DE102011118545A1

DE102011118545A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts in einem Solarenergieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE102011118545A1
Application number: DE102011118545A
Authority: DE
Inventors: Tae Won Lee; Don Sik KIM; Doo Young SONG; Min Ho Heo; Jin Wook Kim; Tae Hoon Kim; Yong Hyok JI; Chung Yuen WON; Young Ho Kim
Original assignee: Res & Business Foundation; Research & Business Foundation; Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Res & Business Foundation; Research & Business Foundation; Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20120170320A1; US8493758B2; KR20120070180A; KR101208252B1; CN102570828A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Solarenergieerzeugungssystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst: einen Spannungsdetektor zum Detektieren einer in einen Sperrleistungswandler eingegebenen Spannung; einen ersten Rechner zum Berechnen einer Ausgangsleistung anhand der detektierten Eingangsspannung; einen zweiten Rechner zum Berechnen einer Leistungsabweichung basierend auf der berechneten Ausgangsleistung und einer Spannungsabweichung der Eingangsspannung; und einen Stromsteuerwertgenerator zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung. Dementsprechend kann ein Stromsteuerwert nach der Berechnung einer Ausgangsleistung mit lediglich einem Spannungsdetektor erzeugt werden, ohne einen Stromdetektor, wodurch die Kosten eines Solarzellenerzeugungssystems reduziert werden durch Verringern der Kosten für einen hochpreisigen Stromdetektor, und wodurch die Schaltung vereinfacht wird.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung KR 10-2010-0131617 , die am 21. Dezember 2010 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum eingereicht wurde und deren Offenbarung in der vorliegenden Anmeldung durch Bezugnahme enthalten ist.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarenergieerzeugungssystem und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts in einem Solarenergieerzeugungssystem.
Beschreibung des Standes der Technik
Im Allgemeinen ist ein Solarenergieerzeugungssystem ein System zum Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie durch Benutzen von Solarzellen. 1 zeigt den generellen Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems umfassend einen Sperrwandler. Bezug nehmend auf 1 sind Leistungswandler 20, beispielsweise Sperrwandler, mit Solarzellenmodulen 10 verbunden und ein Stromnetz 30 ist mit Ausgangsanschlüssen der Leistungswandler 20 verbunden.
In den 2A und 2B erkennt man, dass bei dem in diesem Solarenergieerzeugungssystem verwendeten Solarzellenmodul 10 der Betrag der maximalen erzeugten Leistung und die Erzeugungsbedingungen (maximaler Leistungspunkt 11) unterschiedlich sind in Abhängigkeit der Menge der verfügbaren Sonnenstrahlung und der Umgebungstemperatur. Wie in 2A gezeigt ist, nimmt der maximale Leistungspunkt 11 des Solarzellenmoduls 10 bei einem Anstieg der Menge der zur Verfügung stehenden Sonnenstrahlung zu und er fällt mit einem Anstieg der Umgebungstemperatur. Dementsprechend sollte der Leistungswandler 20, beispielsweise ein Sperrwandler, so entworfen sein, dass er jederzeit die maximale zur Verfügung stehende Leistungsmenge ausgibt, selbst wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern.
Zusätzlich benötigt der Leistungswandler 20 des Solarenergieerzeugungssystems gemäß dem Stand der Technik einen separaten Stromdetektor zum Detektieren des Stroms von dem Solarzellenmodul 10, wobei es sich nicht um einen Spannungsdetektor zum Detektieren der Spannung des Solarzellenmoduls 10 handelt, um den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls 10 zu verfolgen. Dadurch erhöhen sich die Gesamtkosten des Solarenergieerzeugungssystems und die Komplexität der entsprechenden Schaltungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Solarenergieerzeugungssystems anzugeben, um die Kosten des Solarenergieerzeugungssystems zu reduzieren und die Schaltung zu vereinfachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Sonnenenergieerzeugungssystems vorgesehen, umfassend ein Solarzellenmodul und einen Sperrleistungswandler zum Empfangen einer Spannung von dem Solarzellenmodul um die empfangene Spannung als Netzspannung auszugeben, wobei die Vorrichtung umfasst:
einen Spannungsdetektor zum Detektieren einer in den Sperrleistungswandler eingegebenen Spannung;
einen ersten Rechner zum Berechnen der Ausgangsleistung anhand der detektierten zugeführten Spannung;
einen zweiten Rechner zum Berechnen einer Leistungsabweichung basierend auf der berechneten Ausgangsleistung und einer Spannungsabweichung der Eingangsspannung; und
einen Stromsteuerwertgenerator zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung.
