DE102012217878A1

DE102012217878A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem

Info

Publication number: DE102012217878A1
Application number: DE201210217878
Authority: DE
Inventors: The Duy Nguyen-Tuong; Michael Wendl; Paul Mielcarek; Kathrin Reinhold; Sebastian Bauer; Martin Weiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem, wobei das Fotovoltaiksystem zumindest zwei Zellstränge mit untereinander verschalteten Solarzellen umfasst, wobei zumindest ein Zellstrang der zumindest zwei Zellstränge eine Bypassdiode aufweist. Das Verfahren (200) weist auf einen Schritt des Einlesens (202) zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem zugehörigen charakteristischen Kennlinie, wobei die Kennlinie eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Leistungs-Spannungs-Kennlinie und/oder eine darauf basierende Kennlinie repräsentiert. Das Verfahren (200) umfasst weiterhin einen Schritt des Bewertens (204) zumindest des Teils der Kennlinie, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode zu erkennen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Aktuell werden bereits in vielen Fotovoltaiksystemen Bypassdioden eingebaut, und zwar antiparallel zu einem Strang von Fotovoltaik-Zellen. Der Sinn von Bypassdioden ist eine Überbrückung des Zellstrangs, wenn dort Unregelmäßigkeiten auftreten, die den Stromfluss vermindern. Aufgrund der üblicherweise verwendeten Reihenschaltung von Zellsträngen muss in jedem Strang der gleiche Stromfluss erfolgen. Ohne eingebaute Bypassdioden als Überbrückung würde der Gesamtstrom der Anlage auch durch einen Strang gezwungen, der beispielsweise durch Verschattung oder Verschmutzung oder eine andere Ursache nur einen geringeren Strom erzeugt. In diesem Fall würde der Zellstrang nicht mehr als Erzeuger, sondern als Verbraucher wirken. Dies kann kann zur Entwicklung eines Hotspots führen und soll vermieden werden.
Die Veröffentlichung „Wo Licht ist, ist auch mal Schatten“ von Joachim Laschinski und Stefan Zanger von SMA Solar Technology AG, Sonnenallee 1, D-34266 Niestetal (www.sma.de) beschreibt die Auswirkungen einer Teilverschattung auf den Energieertrag einer Fotovoltaik-Anlage. Dabei werden insbesondere Multi-String-Wechselrichter beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem, weiterhin eine Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Verschattung, Verschmutzung und andere Gründe können in einem Fotovoltaiksystem dazu führen, dass ein hiervon betroffener Zellstrang mittels einer Bypassdiode überbrückt wird. Jede schaltende Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem bedeutet einen abgekoppelten Zellstrang beziehungsweise einen Zellstrang, der keinen Ertrag liefert. Im Wechselrichter des Fotovoltaiksystems kann eine Kennlinie des Fotovoltaiksystems aufgezeichnet werden, die in aktuellen Fotovoltaiksystemen beispielsweise verwendet wird, um einen Arbeitspunkt für den gesamten Modulstrang zu bestimmen, in dem das jeweilige Fotovoltaik-Modul die höchstmögliche Leistung abgeben kann. Die Kennlinie kann entsprechend aufbereitet und ausgewertet werden, um hieraus auf schaltende Bypassdioden zu schließen.
Wenn eine Diagnose-Funktion des Fotovoltaiksystems gewünscht wird, sind die Bypassdioden ein wichtiger Indikator. Sie sind an den Zellsträngen genau dort aktiv oder leitend, also schaltend, wo aktuell ertragsmindernde Fehler wie eine lokale Verschattung, eine Verschmutzung oder ein anderer Grund für Unterschiede im maximalen Zellstrom innerhalb des Modulstrangs (auch die Bezeichnung „mismatch“ ist hier gebräuchlich) auftreten. Diese wichtige Information kann automatisch ausgewertet werden, beispielsweise in einem Wechselrichter des Fotovoltaiksystems verwendet werden. Somit können Fehler entdeckt und angezeigt werden und und durch Anzeige an den Nutzer oder eine Alarmierung des Nutzers kann vermieden werden, dass aufgrund unentdeckter, leicht behebbarer Fehler möglicherweise unnötig Ertrag verschwendet wird.
Im Folgenden wird der Fehlerfall Verschattung als Beispiel für schaltende Bypassdioden beschrieben. Die Ergebnisse hierzu können auf den Fehlerfall der lokalen Verschmutzung oder auf andere Gründe für Unterschiede im maximalen Zellstrom innerhalb des Modulstrangs im Fotovoltaiksystem angewendet werden.
Es wird ein Verfahren zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem vorgestellt, wobei das Fotovoltaiksystem zumindest zwei Zellstränge mit untereinander verschalteten Solarzellen umfasst, wobei zumindest ein Zellstrang der zumindest zwei Zellstränge eine Bypassdiode aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Einlesen zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem zugehörigen charakteristischen Kennlinie, wobei die Kennlinie eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Leistungs-Spannungs-Kennlinie und/oder eine darauf basierende Kennlinie repräsentiert; und
Bewerten zumindest des Teils der Kennlinie, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode zu erkennen.
