DE102011011093A1

DE102011011093A1 - Photovoltaikanlage und Verfahren zur Regelung einer solchen

Info

Publication number: DE102011011093A1
Application number: DE102011011093A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Rainer Merz; Thomas Speidel; Ali Natour
Original assignee: Universitaet Stuttgart; ADS TEC GmbH
Current assignee: Universitaet Stuttgart; ADS TEC Holding GmbH
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-09
Also published as: DE102011011093A8

Abstract

Es wird eine Photovoltaikanlage angegeben, mit mindestens einem Strang (14a), der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (36) aufweist, wobei der Strang (14a) über einen MPPT-Haupt-Regler (Maximum-Power-Point-Tracker), mit einer Last gekoppelt ist, wobei mindestens eines der Photovoltaikmodule (36) über einen Schaltwandler (46) mit dem Strang (14a) gekoppelt ist, wobei der Schaltwandler (46) vorzugsweise dann, wenn der Strangstrom (IS) konstant ist, über einen MPPT-Neben-Regler (37) auf den konstanten Strangstrom (IS) geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage, einen Nachrüstsatz zur Nachrüstung einer Photovoltaikanlage und ein Verfahren zur Regelung einer Photovoltaikanlage.
Photovoltaikanlagen bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von Strängen, die jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (PV-Module bzw. nachfolgend abgekürzt als Module bezeichnet) aufweisen. Jedes Modul weist in der Regel mindestens eine dazu parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode auf, um im Falle der Abschattung oder eines Ausfalls des Moduls das Modul oder einen Teil des Moduls zu überbrücken, damit zumindest der gesamte Strang auch bei Ausfall des Moduls bzw. eines Teils davon betrieben werden kann. Schaltet die Freilaufdiode durch, so wird das Modul überbrückt, so dass das Modul keinerlei Beitrag mehr zur Ausgangsleistung des Strangs liefert.
Die einzelnen Stränge können parallel geschaltet sein, um den Gesamtstrom entsprechend zu erhöhen. Es ist zumindest ein MPPT-Regler vorgesehen, um die Gesamtleistung der PV-Anlage in Abhängigkeit von der externen Last und der Kennlinie zu maximieren. Die MPPT-Regelung (Maximum-Power-Point-Tracking) ist im Stand der Technik bekannt. Hierbei wird der Ausgangsstrom in einer Reihe von aufeinander folgenden Schritten so lange variiert, bis die Ausgangsleistung (Produkt aus Strangspannung und Strangstrom) des Strangs maximiert ist. Je nach Aufbau der PV-Anlage kann jeder einzelne Strang mit einem MPPT-Regler versehen sein, um die daran angeschlossene Last (in der Regel ein Wechselrichter) mit der maximalen Leistung zu betreiben. Die Stränge können jedoch auch parallel geschaltet sein und nur mittels eines einzigen MPPT-Reglers geregelt sein. Bei einfachen PV-Anlagen ist der Eingangskreis des jeweiligen Wechselrichters als MPPT-Regler ausgestaltet.
Im Prinzip könnte jedes Modul mit einem eigenen MPPT-Regler versehen sein und, der mit dem MPPT-Regler des betreffenden Strangs kommuniziert, um insgesamt eine Optimierung der PV-Anlage zu erreichen. Dies wäre allerdings mit einem sehr hohen Schaltungs- und Regelungsaufwand verbunden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte PV-Anlage zu schaffen, bei der mit geringem Aufwand eine erhöhte Ausgangsleistung erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Photovoltaikanlage mit mindestens einem Strang gelöst, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist, wobei der Strang über einen MPPT-Haupt-Regler (Maximum-Power-Point-Tracker) mit einer Last gekoppelt ist, wobei mindestens eines der Photovoltaikmodule über einen Schaltwandler mit dem Strang gekoppelt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß werden einzelne PV-Module eines Strangs, die ähnlichen Bestrahlungsbedingungen unterliegen, ohne einen MPPT-Regler miteinander in Serie verschaltet, ohne dass besondere Maßnahmen zur MPPT-Regelung getroffen werden. Es handelt sich hierbei um die normalerweise unbeschatteten Module. Diese unterliegen nur der MPPT-Regelung eines MPPT-Hauptreglers, mit dem der Strangstrom als Ganzes geregelt wird. Gibt es dagegen ein oder mehrere Module desselben Strangs, die einer externen Beschattung ausgesetzt sind, z. B. durch Bäume oder Gebäude, so sind vorzugsweise diese Module mittels eines gemeinsamen Schaltwandlers oder jeweils mittels eines eigenen Schaltwandlers an den Strang gekoppelt.
