablung der Photovoltaikgeneratoren (2) und/oder in den Photovoltaikgeneratoren (2) selbst und/oder zwecks Abstrahlung der Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, – interner Verbrauch der Energiemenge in dem mindestens einen Wechselrichter (3) zur Eigenversorgung seiner leistungselektronischen und/oder signalverarbeitenden Komponenten, – Einspeisung als Leistung ohne Wirkleistungsanteil, insbesondere als Gleichstrom oder als Wechselstrom mit einer Frequenz fernab der Netzfrequenz, und – Einspeisung in ein externes System, insbesondere Batterien oder Kondensatoren, oder in DC- oder AC-Verbraucher.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen elektrischen Leistungen in den unterschiedlichen Teilzeiträumen die maximal mögliche Einspeiseleistung oder die maximal mögliche Generatorleistung in dem Zeitraum wiederholt umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen elektrischen Leistungen die maximal mögliche Einspeiseleistung oder die maximal mögliche Generatorleistung in dem Zeitraum periodisch abtasten.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zeitraum nur einer Teilmenge der an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) elektrische Leistung entnommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teilzeiträumen des Zeitraums wechselweise unterschiedlichen Teilmengen der an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) elektrische Leistung entnommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zeitraum eine Teilmenge der an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) mit maximal möglicher Generatorleistung betrieben wird, während mindestens einer weiteren Teilmenge eine geringere als ihre maximal mögliche Generatorleistung entnommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teilzeiträumen des Zeitraums wechselweise unterschiedliche Teilmengen der an den mindestens einen Wechselrichter (3) angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) in dem Zeitraum mit maximal möglicher Generatorleistung betrieben werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zeitraum mindestens ein Wechselrichter (3) im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung betrieben wird, während mindestens ein anderer Wechselrichter (3) mit einer geringeren als seiner maximal möglichen Einspeiseleistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wechselrichter (3) während des Zeitraums zumindest vorübergehend abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wechselrichter (3) während des Zeitraums zumindest vorübergehend Leistung aus dem Wechselstromnetz entnimmt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teilzeiträumen des Zeitraums unterschiedliche Teilmengen der Wechselrichter (3) wechselweise im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung betrieben werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeiseenergiemenge des mindestens einen Wechselrichters (3) im Normalbetrieb mit maximal möglicher Einspeiseleistung einer über den Zeitraum integrierten maximal möglichen Generatorleistung der angeschlossenen Photovoltaikgeneratoren (2) entspricht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 9, 11, 14, 15, 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor angewandt wird, um aus der ermittelten maximal möglichen Generatorleistung eine maximal möglich gewesene Einspeiseleistung zu ermitteln.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte potentiell möglich gewesene, aber tatsächlich nicht eingespeiste Einspeiseenergiemenge für den Zeitraum in dem oder den Wechselrichtern oder einer übergeordneten Einheit gespeichert und/oder angezeigt und/oder über Datenkommunikation (Funk, Kabel) z. B. zum Anlagen- und/oder Netzbetreiber kommuniziert wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gespeicherten und/oder kommunizierten Meldung jeweils eine Ursache für eine Reduktion der tatsächlich eingespeisten gegenüber der potentiell möglich gewesenen Einspeiseleistung mit dem Zeitverlauf der ermittelten potentiell möglich gewesenen Einspeiseleistung und/oder der für den Zeitraum ermittelten potentiell möglich gewesenen, aber tatsächlich nicht eingespeiste Einspeiseenergiemenge zusammengefasst wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ursache für eine Reduktion der tatsächlich eingespeisten gegenüber der potentiell möglich gewesenen Einspeiseleistung ein Energiemengenzähler angelegt wird, der über eine längere Zeitspanne die aufgrund der jeweiligen Ursache nicht eingespeisten Einspeiseenergiemengen erfasst.