DE102013216871B4 - Maximum Power Point (MPP) Control and PV Inverter Procedures - Google Patents

Maximum Power Point (MPP) Control and PV Inverter Procedures Download PDF

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    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell

Abstract

Verfahren zur Maximum Power Point(MPP)-Regelung mittels eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters, wobei der PV-Wechselrichter einen Stromrichter (1) zum Anschließen eines oder mehrerer PV-Module aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – periodisches Takten des Stromrichters (1) mit einer Stromrichterperiodendauer (SP), – Bilden erster Abtastwerte durch periodisches Abtasten eines Stroms (I) und/oder einer Spannung des Stromrichters (1) mit einer ersten Abtastperiodendauer (AP1), die von der Stromrichterperiodendauer (SP) derart verschieden ist, dass in jeder Stromrichterperiode ein erster Abtastwert erzeugt wird, der bezogen auf einen vorangegangenen ersten Abtastwert eine andere zeitliche Lage innerhalb der Stromrichterperiode aufweist, – Bilden eines ersten Mittelwerts über eine Anzahl von ersten Abtastwerten und – Verwenden des ersten Mittelwerts als Istwert der MPP-Regelung.A method for maximum power point (MPP) control by means of a photovoltaic (PV) inverter, the PV inverter comprising a power converter (1) for connecting one or more PV modules, the method comprising the steps of: - periodically clocking the PV system Converter (1) with a converter period (SP), - Forming first samples by periodically sampling a current (I) and / or a voltage of the converter (1) having a first sampling period (AP1), the different from the converter period (SP) in that in each power converter period a first sample is generated which has a different temporal position within the power converter period with respect to a preceding first sample, - forming a first average over a number of first samples and - using the first average as the actual value of the MPP Regulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Maximum Power Point(MPP)-Regelung mittels eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter.The invention relates to a method for maximum power point (MPP) control by means of a photovoltaic (PV) inverter and a PV inverter.

Die US 2009/0 284 998 A1 zeigt ein Verfahren zur MPP-Regelung, bei dem Istwerte durch Mittelwertbildung über eine Anzahl von Abtastwerten innerhalb einer einzelnen Stromrichterperiode gebildet werden.The US 2009/0284998 A1 shows a method of MPP control in which actual values are formed by averaging over a number of samples within a single power converter period.

Die DE 100 35 418 A1 zeigt einen volldigitalen Spannungswandler.The DE 100 35 418 A1 shows a fully digital voltage converter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Maximum Power Point(MPP)-Regelung mittels eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige MPP-Regelung mit möglichst wenigen Bauelementen ermöglichen.The invention has for its object to provide a method for maximum power point (MPP) control means of a photovoltaic (PV) inverter and a PV inverter available that allow reliable MPP control with as few components.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen PV-Wechselrichter nach Anspruch 8.The invention achieves this object by a method according to claim 1 and a PV inverter according to claim 8.

Das Verfahren dient zur Maximum Power Point(MPP)-Regelung, wobei hierzu ein Photovoltaik(PV)-Wechselrichter eingesetzt wird.The process is used for Maximum Power Point (MPP) control using a photovoltaic (PV) inverter.

Der PV-Wechselrichter weist einen Stromrichter, beispielsweise in Form eines Spannungswandlers oder DC/DC-Wandlers, zum Anschließen eines oder mehrerer PV-Module auf. Dem Stromrichter kann ein herkömmlicher Umrichter zur Netzeinspeisung nachgeschaltet sein.The PV inverter has a power converter, for example in the form of a voltage converter or DC / DC converter, for connecting one or more PV modules. The converter can be followed by a conventional inverter for feeding in the grid.

Der Stromrichter wird herkömmlich mit einer konstanten oder variablen Stromrichterperiodendauer getaktet. Beispielsweise kann der Stromrichter eine Pulsweitenmodulation an einem Eingangssignal, das von dem oder den PV-Modulen bereitgestellt wird, durchführen, wobei ein Tastgrad, d. h. ein Verhältnis einer Impulsdauer zur Impulsperiodendauer bzw. Stromrichterperiodendauer, als Stellgröße einer Regelung einer Ausgangsspannung des Stromrichters verwendet werden kann.The power converter is conventionally clocked with a constant or variable power converter period. For example, the power converter may perform pulse width modulation on an input signal provided by the PV module (s), wherein a duty cycle, i. H. a ratio of a pulse duration to the pulse period or converter period, can be used as a control variable of a control of an output voltage of the converter.