Mittels des Schaltwandlers kann der Strom eines Moduls, selbst dann, wenn es ganz oder teilweise beschattet ist, auf den höheren Strangstrom transformiert werden, indem die Ausgangsspannung des Moduls entsprechend reduziert wird. Auf diese Weise kann an Stelle der sonst notwendigen Überbrückung des Moduls mittels einer Freilaufdiode das Modul noch zumindest teilweise genutzt werden, um die Gesamtausgangsleistung der PV-Anlage zu erhöhen. Während ein nur teilweise abgeschattetes Modul grundsätzlich noch eine gewisse Ausgangsleistung hat, z. B. 50% der Maximalleistung, würde bei Durchschalten der Freilaufdiode das Modul vollständig überbrückt, so dass es gar nicht mehr zur Ausgangsleistung beitragen könnte.
Vorzugsweise ist die Photovoltaikanlage so aufgebaut, dass jedes Modul entweder über eine dazu parallele Freilaufdiode oder über einen Schaltwandler mit dem Strang gekoppelt ist.
Auf diese Weise können eine oder mehrere Freilaufdioden durch einen Schaltwandler ersetzt sein, der grundsätzlich die Funktion der Freilaufdiode im Fehlerfalle übernehmen kann und darüber hinaus eine Transformation des Stroms auf einen extern vorgegebenen Strangstrom, sofern notwendig, vornimmt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung regelt ein MPPT-Haupt-Regler einen gemeinsamen Strangstrom durch die in Serie geschalteten Module, um die Ausgangsleistung des Strangs zu maximieren.
Weiter bevorzugt ist es, wenn der Schaltwandler über einen MPPT-Neben-Regler gesteuert ist, um den Ausgangsstrom des jeweiligen Moduls oder von mehreren in Serie geschalteten Modulen über eine Veränderung des Tastverhältnisses auf den vom MPPT-Hauptregler vorgegebenen Strangstrom zu regeln.
So kann die Ausgangsleistung eines ganz oder teilweise abgeschatteten Moduls in optimaler Weise angepasst werden, indem das Übersetzungsverhältnis des Schaltwandlers durch MPPT-Reglung so angepasst wird, bis sich der extern vorgegebene Strangstrom ergibt. Dagegen erfolgt die Optimierung des gesamten Strangs über den MPPT-Haupt-Regler.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist der MPPT-Neben-Regler eine Strommesseinrichtung zur Messung des Strangstroms auf und eine Steuereinrichtung etwa in Form eines Mikroprozessors, um nur bei konstantem Strangstrom durch Veränderung des Tastverhältnisses des Schaltwandlers den Ausgangsstrom des Moduls auf den konstanten Strangstrom zu regeln.
Auf diese Weise können Regelungsstörungen vermieden werden, die durch eine gegenseitige Beeinflussung zwischen MPPT-Haupt-Regler und MPPT-Neben-Regler hervorgerufen werden. Maßgebliches Kriterium für den MPPT-Neben-Regler ist, ob der Strangstrom konstant ist. Nur wenn der Strangstrom konstant ist, erfolgt eine Regelung des MPPT-Neben-Reglers, um die Ausgangsleistung des Moduls zu optimieren, bis der vom MPPT-Haupt-Regler vorgegebene Strangstrom erreicht ist. Ändert sich dagegen der Strangstrom, so hält der MPPT-Neben-Regler die Ausgangsleistung des Moduls konstant, ohne diese zu regeln. So lässt sich ohne eine aufwendige Gesamtregelung einfach der Strangstrom verwenden, um sicher zu stellen, dass Regelstörungen vermieden werden.
Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schaltwandler als ein Tiefsetzsteller ausgebildet.
Eine solche Ausführungsform ist sinnvoll, wenn das betreffende Modul, das hiermit gekoppelt ist, einer externen Beschattung ausgesetzt sein kann. Bei Beschattung bzw. Teilbeschattung wird die Ausgangsspannung so lange reduziert, bis der Ausgangsstrom dem extern vorgegebenen Strangstrom entspricht. Vorzugsweise ist hierbei nur ein Teil der Module der Photovoltaikanlage, der kleiner als die Hälfte aller Module ist, einer externen Beschattungsgefahr ausgesetzt.
Ist dagegen der überwiegende Teil der Module einer externen Beschattungsgefahr ausgesetzt, so ist der Schaltwandler vorzugsweise als Hochsetzsteller ausgebildet.
Durch diese Maßnahme könnten in diesem Fall die beschatteten Module ohne MPPT-Neben-Regler betrieben werden, während die nicht beschatteten Module in ihrer Ausgangsleistung so angepasst werden, so dass sich der dann niedrigere extern (durch den MPPT-Haupt-Regler) vorgegebene Strangstrom bei einer entsprechenden Erhöhung der Ausgangsspannung ergibt.
Die Schaltfrequenz des Schaltwandlers ist vorzugsweise so hoch wie möglich und liegt in der Regel in einem Bereich zwischen 16 und 500 kHz.
Die Erfindung wird ferner durch einen Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage gelöst, mit einem Schaltwandler, der dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode eines Moduls der Photovoltaikanlage zu ersetzen, mit einer Strommesseinrichtung zur Messung des Strangstroms eines Strangs der Photovoltaikanlage und einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, bei konstanten Strangstrom durch Veränderung des Tastverhältnisses eine MPPT-Regelung des Modulstroms auf den konstanten Strangstrom vorzunehmen und bei einer Veränderung des Strangstroms keine Regelung auszuführen.