Der Stromsteuerwertgenerator kann die Position eines Betriebspunkts auf einer Kurve für den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung bestimmen und den Stromsteuerwert zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts erzeugen, basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt.
Der Stromsteuerwertgenerator kann bestimmen, dass sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn sowohl die Spannungsabweichung als auch die Leistungsabweichung positive Werte aufweisen und er kann bestimmen, dass sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn die Spannungsabweichung oder die Leistungsabweichung einen negativen Wert aufweist.
Der Stromsteuerwertgenerator kann den Stromsteuerwert durch Abziehen eines festgelegten Wertes von dem existierenden Stromsteuerwert erzeugen, wenn sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt befindet und durch Addieren eines festgelegten Wertes zu dem existierenden Stromsteuerwert, wenn sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt befindet.
Der erste Rechner kann die Ausgangsleistung gemäß der folgenden Gleichung berechnen:
wobei V_G den Maximalwert einer Netzspannung in dem Spannungsnetz angibt, das an einen Ausgangsanschluss des Sperrleistungswandlers angeschlossen ist, V_PV gibt den Maximalwert der Eingangsspannung an, L_m gibt die magnetische Induktivität eines in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an, f_min gibt eine Mindestschaltfrequenz an, ω gibt eine Schaltfrequenz an, L_f gibt eine Ausgangsinduktivität des Sperrleistungswandlers an, C_f gibt eine Ausgangskapazität des Sperrleistungswandlers an, und n gibt das Wicklungszahlverhältnis des in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Solarenergieerzeugungssystems, umfassend ein Solarzellenmodul und einen Sperrleistungswandler zum Empfangen einer Spannung von dem Solarzellenmodul, um die empfangene Spannung als Netzspannung auszugeben, wobei das Verfahren umfasst: Detektieren einer dem Sperrleistungswandler zugeführten Spannung; Berechnen einer ausgegebenen Leistung anhand der detektierten Eingangsspannung; Berechnen einer Leistungsabweichung basierend auf der berechneten Ausgangsleistung und einer Spannungsabweichung der Eingangsspannung; und Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung.
Das Erzeugen des Stromsteuerwerts kann umfassen: Bestimmen einer Position eines Betriebspunkts auf einer Kurve für den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung; und Erzeugen des Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt.
Das Bestimmen der Position des Betriebspunkts kann das Bestimmen umfassen, dass sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn sowohl die Spannungsabweichung als auch die Leistungsabweichung positive Werte aufweisen und das Bestimmen, dass sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn die Spannungsabweichung oder die Leistungsabweichung einen negativen Wert aufweist.
Das Erzeugen des Stromsteuerwerts kann das Erzeugen des Stromsteuerwerts durch Subtrahieren eines festgelegten Wertes von dem existierenden Stromsteuerwert umfassen, wenn sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt befindet und durch Addieren eines festgelegten Wertes zu dem existierenden Stromsteuerwert, wenn sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt befindet.
Das Berechnen der Ausgangsleistung kann gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt werden:
wobei V_G den Maximalwert einer Netzspannung in dem Spannungsnetz angibt, das an einen Ausgangsanschluss des Sperrleistungswandlers angeschlossen ist, V_PV gibt den Maximalwert der Eingangsspannung an, L_m gibt die magnetische Induktivität eines in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an, f_min gibt eine Mindestschaltfrequenz an, ω gibt eine Schaltfrequenz an, L_f gibt eine Ausgangsinduktivität des Sperrleistungswandlers an, C_f gibt eine Ausgangskapazität des Sperrleistungswandlers an, und n gibt das Wicklungszahlverhältnis des in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert, in denen:
1 ist eine allgemeine Darstellung eines Solarenergieerzeugungssystems mit einem Sperrleistungswandler;
2 zeigt die Abweichungen des maximalen Leistungspunkts eines Solarzellenmoduls, das in einem Solarenergieerzeugungssystem verwendet wird;
3 ist ein Blockdiagramm eines Solarenergieerzeugungssystems umfassend einen Stromsteuerwertgenerator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt Wellenformen von Hauptkomponenten eines Sperrleistungswandlers, der durch einen Stromsteuerwert gesteuert wird, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt worden ist; und
5 ist ein Flussdiagramm und zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, so dass die Erfindung einfach durch einen Fachmann auf diesem Gebiet umgesetzt werden kann. Allerdings werden bei der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierte Beschreibungen wohlbekannter Funktionen oder Konstruktionen ausgelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht durch unnötige Details unklar zu machen.
