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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ertragsoptimierung eines teilverschatteten Photovoltaik-Feldes.
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Photovoltaik-Felder (PV-Felder) werden üblicherweise nach einem Steuerverfahren betrieben, bei dem der maximale Energieertrag bei der maximalen Leistung MPP (Maximum Power Point) gewonnen wird, weswegen hierfür auch der Begriff MPP-Verfahren verwendet wird. Im Falle einer Teilverschattung eines Photovoltaik-Feldes durch Verschattung von einem oder mehreren Photovoltaik-Modulen ändert sich die Strom-Spannungs-Kennlinie (IU-Kennlinie) des betreffenden Photovoltaik-Feldes, da die verschatteten Photovoltaik-Module einen hohen ohmschen Widerstand darstellen. Als Spannung ist hier die mittels eines Wechselrichters regelbare Zwischenkreis-Spannung U bezeichnet. Hieraus resultiert ein entsprechend niedriger Photovoltaik-Strom und ein starker Spannungsabfall an den verschatteten Photovoltaik-Modulen. Um dies zu vermeiden, wird der Strom an den verschatteten Photovoltaik-Modulen jeweils mit Hilfe einer Bypassdiode vorbeigleitet, was den Betrieb mit einem vergleichsweise höheren Strom ermöglicht. Die Änderung der IU-Kennlinie infolge einer Verschattung führt dazu, dass der sich gemäß der IU-Kennlinie ergebende Energieertrag nicht mehr nur ein Maximum, sondern mehrere Maxima (MPP) gemäß 1 aufweist. Die Steuerung des Photovoltaik-Wechselrichters nach dem MPP-Verfahren erfolgt mit einem so genannten MPP-Tracker. Dabei wird die Zwischenkreisspannung derart eingestellt, dass sich das Leistungsmaximum MPP ergibt.
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Ohne Suchverfahren wird möglicherweise nur ein lokales Maximum gefunden, was erhebliche Ertragseinbußen zur Folge haben kann. Wird jedoch ein Suchverfahren gestartet, ohne dass eine Verschattung vorhanden ist, ergeben sich Ertragsverluste. Dies soll aber möglichst vermieden werden.
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Die
WO 2006/081 038 A2 offenbart ein System und ein Verfahren zur Ermittlung eines veränderlichen Kennwerts innerhalb des Betriebsbereichs.
4 der
WO 2006/081 038 A2 zeigt ein Suchverfahren zur Anwendung bei einer Teilverschattung eines Photovoltaik-Feldes, bei dem in regelmäßigen Abständen ein vollständiger Suchlauf über die Kennlinie durchgeführt wird. Dabei durchläuft der Wechselrichter der Photovoltaikanlage den gesamten Betriebsbereich und nutzt hierbei den Strom als Stellgröße der Regelung.
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Gemäß der
DE 10 2010 036 966 A1 wird ein Suchlauf durchgeführt, abhängig von der Wahrscheinlichkeit, dass sich der aktuell verwendete Arbeitspunkt nicht mehr auf dem globalen Maximum befindet. Auch hier durchläuft der Wechselrichter der Photovoltaikanlage den gesamten Betriebsbereich. Es wird die Suche nach dem globalen Maximum aufgrund einer Spannungsdifferenz zwischen einem vergangenen und einem aktuellen globalen Maximum als Initialisierung der Suche verwendet.
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Ein weiteres Dokument (DHOPLE, BELL, DAVOUDI, CHAPMAN, DOMINGUEZ-GARCIA: A global maximum power point tracking method for PV module integrated converters. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012 IEEE, 2012, S. 4762–4767) zeigt eine Vorrichtung, bei der nur dann, wenn mindestens eine Bypass-Diode durchschaltet, ein Suchlauf für das globale Maximum durchgeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ertragsoptimierung eines Photovoltaik-Feldes vorzuschlagen, das bei Verschattung von Photovoltaik-Modulen möglichst geringe Ertragsverluste gewährleistet.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dieses enthält folgende Schritte:
- a) Zyklische Messung des Stroms Iakt und der Zwischenkreisspannung U bei Steuerung des Wechselrichters nach dem MPP-Verfahren (Maximum Power Point) und Abspeichern des gemessenen Stromwerts,
- b) Absenken der Zwischenkreisspannung U auf einen Wert, der den für den Betrieb des Wechselrichters zulässigen Minimalwert Umin der Zwischenkreisspannung um nicht mehr als 100% überschreitet,
- c) Messung des Stroms Ired bei der reduzierten Zwischenkreisspannung und Vergleich mit dem zuvor abgespeicherten aktuellen Wert für den Strom Iakt,
- d) bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle für die Differenz zwischen den Strömen Ired und Iakt wird ein Suchverfahren nach einem globalen MPP (Maximum Power Point) eingeleitet,
- e) andernfalls wird der Betrieb beim MPP mit dem zuletzt abgespeicherten Stromwert für den Strom Iakt fortgesetzt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 und 2 den Einfluss einer Teilverschattung eines Photovoltaik-Feldes auf seine IU-Kennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie),
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3 den Einfluss einer Teilverschattung eines Photovoltaik-Feldes auf seine Leistung-Kennlinie,
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4 den Einfluss einer Teilverschattung eines Photovoltaik-Feldes auf den Strom IMPPmin bei kleiner Zwischenkreisspannung UMPPmin,
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5 den Verlauf der Leistung mit einhergehenden Ertragsverlusten bei zyklischen Abtasten der IU-Kennlinie auf der Suche nach einem globalen Leistungsmaximum,
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6 den Verlauf der Leistung mit einhergehenden Ertragsverlusten durch zyklischen Sprung zu einem minimalen MPPmin mit kleiner Zwischenkreisspannung UMPPmin und
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7 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ertragsoptimierung eines Photovoltaik-Feldes mit einem Wechselrichter.