Unter einem Fotovoltaiksystem kann eine Fotovoltaikanlage, auch PV-Anlage genannt, oder ein Teil einer Fotovoltaikanlage verstanden werden. Ein Fotovoltaiksystem kann einen Teil der Sonnenstrahlung mittels Solarzellen in elektrische Energie umwandeln. Die direkte Art der Energiewandlung in einem Fotovoltaiksystem kann als Fotovoltaik bezeichnet werden. In einem Fotovoltaiksystem können einzelne Solarmodule in Reihe zu einem sogenannten String verschaltet werden. Die Solarmodule eines Fotovoltaiksystems können als Solargenerator bezeichnet werden. Das Fotovoltaiksystem kann einen Wechselrichter aufweisen, wobei in dem Wechselrichter der in den Solarmodulen entstehende Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt werden kann. Der Wechselrichter kann ausgebildet sein, eine Kennlinie des Fotovoltaiksystems beziehungsweise eine Kennlinie eines Solarmoduls und/oder Zellstrangs aufzuzeichnen beziehungsweise zu vermessen. Bei der Kennlinie kann es sich um eine Strom-Spannungs-Kennlinie und gleichzeitig oder alternativ um eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie und gleichzeitig oder alternativ um eine auf den genannten Kennlinien basierende Kennlinie handeln. Eine Strom-Spannungs-Kennlinie kann als eine I-U-Kennlinie bezeichnet werden. Eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie kann als eine P-U-Kennlinie bezeichnet werden. In einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie kann die erzeugte Systemleistung in Abhängigkeit von der Systemspannung aufgetragen werden. Bei der Kennlinie kann es sich um ein Strom-Spannungs-Diagramm handeln. Bei der Kennlinie kann es sich um ein Leistungs-Spannungs-Diagramm handeln. Bei der Kennlinie kann es sich auch um einen Teil beziehungsweise einen Teilabschnitt einer Kennlinie handeln. Die Kennlinie kann einen „Maximum Power Point“ (MPP) aufweisen. Unter einem Maximum Power Point kann ein individueller Arbeitspunkt für ein Fotovoltaik-Modul verstanden werden, in dem das jeweilige Fotovoltaik-Modul die höchstmögliche Leistung abgeben kann. Ein Solarmodul und/oder ein Zellstrang kann in Serie beziehungsweise in Reihe und gleichzeitig oder alternativ parallel geschaltete Solarzellen aufweisen. Ein Solarmodul und/oder ein Zellstrang kann durch zumindest eine elektrische Kennlinie charakterisiert werden. Bei einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Solarmodulen und/oder Zellsträngen kann antiparallel zu jedem Solarmodul und/oder Zellstrang eine Bypassdiode geschaltet sein. Eine Bypassdiode kann als eine Freilaufdiode bezeichnet werden. Ein maximaler Strom und eine Sperrspannung der Bypassdiode können den Stromwerten und Spannungswerten des Solarmoduls und/oder Zellstrangs gleichen. Eine Bypassdiode kann als eine aktive Bypassdiode bezeichnet werden, wenn der Strom bei in Reihe geschalteten Solarmodulen und/oder Zellsträngen durch die Bypassdiode eines Solarmoduls und/oder Zellstrangs fließt. Eine Bypassdiode kann als schaltend bezeichnet werden, wenn die Diode beim Durchfahren der Kennlinie zwischen Leerlaufspannung U = U_OC und Kurzschlussstrom (U ~ 0V) zunächst sperrt (Strom durch die Diode ~ 0) und ab einer Schwellspannung U_S < U_OC durchleitet (Strom durch die Diode ~ Strangstrom). Auch wenn hier und im Folgenden überwiegend von der Erkennung einer schaltenden Diode gesprochen wird, kann durch Ausführen der Schritte des Verfahrens ebenso eine geschaltete Bypassdiode oder eine aktive Bypassdiode erkannt werden. Das genannte Verfahren eignet sich somit zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode, zumindest einer aktiven Bypassdiode und zusätzlich oder alternativ einer geschalteten Bypassdiode. Insbesondere wenn die charakteristische Kennlinie oder der zumindest eine Teil der charakteristischen Kennlinie zwischengespeichert und anschließend ausgewertet wird, kann eine Bypassdiode erkannt werden, die beim Durchfahren der Kennlinie vom sperrenden Zustand in den leitenden Zustand übergegangen ist, also während des Durchfahrens der Kennlinie geschaltet hat. Aus einer während des Durchfahrens der Kennlinie schaltenden Diode kann auf eine im Normalbetrieb des Fotovoltaiksystems aktive Bypassdiode geschlossen werden.
Wenn ein Fotovoltaiksystem mit einem, in einem Wechselrichter integriertem Überwachungssystem ausgestattet ist, das auf dem beschriebenen Ansatz basiert, so bietet das folgende Vorteile. Es muss keine regelmäßige manuelle Überprüfung der Anlage durchgeführt werden, um lokale Verschmutzung und/oder Verschattung auszuschließen. Stattdessen kann die Überprüfung automatisiert in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden und das Ergebnis dem Nutzer über eine optische oder akustische Benachrichtigung oder Alarmierung über weitere Kommunikationskanäle wie Monitoring-Portal, Email, SMS, Online-Dienste zur Verfügung gestellt werden. Diese Überprüfung kann nicht anhand der aktuell erzielten Anlagenleistung erfolgen, da dieser Wert zu stark mit den Wetterbedingungen schwankt.
Bei der im Vorangegangenen genannten darauf basierenden Kennlinie kann es sich um eine Ableitung, Integration oder Transformation der Strom-Spannungs-Kennlinie und gleichzeitig oder alternativ der Leistungs-Spannungs-Kennlinie handeln. Bei der darauf basierenden Kennlinie kann es sich um eine von der Leistungs-Spannungs-Kennlinie abgeleitete Kennlinie handeln. Unter einer abgeleiteten Kennlinie kann eine Kennlinie verstanden werden, die einer Differenzialrechnung unterzogen wurde. Hierzu kann eine Ableitung beziehungsweise ein Differenzialquotient der Kennlinie gebildet werden. Bei der Ableitung kann es sich um eine erste Ableitung oder alternativ um eine zweite Ableitung handeln. Bei der darauf basierenden Kennlinie kann es sich um eine in einen anderen Parameterraum transformierte Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder Leistungs-Spannungs-Kennlinie handeln. Bei einer in einen anderen Parameterraum transformierten Kennlinie kann es sich beispielsweise um eine fouriertransformierte Kennlinie handeln. Eine transformierte Kennlinie kann einfach und effizient ausgewertet werden.
Die automatische Erkennung schaltender Bypassdioden kann anhand von zwei elektrischen Parametersätzen durchgeführt werden: die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) und/oder die Leistungs-Spannungs-Kennlinie (P-U-Kennlinie). Beide Kennlinien können im Wechselrichter regelmäßig vermessen werden, indem der Spannungsbereich von einer ersten Spannung U1 bis zu einer anderen Spannung U2 vermessen wird. Hierbei können die erste Spannung U1 und die andere Spannung U2 je nach Bedarf ausgewählt werden:
Es kann ein kleiner Teil des Arbeitsbereichs der Spannung oder der gesamte Arbeitsbereich der Spannung abgefahren werden. In einer Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie können bei schaltenden Bypassdioden Ecken im Kurvenverlauf der Kennlinie auftreten. Unter einer Ecke kann eine Knickstelle im Kurvenverlauf verstanden werden.
Günstig ist es auch, wenn im Schritt des Bewertens zumindest der Teil der Kennlinie bewertet wird, um einen Prozentwert der von schaltenden Bypassdioden betroffenen Zellstränge in Bezug auf die zumindest zwei Zellstränge des Fotovoltaiksystems zu bestimmen. Aus einem Stromwert an der Position der Ecke im Kurvenverlauf der Kennlinie kann eine Stärke der Verschattung des Fotovoltaiksystems bestimmt werden.
Ferner kann im Schritt des Bewertens zumindest der Teil der Kennlinie bewertet werden, um eine Anzahl der schaltenden Bypassdioden zu bestimmen. Je mehr Ecken in einer Kennlinie auftreten, umso mehr schaltende Bypassdioden sind in dem Fotovoltaiksystem vertreten. Die Anzahl der Ecken in einer Kennlinie kann der Anzahl der schaltenden Bypassdioden in einem Fotovoltaiksystem entsprechen.