Auf diese Weise kann eine einfache Nachrüstung einer bestehenden Solaranlage erfolgen, indem bei den Modulen, die einer externen Beschattungsgefahr ausgesetzt sind, die Freilaufdiode gegen den Nachrüstsatz ausgetauscht wird.
Der Schaltwandler kann bei dem Nachrüstsatz, wie oben bereits erläutert, entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Regelung einer Photovoltaikanlage gelöst, bei dem mindestens ein Strang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen, die mit einer Last gekoppelt sind, über eine MPPT-Regelung auf eine maximale Ausgangsleistung geregelt wird, wobei mindestens eines der Module des Strangs mittels eines Schaltwandlers auf einen durch die MPPT-Regelung vorgegebenen Strangstrom geregelt wird.
Vorzugsweise regelt der Schaltwandler hierbei nur dann, wenn der durch die MPPT-Regelung vorgegebene Strangstrom konstant ist. Hierbei wird der Schaltwandler vorzugsweise über eine MPPT-Regelung geregelt, um den Strom des Moduls auf den vorgegebenen Strangstrom zu regeln.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht mehr in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung der Erfindung verwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine herkömmliche Photovoltaikanlage bestehend aus vier Strängen bei gleichmäßiger Beleuchtung;
2 die Photovoltaikanlage gemäß 1, bei der ein Modul eines Strangs abgeschattet ist;
3 eine Darstellung des Strangs mit dem teilweise abgeschatteten Modul, bei der zusätzlich die zu den Modulen parallelen Freilaufdioden dargestellt sind und wobei die Kennlinie des teilweise abgeschatteten Moduls und der übrigen Module dargestellt ist;
4 den Strang gemäß 3 mit der darunter dargestellten Gesamtkennlinie des Strangs;
5 den Strang gemäß 3 bzw. 4, wobei jedoch die Freilaufdiode durchgeschaltet ist mit darunter dargestellten Kennlinien des abgeschatteten Moduls und der übrigen Module;
6 den Strang gemäß 5 mit darunter gezeigter Gesamtkennlinie;
7 einen Strang mit elf Modulen mit je 60 Zellen pro Modul, wobei eines der Module zu 10% teilabgeschattet ist, wobei im unteren Teil die Kennlinie für den Fall des Durchschaltens der Freilaufdiode und des Sperrens der Freilaufdiode gezeigt ist;
8 die Kennlinie eines Strangs mit elf Modulen mit je 60 Zellen, der voll beleuchtet ist, wobei ein Modul zu 10% teilabgeschattet ist;
9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage, die insgesamt mit 10' bezeichnet ist, wobei im oberen Teil dargestellt ist, wie einzelne Module, die in der Regel gleich beleuchtet sind, einfach in Serie geschaltet sind, während Module, bei denen mit Beschattung zu rechnen ist, mit einem MPPT-Neben-Regler ausgestattet sind, wobei in der unteren Hälfte die zugehörigen Kennlinien dargestellt sind;
10 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Solaranlage, bei dem in der linken Hälfte die beiden Module mit MPPT-Neben-Regler dargestellt sind und in der rechten Hälfte die Schaltung des MPPT-Neben-Reglers gezeigt ist;
11 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Übersetzungsverhältnisses des Schaltwandlers in Abhängigkeit vom vorgegebenen Strangstrom;
12 eine schematische Darstellung der Veränderung der MPPT-Regelung, wobei in der oberen Hälfte die Auswirkung des MPPT-Haupt-Reglers gezeigt ist und in der unteren Hälfte die Auswirkung der MPPT-Neben-Regler gezeigt ist;
13 eine Darstellung des MPPT-Neben-Reglers im Falle des Totalausfalls des betreffenden Moduls;
14 den MPPT-Neben-Regler gemäß 13 für den Fall, dass keinerlei Beeinträchtigung auftritt;
15 eine schematische Darstellung der Photovoltaikanlage mit Wechselrichter als Last, wobei eine potentielle Regelstörung durch eine Wechselwirkung zwischen dem MPPT-Haupt-Regler und einem MPPT-Neben-Regler angedeutet ist;
16 die Photovoltaikanlage gemäß 15, wobei das Regelverfahren angegeben ist, durch das sich Regelstörungen vermeiden lassen;
17a)–g) eine Darstellung des Regelverfahrens des MPPT-Neben-Reglers an Hand des Kennlinienverlaufs;
18 ein Flussdiagramm, das den Zusammenhang zwischen MPPT-Haupt-Regler und MPPT-Neben-Regler zeigt
19 ein Flussdiagramm, das Regelablauf beim MPPT-Neben-Regler gemäß der 18 zeigt;
20 eine gegenüber der Ausführung gemäß 9 abgewandelte Photovoltaikanlage, bei der wegen einer überwiegender Abschattung der Anlage die Tiefsetzsteller entfallen und die bei 9 nicht geregelten Module nunmehr über Hochsetzsteller geregelt sind;
21 eine Darstellung des Hochsetzstellers im Optimalfall ohne Beeinträchtigung und
22 eine Darstellung des Hochsetzstellers im ”Worst Case”, d. h. bei Totalausfall des Moduls.