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Bei idealen Photovoltaik-Feldern (PV-Feldern) ohne Teilverschattung der Photovoltaik-Module, wie in 1 durch die durchgezogene Linie dargestellt, ist der maximale Energieertrag (Maximum Power Point MPP) durch gängige Suchverfahren relativ einfach zu ermitteln. Im Falle einer Teilverschattung ergeben sich aber gemäß 1 mehrere Maxima. So kann der aktuell gefundene Betriebspunkt nur ein lokales Leistungsmaximum MPPlocal darstellen. Das globale Leistungsmaximum MPPglobal liegt aber an einer anderen Stelle und ist außerdem davon abhängig, ob eine Beschaltung der Photovoltaik-Module mit einer Bypassdiode existiert – wie durch die gestrichelte Linie dargestellt – oder nicht (siehe gepunktete Linie). Um das globale Leistungsmaximum MPPglobal zu finden, muss das lokale Leistungsmaximum MPPlocal verlassen werden, z. B. indem die gesamte IU-Kennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie) in entsprechend zu definierenden Abtastschritten durchlaufen wird, wobei a priori nicht sicher ist, ob überhaupt ein globales Leistungsmaximum MPPglobal vorhanden ist. Dieses Durchlaufen der IU-Kennlinie erfolgt außerhalb des MPP und ist mit Ertragsverlusten gemäß 5 verbunden. Die Ertragseinbußen sind mehr oder weniger groß, abhängig davon, wie häufig das ”eventuell vorhandene” aber nicht ”garantiert vorhandene” Maximum (bedingt durch die Verschattung) gesucht wird.
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Gängige Abschattungs-Algorithmen referenzieren auf die aktuelle PV-Feld-Leistung. Solche Algorithmen finden in bestimmten Fällen nicht das globale Leistungsmaximum MPPglobal. Bei diesen Algorithmen kann das globale Leistungsmaximum MPPglobal übersprungen werden. Der hierdurch angefahrene Leistungspunkt kann niedriger liegen als der Leistungspunkt vor dem Abschattungssuchlauf. Dementsprechend wird auf das lokale Leistungsmaximum MPPlocal und nicht auf das globale Leistungsmaximum MPPglobal geregelt.
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Wenn ein Photovoltaik-Modul in einer Reihenschaltung ver schattet wird, sinkt aufgrund der Bestrahlungsabhängigkeit der IU-Kennlinie der Strom sehr stark ab. Da der Strom durch alle in Reihe geschalteten Photovoltaik-Module fließen muss, arbeiten alle anderen Photovoltaik-Module nicht mehr in ihrem MPP.
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2 zeigt die IU-Kennlinie eines PV-Generators aus 16 Photovoltaik-Modulen, die unverschattet sind (durchgezogene Kennlinie). Bei Verschattung von 3 Photovoltaik-Modulen sinkt der Strom (gestrichelte Kennlinie). Die verschatteten Photovoltaik-Module stellen einen großen ohmschen Widerstand dar, der den Strom begrenzt. Da es durch starke Wärmeentwicklung zur Zerstörung einzelner Zellen kommen kann, werden im Photovoltaik-Modul in bekannter Weise Bypassdioden eingesetzt, die den Strom am Photovoltaik-Modul vorbeileiten. Tritt die Bypassdiode in Aktion, trägt das Photovoltaik-Modul nicht mehr zur Leistung des PV-Generators bei. Die Spannung dieses Photovoltaik-Moduls fehlt in der Gesamtspannung, aber es kann wieder gefahrlos ein großer Strom fließen. Die IU-Kennlinie unter Verschattung mit aktiver Bypassdiode ist in 2 gepunktet dargestellt.
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Der 3 sind jeweils die Verläufe der Leistung zu entnehmen, wobei die durchgezogene Linie den Fall ohne Verschattung darstellt. Ein typisches Verschattungsszenario ist folgendes:
Die Verschattung ist zunächst gering, daher nimmt der Strom nur etwas ab. Der MPP wandert dabei zu größeren Spannungen. Der MPP-Tracker im Wechselrichter folgt dieser Richtung und bleibt in der Verschattungssituation auf dem kleinen Leistungsmaximum (in gestrichelte Kurve) hängen.