In der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) können bei schaltenden Bypassdioden Ecken im Kurvenverlauf auftreten. Je mehr Ecken auftreten, umso mehr schaltende Bypassdioden und Teilstränge mit Fehlern können im System vertreten sein. Weitere Informationen kann man über die Strom-Spannungs-Koordinaten (I-U-Koordinaten) der Ecke erhalten. Der Stromwert der Ecke gibt die Stärke der Verschattung an. Die lokale Verschattung des betroffenen Teilstrangs in % beträgt:
Der Parameter I_SC bezeichnet hierbei den Kurzschlussstrom (mit U = 0). Mit ΔI ist der Abstand der Eckenkoordinaten zu dem Kurzschlussstrom I_SC bezeichnet.
Der Spannungswert am Eckpunkt der Kurve gibt an, wie viel Prozent der Zellen oder Teilstränge des Moduls von der Verschattung betroffen sind:
Der Parameter U_OC bezeichnet hierbei die Leerlaufspannung (Open-Circuit-Spannung) (U_OC mit I = 0). Mit ΔU ist der Abstand der Eckenkoordinaten zur Leerlaufspannung U_OC bezeichnet.
Zur Detektion von Ecken in einer Kennlinie können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Im verschatteten Fall entsteht ein Minimum in der Ableitung an etwa der Spannungsstelle, wo sich die Ecke im Verlauf der Originalkurve befindet.. Somit kann durch die Suche eines Minimums in der ersten Ableitung und der hierauf folgenden Nullstelle auf einfache Weise eine Ecke in der originalen Leistungs-Strom-Spannungs-Kennlinie (P-U-Kennlinie) detektiert werden. Vorteilhaft kann auch eine zweite Ableitung der Kennlinie zur Detektion schaltender Bypassdioden eingesetzt werden. Bei dieser Methode sind der Referenzfall und der verschattete Fall dadurch unterscheidbar, dass die zweite Ableitung nur im verschatteten Fall in den positiven Wertebereich läuft und dort gesetzte Schwellwerte überschreitet. Dieses Maximum im positiven Wertebereich kommt durch die steigende Flanke der ersten Ableitung zustande, die nur im Verschattungsfall auftritt. Im Referenzfall hingegen gibt es keine Stelle, bei der die erste Ableitung oder die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie positiv wird.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer Meldung über die im Schritt des Bewertens ermittelte zumindest eine schaltende Bypassdiode auf. Unter einer Meldung kann ein Signal an einer Schnittstelle, eine aufleuchtende Leuchtdiode, eine akustische Alarmierung oder eine Meldung auf einer Anzeige oder Anzeigetafel verstanden werden. Unter einer Meldung kann eine Systemausgabe verstanden werden. Die Meldung kann ein Signal an eine Kommunikationseinrichtung repräsentieren. Die Meldung kann eine Information über eine oder mehrere erkannte schaltende Bypassdioden aufweisen.
Der detektierte Zustand der Bypassdioden, gegebenenfalls mit einer genaueren Einschränkung des Fehlerfalls, kann dem Anlagenbetreiber über das Bereitstellen der Meldung automatisch ausgegeben werden. Ein Beispiel für eine Systemausgabe beziehungsweise für eine Meldung kann sein: „25% der Anlage sind zu 50% verschattet. Bitte entfernen Sie die Verschattung!“ Da eine Vielzahl von Wechselrichtern über einen Internetanschluss verfügt, kann die Alarmierung an einem Display des Wechselrichters oder beispielsweise mit einer Leuchtdiode und zusätzlich auch bequem per E-Mail, SMS oder einem anderen Kommunikationsmittel erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich der Wechselrichter beziehungsweise das Fotovoltaiksystem an einem schwer zugänglichen Ort befindet. Außerdem kann der Anlagenbetreiber aktiv und ohne Verzögerung alarmiert werden und hat so weniger Zeitverlust bei der Fehlerbeseitigung.
Ferner kann im Schritt des Bewertens ein Vergleich zwischen der Kennlinie und zumindest einem vorbestimmten Schwellwert durchgeführt werden, und die Bypassdiode in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs ermittelt werden. Bei dem vorbestimmten Schwellwert kann es sich um eine Leerlaufspannung, um einen Kurzschlussstrom, um einen Nulldurchgang, um ein Maximum und/oder um ein Minimum handeln.
Beispielsweise kann der steilste Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) im Referenzfall ohne Verschattung als ein vorbestimmter Schwellwert und der steilste Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie mit Verschattung verglichen werden. Der Spannungswert des steilsten Punkts der Referenzkurve kann auf der Leerlaufspannung U_OC oder in unmittelbarer Nähe davon liegen und kann somit auch in einer Näherung aus einer aktuellen Kennlinie bestimmt werden. Im Verschattungsfall hingegen liegt der steilste Kurvenpunkt deutlich von U_OC entfernt. Der steilste Punkt kann durch einen Extremwert im Betrag der Ableitung bestimmt werden.
Ferner kann im Schritt des Bewertens zumindest ein Kennwert zumindest einer charakteristischen Stelle der Kennlinie mit einem Kennwert der Kennlinie an einem Referenzpunkt verglichen werden, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode zu erkennen. Der Referenzpunkt kann einer Referenzkennlinie entnommen werden. Eine Referenzkennlinie kann beispielsweise bei Inbetriebnahme des Fotovoltaiksystems bestimmt werden. Eine Referenzkennlinie kann beispielsweise an einem sonnigen Tag bei einer vordefinierten Sonneneinstrahlung und einer vordefinierten Temperatur bestimmt werden. Der Referenzpunkt kann beispielsweise als ein Stromwert und/oder als eine Leistung bei Kurzschlussspannung definiert sein. Idealerweise kann eine Abweichung von dem Referenzpunkt in einem Toleranzbereich von beispielsweise 15%, oder idealerweise kleiner 10%, oder idealerweise von kleiner 5%, nicht betrachtet werden, um Abweichungen bei der Sonneneinstrahlung und/oder der Temperatur auszugleichen.
Als weiteres Detektionsverfahren kann auch das Integral der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) verwendet werden, also die Fläche unter der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie). Optisch können hier deutliche Unterschiede zwischen dem einfach verschatteten und dem Referenzfall auftreten. Zur Detektion kann nun der stabile Endwert des Integrals beispielsweise bei etwa 30V betrachtet werden. Je mehr Verschattung im System vorhanden ist, desto geringer ist die Gesamtfläche unter der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kurve), also der Wert des Integrals bei der Kurzschlussspannung von beispielsweise 30V. Dies ist auch plausibel, da die Leistung im System als Produkt von Strom und Spannung definiert ist (P = U * I) und die Leistung logischerweise bei Verschattung absinkt. Ebenso können vor dem Erreichen eines stabilen Endwertes Abweichungen von der Referenzkurve detektiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der darauf basierenden Kennlinie um eine von der Leistungs-Spannungs-Kennlinie abgeleitete Kennlinie handeln. Im Schritt des Bewertens kann zumindest der Teil der Kennlinie bewertet werden, wobei zumindest ein Minimum in der Kennlinie zumindest eine schaltende Bypassdiode aufzeigt und eine Position des zumindest einen Minimums und gleichzeitig oder alternativ ein Nulldurchgang zumindest des Teils der Kennlinie zumindest eine schaltende Bypassdiode markiert. Dabei kann aus der zumindest einen Minimumsposition und gleichzeitig oder alternativ dem Nulldurchgang ein Verschattungsgrad und gleichzeitig oder alternativ ein durch die zumindest eine schaltende Bypassdiode betroffener Flächenanteil bestimmt werden.
