DE102011111255B4

DE102011111255B4 - Photovoltaikanlage und Nachrüstsatz für eine solche

Info

Publication number: DE102011111255B4
Application number: DE102011111255.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Merz
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Rowatis RE Investment Ag Ch
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: DE102011111255A1

Abstract

Photovoltaikanlage, mit mindestens einem Strang (12), der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, wobei der Strang (12) über eine Steuerung (14) mit einer Last (16) koppelbar ist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul (18) über einen Tiefsetzsteller (20) mit dem Strang (12) verbunden ist, wobei der Tiefsetzsteller eine Diode (26) aufweist, die über einen steuerbaren Schalter (30) parallel zum Photovoltaikmodul (18) angeschlossen ist und über eine Induktivität (28) an den Strang (12) angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung (Vx') dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter (30), solange eine Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, geschlossen ist, und wobei der Schalter (30) betätigt wird, wenn die Spannung (Vx), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt unter den vorgegebenen erster Schwellwert abfällt, um die Ausgangsleistung (Vx'·IS) des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen, wobei der vorgegebene erste Schwellwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage und einen Nachrüstsatz zur Nachrüstung 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 auch 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 bzw. der betreffende Teil des Moduls überbrückt, so dass kein Beitrag mehr zur Ausgangsleistung des Strangs geliefert wird.
Die einzelnen Stränge können parallel geschaltet sein, um den Gesamtstrom entsprechend zu erhöhen. Es ist zumindest eine Steuerung vorgesehen, um die Gesamtleistung der PV-Anlage in Abhängigkeit von der externen Last und der Kennlinie zu maximieren. Die Steuerung führt in der Regel eine MPPT-Regelung (Maximum-Power-Point-Tracking) aus, was im Stand der Technik bekannt ist. Hierbei wird der Ausgangsstrom in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schritten so lange variiert, bis die Ausgangsleistung (Produkt aus Strangspannung und Strangstrom) des Strangs maximiert ist. je nach Aufbau der PV-Anlage kann auch jeder einzelne Strang mit einer MPPT-Steuerung versehen sein, um die daran angeschlossene Last (in der Regel ein Wechselrichter) mit der maximalen Leistung zu betreiben. Die Stränge können jedoch auch nur mittels einer einzigen MPPT-Steuerung 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, 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.
Aus der US 2008/0 236 648 A1 ist ein Solarzellenmodul mit einer Mehrzahl von Solarzellengruppen bekannt, wobei jede der Solarzellengruppen eine lokale Leistungsoptimierungsschaltung aufweist, um die von jeder Gruppe bereitgestellte elektrische Leistung zu steuern.
Aus WALKER; PIERCE: ”Photo Voltaic DC-DC Module Integrated Converter for Novel Cascaded and Bypass Grid Connection Topologies – Design and Optimisation” in Power Electronics Specialists Conference, 2006, PESC 06, 37th IEEE, 2006, S. 1–7 ist eine Photovoltaik anlage mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen bekannt, bei der die Photovoltaikmodule mit einem Gleichspannungswandler und einer Bypass-Schaltung verbunden sind, um in der Photovoltaikanlage zusammengeschaltet zu werden.
Aus der DE 10 2009 051 186 A1 ist eine Photovoltaikanlage mit mindestens einem Strang bekannt, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist, wobei der Strang mit einer Last koppelbar ist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul über einen Tiefsetzsteller mit dem Strang verbunden ist, wobei der Tiefsetzsteller eine Diode aufweist, die über einen steuerbaren Schalter parallel zum Photovoltaikmodul angeschlossen ist und über eine Induktivität an den Strang angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter, so lange die Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, geschlossen ist und wobei der Schalter betätigt wird, wenn die Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt, unter den vorgegebenen ersten Schwellwert abfällt.