Zusätzlich bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Elemente in allen Zeichnungen.
3 ist ein Blockdiagramm eines Solarenergieerzeugungssystems umfassend einen Stromsteuerwertgenerator 360 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Solarenergieerzeugungssystem kann einen Sperrleistungswandler A umfassen, einen Stromsteuerwertgenerator 360, einen Netzphasendetektor 370 und einen PWM-Generator 380.
In dem Sperrleistungswandler A unter Bezugnahme auf 3 kann der Sperrleistungswandler A eine Eingangskondensatorbank 310, einen Hauptschaltersatz 330, einen Hochfrequenzumformer 320, und einen Leitungsschaltersatz 340 und einen Ausgangsfilter 350 umfassen.
Die Eingangskondensatorbank 310 des Sperrleistungswandlers A kann gebildet sein durch eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren um die Eingangsspannung zu glätten, damit sie einer Gleichspannung angenähert ist, durch Entfernen von Spannungsspitzen.
Der Hauptschaltersatz 330 des Sperrleistungswandlers A kann einen Hauptschalter Q_m und ein Schutzelement 331 zum Stabilisieren der Spannung des Hauptschalters Q_m umfassen. Der Hauptschalter Q_m wandelt einen Gleichspannungsausgang, der von einem Solarzellenmodul eingegeben ist, in eine Wechselspannung durch Hochfrequenzschalten (mehrere 10 kHz bis zu mehreren 100 kHz), und anschließend überträgt er die umgewandelte Ausgangsleistung an die Sekundärseite des Umformers 820. Das Schutzelement 331 kann auf unterschiedliche Arten ausgebildet sein, beispielsweise ist ein RC-Schutzelement in allgemeinster Form in 3 dargestellt. Das RC-Schutzelement 331 kann einen Schutzwiderstand R und einen Schutzkondensator C umfassen.
Die Betriebsspannung des Hauptschalters Q_m kann gemäß der Kapazität des Schutzelement-Kondensators C festgelegt werden. Der Schutzelementwiderstand R kann den Strom während der Entladezeit des Schutzelementkondensators C begrenzen.
Der Hochfrequenzumformer 320 des Sperrleistungswandlers A kann drei Wicklungen umfassen. Eine Primärseite ist zwischen einem Plus-Anschluss der Eingangskondensatorbank 310 und dem Hauptschaltersatz 330 angeschlossen. Eine Sekundärseite kann als Mittelanschlusstyp ausgebildet sein. Bei der Sekundärseite ist ein mittlerer Anschluss an einen neutralen Punkt des Stromnetzes angeschlossen (siehe Bezugszeichen 30 in 1) und der Wicklungsdraht abgesehen von dem mittleren Anschluss kann an den Leitungsschaltersatz 340 angeschlossen sein.
Der Leistungsschaltersatz 340 des Sperrleistungswandlers A wird synchron zu der Frequenz des Stromnetzes (siehe Bezugszeichen 30 in 1) geschaltet und steuert die Richtung des Stroms, so dass der Ausgangsstrom des Sperrleistungswandlers A dieselbe Phase wie die Netzspannung hat. Der Leitungsschaltersatz 340 kann zwei Schalter Q_p und Q_n und zwei Dioden D1 und D2 umfassen. Der Strom i_Qp, der durch den Umformer 320 durch Schalten des Hauptschalters Q_m übertragen wird, fließt zur Ausgangsseite durch einen Vorwärtswechselspannungsschalter Q_p und eine Vorwärtsdiode D_p, indem der Vorwärtswechselspannungsschalter Q_p während einer positiven Halbperiode der Stromnetzspannung leitet und indem der rückwärtige Wechselspannungsschalter Q_m geschlossen wird. Die Richtung des Stroms i_Qn wird geändert durch elektrisches Einschalten des rückwärtigen Wechselspannungsschalters Q_n und Ausschalten des vorderen Wechselspannungsschalters Q_p während einer negativen Halbperiode der Netzspannung.