In einer Ausführungsform kann eine erste Ableitung einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie ausgewertet werden. Es können gleichermaßen Simulationsdaten und Messdaten eingelesen werden, die im Folgenden auf die gleiche Weise ausgewertet werden können. Optional kann eine Datenaufbereitung vorangestellt werden, beispielsweise zum Ermitteln von Zustandsvariablen wie einem Rauschpegel. Anschließend kann eine erste Datenglättung mit einem gleitenden Mittelwert über eine vordefinierte Anzahl an Datenpunkte stattfinden. Die vordefinierte Anzahl an Datenpunkten kann als ein Glättungsfaktor in einer optionalen Datenaufbereitung ermittelt werden. Von den eingelesenen Simulationsdaten und/oder Messdaten oder alternativ den geglätteten Simulationsdaten und/oder Messdaten kann eine erste Ableitung bestimmt werden, die die grundlegende Kennlinie für das Verfahren beziehungsweise den Auswertungsalgorithmus darstellen kann. Die Kurve der ersten Ableitung kann optional einer Glättung unterzogen werden, um eine darauf basierende Kennlinie zu erhalten. Den Ecken in der Originalkurve der Messdaten und/oder Simulationsdaten der Leistungs-Spannungs-Kennlinie können die Nullstellen der ersten Ableitung der Leistungs-Spannungs-Kennlinie entsprechen. Den Nullstellen können ein Minimum und eine steil aufsteigende Flanke vorausgehen. Daher kann im nächsten Verfahrensteilschritt eine Detektion von Minima ausgeführt werden. Ist kein Minimum vorhanden, so wird detektiert, dass keine Bypassdiode schaltend ist. Wird hingegen ein Minimum in der ersten Ableitung der Leistungs-Spannungs-Kennlinie gefunden, so sind die x-Werte und die y-Werte des Minimums (die Minimumsposition) von Interesse und können gespeichert werden.
Um die Schaltstelle der Bypassdioden ganz exakt zu bestimmen, kann der auf das Minimum unmittelbar folgende Nulldurchgang der ersten Ableitung gesucht werden. Ist kein auf das Minimum unmittelbar folgender Nulldurchgang der ersten Ableitung vorhanden, so kann näherungsweise die Minimumsposition für die weitere Analyse verwendet werden. Ist hingegen ein Nulldurchgang vorhanden, so kann als Schaltposition der Bypassdiode (oder Ecke) genau dieser Nulldurchgang verwendet werden. Aufgrund der endlichen Abtastrate kann nicht genau der Nullpunkt gefunden werden, sondern über einen gesuchten Vorzeichenwechsel der Punkt knapp vor null und knapp nach null. Als Nullpunkt kann derjenige Punkt der beiden Nachbarpunkte von null verwendet werden, dessen Betrag kleiner ist, der also näher an der Nullstelle liegt. Alternativ kann der Nullpunkt über Interpolation aus den Nachbarpunkten ermittelt werden. In beiden Fällen (mit und ohne detektierten Nulldurchgang) kann bei detektiertem Minimum ausgegeben werden, dass die Bypassdiode schaltend ist. Der Spannungs-Wert der Schaltposition kann aus der ersten Ableitung abgelesen werden. Hieraus berechnet sich der prozentual von der Verschattung, der Verschmutzung oder ähnlichem Fehlerfall betroffene Anteil der Gesamtanlage. Mit dem ermittelten Spannungswert der Schaltposition kann der zugehörige Stromwert I aus der Originalkurve ausgelesen werden. Hieraus kann sich die prozentuale Verschattung der Gesamtanlage berechnen, das heißt, der Verschattungsgrad kann bestimmt werden. Nachdem die Detektion eines Fehlerfalls erfolgt ist, kann optional ein Anlagenbetreiber des Fotovoltaiksystems alarmiert werden. Dies kann zum einen auf einem Display des Wechselrichters erfolgen, insbesondere für Fälle, bei denen der Wechselrichter nicht über einen Internet-Anschluss verfügt. Ebenso sind Ausführungsformen mit einer blinkenden LED als Warnung am Wechselrichter denkbar. Ist ein Internet-Anschluss oder ein Anschluss an ein anderes Kommunikationsmittel vorhanden, so kann der Anlagenbetreiber unmittelbar ohne weitere Verzögerung per SMS, E-Mail oder ähnlich informiert werden. Diese Einstellung über das gewünschte Alarmierungsverfahren kann bei der Inbetriebnahme der Anlage gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem kann eine Überwachungseinrichtung verstanden werden. Die Vorrichtung kann in einen Wechselrichter des Fotovoltaiksystems integriert sein. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und gleichzeitig oder alternativ Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und gleichzeitig oder alternativ softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 bis 8 auf einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie basierende Kennlinien eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 bis 13 auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie basierende Kennlinien eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
14 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fotovoltaiksystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fotovoltaiksystem 100 umfasst zwei Solarmodule 110 sowie einen Wechselrichter 120. Ein Solarmodul 110 weist zwei Zellstränge 130 mit in Reihe geschalteten Solarzellen 140 und je einer hierzu antiparallel geschalteten Bypassdiode 150 auf. Der Wechselrichter 120 ist ausgebildet, die in den Solarmodulen 110 entstehende Gleichspannung in Wechselspannung zu wandeln. Der Wechselrichter 120 weist eine Schnittstelle zum Anschluss der Gleichspannung aus den Solarmodulen 110 auf. Die Schnittstelle ist ausgebildet, die anliegende Gleichspannung zu erfassen und eine Kennlinie zu erstellen. Der Wechselrichter 120 weist weiterhin eine Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer aktiven Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 auf. Die im Normalbetrieb des Fotovoltaiksystems 100 zumindest eine aktive Bypassdiode 150 kann dadurch erkannt werden, dass sie während des Aufnehmens der Kennlinie schaltet. Das Aufnehmen der Kennlinie kann während eines Analysebetriebs des Fotovoltaiksystems 100 erfolgen, in dem die Kennlinie durchfahren wird. Der Wechselrichter umfasst eine weitere Schnittstelle 170, die ausgebildet ist, die Wechselspannung bereitzustellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die weitere Schnittstelle 170 ausgebildet, eine Meldung über die in der Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 erkannten schaltenden Bypassdioden 150 bereitzustellen.