Aus der DE 10 2011 011 093 A1 ist eine Photovoltaikanlage bekannt mit wenigstens einem Strang, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist, wobei der Strang über eine Steuerung mit einer Last koppelbar ist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul über einen Tiefsetzsteller mit dem Strang verbunden ist, wobei der Tiefsetzsteller eine Diode aufweist, die über einen steuerbaren Schalter parallel zu dem Photovoltaikmodul angeschlossen ist und über eine Induktivität an dem Strang angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung mit dem Strang bereitzustellen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Photovoltaikanlage zu schaffen, bei der mit geringem Aufwand eine erhöhte Ausgangsleistung erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaikanlage mit mindestens einem Strang gelöst, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweist, wobei der Strang über eine Steuerung mit einer Last koppelbar ist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul über einen Tiefsetzsteller mit dem Strang verbunden ist, wobei der Tiefsetzsteller eine Diode aufweist, die über einen steuerbaren Schalter parallel zum Photovoltaikmodul angeschlossen ist und über eine Induktivität an den Strang angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, vorzugsweise größer als null ist, geschlossen ist, und wobei der Schalter betätigt wird, wenn die Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt unter den ersten Schwellwert abfällt, um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers zu erhöhen, wobei der vorgegebene erste Schwellwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage gelöst, mit einem Tiefsetzsteller, der dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode eines Photovoltaikmoduls der Photovoltaikanlage zu ersetzen, wobei der Tiefsetzsteller zumindest eine Diode umfasst, die über einen steuerbaren Schalter parallel zum Photovoltaikmodul angeschlossen ist und über eine Induktivität an den Strang angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter, solange eine Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, geschlossen ist, und wobei der Schalter betätigt wird, wenn die Spannung, die über dem Photovoltaikmodul abfällt unter den ersten Schwellwert abfällt, um die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers zu erhöhen, wobei der vorgegebene erste Schwellwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Während bei der üblichen Verwendung einer Freilaufdiode parallel zu einem Photovoltaikmodul bei Abschattung oder Teilabschattung des Photovoltaikmoduls dieses durch die Freilaufdiode überbrückt wird, so dass das Photovoltaikmodul keinerlei Beitrag mehr zur Strangleistung liefern kann, obwohl dieses ggf. bei Teilabschattung möglich wäre, wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Tiefsetzstellers in Verbindung mit zumindest einem Photovoltaikmodul bei diesem Modul auch bei Teilabschattung noch ein Beitrag zur Strangleistung erzielt.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage bzw. des betreffenden Nachrüstsatzes hierzu liegt darin, dass der Schalter, solange die Spannung des Photovoltaikmoduls größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, dauerhaft geschlossen ist. Dies bedeutet, dass der Schalter im Normalbetrieb (also ohne Abschattung) dauerhaft geschlossen ist. Der betreffende Schalter (in der Regel ein Transistor) muss somit nicht für dauerhaftes Schalten im Normalbetrieb ausgelegt sein, sondern es kann sich hierbei um ein relativ preiswertes Bauteil handeln, da die Beanspruchung deutlich geringer ist als bei ständigem Schalten während des Normalbetriebs. Insgesamt ergeben sich nur geringe Zusatzkosten für die Photovoltaikanlage bzw. den betreffenden Nachrüstsatz, wobei für die Gesamtkosten des jeweiligen Nachrüstsatzes bzw. des Tiefsetzstellers bei der Herstellung einer PV-Anlage in der Regel unterhalb 10 Euro liegen sollten, wobei ein Betrag von etwa 5 Euro etwa ausreichend sein sollte.
Da der Schalter im Normalfall durchgeschaltet ist und die Induktivität nur einen sehr geringen Serienwiderstand darstellt, da das Modul Gleichstrom abgibt, sind die Spulenverluste je nach Dimensionierung praktisch vernachlässigbar.
Tritt jedoch der Fall der Teilabschattung auf und fällt die Spannung des Photovoltaikmoduls unter den ersten Schwellwert ab, so wird der Schalter aktiviert und die Diode spricht an. Durch das Ein- und Ausschalten beginnt der Tiefsetzsteller zu arbeiten, wodurch dessen Ausgangsspannung erhöht wird.
Vorzugsweise schaltet der Schalter bei Aktivierung periodisch, um die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers zu erhöhen.
Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers in geeigneter Weise angepasst werden, um die Ausgangsleistung des teilabgeschatteten Moduls an den Strangstrom des Moduls anzupassen und seine Leistung abzugeben, ohne die anderen Module im Strang zu beeinflussen.