Ein Strom und/oder eine Spannung des Stromrichters wird/werden mit einer ersten Abtastperiodendauer zum Bilden eines ersten Abtastwerts bzw. erster Abtastwerte periodisch abgetastet. Die erste Abtastperiodendauer ist von der Stromrichterperiodendauer derart verschieden, dass in jeder Stromrichterperiode ein erster Abtastwert erzeugt wird, der bezogen auf einen vorangegangenen ersten Abtastwert eine andere zeitliche Lage innerhalb der Stromrichterperiode SP aufweist.A current and / or a voltage of the power converter is / are periodically sampled with a first sampling period to form a first sample or samples. The first sampling period is so different from the converter period that a first sample is generated in each converter period, which has a different temporal position within the converter period SP relative to a preceding first sample.

Es wird fortlaufend ein Mittelwert über eine vorgebbare bzw. vorgegebene Anzahl von ersten Abtastwerten gebildet. Die Anzahl kann von der Stromrichterperiodendauer und einer Differenz zwischen der Stromrichterperiodendauer und der ersten Abtastperiodendauer abhängen. Die Differenz zwischen Stromrichterperiodendauer und der ersten Abtastperiodendauer kann derart gewählt werden, dass die Stromrichterperiodendauer ganzzahlig durch die Differenz teilbar ist. Mit anderen Worten erfolgt eine bezogen auf das Takten des Stromrichters asynchrone Abtastung eines Wechselstromsignals in Form des Stroms und/oder der Spannung des Stromrichters mit anschließender Mittelwertbildung über die derart gewonnenen Abtastwerte zur Ermittlung eines Gleichstromsignals, welches beispielsweise als Istwert für die MPP-Regelung verwendet wird.An average over a predefinable or predetermined number of first samples is continuously formed. The number may depend on the converter period and a difference between the converter period and the first sample period. The difference between the converter period and the first sampling period can be chosen such that the converter period is integer divisible by the difference. In other words, an asynchronous sampling of an alternating current signal in the form of the current and / or the voltage of the power converter with subsequent averaging takes place via the samples thus obtained to determine a direct current signal, which is used, for example, as an actual value for the MPP control ,

Der erste Mittelwert wird als Istwert für die MPP-Regelung verwendet.The first mean value is used as the actual value for the MPP control.

Der Stromrichter kann eine Spule aufweisen, wobei ein Strom durch die Spule abgetastet wird.The power converter may include a coil, wherein a current is sensed by the coil.

Der Stromrichter kann ein Hochsetzsteller sein.The power converter can be a boost converter.

Die Stromrichterperiodendauer kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 μs bis 200 μs, bevorzugt zwischen 40 μs und 60 μs, liegen.The converter period may, for example, be in a range between 1 μs to 200 μs, preferably between 40 μs and 60 μs.

Die erste Abtastperiodendauer kann kleiner oder größer als die Stromrichterperiodendauer sein. Sie kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 60 μs bis 100 μs oder 20 μs bis 55 μs liegen.The first sampling period may be less than or greater than the converter period. It may, for example, be in a range between 60 μs to 100 μs or 20 μs to 55 μs.

Der Stromrichter kann eine lückende Betriebsart und eine nicht-lückende Betriebsart aufweisen bzw. je nach Belastung einnehmen.The power converter can have a latching operating mode and a non-latching operating mode or occupy depending on the load.

Der Strom und/oder die Spannung des Stromrichters kann/können periodisch mit einer zweiten Abtastperiodendauer zum Bilden eines zweiten Abtastwerts bzw. zweiter Abtastwerte abgetastet werden, wobei die Stromrichterperiodendauer eine ganzzahlige Vielfache n, mit n = 1, 2, 3, ..., der zweiten Abtastperiodendauer ist. Es kann ein zweiter Mittelwert über die zweiten Abtastwerte während einer jeweiligen Stromrichterperiodendauer gebildet werden, wobei der Betrieb des Stromrichters in Abhängigkeit von dem zweiten Mittelwert gesteuert bzw. geregelt wird.The current and / or the voltage of the converter can be sampled periodically with a second sampling period to form a second sample or second samples, the converter period being an integer multiple n, where n = 1, 2, 3,. the second sampling period is. A second average may be formed over the second samples during a respective power converter period, with the operation of the power converter being controlled in response to the second average.