In 1 ist eine Photovoltaikanlage gemäß dem Stand der Technik dargestellt und insgesamt mit Ziffer 10 bezeichnet.
Die Photovoltaikanlage 10 besteht im dargestellten Fall aus vier Strängen 12, 14, 16, 18, die jeweils eine Mehrzahl von Modulen aufweisen, die miteinander in Serie geschaltet sind. Die Stränge 12, 14, 16, 18 sind parallel geschaltet. Insgesamt ergibt sich damit ein Gesamtstrom I, der der Summe der Einzelströme I₁ + I₂ + I₃ + I₄ entspricht. Die Spannung V entspricht der Summe der Einzelspannungen der Module eines Stranges.
In 1 ist der Normalbetrieb bei einer homogenen Beleuchtung der Module dargestellt.
In 2 ist nun die Photovoltaikanlage gemäß 1 bei einer geänderten Beleuchtung dargestellt. Während die Stränge 12, 16, 18 weiterhin voll beleuchtet sind, ergibt sich im Strang 14 an einem der Module 20, 21, 22, nämlich am Modul 20, eine Teilabschattung. Durch die Teilabschattung des Moduls 20 wird der Strom I₂ im Strang reduziert.
Anhand der nachfolgenden 3 bis 8 werden verschiedene Fälle dargestellt, wie sich eine solche Teilabschattung auf die Ausgangsleistung der herkömmlichen Photovoltaikanlage auswirken kann.
In 3 ist der Strang 14 mit dem teilabgeschatteten Modul 20 dargestellt. Üblicherweise ist im Stand der Technik parallel zu jedem Modul eine Freilaufdiode oder Bypassdiode geschaltet, wie bei 24 dargestellt. Die Freilaufdiode 24 dient dazu, im Falle eines Ausfalls des Moduls oder im Falle einer vollständigen Beschattung des Moduls dieses zu überbrücken, so dass die übrigen Module des Strangs nicht beeinträchtigt werden und lediglich das betreffende Modul 20 keinerlei Beitrag mehr zur Leistung des Strangs 14 liefert.
In 3 ist der Fall gezeigt, bei dem die Freilaufdiode 24 noch gesperrt ist. In diesem Fall läuft der gesamte Strangstrom unmittelbar durch die Module. Auf der linken Hälfte ist die Kennlinie 25 des teilweise abgeschatteten Moduls 20 zu sehen, während auf der rechten Seite die Kennlinie 26 der voll beleuchteten Module zu sehen ist.
In 4 ist der Strang 14 mit dem teilbeschatteten Modul 20 und der Gesamtkennlinie 28 dargestellt, die sich durch die Serienschaltung der voll beleuchteten Module und des teilweise beleuchteten Moduls 20 ergibt. Infolge des teilbeschatteten Moduls 20 ergibt sich die Rampe in der Kennlinie 28 etwa bei –3 A.
5 zeigt den Strang 14' mit teilbeschattetem Modul 20, wobei die Freilaufdiode 24 hier durchschaltet. Die zugehörige Kennlinie 30 des teilweise beschatteten Moduls 20 mit durchgeschalteter Freilaufdiode 24 findet sich auf der linken unteren Hälfte und die zugehörige Kennlinie 31 der voll beleuchteten Module auf der rechten unteren Hälfte von 5.
6 zeigt nun die sich ergebende Gesamtkennlinie 32 bei kurz geschlossener Freilaufdiode 24. Die Rampe bei etwa –3 A beruht auf der durchgeschalteten Freilaufdiode 24.
7 zeigt einen Strang 14'' mit insgesamt elf Modulen (von denen nur einige dargestellt sind) und einem teilabgeschalteten Modul 20''. Im unteren Teil ist die Leistungskennlinie 33 für den Fall dargestellt, dass die Freilaufdiode 24 leitet oder sperrt.
Für den Fall einer MPPT-Regelung ist schwer zu entscheiden, welcher Fall die bessere Ausgangsleistung bringt, ob mit leitender Freilaufdiode 24 am Maximum in der linken oberen Hälfte oder bei gesperrter Freilaufdiode 24, bei dem Maximum weiter unten. Üblicherweise schalten die Freilaufdioden schon bei einer Teilabschattung von 10% bis 20% durch.