Vorzugsweise umfasst der Tiefsetzsteller eine Steuerung, vorzugsweise einen Mikroprozessor, mittels derer der steuerbare Schalter gesteuert wird, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren, wenn ein Abfall der Spannung des Photovoltaikmoduls unter den vorgegebenen Wert detektiert wird.
Hierbei ist die Steuerung vorzugsweise zur Maximierung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet.
So kann die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bei Teilabschattung in optimaler Weise angepasst werden, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bei vorgegebenem Strangstrom zu maximieren.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ein Kondensator parallel zum Photovoltaikmodul geschaltet.
In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auch ein Kondensator parallel zur Induktivität und Diode, d. h. parallel zum Ausgang des Tiefsetzstellers geschaltet.
Durch diese Maßnahmen wird die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers vergleichmäßigt, was sich vorteilhaft auf einen störungsfreien Betrieb auswirkt.
Die Abweichung zwischen Strangstrom und Modulstrom stellt eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann bzw. durch die Mindestausschaltzeit des Transistors bei der eingeschalteten Steuerung des Schalters durch die Bauteile vorgegeben ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Strangstrom und der Strom durch das Photovoltaikmodul überwacht und der Schalter dauerhaft geschlossen, wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom und dem Modulstrom unter einen bestimmten zweiten Schwellwert abfällt.
Wird also der Modulstrom annähernd gleich groß wie der Strangstrom, so erübrigt sich eine Taktung des Schalters, und dieser kann dauerhaft geschlossen werden, so dass der Schalter ständig leitend ist.
Bei dem zweiten Schwellwert, der die Differenz zwischen Strangstrom und Modulstrom angibt, kann es sich etwa um einen Strom von 200 mA, bevorzugt 100 mA, besonders bevorzugt 50 mA handeln.
Alternativ kann das dauerhafte Schließen des Schalters eingeleitet werden, wenn das Tastverhältnis des Schalters größer als ein bestimmter dritter Schwellwert wird, der vorzugsweise 80%, weiter bevorzugt 85%, besonders bevorzugt 90% beträgt.
Ist also der Schalter beispielsweise mit einem Tastverhältnis von mindestens 80% geschlossen, so wird der Schalter dauerhaft geschlossen, so dass sich das betreffende Photovoltaikmodul wie ein normales Modul verhält. Das Modul weist daher in diesem Zustand auch eine Kennlinie wie ein herkömmliches Photovoltaikmodul auf, das lediglich mit einer Freilaufdiode ausgerüstet ist.
Stellt dagegen die Steuerung des Strangs bei Teilabschattung einen Strangstrom ein, bei dem die Diode leitfähig wird, so detektiert die Steuerung bzw. der Mikroprozessor des Photovoltaikmoduls, dass die Spannung des Moduls kleiner null wird und öffnet den Schalter. Somit stellt sich am Photovoltaikmodul bzw. dem dazu parallel geschalteten Kondensator eine Leerlaufspannung V_x ein. Durch gezieltes periodisches Schalten kann nun die Spannung am Ausgang des Tiefsetzstellers wieder erhöht werden, um dem Photovoltaikmodul die maximal mögliche Leistung zu entnehmen.
Hierzu wird vorzugsweise eine MPPT-Regelung verwendet.
Auch bei der Steuerung, über die jeder Strang mit der Last, etwa dem Wechselrichter, verbunden ist, handelt es sich vorzugsweise um einen MPPT-Regler.
In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die MPPT-Steuerung des Strangs mit jedem Regler jedes Photovoltaikmoduls gekoppelt, um die Leistung des Strangs zu maximieren. Hierzu wird vorzugsweise der optimale Strangstrom an die Steuerung jedes Tiefsetzstellers kommuniziert, um so die Strangleistung zu maximieren.
Um nur die Modulsteuerung der teilabgeschatteten Module in den Schaltzustand zu versetzen, versucht die Steuerung des Strangs einen möglichst kleinen Strangstrom, d. h. eine möglichst große Systemspannung bei maximaler Leistung zu erreichen.
Auch beim Nachrüstsatz schaltet der Schalter bei Betätigung vorzugsweise periodisch, um die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers zu erhöhen.