Der PV-Wechselrichter weist einen Stromrichter zum Anschließen eines oder mehrerer PV-Module, Mittel zum Abtasten eines Stroms und/oder einer Spannung des Stromrichters und eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, das oben genannte Verfahren durchzuführen.The PV inverter comprises a power converter for connecting one or more PV modules, means for sensing a current and / or a voltage of the power converter, and a control device configured to perform the above-mentioned method.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch: The invention will be described in detail below with reference to the drawings. This shows schematically:

1 einen herkömmlichen Stromrichter in Form eines Hochsetzstellers, der Bestandteil eines PV-Wechselrichters ist, 1 a conventional converter in the form of a boost converter, which is part of a PV inverter,

2 Signale des in 1 gezeigten Hochsetzstellers während eines nicht-lückenden Betriebs und 2 Signals of in 1 during a non-latching operation and

3 Signale des in 1 gezeigten Hochsetzstellers während eines lückenden Betriebs. 3 Signals of in 1 shown boost converter during a lückenden operation.

1 zeigt einen Stromrichter in Form eines Hochsetzstellers 1, der Bestandteil eines nicht näher dargestellten PV-Wechselrichters ist. 1 shows a power converter in the form of a boost converter 1 , which is part of a non-illustrated PV inverter.

An einem Eingang des Hochsetzstellers 1 steht eine Eingangsspannung UE an, die von einem oder mehreren nicht gezeigten PV-Modulen erzeugt wird.At an entrance of the boost converter 1 is an input voltage UE, which is generated by one or more PV modules, not shown.

An einem Ausgang des Hochsetzstellers 1 wird eine Ausgangsspannung UA ausgegeben, die als Eingangsspannung eines nicht dargestellten Umrichters dient. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.At an output of the boost converter 1 an output voltage UA is output, which serves as an input voltage of an inverter, not shown. In order to avoid repetition, reference should also be made in this regard to the relevant specialist literature.

Der Hochsetzsteller 1 weist weiter in der gezeigten Beschaltung einen Eingangskondensator CE, eine Spule L, ein getaktetes Schaltmittel S, eine Diode D und einen Ausgangskondensator CA auf. Weiter sind nicht dargestellte Mittel zum Messen bzw. periodischen Abtasten des Stroms I vorgesehen.The boost converter 1 further includes in the circuit shown an input capacitor CE, a coil L, a clocked switching means S, a diode D and an output capacitor CA. Further, not shown means for measuring or periodic sampling of the current I are provided.

Der Betrieb des Frequenzumrichters wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.The operation of the frequency converter will be described below with reference to FIGS 2 and 3 described.

2 zeigt den Strom I des in 1 gezeigten Hochsetzstellers während eines nicht-lückenden Betriebs und erste (Strom-)Abtastwerte, eckig dargestellt, und zweite (Strom-)Abtastwerte, rund dargestellt. 2 shows the current I of the in 1 during a non-latching operation and first (current) samples, shown in square and second (current) samples, shown around.

Das Schaltmittel S des Hochsetzstellers 1 wird zur Pulsweitenmodulation periodisch mit einer Stromrichterperiodendauer SP getaktet.The switching means S of the boost converter 1 is clocked to the pulse width modulation periodically with a power converter period SP.

Die zweiten Abtastwerte, wobei pro Stromrichterperiodendauer SP ein oder mehrere, gleichverteilte zweite Abtastwerte gewonnen werden können, dienen herkömmlich zur Betriebssteuerung des Hochsetzstellers 1, beispielsweise zur Regelung eines Hochsetzstellerstromes und/oder zur Schutzabschaltung.The second samples, wherein one or more equally distributed second samples can be obtained per converter period SP, conventionally serve to control the operation of the boost converter 1 , For example, for controlling a boost converter current and / or the protective shutdown.