8 zeigt eine Kennlinie für einen weiteren im Stand der Technik bekannten Fall mit elf Modulen, die in Serie geschaltet sind. Während zehn Module voll beleuchtet sind, ist ein Modul zu 10% teilabgeschattet. In der zugehörigen Kennlinie 34 sind beide Fälle dargestellt, sowohl bei voller Beleuchtung aller elf Module als auch bei Teilabschattung eines Moduls zu 10%. Im Falle der Teilabschattung können nicht alle Module gleichzeitig an ihrem optimalen Leistungspunkt (MPP) arbeiten. Arbeitet der Strang im Falle der Teilabschattung am gemeinsamen MPP, so arbeitet entweder keines der Module oder nicht alle Module an ihrem optimalen Leistungspunkt (MPP).
In 9 ist nun eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10a bezeichnet.
Hierbei ist ein MPPT-Haupt-Regler 44 zur Regelung des Gesamt-Strangs 14a vorgesehen.
Die in Serie geschalteten Module sind, soweit sie nicht der Gefahr einer Teilabschattung unterliegen unmittelbar in Serie geschaltet, ohne dass eine Regelung vorgesehen ist. In dargestelltem Fall unterliegen jedoch zwei Module 36, 38 der Serienschaltung der Gefahr einer Teilabschattung und sind deshalb mit einem MPPT-Neben-Regler 37 bzw. 39 versehen. Die ungeregelten Module 40, 42 unterliegen nur der Regelung des Strangstroms über den MPPT-Haupt-Regler 44, werden also, wie in der unteren rechten Hälfte dargestellt, in ihrem Arbeitspunkt auf die maximale Ausgangsleistung geregelt, was sich durch das Maximum der Kennlinie ergibt. Dagegen können die mit einem MPPT-Neben-Regler versehenen Module 36, 38 unabhängig vom über dem MPPT-Haupt-Regler 44 vorgegebenen Strangstrom auf eine konstante Ausgangsleistung geregelt werden, wie in der linken Hälfte von 9 unten dargestellt.
In 10 ist nun der Aufbau des MPPT-Neben-Reglers, der insgesamt mit 37 bezeichnet ist, dargestellt.
In der linken Hälfte von 10 ist ein Ausschnitt aus der Serienschaltung des Strangs 14a mit den beiden Modulen 36, 38 gezeigt, wobei jedes Modul 36, 38 mit einem MPPT-Neben-Regler 37 bzw. 39 versehen ist. Im dargestellten Fall ist das Modul 38 voll beleuchtet, während das Modul 36 teilabgeschattet ist. Der MPPT-Neben-Regler 37 umfasst einen insgesamt mit 46 bezeichneten Schaltwandler, der im dargestellten Fall als Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Der Schaltwandler 46 umfasst eine Induktivität 47 in Reihe mit einer Diode 48. Parallel zur Induktivität 47 und der Diode 48 ist ein Kondensator 51 angeschlossen. Am Abgriff zwischen der Induktivität 47 und der Diode 48 ist ein Schalter 50 angeschlossen, über den das Modul 46 und ein dazu paralleler Kondensator 49 parallel zur Diode 48 angeschlossen sind. In Serie mit der Induktivität 47 liegt eine Strommesseinrichtung 53, um den Strangstrom I_S zu messen. Eine zweite Messeinrichtung 54 in Form eines Voltmeters kann vorgesehen sein, um die abfallende Ausgangsspannung V zu messen, die am Kondensator 51 anliegt. Die Ausgangsleistung P ist das Produkt aus Strangstrom I_S und Ausgangsspannung V.
Der Schalter 50 wird über eine Steuereinrichtung 52 in Form eines Mikroprozessors gesteuert. Nur dann, wenn der Strangstrom I_S konstant ist, wird die Ausgangsleistung des Moduls 36 auf maximale Ausgangsleistung geregelt, bis der Strom dem Strangstrom I_S entspricht. Dies bedeutet, dass über den Tiefsetzsteller 46 der Ausgangsstrom soweit erhöht wird, bis sich der von dem MPPT-Haupt-Regler vorgegebene externe Strangstrom I_S ergibt. Die Ausgangsspannung V wird dabei entsprechend reduziert. Die Regelung erfolgt über das Tastverhältnis des Schaltwandlers 46.
Ist dagegen der Strangstrom I_S nicht konstant, was über die Strommesseinrichtung 53 an die Steuereinrichtung 52 kommuniziert wird, so regelt der Schaltwandler 46 nicht und hält die Ausgangsleistung P vielmehr konstant. Erst wenn die Strommesseinrichtung 53 einen konstanten Strangstrom I_S registriert, wird die MPPT-Regelung über die Steuereinrichtung 52 fortgesetzt.
Durch diese Vorgabe, dass nur bei konstantem Strangstrom I_S eine Regelung des Schaltwandlers 46 erfolgt, ist sichergestellt, dass sich keine Regelstörungen zwischen dem MPPT-Haupt-Regler 44 und dem MPPT-Neben-Regler 37 ergeben.
Es ist hierzu keine besondere Kommunikation notwendig; es reicht vielmehr die Messung des Strangstroms I_S über die Strommesseinrichtung 53.