Der Ausgangsfilter 350 des Sperrleistungswandlers A kann einen Filterkondensator C_f und eine Filterspule L_f umfassen. Der Ausgangsfilter 350 kann eine Hochfrequenzspannung glätten, die zu der Sekundärseite des Umformers 320 übertragen wird, durch Schalten des Hauptschalters Q_m auf einer Spannung mit niedriger Frequenz (50 Hz bis 60 Hz) entsprechend der Frequenz der Netzspannung. Da in der vorliegenden Erfindung der Ausgangspunkt des Sperrleistungswandlers an das Stromnetz 30 angeschlossen ist, wie in 1 gezeigt ist, kann die Ausgangsspannung des Sperrleistungswandlers A auf dieselbe Weise wie die Netzspannung benutzt werden.
Bezug nehmend auf die noch nicht erläuterten Abkürzungen bezeichnet V_cf die Spannung des Filterkondensators C_f, V_Lf bezeichnet die Spannung zwischen beiden Anschlüssen der Filterspule L_f, i_O bezeichnet einen Ausgangsstrom, V_g bezeichnet eine Netzspannung, L_l bezeichnet eine Leckinduktivität des Umformers, L_m bezeichnet eine magnetische Induktivität des Umformers, i_Lm bezeichnet einen magnetischen Strom des Umformers, V_Qm bezeichnet die Spannung des Hauptschalters Q_m, V_pv bezeichnet eine Eingangsspannung, i_p bezeichnet einen Primärseitenstrom, V_p bezeichnet eine Primärspannung des Umformers, und V_s1 und V_s2 bezeichnet Sekundärspannungen des Umformers.
Der Netzphasendetektor 370 detektiert die Phase der Ausgangsspannung des Sperrleistungswandlers A, das heißt die Netzspannung und überträgt die detektierte Phase der Netzspannung Vg an den PWM-Generator 380.
Der Stromstuerwertgenerator 360 kann einen Spannungsdetektor 361 umfassen zum Detektieren der Eingangsspannung V_PV des Sperrleistungswandlers A, um die detektierte Eingangsspannung V_PV an einen ersten Rechner 362 und einen zweiten Rechner 363 zu übertragen. Der erste Rechner 362 dient zur Berechung der Ausgangsleistung aus der Eingangsspannung V_PV, die von dem Spannungsdetektor 361 übertragen wurde und zum Übertragen der berechneten Ausgangsleistung an den zweiten Rechner 363, der zweite Rechner 363 dient zum Berechnen einer Leistungsabweichung ΔP basierend auf der Ausgangsleistung, die von dem ersten Rechner 362 übertragen worden ist und einer Spannungsabweichung ΔV der Eingangsspannung, die von dem Spannungsdetektor 361 übertragen worden ist und zum Übertragen der berechneten Leistungsabweichung ΔP und der Spannungsabweichung ΔV an den Stromsteuerwertgenerator 364, und er umfasst ferner den Stromsteuerwertgenerator 364 zum Erzeugen eines Stromsteuerwertes i_p*_(pk) zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der Leistungsabweichung ΔP und der Spannungsabweichung ΔV, die von dem zweiten Rechner 363 übertragen worden sind. Der erzeugte Stromsteuerwert i_p*_(pk) kann an den PWM-Generator 380 übertragen werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Berechnen der Ausgangsleistung anhand der Eingangsspannung V_PV im Detail beschrieben.