Ferner umfasst der Nachrüstsatz vorzugsweise für zumindest ein Photovoltaikmodul eine Steuerung, vorzugsweise einen Mikroprozessor, mittels dessen der steuerbare Schalter geregelt wird, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren, wenn ein Abfall der Spannung des Photovoltaikmoduls unter den vorgegebenen Wert detektiert wird.
Die Steuerung ist hierbei vorzugsweise als MPPT-Steuerung ausgebildet.
Ferner wird auch hierbei vorzugsweise der Schalter dauerhaft geschlossen, entweder wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom und dem Modulstrom unter einen bestimmten zweiten Schwellwert abfällt, oder wenn das Tastverhältnis des Schalters größer als ein bestimmter dritter Schwellwert wird.
Der steuerbare Schalter ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung als selbst leitender Schalter ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass im Normalfall keine Spannung und kein Strom notwendig sind, um den Schalter durchzuschalten. So ergibt sich ein energiesparender Betrieb mit einer geringen Bauteilbelastung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Photovoltaikanlage wobei nur ein Strang in Verbindung mit einer MPPT-Steuerung dargestellt ist, die mit einem Wechselrichter gekoppelt ist;
2 eine Schaltung eines Tiefsetzstellers, der mit einem Photovoltaikmodul gemäß 1 gekoppelt ist und
3 ein Flussdiagramm (Flow-Chart), das den Programmablauf einer mit dem Tiefsetzsteller gekoppelten Steuerung (vorzugsweise Mikroprozessor) zeigt.
In 1 ist eine Photovoltaikanlage schematisch dargestellt und insgesamt mit Ziffer 10 bezeichnet. Im dargestellten Fall ist nur ein Strang 12 gezeigt, der über eine Steuerung 14 (Maximum-Power-Point-Tracker MPPT mit Mikrocontroller) mit einem Wechselrichter 16 gekoppelt ist, der die Last darstellt. Es versteht sich, dass die Photovoltaikanlage 10 in der Regel mehrere Stränge 12 aufweist, die etwa parallel zueinander geschaltet sein können, wobei vorzugsweise jeder Strang 12 eine eigene Steuerung 14 aufweist. Es versteht sich, dass die Steuerung 14 auch in den Wechselrichter 16 integriert sein könnte.
Der Ausgang des Wechselrichters 16 kann etwa unmittelbar mit einer Last gekoppelt sein oder mit dem Versorgungsnetz, um die Ausgangsleistung in dieses einzuspeisen. Jedes Photovoltaikmodul 18 ist ferner mit einem Tiefsetzsteller 20 gekoppelt, dessen Aufgabe und Funktionsweise im Folgenden anhand der 2 und 3 näher erläutert wird.
In 2 ist die Kopplung eines der Photovoltaikmodule 18 mit einem zugeordneten Tiefsetzsteller 20 dargestellt.
Parallel zum Photovoltaikmodul 18 ist ein Kondensator 22 angeschlossen. Ein Pol des Photovoltaikmoduls 18 ist über einen steuerbaren Schalter (z. B. Transistor, FET-Transistor) mit einer Diode 26 verbunden, die wie eine Freilaufdiode parallel zum Photovoltaikmodul 18 über dem Schalter 30 angeschlossen ist. Am Anschluss von Schalter 30 und Diode 26 liegt ferner eine Induktivität 28, über die eine Kopplung mit dem Strang 12 hergestellt ist.
Das jeweils andere Ende vom Kondensator 22, vom Photovoltaikmodul 18, von der Diode 26 und dem Kondensator 24 stellt den einen Ausgang des Tiefsetzstellers 20 dar. Zur Erfassung des Strangstroms dient ein Stromsensor 36, über den die Verbindung mit dem Strang 12 erfolgt. Am Ausgang des Tiefsetzstellers 20 kann ferner ein Spannungssensor 34 angeschlossen sein, über den die Ausgangsspannung V_x' des Tiefsetzstellers 20 überwacht wird. Der Strangstrom I_S kann durch den Stromsensor 36 überwacht werden.