Durch die Veränderungen des Tastverhältnisses kann der Ausgangsstrom an den externen vorgegebenen Strangstrom I_S angepasst werden, wobei die Ausgangsspannung im Falle eines teilabgeschatteten Moduls 36 entsprechend reduziert wird.
Auf diese Weise trägt ein teilabgeschattetes Modul 36, was normalerweise überbrückt würde, noch zu einem gewissen Teil zur Ausgangsleistung des Strangs bei. In 11 ist das sich übergebene Übersetzungsverhältnis ü in Abhängigkeit von verschiedenen Strangströmen dargestellt. Im linken Teil ist die Ausgangsleistung des Moduls, das teilabgeschattet ist, dargestellt. Es ergibt sich eine Leistungsdichte von etwa 42 W bei einem Modulstrom von knapp 3 A. Über den Schaltwandler 46 wird nun der Strom über die Induktivität 47 und die Diode 48 auf den bei 53 gemessenen externen Strangstrom transformiert. In 11 sind drei unterschiedliche Strangströme mit I_S1, I_S2, I_S3 dargestellt. Daraus ergibt sich das erforderliche Übersetzungsverhältnis des Tiefsetzstellers ü, das der Quotient aus dem extern vorgegeben Strangstrom I_Strang und dem Modulstrom I ist. Es ergeben sich unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse ü von 1,33 bzw. 1,66 bzw. 2 in Abhängigkeit von jeweiligem Strangstrom.
In 12 ist die sich ergebende Optimierung (MPPT-Regelung) der Photovoltaikanlage 10a schematisch dargestellt. Im oberen Teil sind die Einzelkennlinien der Module gezeigt, die über den MPPT-Haupt-Regler 44 optimiert werden. Diese unterliegen nur der Strang-Regelung. Im unteren Teil sind drei Kennlinien gezeigt, die der MPPT-Neben-Regelung unterliegen. Sie werden an den externen Strangstrom gemäß dem MPPT-Haupt-Regler 44 angepasst.
In 13 ist der „worst case” bei Totalausfall des Moduls 36 dargestellt. In diesem Fall wird bei der sich ergebenden Schaltung 37' der Strangstrom I_S ausschließlich über die Induktivität 47 und die Diode 48 geführt, die in diesem Fall als Freilaufdiode wirkt. Es gibt keine Verluste am Schaltwandler 46, nur Bypassverluste über die Spule 47 und die Diode 48.
In 14 ist der optimale Fall dargestellt, d. h. der Fall, in dem das Modul 36 seine volle Leistung liefert. In diesem Fall liefern alle Module des Strangs 14a dieselbe Leistung. Es ist keine Modulregelung über den MPPT-Neben-Regler 37'' notwendig. Es treten keine Verluste am Schaltwandler 46 auf, da der Schalter 50 vollständig geschlossen ist. Außer einem Verlust an der Induktivität 47 gibt es keine weiteren Verluste.
In 15 ist die gesamte Photovoltaikanlage 10a dargestellt, bei der die unbeschatteten Module 40 nur unmittelbar vom MPPT-Haupt-Regler 44 geregelt werden, während das Modul 36 mittels eines MPPT-Neben-Reglers 37 geregelt werden kann. Die am Strang 14a anfallende Gleichspannung DC wird über einen Wechselrichter 56 transformiert, an den eine externe Last (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Sofern der MPPT-Haupt-Regler 44, der den Strangstrom regelt und der MPPT-Neben-Regler 37, der den Ausgangsstrom des Moduls 36 an den externen Strangstrom anpassen soll, gleichzeitig regelt, so kann dies zu einer Regelstörung führen, wie in 15 angedeutet ist.
Um Regelstörungen zu vermeiden, erfolgt eine Regelung bei den MPPT-Neben-Reglern 37 bzw. 39 nur dann, wenn der Strangstrom konstant ist, wie in 16 dargestellt ist. Regelt der MPPT-Hauptregler 44, d. h. ändert sich der Strangstrom, so halten die MPPT-Nebenregler 37 bzw. 39 die Ausgangsleistung konstant. Auf diese Weise werden Regelstörungen vermieden.
In 17a) bis g) sind die verschiedenen Schritte der MPPT-Reglung (MPPT-Tracking) eines MPPT-Neben-Reglers dargestellt.
17a) zeigt den Ausgangspunkt für die Kennlinie des Moduls. Gemäß 17b) wird zunächst der Zustand bei t = t₁ gespeichert. Die Ausgangsleistung P zurzeit t₁ beträgt 23 W und der Strangstrom I_Strang ist konstant.
Gemäß 17c) kann infolge des konstanten Strangstroms eine Optimierung erfolgen. Das Übersetzungsverhältnis ü, das der Quotient aus dem Strangstrom I_Strang und dem Sollstrom I_Soll ist, wird zunächst um ein Inkrement inc verringert, in Richtung des Pfeiles. Es zeigt sich, wie in 17d) dargestellt, dass die Ausgangsleistung P nur noch 10 W beträgt.