Wenn der Ausgangsstrom des Sperrleistungswandlers A als i_o(= I_osinωt) bezeichnet wird und wenn die Netzspannung als V_g(= V_osinωt) bezeichnet wird, kann eine durchschnittliche Ausgangsleistung während einer Periode der Netzspannung P_o durch die folgende Gleichung 1 wiedergegeben werden;
Der Ausgangsstrom i_o kann durch die folgende Gleichung 2 wiedergegeben werden:
Zusätzlich kann ausgehend von Gleichung 2 die Spannung V_Lf zwischen beiden Enden der Filterspule L_f durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden:
Die Spannung V_Cf zwischen beiden Enden des Filterkondensators C_f kann ausgedrückt werden durch die Summe der Spannung V_Lf zwischen beiden Enden der Filterspule L_f und der Netzspannung V_g. Der Strom i_Cf, der in den Filterkondensator C_f fließt, kann durch die folgende Gleichung 4 wiedergegeben werden:
Wenn ein Eingangsanschlussstrom des Ausgangsfilters 350 als i_S bezeichnet wird, kann der Eingangsanschlussstrom i_S ausgedrückt werden durch die Summe des Ausgangsstroms i_O und des in den Filterkondensator C_f fließenden Stroms, wie in der folgenden Gleichung 5:
Ausgehend von Gleichung 5 kann ein Spitzenstrom i_s(pk) der Sekundärseite des Umformers 320, der für jede Schaltperiode benötigt wird, durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:
Wobei D_pk die maximale Einschaltdauer des Hauptschalters Q_m angibt. Der Hauptschalter Q_m wird so gesteuert, dass Strom, der durch die magnetisierende Induktivität L_m des Umformers 320 fließt, in einem „bondary conduction mode (BMC)” betrieben wird.
Die Einschaltdauer des Hauptschalters Q_m kann durch die folgende Gleichung 7 ausgedrückt werden:
Dementsprechend, wenn das Wicklungszahlverhältnis des Umformers 320 durch n gemäß den Gleichungen 6 und 7 ausgedrückt wird kann ein Spitzenstrom ip_(pk) der Primärseite des Umformers 320 durch die folgende Gleichung 8 ausgedrückt werden:
Das Verhältnis zwischen den Eigenschaften des Sperrleistungsumwandlers A, das heißt zwischen dem Spitzenstrom ip_(pk) der Primärseite und der magnetisierenden Induktivität L_m, dem maximalem Einschaltverhältnis D_pk, dem Maximalwert V_pv der Eingangsspannung und einer Schaltperiode T kann wie folgt ausgedrückt werden:
Basierend auf den Gleichungen 7, 8 und 9 kann die Ausgangsleistung P_O des Sperrleistungswandlers A als die folgende Gleichung 10 ausgedrückt werden:
Daraus ergibt sich, dass die Ausgangsleistung P_O lediglich anhand der Eingangsspannung V_pv berechnet werden kann wegen der Eigenschaften des Sperrleistungswandlers A unter Berücksichtigung, dass alle anderen Variablen abgesehen von der Eingangsspannung V_pv bekannte Werte sind.
Der Stromsteuerwertgenerator 364 bestimmt die Position des Betriebspunkts auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls anhand der Spannungsabweichung ΔV und der Leistungsabweichung ΔP und erzeugt einen Stromsteuerwert i_p*_(pk) zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt. Insbesondere kann der Stromsteuerwertgenerator 364 bestimmen, dass der Betriebspunkt auf der linken Seite des maximalen Leistungspunkts auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt liegt, wenn sowohl die Spannungsabweichung ΔV und die Leistungsabweichung ΔP positive Werte haben und er kann bestimmen, dass der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt liegt, wenn die Spannungsabweichung ΔV oder die Leistungsabweichung ΔP einen negativen Wert aufweisen.