Die ersten Abtastwerte werden durch periodisches Abtasten des Stroms I mit einer ersten Abtastperiodendauer AP1 gewonnen, die von der Stromrichterperiodendauer SP verschieden, hier größer, ist. Aufgrund der unterschiedlichen Periodendauern SP und AP1 wandert ein Abtastzeitpunkt über fortlaufende Stromrichterperioden in Art einer Schwebung. Wenn eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise 20 ms, bzw. eine Vielfache der Stromrichterperiodendauer verstrichen ist, wird ein Mittelwert über die ersten Abtastwerte gebildet. Der derart erzeugte Mittelwert wird als Istwert einer im Übrigen herkömmlichen MPP-Regelung verwendet.The first samples are obtained by periodically sampling the current I with a first sampling period AP1 that is different, here larger, from the converter period SP. Due to the different period durations SP and AP1, a sampling instant migrates over continuous converter periods in the manner of a beat. If a predetermined period of time, for example 20 ms, or a multiple of the converter period has elapsed, an average value is formed over the first samples. The mean value thus generated is used as the actual value of an otherwise conventional MPP control.

Der Strom I wird zweimal mit unterschiedlichen Frequenzen zum Erzeugen der ersten und der zweiten Abtastwerte abgetastetThe current I is sampled twice at different frequencies to produce the first and second samples

3 zeigt entsprechendes für den lückenden Betrieb. 3 shows the corresponding for the lückenden operation.

Erfindungsgemäß wird mittels einer zusätzlichen Stromabtastung aus dem Spulenstrom I einer vorgeschalteten DC/DC-Wandlerstufe (Hochsetzsteller 1) eines Photovoltaikwechselrichters der zur Regelung notwendige Eingangsgleichstrom für die MPP-Regelung ermittelt.According to the invention by means of an additional current sampling from the coil current I of an upstream DC / DC converter stage (boost converter 1 ) of a photovoltaic inverter determines the necessary for the control input DC current for the MPP control.

Für die MPP-Regelung ist es wichtig, dass der gemessene Stromistwert möglichst genau und stetig ist. Es dürfen keine Sprünge in den Messwerten auftreten. Diese Randbedingung ist vor allem beim Wechsel vom lückenden Betrieb in den nicht lückenden Betrieb der DC/DC-Wandlerstufe 1 schwer zu erfüllen, wenn der Strom-Istwert beispielsweise durch Mittelwertbildung über die Stromrichterperiodendauer SP gewonnen wird.For the MPP control, it is important that the measured actual current value is as accurate and continuous as possible. There must be no jumps in the measured values. This boundary condition is especially when changing from the lopsided operation in the non-lopsided operation of the DC / DC converter stage 1 hard to meet if the current actual value is obtained, for example, by averaging over the Stromrichterperiodendauer SP.

Da die MPP-Regelung im Vergleich zur Stromregelung des Hochsetzstellers 1 sehr große Zeitkonstanten aufweist, ist es nicht notwendig, den Strom-Istwert der MPP-Regelung schnell zu erfassen.Since the MPP control compared to the current control of the boost converter 1 has very large time constants, it is not necessary to quickly detect the current value of the MPP control.

Erfindungsgemäß wird in jeder Stromrichterperiode SP ein erster Abtastwert erzeugt, der bezogen auf einen vorangegangenen ersten Abtastwert eine andere zeitliche Lage innerhalb der Stromrichterperiode SP aufweist. Bei geeigneter Wahl der Differenz zwischen der Abtastperiodendauer AP1 und der Stromrichterperiodendauer SP und der Anzahl der bei der Mittelwertbildung berücksichtigten ersten Abtastwerte wird die Stromrichterperiodendauer SP zeitlich äquidistant abgetastet, vorausgesetzt, dass der Stromverlauf während der gewählten Zeitbasis unverändert bleibt. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten der Stromregelung einerseits und der MPP-Regelung andererseits ist diese Voraussetzung in der Regel erfüllt.According to the invention, a first sample value is generated in each converter period SP, which has a different temporal position within the converter period SP relative to a preceding first sample value. Given a suitable choice of the difference between the sampling period duration AP1 and the converter period SP and the number of first samples taken into account during averaging, the converter period SP is sampled equidistantly in time, provided that the current profile remains unchanged during the selected time base. Due to the different time constants of the current control on the one hand and the MPP control on the other hand, this condition is met as a rule.

Der solchermaßen gebildete Mittelwert entspricht daher dem tatsächlichen Eingangsgleichstrom und ist als Istwert für die MPP-Regelung gut geeignet.The average value formed in this way therefore corresponds to the actual DC input current and is well suited as the actual value for the MPP control.