Die Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 ist ausgebildet in entsprechenden Einrichtungen 180, 185 ein Verfahren zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100, wie es in 2 näher beschrieben wird, auszuführen. Die Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 weist auf eine Einrichtung 180 zum Einlesen zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem 100 zugehörigen charakteristischen Kennlinie sowie eine Einrichtung 185 zum Bewerten zumindest des Teils der Kennlinie, um schaltende Bypassdioden zu erkennen. Bei der Kennlinie handelt es sich um eine Strom-Spannungs-Kennlinie und gleichzeitig oder alternativ um eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie und gleichzeitig oder alternativ um eine auf einer der genannten Kennlinien basierende Kennlinie. Beispiele für eine Kennlinie sind in den 3 bis 13 dargestellt.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fotovoltaiksystem kann es sich um das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel handeln. Das Verfahren 200 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem weist einen Schritt 202 zum Einlesen zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem zugehörigen charakteristischen Kennlinie sowie einen Schritt 204 zum Bewerten zumindest des Teils der Kennlinie, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode zu erkennen. Je nach Ausführungsbeispiel repräsentiert die Kennlinie eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Strom-Spannungs-Kennlinie, eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems erfasste Leistungs-Spannungs-Kennlinie, eine auf einer Kombination solcher Kennlinien basierende Kennlinie oder auf einer auf einer solchen Kennlinie basierenden Kennlinie. Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist einen weiteren optionalen Schritt 206 des Bereitstellens einer Meldung über die im Schritt 204 des Bewertens ermittelte zumindest eine schaltende Bypassdiode auf.
Mit anderen Worten schafft das Verfahren 200 eine Erkennung schaltender Bypassdioden anhand elektrischer Parameter im Fotovoltaiksystem. Die folgenden Figuren zeigen verschiedene Wege auf, wie der Zustand der Bypassdioden, also ob eine Bypassdiode schaltend ist oder nicht-schaltende ist, anhand der elektrischen Systemparameter im Wechselrichter erfasst werden kann. Dabei kann ein Schwerpunkt auf die Detektion mit der Strom-Spannungs-Kennlinie und die Detektion mit der Leistungs-Spannungs-Kennlinie gelegt werden. In den weiteren Figuren und der dazugehörigen Beschreibung werden weiterhin Möglichkeiten zur Detektion von Ecken im Kurvenverlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie beziehungsweise der Leistungs-Spannungs-Kennlinie beziehungsweise darauf basierenden Kennlinien aufgezeigt.
3 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fotovoltaiksystem kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um das in 1 gezeigte Fotovoltaiksystem 100 handeln. In diesem Fall können die Kennlinien 300, 310 von der Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 erfasst worden sein. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse eine Spannung U in Volt (V) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Strom I in Ampere (A) aufgetragen. 3 stellt eine Strom-Spannungs-Kennlinie dar. Die Kennlinie 300 stellt eine Referenz-Kennlinie 300 ohne eine schaltende Bypass-Diode dar. Die Kennlinie 310 stellt einen verschatteten Fall dar, bei dem eine Bypassdiode in dem Fotovoltaiksystem schaltend ist. Die Referenz-Kennlinie 300 zeigt über einen Bereich von 0 Volt bis 20 Volt einen in einem Toleranzbereich konstanten Strom von ca. 7 Ampere, um dann mit steigender Spannung bis etwas über 30 Volt erst langsam und dann schneller abzufallen, das heißt, der Strom sinkt bis auf 0 Ampere bei der Leerlaufspannung U_OC. Die Stromstärke bei einer Spannung von null Volt wird als Kurzschlussstrom I_SC bezeichnet. Die Kennlinie 310 zeigt eine Kennlinie eines Fotovoltaiksystems in einem verschatteten Fall. Die Kennlinie 310 weist eine Ecke 320 auf, das heißt, im Vergleich zur Referenz-Kennlinie 300 ist die Stromstärke bis zu einem Spannungswert von 10 V in einem Toleranzbereich konstant, um ab einem Spannungswert von 15 V auf eine Stromstärke von etwas über 4 V abzufallen. Von der Ecke 320 an ist die Stromstärke der Kennlinie 310 wieder in einem Toleranzbereich stabil, um dann zur Leerlaufspannung U_OC abzufallen. Im Bereich der Ecke 320 weist die Kennlinie 310 eine positive Steigung auf.
4 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Kennlinie 300 entspricht in ihrem Verlauf der bereits in 3 gezeigten Kennlinie 300. Die Kennlinie 310 eines verschatteten Falls, mit zwei Verschattungsgraden, eines Fotovoltaiksystems weist zwei Ecken 320 auf. Der Abfall der Stromstärke vom Kurzschlussstrom I_SC auf die Stromstärke an der im Kurvenverlauf ersten Ecke 320 wird mit ΔI bezeichnet, das heißt, dass mit ΔI der Abstand der Koordinate der Ecke 320 zu dem Kurzschlussstrom I_SC bezeichnet wird. Der Abstand der ersten Ecke von der Leerlaufspannung U_OC wird mit ΔU bezeichnet. Die Kennlinie 310 zeigt zwei Ecken 320 im Kurvenverlauf, woraus auf zwei schaltende Bypassdioden im Fotovoltaiksystem geschlossen werden kann. Der Stromwert der Ecke 320 gibt die Stärke der Verschattung an. Der Spannungswert an der Ecke 320 der Kennlinie 310 gibt an, wie viel Prozent der Zellen oder Teilstränge des Moduls von der Verschattung betroffen sind.
In 4 wird deutlich, wo mit der Kennlinie 310 die Strom-Spannungs-Kennlinie von zwei unterschiedlichen Verschattungsgraden aufgetragen ist. Hier sind zwei Ecken im Kurvenverlauf erkennbar. In den weiteren Figuren werden Möglichkeiten zur Detektion von Ecken im Kurvenverlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie aufgezeigt.
5 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Kennlinien 300, 310 entsprechen in ihrem Verlauf den bereits in 3 gezeigten Kennlinien 300, 310. Zusätzlich eingezeichnet ist je der steilste Punkt 500 der Kennlinien 300, 310. Der steilste Punkt der Referenz Kennlinie 300 ist in der Nähe der Leerlaufspannung U_OC. Der steilste Punkt der Kennlinie 310 im verschatteten Fall ist im Kurvenverlauf kurz vor der ersten Ecke 320 im Kurvenverlauf der Kennlinie 310.