Der Stromsteuerwertgenerator 264 erzeugt den Stromsteuerwert i_c*_(pk) durch Subtrahieren eines festgelegten Wertes von dem existierenden Stromsteuerwert, wenn der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt liegt und durch Addieren eines festgelegten Wertes zu dem existierenden Stromsteuerwert der Betriebspunkt sich rechts von dem maximalen Leistungspunkt befindet. Das Verhältnis zwischen der Spannungsabweichung ΔV und der Leistungsabweichung ΔP, das oben beschrieben wurde, wird in Tabelle 1 unten gezeigt. [Tabelle 1]

	ΔP > 0	ΔP < 0
ΔV > 0	Betriebspunkt links vom Punkt der maximalen Leistung	Betriebspunkt rechts vom Punkt der maximalen Leistung
ΔV < 0	Betriebspunkt rechts vom Punkt der maximalen Leistung	Betriebspunkt links vom Punkt der maximalen Leistung

Daneben wird die Abweichung des Stromsteuerwerts in Abhängigkeit der Position des Betriebspunkts in Tabelle 2 unten gezeigt. [Tabelle 2]

ΔP > 0 ΔP < 0

ΔV > 0 (i_p*_(pk)) ↓ (i_p*_(pk)) ↑

ΔV < 0 (i_p*_(pk)) ↑ (i_p*_(pk)) ↓
Der PWM-Generator 380 erzeugt Schaltsignale SW_Qm, SW_Qp und SW_Qn zum Steuern des Hauptschalters Q_m und zwei Paaren von Leistungsschaltern Q_p und Q_n anhand des Stromsteuerwertes der von dem Stromsteuerwertgenerator 360 übertragen wurde und der Phasen der Netzspannung, die von dem Netzphasendetektor 370 übertragen wurden, und anschließend steuert er den Hauptschalter Q_m und die Leitungsschalter Q_p und Q_n durch die erzeugten Schaltsignale SW_Qm, SW_Qp und SW_Qn. In der vorliegenden Erfindung wird eine detaillierte Beschreibung des PWM-Generators 380 weggelassen, da der detaillierte Betrieb des PWM-Generators 380 nichts mit dem Kern der vorliegenden Erfindung zu tun hat.
4 zeigt Wellenformen der Hauptkomponenten eines Sperrleistungswandlers, der durch den Stromsteuerwert gesteuert wird, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt worden ist. In 4 zeichnet V_g die Netzspannung, SW_Qm bezeichnet ein Steuersignal eines Hauptschalters Q_m, SW_Qp und SW_Qn bezeichnet Steuersignale von Leistungsschaltern Q_p und Q_n, i_Lm bezeichnet einen Strom, der durch die magnetisierenden Induktivitäten L_m fließt, i_p bezeichnet einen Strom der durch die Primärseite des Umformers 320 fließt, i_Qp und i_n bezeichnet Ströme, die durch die Leitungsschalter Q_p und Q_n fließen, und i_O bezeichnet einen Ausgangsstrom.
Bezug nehmend auf die 4 erkennt man, dass der Hauptschalter Q_m abgeschaltet wird zu dem Zeitpunkt, wenn der Primärstrom i_p des Umformers 320 den Stromsteuerwert i_p*_(pk) erreicht, der durch den Stromsteuerwertgenerator 360 erzeugt wird, und dass er eingeschaltet wird zu dem Zeitpunkt, wenn der magnetisierende Strom i_Lm Null wird.
5 ist ein Flussdiagramm und stellt das Verfahren zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
Bezug nehmend auf die 3 und 5 detektiert in dem Schritt 500 ein Spannungsdetektor 361 eine Eingangsspannung V_pv des Sperrleistungswandlers A, um die detektierte Eingangsspannung an einen ersten Rechner 362 und einen zweiten Rechner 364 zu übertragen.
Im Verfahrensschritt 501 berechnet der erste Rechner 362 eine Ausgangsleistung P_pv[n] aus der Eingangsspannung V_pv, die von dem Spannungsdetektor 361 übertragen wurde, und überträgt die berechnete Ausgangsleistung P_pv[n] an den zweiten Rechner 363.
Im Verfahrensschritt 502 berechnet der zweite Rechner 363 eine Leistungsabweichung ΔP basierend auf der Ausgangsleistung, die von dem ersten Rechner 362 übertragen worden ist und einer Spannungsabweichung ΔV der Eingangsspannung, die von dem Spannungsdetektor 361 übertragen worden ist und überträgt anschließend die berechnete Leistungsabweichung ΔP und die Spannungsabweichung ΔV an den Stromsteuerwertgenerator 364. Dabei ist die Leistungsabweichung ΔP ein Wert, der erhalten wurde durch Subtrahieren der vorherigen Leistung P_pv[n – 1] von der aktuellen Leistung P_pv[n] und die Spannungsabweichung ΔV ist ein Wert der erhalten worden ist durch Subtrahieren der vorherigen Spannung V_pv[n – 1] von der aktuellen Spannung V_pv[n].