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Es hängt von dem Algorithmus des MPP-Trackers ab, ob er das viel größere Leistungsmaximum (gepunktete Kurve) findet, welches sich einstellt, wenn die Bypassdioden der verschatteten Photovoltaik-Module durchschalten. Die Spannung U (Zwischenkreisspannung) beim Leistungsmaximum MPP ist hier deutlich kleiner, da eben nur die unverschatteten Photovoltaik-Module im Wesentlichen zur Gesamtspannung beitragen. Bei Durchschalten der Bypassdioden muss die restliche Gesamtspannung der unverschatteten Photovoltaik-Module noch ausreichend groß für den Arbeitsbereich des Wechselrichters sein. Ist dies nicht der Fall, kann der MPP-Tracker das Leistungsmaximum nicht finden.
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Bei Teilverschattung des PV-Feldes verändert sich die IU-Kennlinie in der Form, dass der Strom Imin bei minimal möglicher Zwischenkreisspannung Umin (bestimmt durch die Kenndaten des Wechselrichters) möglicherweise erheblich grösser ist, als an dem aktuell vorhandenen lokalen Leistungsmaximum MPPlocal. Dadurch kann Teilverschattung gemäß 4 erkannt werden. Das bedeutet, dass der bei minimal zulässiger Zwischenkreisspannung Umin oder auch noch bei etwas darüber liegenden Zwischenkreisspannungen gemessene Strom einen Hinweis gibt, wenn eine Verschattung vorliegt. Die Zwischenkreisspannung U wird auf einen Wert abgesenkt, der die für den Betrieb des Wechselrichters zulässige minimale Zwischenkreisspannung Umin erfahrungsgemäß um nicht mehr als 20% überschreitet. Optimal wäre es, die Zwischenkreisspannung auf Umin zu setzen, da das globale Leistungsmaximum MPPglobal nahe bei Umin liegen kann.
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In den 1,2 und 4 ist auf der Abszisse die Spannung U in Volt und auf der Ordinate der Strom I in Ampere aufgetragen.
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In 3 ist auf der Abszisse die Spannung U in Volt und auf der Ordinate die Leistung P in Watt aufgetragen.
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Eine Leistungsmessung ist kein signifikantes Merkmal, da die Leistung, z. B. am minimal möglichen MPP, geringer ist als beim derzeit vorhandenen lokalen MPP. Daher müsste dazu die ganze Kennlinie abgetastet werden, um festzustellen, ob es ein anderes globales Leistungsmaximum gibt. Wenn nein, verliert man durch die Abtastung außerhalb des MPP gemäß 5 einen gewissen Ertrag. Dagegen führt der kurzzeitige Sprung für die Strommessung gemäß 6 nur zu einer minimalen Ertragseinbuße. In den 5 und 6 sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Leistung P aufgetragen.
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Der Vergleich der Strommessung hat den Vorteil, dass der MPP nur kurzeitig verlassen wird und anschließend auf den letzten MPP zurückgesprungen wird, falls die gemessen Ströme annähernd gleich sind.
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Im Ablaufdiagramm nach 7 ist das Verfahren zur Ertragsoptimierung eines Photovoltaik-Feldes mit einem Wechselrichter zusammengefasst. Es enthält im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte:
- a) Zyklische Messung des Stroms Iakt und der Zwischenkreisspannung U bei Steuerung des Wechselrichters nach dem MPP-Verfahren (Maximum Power Point) und Abspeichern des gemessenen Stromwerts,
- b) Absenken der Zwischenkreisspannung U auf einen Wert, der die für den Betrieb des Wechselrichters zulässige minimale Zwischenkreisspannung Umin um nicht mehr als 100% überschreitet,
- c) Messung des Stroms Ired bei der reduzierten Zwischenkreisspannung und Vergleich mit dem zuvor abgespeicherten aktuellen Wert des Stroms Iakt,
- d) bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle für die Differenz zwischen den Strömen Ired und Iakt wird ein Suchverfahren nach einem globalen MPPglobal (Maximum Power Point) eingeleitet,
- e) andernfalls wird der Betrieb beim MPP mit dem zuletzt abgespeicherten Stromwert für den Strom Iakt fortgesetzt.
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Es erfolgt bei diesem Verfahren eine zyklische Messung des Stroms I, d. h. des aktuellen Stroms im Messzeitpunkt, weswegen dieser Strom durch Iakt gekennzeichnet ist.
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Absenken der Zwischenkreisspannung U auf einen Wert, der die für den Betrieb des Wechselrichters zulässige minimale Zwischenkreisspannung Umin um nicht mehr als 100% überschreitet, (?)
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Mit Ired wird der Strom bei der reduzierten bzw. abgesenkten Zwischenkreisspannung U bezeichnet. Dieser wird mit dem zuletzt abgespeicherten, aktuellen Wert des Stroms Iakt verglichen. Erfahrungsgemäß ist der Strom Ired um ca. 20% höher als der abgespeicherte Wert des Stroms Iakt. Bei Überschreiten dieser Schwelle wird ein Suchverfahren nach einem globalen Leistungsmaximum MPPglobal eingeleitet. Eine genaue Prozentangabe ist nicht möglich, da der Prozentwert kunden- bzw. anlagenspezifisch festgelegt werden kann.