6 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 310, 320 handelt es sich um die erste Ableitung der in 3 gezeigten Strom-Spannungs-Kennlinien 300, 310. Die erste Ableitung der Referenz-Kennlinie 300 des in 3 dargestellten Strom-Spannungs-Diagramms verläuft konstant bis zu dem Punkt, an dem die Kennlinie im Strom-Spannungs-Diagramm in 3 abfällt. In der den verschatteten Fall darstellenden Kennlinie 310 entsteht in der ersten Ableitung ein lokales Minimum an etwa der Spannungsstelle, an der sich in der aufgezeichneten Kennlinie entsprechend 3 im Kurvenverlauf die Ecke befindet.
Mit anderen Worten ist in 6 die erste Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie dargestellt. Der Referenzfall dargestellt mit der Referenz-Kennlinie 300 ist deutlich vom verschatteten Fall (Kennlinie 310) unterscheidbar:
7 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 310, 320 handelt es sich um die zweite Ableitung der in 3 gezeigten Strom-Spannungs-Kennlinien 300, 310. Die zweite Ableitung der Referenz-Kennlinie 300 des in 3 dargestellten Strom-Spannungs-Diagramms verläuft konstant bis zu dem Punkt, an dem die Kennlinie im Strom-Spannungs-Diagramm in 3 abfällt. Die zweite Ableitung im verschatteten Fall zeigt ein lokales Maximum an dem Punkt, an dem sich in der Originalkurve entsprechend 3 die Ecke im Kurvenverlauf befindet. Ein lokales Maximum in der zweiten Ableitung eines Kurvenverlaufs eines Strom-Spannungs-Diagramms ist ein Hinweis auf eine schaltende Bypassdiode im Fotovoltaiksystem. Mit anderen Worten zeigt 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Detektion schaltender Bypassdioden mittels Der zweiten Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie.
8 zeigt drei unterschiedliche Kennlinien 300, 310, 800 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 300, 310, 800 handelt es sich um eine mittels Integration einer Strom-Spannungs-Kennlinie abgeleitete Kennlinie. Die Kennlinie zeigt eine Integration der Referenzkennlinie aus 3 die Kennlinie 310 zeigt einen verschatteten Fall entsprechend der Kennlinie 310 aus 3 die Kennlinie 800 zeigt einen zweifach verschatteten Fall entsprechend der Kennlinie 310 in 4. Die mittels einer Integration eines Strom-Spannungs-Diagramms entstandenen Kennlinien 300, 210, 800 weisen zwischen dem Referenzfall und einem verschatteten Fall einen deutlichen Unterschied auf. Dieses Ausführungsbeispiel ist an sonnigen Tagen, die den Wetterkonditionen der Referenzkurve entsprechen, durchführbar. Dieses Ausführungsbeispiel kann weitere Sensorik erforderlich machen.
In den 3 bis 8 wird als Grundlage eine Strom-Spannungs-Kennlinie eingesetzt. In den folgenden Ausführungsbeispielen basiert die Bewertung auf einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie und darauf basierenden Kennlinien, die beispielsweise mittels einer Ableitung erzielt werden können.
Mit 9 bis 13 widmen wir uns der zweiten Sorte von Kennlinien 311, 310, den Leistungs-Spannungs-Kennlinien. Hier ist die erzeugte Systemleistung in Abhängigkeit von der Systemspannung aufgetragen. Ähnlich wie bei der Strom-Spannungs-Kennlinie treten im Fall von einfacher oder mehrfacher Verschattung im Kurvenverlauf eine oder mehrere Ecken auf. Daher können die Auswertungsverfahren problemlos auf den Bereich der Leistungs-Spannungs-Kennlinien übertragen werden: Erste und zweite Ableitung und Integral der Kurve, siehe 11 bis 13.
Weitere hier nicht in Ausführungsbeispielen dargestellte mögliche Detektionsverfahren sind ausgewertete Transformationen der Strom-Spannungs-Kennlinie und der Leistungs-Spannungs-Kennlinie in einen anderen Parameterraum. Ein Beispiel hierfür ist eine Fouriertransformation.
9 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fotovoltaiksystem kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um das in 1 gezeigte Fotovoltaiksystem 100 handeln. In diesem Fall können die Kennlinien 300, 310 von der Vorrichtung 160 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode 150 in einem Fotovoltaiksystem 100 erfasst worden sein. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse eine Spannung U in Volt (V) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der die Leistung P in Watt (W) aufgetragen. 9 stellt eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie dar. Die Kennlinie 300 stellt eine Referenz-Kennlinie 300 ohne eine schaltende Bypass-Diode dar. Die Kennlinie 310 stellt einen verschatteten Fall dar, bei dem eine Bypassdiode in dem Fotovoltaiksystem schaltend ist. Die Leistung im Fotovoltaiksystem kann als Produkt von Strom und Spannung bestimmt werden. Somit ergibt sich das bei einer Spannung von 0 V die Leistung auch 0 W beträgt. Im Fall der Referenz-Kennlinie 300 steigt die Leistung kontinuierlich mit steigender Spannung bis zu einem Maximalwert von 150 W bei ungefähr 23 V. Ab diesem Punkt sinkt die Leistung kontinuierlich, bis sie bei Erreichen der Leerlaufspannung U_OC wieder auf 0 W abgesunken ist. Die Kennlinie 310 repräsentiert eine Kennlinie eines Fotovoltaiksystems mit einer schaltenden Bypassdiode in einem verschatteten Fall der Kurvenverlauf der Kennlinie 310 im einfach verschatteten Fall weist eine Ecke 320 auf. Die mathematische Berechnung der Leistung in einem System als Produkt aus Strom und Spannung verdeutlicht den Zusammenhang des Kurvenverlaufs der Kennlinie 310 in 10 im Vergleich zu dem Kurvenverlauf einer in einem Strom-Spannungs-Diagramm dargestellten Kennlinie Kennlinie eines einfach verschatteten Falls, wie dies in 3 dargestellt ist.
10 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Referenzkennlinie 300 entspricht der in 9 gezeigten Referenzkennlinie 300. Die Kennlinie 310 im verschatteten Fall repräsentiert eine Kennlinie 310 eines Fotovoltaiksystems mit zwei schaltenden Bypassdioden. Der Kurvenverlauf der Kennlinie 310 im zweifach verschatteten Fall weist zwei Ecken 320 auf.