In dem Verfahrensschritt 503 erzeugt der Stromsteuerwertgenerator 364 einen Stromsteuerwert i_p*_(pk) zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der Leistungsabweichung ΔP und der Spannungsabweichung ΔV, die von dem zweiten Rechner 363 übertragen wurden. Insbesondere bestimmt der Stromsteuerwertgenerator 364 die Position des Betriebspunkts auf einer Kurve für den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls gemäß der Spannungsabweichung ΔV und der Leistungsabweichung ΔP und erzeugt den Stromsteuerwert i_p*_(pk) gemäß der festgelegten Position des Betriebspunkts. Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.
In dem Verfahrensschritt 503 und in dem Verfahrensschritt 504 bestimmt der Stromsteuerwertgenerator 364, dass sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn sowohl die Spannungsabweichung ΔV als auch die Leistungsabweichung ΔP positive Werte aufweisen. Anschließend wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 505 fortgesetzt.
In dem Verfahrensschritt 505 erzeugt der Stromsteuerwertgenerator 364 einen neuen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] durch Abziehen eines festgelegten Wertes Δi von dem vorherigen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n]. Der erzeugte Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] wird an den PWM-Generator 380 übertragen.
In ähnlicher Weise bestimmt der Stromsteuerwertgenerator 364 in den Verfahrensschritten 503 und 504, dass sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn die Leistungsabweichung ΔP einen positiven Wert und die Spannungsabweichung ΔV einen negativen Wert aufweist. Nachfolgend wird das Verfahren im Verfahrensschritt 506 fortgesetzt.
In dem Verfahrensschritt 506 erzeugt der Stromsteuerwertgenerator 364 einen neuen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] durch Addieren eines festgelegten Wertes Δi zu dem vorherigen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n]. Der erzeugte Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] wird an den PWM-Generator 380 übertragen.
In den Verfahrensschritten 503 und 507 bestimmt der Stromsteuerwertgenerator 364, dass sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn die Leistungsabweichung ΔP einen negativen Wert und die Spannungsabweichung ΔV einen positiven Wert besitzt. Anschließend wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 508 fortgesetzt.
In dem Verfahrensschritt 508 erzeugt der Stromsteuerwertgenerator 364 einen neuen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] durch Addieren eines festgelegten Wertes Δi zu dem vorherigen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n]. Der erzeugte Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] wird an den PWM-Generator 380 übertragen.
In ähnlicher Weise bestimmt in den Verfahrensschritten 503 und 507 der Stromsteuerwertgenerator 364, dass sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn sowohl die Leistungsabweichung ΔP als auch die Spannungsabweichung ΔV negative Werte besitzen. Anschließend wird das Verfahren in dem Verfahrensschritt 509 fortgesetzt.
In dem Verfahrensschritt 509 erzeugt der Stromsteuerwertgenerator 364 einen neuen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] durch Abziehen eines festgelegten Wertes Δi von dem vorherigen Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n]. Der erzeugte Stromsteuerwert i_p*_(pk)[n + 1] wird an den PWM-Generator 380 übertragen.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Stromsteuerwert nach dem Berechnen einer Ausgangsleistung erzeugt werden, wozu lediglich ein Spannungsdetektor ohne einen Stromdetektor benötigt wird durch Benutzen der Eigenschaften eines Sperrleistungswandlers. Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, die Kosten eines Solarenergieerzeugungssystems zu reduzieren durch Verringern der Kosten eines hochpreisigen Stromdetektors, wodurch die Schaltung vereinfacht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde ist es klar für einen Fachmann auf diesem Gebiet, dass Änderungen und Abweichungen möglich sind, ohne den Geist und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die zugehörigen Patentansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2010-0131617 [0001]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Sonnenenergieerzeugungssystems, umfassend ein Solarzellenmodul und einen Sperrleistungswandler zum Empfangen einer Spannung von dem Solarzellenmodul, um die empfangene Spannung als Netzspannung auszugeben, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Spannungsdetektor zum Detektieren einer in den Sperrleistungswandler eingegebenen Spannung; einen ersten Rechner zum Berechnen der Ausgangsleistung anhand der detektieren zugeführten