Zur Steuerung des Schalters 30 ist eine Steuerung (MPPT) 32 mit einem Mikroprozessor vorgesehen, der mit dem Schalter 30 und mit dem Stromsensor 36 gekoppelt ist.
Im Normalfall (d. h. wenn keine Teilabschattung erfolgt), ist der Schalter 30 dauerhaft geschlossen, so dass die am Photovoltaikmodul 18 und im parallelen Kondensator 22 abfallende Spannung V_x annähernd mit der Spannung V_x' am Ausgang des Tiefsetzstellers 20 übereinstimmt. Da das PV-Modul Gleichstrom abgibt, stellt die Spule bei ausgeschalteter Steuerung 32 nur einen geringen Serienwiderstand dar. Die Spulenverluste sind je nach Dimensionierung vernachlässigbar.
Tritt der Fall der Teilabschattung auf und spricht die Diode 26 an, so beginnt die Steuerung 32 zu arbeiten, um den Schalter 30 (Transistor) aus- und einzuschalten, mit dem Ziel, den Strom I_M des Moduls 18 auf den Strangstrom I_S anzupassen. Das Modul kann so seine volle Leistung an den Strang 12 abgeben. Die Steuerung 32 ist vorzugsweise als MPPT-Steuerung ausgebildet und sucht so die Ausgangsleistung des Tiefsetzstellers 20, die durch das Produkt aus Strangstrom I_S und Ausgangsspannung V_x' gegeben ist, nach dem Prinzip des MPPT-Trackings zu maximieren.
Nimmt die Abschattung ab und nähert sich der Modulstrom I_x an den Strangstrom I_S an, d. h. I_S ≈ I_x bzw. wird die Differenz von I_S – I_x kleiner als ein vorgegebener Schwellwert von z. B. 100 mA, so wird der Schalter 30 dauerhaft durchgeschaltet, so dass das MPPT-Tracking der Steuerung 32 beendet wird und sich das PV-Modul 18 wie ein normales PV-Modul verhält und auch eine solche Kennlinie aufweist.
Stellt dagegen die Steuerung 10 des Strangs 12 bei Teilabschattung des PV-Moduls 18 einen Strangstrom I_S ein, bei dem die Diode D leitfähig wird, so detektiert die Steuerung 32, dass die Spannung des Moduls V_x < 0 wird und öffnet den Schalter 30. Durch gezieltes periodisches Schalten des Schalters 30 über die Steuerung 32 nach dem Prinzip des MPPT-Trackings kann nun die Steuerung 32 die Ausgangsleistung V_x'·I_S des Tiefsetzstellers 20 wieder erhöhen und so dem PV-Modul 18 die maximal mögliche Leistung gemäß der Vorgabe des Strangstroms I_S entnehmen.
Die Abweichung zwischen dem Strangstrom I_S und dem Modulstrom I_x stellt eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann bzw. die durch die Mindestausschaltzeit des Schalters 30 bei aktiviertem Schalter 30 durch die Bauteile vorgegeben ist.
Die MPPT-Regelung wird vorzugsweise so eingestellt, dass der Schalter 30 vollständig durchgeschaltet wird, sobald der Strom I_x durch das PV-Modul 18 wieder annähernd mit dem Strangstrom I_S übereinstimmt.
Alternativ kann als Ausschaltkriterium für die Deaktivierung des MPPT-Trackings ein bestimmtes Tastverhältnis vorgegeben werden, z. B. ein Tastverhältnis von 90%.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm (Flow-Chart) dargestellt, das ein Programm der Steuerung 32 (d. h. des Mikrocontrollers) darstellt.
Der Programmablauf ist insgesamt mit 38 bezeichnet. Bei einer Verzweigung 40 wird abgefragt, ob die am Kondensator 22 abfallende Modulspannung V_x ≤ 0 wird. Ist dies nicht der Fall (vgl. Ausgang N), so wird bei 36 der Schalter 30 vollständig geschlossen (S ON). Von hier aus führt die Programmschleife zurück zu einer Verzweigung 48, die wiederum mit dem Eingang der Abfrage 40 gekoppelt ist.