11 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 300, 310 handelt es sich um die erste Ableitung einer Referenz Kennlinie und einer Kennlinie eines einfach verschatteten Fotovoltaiksystems (mit einer schaltenden Bypassdiode) dargestellt in einem Leistungs-Spannungs-Diagramm. Die Kennlinie der Referenzkurve 300 verläuft bis zu einem Wert von 20 V in etwa konstant bei einem eine Steigung repräsentierenden Wert von ca. acht. Dies entspricht der konstanten Steigung der Referenzkennlinie 300, wie sie in 9 dargestellt ist. Die Kennlinie 310 eines einfach verschatteten Falls weist in der ersten Ableitung ein lokales Minimum in etwa an der Stelle auf an der in der Leistungs-Spannungs-Kurve entsprechend 9 sich eine Ecke im Kurvenverlauf findet. Nach dem lokalen Minimum, welches eine negative Leistung repräsentiert, weist die Kennlinie 310 eine starke Steigung bis in den positiven Bereich auf. Der Nulldurchgang aus dem negativen in den positiven Bereich ist von einer entsprechenden Einrichtung einfach detektierbar.
12 zeigt zwei unterschiedliche Kennlinien 300, 310 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 300, 310 handelt es sich um die zweite Ableitung einer Referenz Kennlinie und einer Kennlinie eines einfach verschatteten Fotovoltaiksystems (mit einer schaltenden Bypassdiode) dargestellt in einem Leistungs-Spannungs-Diagramm entsprechend 9 beziehungsweise 11. Die Kennlinie 310 weist für eine Ecke im Kurvenverlauf eines Leistungs-Spannungs-Diagramms entsprechend der Kennlinie 310 in 9 einen positiven Bereich mit einem lokalen Maximum auf. In einem Ausführungsbeispiel kann eine Ecke im Kurvenverlauf eines Leistungs-Spannungs-Diagramms einfach mittels einer Komparatorschaltung ermittelt werden.
13 zeigt drei unterschiedliche Kennlinien 300, 310, 800 eines Fotovoltaiksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Kennlinien 300, 310, 800 handelt es sich um eine mittels Integration einer Leistungs-Spannungs-Kennlinie abgeleitete Kennlinie. Die Kennlinien 300 zeigt eine Integration der Referenzkennlinie aus 9. Die Kennlinie 310 zeigt einen einfach verschatteten Fall entsprechend der Kennlinie 310 aus 9 die Kennlinie 800 zeigt einen zweifach verschatteten Fall entsprechend der Kennlinie 310 in 10. Die mittels einer Integration eines Leistungs-Spannungs-Diagramms entstandenen Kennlinien 300, 210, 800 weisen zwischen dem Referenzfall und einem verschatteten Fall einen deutlichen Unterschied auf. Zur Erkennung kann nun der stabile Endwert des Integrals bei etwa 30 V betrachtet werden je mehr Verschattung in einem System vorhanden ist, desto geringer ist die Gesamtfläche unter der Leistungs-Spannungs-Kurve. Dieses Ausführungsbeispiel ist an sonnigen Tagen, die den Wetterkonditionen der Referenzkurve entsprechen, durchführbar. Dieses Ausführungsbeispiel kann weitere Sensorik erforderlich machen.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Entsprechend dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode in einem Fotovoltaiksystem weist das Verfahren einen Schritt 202 zum Einlesen zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem zugehörigen charakteristischen Kennlinie sowie einen Schritt 204 zum Bewerten zumindest des Teils der Kennlinie, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode zu erkennen, auf. Der Schritt 202 zum Einlesen umfasst eine Reihe von Teilschritten zum Dateneinlesen 1400, zur Datenaufbereitung 1405, zur Datenidentifikation 1410, zur Datenglättung 1415, zur Ableitung 1420, und zur weiteren Datenglättung 1425. Der Teilschritt 1400 zum Dateneinlesen liest Messdaten 1430 und/oder Simulationsdaten 1435 ein. Der Schritt 202 zum Einlesen wird gefolgt von dem Schritt 204 zum Bewerten. Der Schritt 204 zum Bewerten umfasst eine Reihe von Teilschritten. In einem ersten Teilschritt der Minimumsdetektion 1440 wird ein Minimum in der erfassten Kennlinie detektiert. Wenn kein Minimum im Teilschritt der Minimumsdetektion 1440 erkannt wird, so wird ein negatives Ergebnis 1445 über keine schaltende Bypassdiode bereitgestellt. Wenn zumindest ein Minimum vorhanden ist, wird im Teilschritt 1450 der Minimumsposition die Position des erkannten Minimums bzw. der erkannten Minima ermittelt und im folgenden Teilschritt der Nulldurchgangssuche 1455 ein bzw. mehrere null Durchgänge gesucht. Wenn kein Nulldurchgang gefunden wird, wird im Teilschritt 1460 die im Teilschritt 1450 ermittelte Minimumsposition für die folgenden Teilschritte zur Verfügung gestellt. Im Teilschritt 1465 wird die Anzahl der schaltenden Bypassdioden im Fotovoltaiksystem ermittelt. Im Teilschritt 1470 wird der Verschattungsgrad ermittelt. Im Teilschritt 1475 wird der von schaltenden Bypassdioden betroffene Flächenanteil ermittelt. Wenn im Teilschritt 1455 der Nulldurchgangssuche ein Nulldurchgang gefunden wurde, wird im Teilschritt 1480 die Nulldurchgangsposition bzw. die Nulldurchgangspositionen den folgenden Teilschritten zur Ermittlung der Anzahl der schaltenden Bypassdioden 1465, zur Ermittlung des Verschattungsgrades 1470 und/oder zur Ermittlung des betroffenen Flächenanteils 1475 zur Verfügung gestellt. Die in den Teilschritten 1445 bzw. 1465, 1470, 1475 ermittelten Informationen können in einem optionalen Schritt 206 des Bereitstellens einer Meldung über die ermittelte zumindest eine schaltende Bypassdiode bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten ist in 14 ein Algorithmus schematisch dargestellt, der die Auswertung der ersten Ableitung der Leistungs-Spannungs-Kennlinie beschreibt. Es werden gleichermaßen Simulationsdaten 1435 und Messdaten 1430 in den Algorithmus eingelesen, die im Folgenden auf die gleiche Weise ausgewertet werden. Als Nächstes werden im Block „Datenaufbereitung“ 1405 verschiedene Tests zu den spezifischen Eigenschaften der Daten durchgeführt, beispielsweise zur Ermittlung des Rauschlevels. Dabei steht Block als Synonym für Schritt beziehungsweise Teilschritt. Im Block „Datenidentifikation“ 1410 werden die Ergebnisse dieser Tests in Zustandsvariablen gespeichert, die zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet werden. Anschließend findet die erste Datenglättung 1415 mit einem gleitenden Mittelwert über x Datenpunkte statt. Der Glättungsfaktor x wurde im Block „Datenaufbereitung“ 1405 ermittelt. Nach der Glättung 1415 erfolgt die erste Ableitung der Daten 1420, die die grundlegende Kurve für den Auswertungsalgorithmus darstellt. Anschließend wird eine Datenglättung 1425 der ersten Ableitung durchgeführt. Den Ecken in der Originalkurve der Leistungs-Spannungs-Kennlinie entsprechen die Nullstellen der ersten Ableitung der Leistungs-Spannungs-Kennlinie. Ihnen gehen ein Minimum und eine steil aufsteigende Flanke voraus, entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 11. Daher wird im nächsten Block 1440 eine Detektion von Minima ausgeführt. Ist kein Minimum vorhanden, so wird detektiert, dass keine Bypassdiode schaltend ist (Fall rechts im Diagramm, Block 1445). Wird hingegen ein Minimum in der ersten Ableitung der Leistungs-Spannungs-Kennlinie gefunden, so sind die x-Werte und die y-Werte des Minimums (die Minimumsposition) von Interesse und werden gespeichert.