Spannung; einen zweiten Rechner zum Berechnen einer Leistungsabweichung basierend auf der berechneten Ausgangsleistung und einer Spannungsabweichung der Eingangsspannung; und einen Stromsteuerwertgenerator zum Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsteuerwertgenerator die Position eines Betriebspunkts auf einer Kurve des maximalen Leistungspunkts des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung bestimmt und den Stromsteuerwert zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts basierend auf dem festgelegten Betriebspunkt erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsteuerwertgenerator bestimmt, dass der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve des maximalen Leistungspunkts liegt, wenn sowohl die Spannungsabweichung als auch die Leistungsabweichung positive Werte aufweisen und dass er bestimmt, dass der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kure des maximalen Leistungspunkts liegt, wenn die Spannungsabweichung oder die Leistungsabweichung einen negativen Wert aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsteuerwertgenerator den Stromsteuerwert durch Subtrahieren eines festgelegten Wertes von dem existierenden Stromsteuerwert erzeugt, wenn der Betriebspunkt sich links von dem maximalen Leistungspunkt befindet und durch Addieren eines festgelegten Wertes zu dem existierenden Stromsteuerwert, wenn sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rechner die Ausgangsleistung anhand der folgenden Gleichung berechnet:
wobei V_G einen Maximalwert einer Netzspannung in einem Spannungsnetz angibt, das an einen Ausgangsanschluss des Sperrleistungswandlers angeschlossen ist, V_PV bezeichnet einen Maximalwert der Eingangsspannung, L_m bezeichnet eine magnetische Induktivität eines in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers, f_min bezeichnet eines Mindestschaltfrequenz, ω bezeichnet eine Schaltfrequenz, L_f bezeichnet eine Ausgangsspule des Sperrleistungswandlers, C_f bezeichnet einen Ausgangskondensator des Sperrleistungswandlers, und n bezeichnet ein Wicklungszahlverhältnis des in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers.
Verfahren zum Erzeugen eines Stromsteuergeräts zum Verfolgen eines maximalen Leistungspunkts eines Sonnenenergieerzeugungssystems, umfassend ein Solarzellenmodul und einen Sperrleistungswandler zum Empfangen einer Spannung von dem Solarzellenmodul um die empfangene Spannung als Netzspannung auszugeben, wobei das Verfahren umfasst: Detektieren einer in den Sperrleistungswandler eingegebenen Spannung; Berechnen einer von der detektierten Eingangsspannung ausgegebenen Leistung; Berechnen einer Leistungsabweichung basierend auf der berechneten Ausgangsleistung und einer Spannungsabweichung der Eingangsspannung; und Erzeugen eines Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Stromsteuerwerts umfasst: Bestimmen einer Position eines Betriebspunkts auf einer Kurve für den maximalen Leistungspunkt des Solarzellenmoduls anhand der berechneten Spannungsabweichung und der berechneten Leistungsabweichung; und Erzeugen des Stromsteuerwerts zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Position des Betriebspunkts das Bestimmen umfasst, dass sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn sowohl die Spannungsabweichung als auch die Leistungsabweichung positive Werte aufweisen und das Bestimmen, dass sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt auf der Kurve für den maximalen Leistungspunkt befindet, wenn die Spannungsabweichung oder die Leistungsabweichung einen negativen Wert aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Stromsteuerwerts das Erzeugen des Stromsteuerwerts durch Subtrahieren eines festgelegten Wertes von dem existierenden Stromsteuerwert umfasst, wenn sich der Betriebspunkt links von dem maximalen Leistungspunkt befindet und durch Addieren eines festgelegten Wertes zu dem existierenden Stromsteuerwert, wenn sich der Betriebspunkt rechts von dem maximalen Leistungspunkt befindet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Ausgangsleistung gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt wird:
wobei V_G den Maximalwert einer Netzspannung in einem Stromnetz angibt, das an einen Ausgangsanschluss des Sperrleistungswandlers angeschlossen ist, V_PV gibt den Maximalwert der Eingangsspannung an, L_m gibt die magnetische Induktivität eines in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an, f_min gibt die Mindestschaltfrequenz an, ω gibt die Schaltfrequenz an, L_f gibt die Ausgangsspule des Sperrleistungswandlers an, C_f gibt die Ausgangskapazität des Sperrleistungswandlers an, und n gibt das Wicklungszahlverhältnis des in dem Sperrleistungswandler enthaltenen Umformers an.