Ergibt sich bei der Abfrage 40 jedoch, dass die am Kondensator 22 abfallende Spannung V_x des PV-Moduls 18 kleiner oder gleich null wird, so wird der Schalter 30 aktiviert und die Steuerung 32 beginnt den Schalter 30 periodisch zu schalten, um die Ausgangsspannung V_x' des Tiefsetzstellers 20 wieder zu erhöhen. Die Steuerung 32 wirkt als MPPT-Tracker, um die Ausgangsleistung I_S·V_x' zu maximieren.
Bei der nachfolgenden Abfrage 44 wird überprüft, ob der Strangstrom I_S ungefähr mit dem Modulstrom I_x übereinstimmt. Ist die Differenz I_S – I_x kleiner als ein vorgegebener Schwellwert z, z. B. < 100 mA, so wird das MPPT-Tracking beendet und der Ausgang (Y) führt zurück zur Verzweigung 48, von wo aus die Programmschleife zurück zur Abfrage 40 führt. Weicht der Strangstrom jedoch um einen Betrag vom Modulstrom ab, der größer als der Schwellwert z ist (I_S – I_x > z), so führt der Ausgang N der Abfrage 44 zurück zum MPPT-Tracking bei 42.
Alternativ kann statt des Vergleichs von Strangstrom und Modulstrom das Tastverhältnis T des Schalters 30 überwacht werden. Ergibt sich bei der Abfrage 44, dass das Tastverhältnis T größer als ein vorgegebener Schwellwert, z. B. 90%, wird, so führt der Ausgang Y zurück zur Verzweigung 48, so dass das MPPT-Tracking bei 42 beendet wird.
Der Schalter 30 (Schalttransistor) kann beispielsweise selbst leitend ausgeführt sein, so dass dieser im Normalfall geschlossen ist. Erst wenn bei 40 festgestellt wird, dass die Spannung V_x des PV-Moduls 18 unter den vorgegebenen Schwellwert absinkt, also insbesondere ≤ 0 wird, so beginnt die Taktung des Schalters 30.
Um das System weiter zu optimieren, kann eine Strangsteuerung 14 vorgesehen sein, die den gewünschten Strangstrom I_S den betreffenden Steuerungen 32 jedes PV-Moduls 18 mitteilt, um über diese Mitteilung die Strangleistung zu maximieren. Um nur die Steuerungen der abgeschatteten Module in den eingeschalteten Zustand zu versetzen, versucht die Strangsteuerung 14 einen möglichst kleinen Strangstrom, d. h. eine möglichst große Systemspannung bei maximaler Leistung zu erreichen. Ist z. B. der maximal mögliche Strom des Strangs bei ausgeschalteten Modulsteuerungen 32 beispielsweise 8 A (Kurzschlussstrom eines Einzelmoduls), so gibt die Strangsteuerung 14 beispielsweise 10 A vor, und alle Modulsteuerungen 32 regeln ihre Module in dem MPP und transformieren den Modulstrom auf 10 A. Senkt die Strangsteuerung 14 die Vorgabe ab, so werden sich nach und nach die einzelnen Modulsteuerungen 32 abschalten. Sobald die erste Modulsteuerung 32 abschaltet, ist der optimale Arbeitspunkt gefunden. Bei weiterer Verringerung des Strangstroms I_S werden die einzelnen Module 18 mit bereits ausgeschaltetem Modul-MPPT den Arbeitspunkt Richtung Leerlaufspannung verschieben und die Strangsteuerung 14 stellt einen Leistungseinbruch fest.