Gemäß 17e) wird ein Leistungsvergleich durchgeführt, d. h. es wird die Leistung von P(t₂) und P(t₁) verglichen. Da P(t₂) < P(t₁) ist, ergibt sich, dass das Übersetzungsverhältnis in die umgekehrte Richtung geändert werden muss (inc = –inc). Dies ist im Schritt 4 gemäß 17f) dargestellt. Im nächsten Schritt gemäß 17g) wird nun das Übersetzungsverhältnis in die umgekehrte Richtung verändert ü = ü + inc, wie durch den Pfeil dargestellt. Es ergibt sich hierbei eine Leistungssteigerung.
Dieses Prinzip wird fortgesetzt, bis schließlich das Optimum am Kurvenmaximum gefunden ist.
In 18 ist ein Flussdiagramm 60 dargestellt, dass das Regelverhalten des MPPT-Neben-Reglers zeigt.
Es wird zunächst in der Abfrage 62 überprüft, ob der Strangstrom konstant ist (I_S = const). Ist dies der Fall, so kann der MPPT-Neben-Regler 8 die Ausgangsleistung verändern, wie bei 64 mit den Anschlusspunkten 63 und 65 dargestellt. Ist der Strangstrom jedoch nicht konstant, so erfolgt keine Regelung, und beim nächsten Takt erfolgt wieder eine Schleife zum Ausgangspunkt der Abfrage 62.
In 19 ist eine Flussdiagramm 64 gezeigt, das das Regelverhalten des MPPT-Neben-Reglers dargestellt, unter der Voraussetzung, dass der Strangstrom I_S konstant ist. Beginn des Flussdiagramms 64 ist der Anschlusspunkt 63 gemäß 18. Im Schritt 68 erfolgt zunächst eine Messung der Ausgangsleistung. In der nachfolgenden Verzweigung 70 wird ein Vergleich durchgeführt, um festzustellen, ob die Ausgangsleistung zu einem späteren Zeitpunkt P von (t_x+1) größer ist als die Ausgangsleistung zu einem früheren Zeitpunkt P (t_x). Ist die Ausgangsleistung größer, so wird im nachfolgenden Schritt das Übersetzungsverhältnis ü um ein Inkrement vergrößert, wie bei 72 dargestellt. Ist die Ausgangsleistung jedoch kleiner, so wird im nachfolgenden Schritt 74 das Übersetzungsverhältnis in die umgekehrte Richtung verändert (inc = –inc). Von dort aus gelangt man zum Anschlusspunkt 65. Vom Anschlusspunkt 65 erfolgt wieder eine Rückschleife an den Ausgangspunkt 63.
Die Schaltfrequenz des Schaltwandlers ist so groß wie möglich und liegt in der Regel zwischen etwa 16 und 500 kHz.
In 20 ist eine gegenüber der Ausführung gemäß 9 abgewandelte Photovoltaikanlage schematisch dargestellt und insgesamt mit 10b bezeichnet. Eine solche Ausführung kommt bevorzugt für den (normalerweise ziemlich unwahrscheinlichen) Fall zum Einsatz, dass die Anlage überwiegend abgeschattet ist. In diesem Fall werden die abgeschatteten Module 36, 38 nicht geregelt, sondern nur vom MPPT-Hauptregler 44 des Strangs 14b. Die nicht abgeschatteten Module 40, 42 werden dann über Schaltwandler 80, 82 in Form von Hochsetzstellern geregelt, um den normalerweise höheren Strangstrom dieser Module auf den niedrigeren Strangstrom herabzusetzen, der vom MPPT-Hauptregler 44 vorgegeben wird und die Ausgangsspannung entsprechend zu erhöhen.
In den 21 und 22 ist eine mögliche Schaltung eines derartigen Schaltwandlers in Form eines Hochsetzstellers 81 gezeigt, und zwar in 21 für den Optimalfall, in dem keine Verluste erfolgen, während in 22 der ”Worst Case” für den Fall des Totalausfalls des Moduls gezeigt ist. In der linken Hälfte von 21, 22 sind die Module 40, 42 gezeigt, zusammen mit einem MPPT-Nebenregler, wobei nur einer mit 80 bezeichnet ist.
Der Schaltwandler 81 weist eine Diode 84 auf, die mit einer Induktivität 80 in Reihe im Strang 14b mit dem Modul 40 liegt. Zwischen dem Anschlusspunkt von Diode 84 und Induktivität 80 ist ferner ein Schalter 86 angeschlossen. Im dargestellten Fall gemäß 21 ist der Schalter 86 geöffnet. Es erfolgt, abgesehen vom Spannungsabfall an der Diode 84 und der Induktivität 88 kein Verlust. Im Regelfall erfolgt die Regelung über das Tastverhältnis des Schalters 86. Parallel zum Strang 14b und zum Modul 40 sind wiederum Kondensatoren 51 bzw. 49 angeschlossen.