Um die Schaltstelle der Bypassdioden ganz exakt zu bestimmen, wird der auf das Minimum unmittelbar folgende Nulldurchgang der ersten Ableitung gesucht. Ist er nicht vorhanden, so wird näherungsweise die Minimumsposition für die weitere Analyse verwendet. Ist hingegen ein Nulldurchgang vorhanden, so wird als Schaltposition der Bypassdiode (oder Ecke) genau dieser Nulldurchgang verwendet. Aufgrund der endlichen Abtastrate wird nicht genau der Nullpunkt gefunden, sondern über einen gesuchten Vorzeichenwechsel der Punkt knapp vor null und knapp nach null. Als Nullpunkt verwendet wird derjenige Punkt der beiden Nachbarpunkte von null, dessen Betrag kleiner ist, der also näher an der Nullstelle liegt. In beiden Fällen (mit und ohne detektierten Nulldurchgang) wird bei detektiertem Minimum ausgegeben, dass die Bypassdiode schaltend ist.
Der x-Wert der Schaltposition, die Spannung, kann aus der ersten Ableitung abgelesen werden. Hieraus berechnet sich der prozentual von der Verschattung etc. betroffene Anteil der Gesamtanlage. Mit dem ermittelten Spannungswert der Schaltposition wird der zugehörige Stromwert I aus der Originalkurve ausgelesen. Hieraus berechnet sich die prozentuale Verschattung der Gesamtanlage, der Verschattungsgrad.
Nachdem die Detektion eines Fehlerfalls erfolgt ist, wird in einem Ausführungsbeispiel der Anlagenbetreiber des Fotovoltaiksystems alarmiert. Dies erfolgt zum einen auf dem Display des Wechselrichters, insbesondere für Fälle, wo der Wechselrichter nicht über einen Internet-Anschluss verfügt. Ebenso sind Ausführungsvarianten mit einer blinkenden LED als Warnung am Wechselrichter denkbar. Ist ein Internet-Anschluss vorhanden, so wird der Anlagenbetreiber unmittelbar ohne weitere Verzögerung per SMS oder E-Mail informiert. Diese Einstellung über das gewünschte Alarmierungsverfahren wird bei der Inbetriebnahme der Anlage gewählt.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (200) zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode (150) in einem Fotovoltaiksystem (100), wobei das Fotovoltaiksystem (100) zumindest zwei Zellstränge (130) mit untereinander verschalteten Solarzellen (140) umfasst, wobei zumindest ein Zellstrang (130) der zumindest zwei Zellstränge (130) eine Bypassdiode (150) aufweist, wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (202) zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem (100) zugehörigen charakteristischen Kennlinie (300, 310; 800), wobei die Kennlinie (300, 310; 800) eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems (100) erfasste Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems (100) erfasste Leistungs-Spannungs-Kennlinie und/oder eine darauf basierende Kennlinie repräsentiert; und Bewerten (204) zumindest des Teils der Kennlinie (300, 310; 800), um die zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) zu erkennen.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, bei dem die darauf basierende Kennlinie (300, 310; 800) eine Ableitung, Integration oder Transformation der Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder der Leistungs-Spannungs-Kennlinie darstellt.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (204) des Bewertens zumindest der Teil der Kennlinie (300, 310; 800) bewertet wird, um einen Prozentwert der von schaltenden Bypassdioden (150) betroffenen Zellstränge (130) in Bezug auf die zumindest zwei Zellstränge (130) des Fotovoltaiksystems (100) zu bestimmen.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (204) des Bewertens zumindest der Teil der Kennlinie (300, 310; 800) bewertet wird, um eine Anzahl der schaltenden Bypassdioden (150) zu bestimmen.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (206) des Bereitstellens einer Meldung über die im Schritt (204) des Bewertens ermittelte zumindest eine schaltende Bypassdiode (150).
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (204) des Bewertens ein Vergleich zwischen der Kennlinie (300, 310; 800) und zumindest einem vorbestimmten Schwellwert durchgeführt wird, und die Bypassdiode (150) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (204) des Bewertens zumindest ein Kennwert zumindest einer charakteristischen Stelle der Kennlinie (300, 310; 800) mit einem Kennwert der Kennlinie (300, 310; 800) an einem Referenzpunkt verglichen wird, um die zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) zu erkennen.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem es sich bei der darauf basierenden Kennlinie (300, 310; 800) um eine von der Leistungs-Spannungs-Kennlinie abgeleitete Kennlinie (300, 310; 800) handelt und bei dem im Schritt (204) des Bewertens zumindest der Teil der Kennlinie bewertet wird, wobei zumindest ein Minimum in der Kennlinie (300, 310; 800) zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) aufzeigt und eine Position des zumindest einen Minimums und/oder ein Nulldurchgang zumindest des Teils der Kennlinie (300, 310; 800) zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) markiert, wobei aus der zumindest einen Minimumsposition und/oder dem Nulldurchgang ein Verschattungsgrad und/oder ein durch die zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) betroffener Flächenanteil bestimmt wird.
Vorrichtung (160) zum Erkennen zumindest einer schaltenden Bypassdiode (150) in einem Fotovoltaiksystem (100), wobei das Fotovoltaiksystem (100) zumindest zwei Zellstränge (130) mit untereinander verschalteten Solarzellen (140) umfasst, wobei zumindest ein Zellstrang (130) der zumindest zwei Zellstränge (130) eine Bypassdiode (150) aufweist, wobei die Vorrichtung (160) die folgenden Einrichtungen umfasst: eine Einrichtung (180) zum Einlesen (202) zumindest eines Teils einer dem Fotovoltaiksystem (100) zugehörigen charakteristischen Kennlinie (300, 310; 800), wobei die Kennlinie (300, 310; 800) eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems (100) erfasste Strom-Spannungs-Kennlinie und/oder eine während des Betriebs des Fotovoltaiksystems (100) erfasste Leistungs-Spannungs-Kennlinie und/oder eine darauf basierende Kennlinie repräsentiert; und eine Einrichtung (185) zum Bewerten zumindest des Teils der Kennlinie (300, 310; 800), um die zumindest eine schaltende Bypassdiode (150) zu erkennen.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung (160) ausgeführt wird.