Claims

Photovoltaikanlage, mit mindestens einem Strang (12), der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen (18) aufweist, wobei der Strang (12) über eine Steuerung (14) mit einer Last (16) koppelbar ist, wobei zumindest ein Photovoltaikmodul (18) über einen Tiefsetzsteller (20) mit dem Strang (12) verbunden ist, wobei der Tiefsetzsteller eine Diode (26) aufweist, die über einen steuerbaren Schalter (30) parallel zum Photovoltaikmodul (18) angeschlossen ist und über eine Induktivität (28) an den Strang (12) angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung (V_x') dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter (30), solange eine Spannung (V_x), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, geschlossen ist, und wobei der Schalter (30) betätigt wird, wenn die Spannung (V_x), die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt unter den vorgegebenen erster Schwellwert abfällt, um die Ausgangsleistung (V_x'·I_S) des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen, wobei der vorgegebene erste Schwellwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, bei der der Schalter (30) bei Aktivierung periodisch schaltet, um die Ausgangsleistung (V_x'·I_S) des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Tiefsetzsteller (20) eine Steuerung (32) umfasst, mittels derer der steuerbare Schalter (30) gesteuert wird, um die Ausgangsleistung (P) des Photovoltaikmoduls zu maximieren, wenn ein Abfall der Spannung (V_x) des Photovoltaikmoduls (18) unter den ersten Schwellwert detektiert wird.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 3, bei der die Steuerung (32) zur Maximierung der Ausgangsleistung (P) des Photovoltaikmoduls (18) mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet ist.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Kondensator (22) parallel zum Photovoltaikmodul (18) geschaltet ist.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Kondensator (24) parallel zur Induktivität (28) und Diode (26) geschaltet ist.
Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der der Strangstrom (I_S) und der Strom (I_x) durch das Photovoltaikmodul überwacht werden und der Schalter (30) dauerhaft geschlossen wird, wenn die Differenz zwischen dem Strangstrom und dem Modulstrom unter einen bestimmten zweiten Schwellwert absinkt (I_S – I_x < z).
Photovoltaikanlage nach Anspruch 7, bei der der zweite Schwellwert (z) 200 mA beträgt.
Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der der Schalter (30) dauerhaft geschlossen wird, wenn das Tastverhältnis des Schalters (30) größer als ein bestimmter dritter Schwellwert (W) wird.
Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Strang (12) über einen MPPT-Regler (14) mit einer Last (16) koppelbar ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 10, bei der der MPPT-Regler (32) des Strangs (12) mit jedem Regler (32) jedes Photovoltaikmoduls (18) gekoppelt ist, um die Leistung des Strangs (12) zu maximieren.
Nachrüstsatz für eine Photovoltaikanlage (10), mit einem Tiefsetzsteller (20), der dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode eines Photovoltaikmoduls (18) der Photovoltaikanlage (10) zu ersetzen, wobei der Tiefsetzsteller (20) zumindest eine Diode (26) umfasst, die über einen steuerbaren Schalter (30) parallel zum Photovoltaikmodul (18) angeschlossen ist und über eine Induktivität (28) an den Strang (12) angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung (V_x') dem Strang bereitzustellen, wobei der Schalter (30), solange eine Spannung (V_x) die über dem Photovoltaikmodul (18) abfällt größer als ein vorgegebener erster Schwellwert ist, geschlossen ist, und wobei der Schalter (30) betätigt wird, wenn die Spannung (V_x) des Photovoltaikmoduls (18) unter den vorgegebenen ersten Schwellwert abfällt, um die Ausgangsleistung (V_x'·I_S) des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen, wobei der vorgegebene erste Schwellwert einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist.
Nachrüstsatz nach Anspruch 12, bei der der Schalter (30) bei Betätigung periodisch schaltet, um die Ausgangsleistung (V_x') des Tiefsetzstellers (20) zu erhöhen.
Nachrüstsatz nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Nachrüstsatz für zumindest ein Photovoltaikmodul eine Steuerung (32) umfasst, mittels derer der steuerbare Schalter (30) geregelt wird, um die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls (18) zu maximieren, wenn ein Abfall der Spannung (V_x) des Photovoltaikmoduls (18) unter den vorgegebenen ersten Schwellwert detektiert wird.
Nachrüstsatz nach Anspruch 14, bei der die Steuerung (32) zur Maximierung der Ausgangsleistung (P) des Photovoltaikmoduls (18) mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet ist.
Nachrüstsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der der Schalter (30) dauerhaft geschlossen wird, entweder wenn die Differenz (I_S – I_x) zwischen dem Strangstrom (I_S) und dem Modulstrom (I_x) unterhalb eines bestimmten zweiten Schwellwertes (z) abfällt, oder wenn das Tastverhältnis (T) des Schalters (30) größer als ein bestimmter dritter Schwellwert (W) wird.
Photovoltaikanlage oder Nachrüstanlage für eine solche, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter als selbst leitender Schalter ausgebildet ist.