22 zeigt den Schaltwandler 81' für den Fall des Totalausfalls des Moduls 40. Hierbei müsste entweder der Schalter 86 aktiv geschlossen werden oder eine parallel geschaltete Freilaufdiode 88 überbrückt werden. In diesem Fall ist das Modul überbrückt. Ein Verlust entsteht durch den Spannungsabfall an den Dioden 84, 88.
Auf die Darstellung des Mikroprozessors zur Steuerung des Tastverhältnisses analog zu 10 wurde hierbei verzichtet.

Claims

Photovoltaikanlage, mit mindestens einem Strang (14a, 14b), der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (36, 38, 40, 42) aufweist, wobei der Strang (14a, 14b) über einen MPPT-Haupt-Regler (44) (Maximum-Power-Point-Tracker) mit einer Last gekoppelt ist, wobei mindestens eines der Photovoltaikmodule (36, 38, 40, 42) über einen Schaltwandler (46, 80) mit dem Strang (14a, 14b) gekoppelt ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, bei der jedes Modul (36, 38, 40, 42) über eine dazu parallele Freilaufdiode oder über einen Schaltwandler (46) mit dem Strang (14a, 14b) gekoppelt ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der der MPPT-Haupt-Regler (44) einen gemeinsamen Strangstrom (I_S) durch die in Serie geschalteten Module (36, 38, 40, 42) regelt, um die Ausgangsleistung (P) des Strangs (14a, 14b) zu maximieren.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 3, bei der der Schaltwandler (46, 80) über einen MMPT-Neben-Regler (37, 39, 80) gesteuert ist, um den Ausgangsstrom des jeweiligen Moduls (36, 38) über eine Veränderung des Tastverhältnisses auf den vom MPPT-Haupt-Regler (44) vorgegebenen Strangstrom (I_S) zu regeln.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der MMPT-Neben-Regler (37, 39, 80) eine Strommesseinrichtung (53) zur Messung des Strangstroms (I_S) und eine Steuereinrichtung (52), vorzugsweise einen Mikroprozessor umfasst, um nur bei konstantem Strangstrom (I_S) durch Veränderung des Tastverhältnisses des Schaltwandlers (46, 81) den Ausgangsstrom des Moduls (36) auf den konstanten Strangstrom (I_S) zu regeln.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schaltwandler (46) als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 6, bei der ein Teil der Module der Photovoltaikanlage, der kleiner als die Hälfte aller Module ist, einer externen Beschattungsgefahr ausgesetzt ist und der Schaltwandler (46) dazu ausgebildet ist, die Spannung des jeweiligen Moduls (36) herunterzuregeln, bis der Ausgangsstrom dem vom MPPT-Haupt-Regler (44) vorgegebenen Strangstrom (I_S) entspricht.
Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Schaltwandler (81) als Hochsetzsteller ausgebildet ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 8, bei der ein Teil der Module der Photovoltaikanlage, der größer als die Hälfte aller Module ist, einer externen Beschattungsgefahr ausgesetzt ist und der Schaltwandler (81) dazu ausgebildet ist, die Spannung der jeweiligen Module heraufzuregeln, bis der Ausgangsstrom dem vom MPPT-Haupt-Regler (44) vorgegebenen Strangstrom (I_S) entspricht.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltfrequenz des Schaltwandlers (46) im Bereich von 16 bis 500 kHz liegt.
Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage, mit einem Schaltwandler (46, 81), der dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode eines Moduls der Photovoltaikanlage zu ersetzen, mit einer Strommesseinrichtung (53) zur Messung des Strangstroms (s) eines Strangs (14a) der Photovoltaikanlage und einer Steuereinrichtung (52), die dazu ausgebildet ist, bei konstanten Strangstrom (I_S) durch Veränderung des Tastverhältnisses eine MPPT-Regelung des Modulstroms auf den konstanten Strangstrom (I_S) vorzunehmen und bei einer Veränderung des Strangstroms (I_S) keine Regelung auszuführen.
Nachrüstsatz nach Anspruch 11, wobei der Schaltwandler (46) als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
Nachrüstsatz nach Anspruch 11, wobei der Schaltwandler (81) als Hochsetzsteller ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung einer Photovoltaikanlage, bei dem mindestens ein Strang (14a, 14b) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (36, 38, 40, 42), die mit einer Last gekoppelt sind, über eine MPPT-Regelung auf eine maximale Ausgangsleistung geregelt wird, wobei mindestens eines der Module (36, 38) des Strangs (14a, 14b) mittels eines Schaltwandlers (46, 81) auf einen durch die MPPT-Regelung vorgegebenen Strangstrom (I_S) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schaltwandler (46) nur dann regelt, wenn der durch die MPPT-Regelung vorgegebene Strangstrom (I_S) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schaltwandler (46, 81) über eine MPPT-Regelung geregelt wird, um den Strom des Moduls (36, 38) auf den vorgegebenen Strangstrom (I_S) zu regeln.