Erfindungsgemäß erfolgt folglich eine bezogen auf die Taktung des Stromrichters 1 asynchrone Abtastung des zeitlich veränderlichen Stroms I zur Ermittlung eines Gleichstromsignals, das als Basis für die MPP-Regelung dient.According to the invention thus takes place based on the timing of the power converter 1 Asynchronous sampling of the time-varying current I to determine a DC signal, which serves as the basis for the MPP control.

Claims (8)

Verfahren zur Maximum Power Point(MPP)-Regelung mittels eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters, wobei der PV-Wechselrichter einen Stromrichter (1) zum Anschließen eines oder mehrerer PV-Module aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – periodisches Takten des Stromrichters (1) mit einer Stromrichterperiodendauer (SP), – Bilden erster Abtastwerte durch periodisches Abtasten eines Stroms (I) und/oder einer Spannung des Stromrichters (1) mit einer ersten Abtastperiodendauer (AP1), die von der Stromrichterperiodendauer (SP) derart verschieden ist, dass in jeder Stromrichterperiode ein erster Abtastwert erzeugt wird, der bezogen auf einen vorangegangenen ersten Abtastwert eine andere zeitliche Lage innerhalb der Stromrichterperiode aufweist, – Bilden eines ersten Mittelwerts über eine Anzahl von ersten Abtastwerten und – Verwenden des ersten Mittelwerts als Istwert der MPP-Regelung.Method for maximum power point (MPP) control by means of a photovoltaic (PV) inverter, wherein the PV inverter is a power converter ( 1 ) for connecting one or more PV modules, the method comprising the steps: - periodically clocking the power converter ( 1 ) with a converter period (SP), - forming first samples by periodically sampling a current (I) and / or a voltage of the converter ( 1 ) having a first sampling period (AP1) that is different from the power converter period (SP) such that in each power converter period a first sample is generated having a different timing within the power converter period with respect to a previous first sample, forming a first one Averaging over a number of first samples and using the first mean as the actual value of the MPP control. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stromrichter (1) eine Spule (L) aufweist, wobei ein Strom (I) durch die Spule (L) abgetastet wird.A method according to claim 1, characterized in that - the power converter ( 1 ) has a coil (L), wherein a current (I) is scanned by the coil (L). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stromrichter (1) ein Hochsetzsteller ist.The method of claim 1 or 2, characterized in that - the converter ( 1 ) is a boost converter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stromrichterperiodendauer (SP) in einem Bereich zwischen 1 μs bis 200 μs liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter period duration (SP) is in a range between 1 μs to 200 μs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Abtastperiodendauer (AP1) in einem Bereich zwischen 60 μs bis 100 μs oder 20 μs bis 55 μs liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the first sampling period (AP1) is in a range between 60 μs to 100 μs or 20 μs to 55 μs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stromrichter (1) eine lückende Betriebsart und eine nicht-lückende Betriebsart aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter ( 1 ) has a latching mode and a non-latching mode. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte, – periodisches Abtasten des Stroms (I) und/oder der Spannung des Stromrichters (1) mit einer zweiten Abtastperiodendauer (AP2), wobei die Stromrichterperiodendauer (SP) eine ganzzahlige Vielfache der zweiten Abtastperiodendauer (AP2) ist, zum Bilden zweiter Abtastwerte, – Bilden eines zweiten Mittelwerts über die zweiten Abtastwerte während einer jeweiligen Stromrichterperiodendauer (SP), und – Verwenden des zweiten Mittelwerts als Istwert zur Steuerung und/oder Regelung des Stromrichters (1).Method according to one of the preceding claims, characterized by the steps, - periodic sampling of the current (I) and / or the voltage of the power converter ( 1 ) having a second sampling period (AP2), the power converter period (SP) being an integer multiple of the second sampling period (AP2), forming second samples, - forming a second average over the second samples during a respective power converter period (SP), and Using the second mean value as an actual value for controlling and / or regulating the power converter ( 1 ). PV-Wechselrichter, aufweisend: – einen Stromrichter (1) zum Anschließen eines oder mehrerer PV-Module, – Mittel zum Abtasten eines Stroms und/oder einer Spannung des Stromrichters (1) und – eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.PV inverter, comprising: - a power converter ( 1 ) for connecting one or more PV modules, - means for sensing a current and / or a voltage of the power converter ( 1 ) and - a control device, which is designed to carry out the method according to one of the preceding claims.
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